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Modeling the influence of surface pitting on contact pressures and friction coefficients under elastohydrodynamic lubrication conditions

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Mirkarimi, Hengameh Sadat (2020). Modeling the influence of surface pitting on contact pressures and friction coefficients under elastohydrodynamic lubrication conditions. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Mechanical components used in machinery are lubricated to prevent wear and enhance their efficiency. Fluid film lubrication reduces heat generation, attenuates surface pressure, and eventually, results in improvements in equipment operation. Depending on external loads and speed, different lubrication regimes may take place. Specifically, the elastohydrodynamic regime describes the lubrication response produced between two mating surfaces sustaining an external load concentrated on a small contact area and causing elastic deformations comparable to the fluid film thickness. This regime of lubricationmainly appears between non-conformal surfaces.

Classical numerical models for elastohydrodynamic lubrication were developed to predict the pressure distributions and the lubricant film thickness profiles generated between smooth or rough surfaces. In addition, in real-world applications, different failure types deteriorate the surface quality and cause micro and even macro changes in the contact conditions.

Pitting is one of the most common surface failures. This damage results from cyclic contact loadings. Surface pits significantly affect pressure distributions, lubricant film thickness, and friction coefficients. In this thesis, we examine the consequences of surface pitting on the line contact problem. The thesis first tackles the modeling of the dry contact between two cylinders. The considered approach is based on the Hartnet algorithm. This algorithm is enhanced by the mirroring of the pressure patches associated with the Guilbault’s overcorrection factor to eliminate the shear and normal stress distributions generated onto the free surfaces. Afterward, the model preparation introduces the Reynolds equation to the solution and form the elastohydrodynamic model for smooth surfaces. The model validation compares the predicted pressure distributions and film thicknesses to reference values. This process considers different loading and speed conditions. Then, the developments integrate the time-variant term of the Reynolds equation into the model. This element allows for modeling surface pits. The study examines different pit depths and arrangements to investigate the influence of surface damages on the lubrication of cylindrical rollers. The analysis compares the response established for smooth and pitted surfaces. The numerical predictions confirm that the introduction of pits significantly affects the surface pressures, the film thicknesses, and the coefficients of friction.

Titre traduit

Modélisation de l'influence des piqûres de surface sur les pressions de contact et les coefficients de frottement en régime de lubrification élastohydrodynamique

Résumé traduit

Les composants mécaniques utilisés dans les machines sont lubrifiés pour prévenir l’usure et améliorer leur efficacité. La lubrification réduit la génération de chaleur, atténue la pression de surface, et enfin améliore le fonctionnement des équipements. En fonction ses charges externes et des vitesses, différents régimes de lubrification peuvent exister. Plus précisément, le régime élastohydrodynamique décrit le comportement d’un lubrifiant entre surfaces soumises à une charge externes concentrée sur une petite zone de contact, et provoquant des déformations élastiques d’amplitude comparable à l’épaisseur du film de lubrifiant. Ce régime de lubrification apparaît principalement entre des surfaces non conformes.

Les modèles numériques classiques de lubrification élastohydrodynamique ont été développés pour prédire les distributions de pression et les épaisseurs de film de lubrifiant générées entre surfaces lisses ou rugueuses. Cependant, dans des applications réelles, différents types de dégradation peuvent détériorer la qualité des surfaces, et entraîner des changements micro et souvent
acroscopiques des conditions de contact.

Les piqûres font partie des défaillances de surface les plus courantes. Ce dommage résulte de chargements cycliques. La présence de piqûres de surface affecte de manière significative les distributions de pression, les épaisseurs de film de lubrifiant et les coefficients de frottement. Ce mémoire s’attelle d’abord à modéliser le contact sec entre deux cylindres. L’approche adoptée s’appuie sur l’algorithme proposé par Hartnet. Cet algorithme est complété par l’ajout de cellules de pression en miroir, combinées au facteur de sur correction proposé par Guilbault, afin d’éliminer les distributions de contrainte normale et de cisaillement générées sur les surfaces libres. Par la suite, dans le but d’obtenir un modèle élastohydrodynamique pour surfaces lisses, la démarche proposée ajoute l’équation de Reynolds à la solution. La validation du modèle repose sur une comparaison des distributions de pression et épaisseurs de film prédites à des valeurs de référence. Le processus considère différentes conditions de charge et de vitesse. Ensuite, les développements intègrent le terme de l’équation de Reynolds variant dans le temps. Cet élément permet de modéliser des piqûres de surface. L’étude considère différentes profondeurs et configurations de piqûres, afin de comprendre l’influence des défauts de surface sur la lubrification de rouleaux cylindriques. L’analyse compare les réponses obtenues pour des surfaces lisses et dégradées. Les prédictions du modèle numérique confirment que la présence de piqûres affecte de manière importante les pressions de surface, les épaisseurs de film de lubrification, ainsi que les coefficients de frottement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 91-94).
Mots-clés libres: lubrification élastohydrodynamique, pression de surface, épaisseur de film, friction, piqûres, défauts de surface
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Guilbault, Raynald
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 11 janv. 2021 16:17
Dernière modification: 11 janv. 2021 16:17
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2591

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