Quando un veicolo elettrico accelera, il motore genera la massima forza e sugli ingranaggi della trasmissione elettrica agiscono enormi pressioni. La superficie incontra la superficie, il metallo incontra il metallo. Se non ci fosse una pellicola lubrificante che consenta agli ingranaggi di scorrere più facilmente, non solo diventerebbero estremamente caldi ma si consumerebbero anche rapidamente. "Senza una pellicola lubrificante, molte cose nella nostra vita quotidiana sarebbero più lente, cigolanti e a scatti", spiega il Prof. Michael Moseler, responsabile della Business Unit Tribologia presso il Fraunhofer IWM.
"Un veicolo elettrico sicuramente non raggiungerebbe mai un'autonomia così elevata", aggiunge la Dott.ssa Kerstin Falk, a capo del team "Molecular Lubrication Design". Insieme, stanno studiando il comportamento dei film lubrificanti nei contatti tribologici altamente sollecitati al fine di prevederne l'idoneità per il funzionamento a basso attrito.
Che il materiale in questione sia metallo, plastica o ceramica, la lubrificazione ideale può far risparmiare oltre il 20% di energia poiché le macchine funzionano con minore resistenza. Questo è anche un campo di ricerca promettente in termini di sostenibilità.
Non c'è quindi da meravigliarsi che le aziende partner del MicroTribology Center µTC, una collaborazione tra il Fraunhofer IWM e il Karlsruhe Institute of Technology (KIT), siano molto interessate a ridurre il più possibile l'attrito nei loro sistemi.
"Molti sistemi tribologici vengono ora progettati al loro limite di carico, dove si verificano spessori del film lubrificante nell'ordine dei nanometri e pressioni nell'ordine dei gigapascal. I nostri partner si chiedono come calcolare l'attrito in un componente con contatti tribologici così altamente caricati, come quelli convenzionali Gli approcci di calcolo fluidodinamico falliscono in queste condizioni estreme", afferma Kerstin Falk, riassumendo il problema.
Insieme al loro team di simulazione presso il MicroTribology Centrum μTC, Falk e Moseler hanno trovato una risposta a questa domanda. Hanno pubblicato le loro ricerche su Science Advances .
Il modo in cui l'attrito può essere calcolato e quindi mantenuto il più basso possibile dipende dal regime di lubrificazione a cui un'azienda mira nei suoi componenti. Di solito, vuole guidare i suoi tribosistemi, dove una forza preme insieme i corpi primario e controcorrente, in condizioni elastoidrodinamiche.
Un film lubrificante, il cui spessore è molto maggiore della rugosità delle due superfici, ha lo scopo di ridurre l'attrito. In questo caso, l’attrito può essere previsto con precisione utilizzando un approccio della meccanica del continuo. Ciò comporta la risoluzione della cosiddetta equazione di Reynolds per il lubrificante, che Osborne Reynolds derivò nel 1886.
Inoltre, vengono calcolate l'equazione di conduzione del calore per l'intero sistema e le equazioni elastiche lineari per entrambe le superfici. Gli unici dati materiali richiesti sono i moduli di elasticità e i rapporti di Poisson dei partner di attrito, la conduttività termica e le capacità termiche di tutti i materiali coinvolti, nonché leggi costitutive accurate, per la densità del fluido e per la sua viscosità dinamica per un campo parametrico costituito da pressione, temperatura e velocità di taglio locale nel fluido. Questo è lo stato dell'arte.
Se però il sistema tribologico viene fatto funzionare con lubrificazione limite, con un film lubrificante molto sottile in cui i contatti delle asperità, cioè i picchi di rugosità, sono separati solo da pochi strati atomici del lubrificante, si ottiene solo un coefficiente di attrito stimato approssimativamente utilizzato nei calcoli per i punti di contatto "a secco".
"Ciò è molto insoddisfacente perché i calcoli con parametri dei materiali ipotizzati sono imprecisi, portano a progetti non ottimali e, in definitiva, costano molto denaro alle aziende", afferma Michael Moseler.
Kerstin Falk e Michael Moseler non si sono accontentati di questo:insieme a quattro aziende partner del MicroTribology Centrum µTC, hanno studiato la propria legge matematica per il comportamento di film lubrificanti estremamente sottili in un progetto di tre anni e hanno sviluppato ulteriormente l'equazione di Reynolds, quindi parlare. "Volevamo capire come si comporta l'attrito nella lubrificazione limite", spiega Moseler.
Lo scopo del progetto è chiarire al di sotto di quale spessore del film lubrificante la meccanica del continuo fallisce e come le equazioni sottostanti possono essere estese in modo da poter calcolare un film lubrificante più sottile della rugosità superficiale.
A questo scopo, è stata calcolata la dinamica molecolare di un lubrificante idrocarburico in una geometria di contatto con asperità, ad esempio due superfici di carbonio simile al diamante (DLC) lubrificate con un olio base di polialfaolefina (PAO). I risultati della simulazione di dinamica molecolare sono stati poi confrontati con quelli dell'equazione di Reynolds.
Il risultato clamoroso:per pressioni tra i partner di attrito inferiori a 0,4 gigapascal e altezze dello spazio di lubrificazione superiori a 5 nanometri, la descrizione di Reynolds concorda bene con i calcoli di riferimento della dinamica molecolare, a condizione che venga utilizzata un'esatta legge costitutiva per la viscosità del lubrificante.
Kerstin Falk e Michael Moseler hanno invece potuto dimostrare che in condizioni limite di lubrificazione estreme, vale a dire pressioni elevate di ca. 1 gigapascal e piccole altezze di lubrificazione di ca. 1 nanometro, l'adesione del lubrificante alle superfici è ridotta e, pertanto, lo scorrimento tra un partner di attrito e il lubrificante deve essere incluso nel calcolo per prevedere correttamente l'attrito.
Ciò richiede una legge di scorrimento della parete non lineare. Ciò mette in relazione le velocità di scorrimento della parete (ovvero la differenza di velocità tra un partner di attrito e il lubrificante adiacente) con le sollecitazioni di taglio locali nel film lubrificante.
Con questi risultati della ricerca, i ricercatori stanno ora presentando un metodo innovativo per prevedere l’attrito in condizioni limite di lubrificazione. Un'ulteriore informazione richiesta per questa modellazione continua predittiva non empirica di contatti tribologici altamente caricati è la struttura atomica delle superfici di sfregamento. Questo viene determinato mediante analisi sperimentali approfondite ed è un prerequisito per la legge sullo scivolamento del muro.
Le nuove scoperte del Fraunhofer IWM vengono ora utilizzate in progetti successivi per prevedere i coefficienti di attrito e il comportamento dell'attrito in applicazioni specifiche, ad esempio in ingranaggi e cuscinetti, nonché per supportare i partner di ricerca nello sviluppo di competenze di simulazione.
Possono quindi eseguire simulazioni di banchi di prova e componenti, ridurre le incertezze nella progettazione di sistemi tribologici e determinare con maggiore precisione i parametri di progettazione. Si tratta di un passo essenziale verso una progettazione di lubrificanti, superfici e componenti basata sulla conoscenza e dovrebbe rivelarsi estremamente interessante per i produttori di lubrificanti e rivestimenti, nonché per i produttori di cuscinetti e ingranaggi.
Ulteriori informazioni: Andrea Codrignani et al, Verso una descrizione continua della lubrificazione in costrizioni nanometriche altamente pressurizzate:l'importanza di leggi di scorrimento accurate, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2649
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