1. BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG
1.2. Vùng bôi trơn màng chất lỏng
Có 5 dạng bôi trơn cơ bản là thuỷ tĩnh, thuỷ động, thuỷ động đàn hồi, bôi trơn hỗn hợp và bôi trơn biên chỉ ra trên Hình 4-1 .
Hình 4-1: Mô hình một số dạng bôi trơn ứng dụng trong kỹ thuật.
Vùng bôi trơn trong đó một lớp màng bôi trơn dày hơn chiều cao nhấp nhô giữa hai bề mặt được duy trì nhờ bơm từ bên ngoài mà không cần hoặc chỉ cần một chút chuyển động tương đối giữa chúng gọi là bôi trơn thuỷ tĩnh. Bôi trơn thuỷ tĩnh có thể sử dụng cả chất lỏng nén được và chất lỏng không nén được. Nhược điểm của kiểu bôi trơn này là áp suất chất bôi trơn cao nên cần bơm áp suất cao và các thiết bị làm sạch dẫn đến tăng chi phí.
Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng. Bôi trơn thuỷ động thường được thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao cho ổ. Màng chất lỏng này có thể được tạo nên do chuyển động tịnh tiến khứ hồi hoặc dao động theo hướng vuông góc với nhau với biên độ thay đổi hoặc không đổi. Cơ chế chịu tải này dựa vào hiện tượng chất lỏng nhớt không thể trào ra ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau. Chất lỏng này cần một khoảng thời gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc với nhau, tuy nhiên do sức cản nén của chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất lỏng sẽ đủ để đỡ tải trọng.
Khi bỏ tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào và tạo nên lớp màng chất lỏng cho chu kỳ chịu tải tiếp theo. Hiện tượng màng ép là nguyên nhân hình thành lớp màng nước dưới bánh ô tô và máy bay trên đường hoặc đường băng ướt loại trừ hầu hết chuyển động trượt tương đối. Hiệu ứng màng ép được ứng dụng để giảm ma sát ở chỗ tiếp xúc.
Hình 4-2: Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi không có trợ giúp
của bơm ngoài.
Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tưởng để tạo nên lớp màng bôi trơn dày khoảng (5 μm - 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ, loại trừ tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô. Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm đến 0,001. Ma sát tăng khi tăng vận tốc trượt do sức cản nhớt tăng.
Trong bôi trơn thuỷ động, mòn do dính không xảy ra trong quá trình khởi động và tắt máy. Tuy nhiên mòn hoá học có thể xảy ra do tương tác của bề mặt vật rắn với chất bôi trơn. Để giảm mòn hoá học người ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một lớp màng trơn.
Bôi trơn đàn hồi thuỷ động là một dạng của bôi trơn thuỷ động trong đó biến dạng đàn hồi tại chỗ tiếp xúc của hai bề mặt đóng vai trò quan trọng trong quá trình bôi trơn. Lớp màng bôi trơn có chiều dày mỏng hơn (khoảng 0,5 μm - 5μm) nhưng tải trọng chủ yếu được đỡ bởi lớp màng bôi trơn này. Trên một số vùng biệt lập các nhấp nhô bề mặt có thể chạm vào nhau.
Vùng chuyển tiếp giữa bôi trơn thuỷ động hoặc đàn hồi thuỷ động và bôi trơn biên (boundary) gọi là vùng bôi trơn hỗn hợp trong đó cả hai cơ chế bôi trơn có thể cùng xảy ra. Tần xuất của các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh nhấp nhô có thể nhiều hơn nhưng một phần tải trọng tác dụng lên ổ được đỡ bởi màng bôi trơn thuỷ động. Các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô không được bảo vệ có thể dẫn đến một chu kỳ dính, chuyển vật liệu (material tranfer), sự hình thành hạt mòn và cuối cùng là kẹt. Tuy nhiên sử dụng các màng bôi trơn hoạt tính về hoá, lý có thể ngăn được sự dính xảy ra đối với phần lớn các tiếp xúc nhấp nhô.
Khi tăng tải, giảm vận tốc hoặc độ nhớt của chất bôi trơn, hệ số ma sát có thể tăng đáng kể và đạt tới mức cao (khoảng 0,1 hoặc cao hơn).
Bôi trơn biên là dạng bôi trơn mà các bề mặt rắn tiếp xúc gần nhau tới mức mà tương tác giữa các lớp màng đơn hoặc đa phân tử của chất bôi trơn và đỉnh các nhấp nhô rắn quyết định tính chất tiếp xúc. Sự phá huỷ bề mặt bôi trơn boundary có thể là dính hoặc hoá học. Chất bôi trơn biên hình thành một lớp màng có sức bền cắt thấp (dễ cắt) trên các bề mặt ổ dẫn đến làm giảm đến tối thiểu mòn do dính và mòn hoá.