Semi-Empirical Study of Starvation in Mixed Elastohydrodynamic Lubrication of a Point Contact

Abstract

The aim of this research was to investigate the behaviour of a starved lubricating film in mixed elasto-hydrodynamic regime, for the case of point contact. The literature defines starvation in lubrication as the condition that creates an appreciable decrease of the film thickness when the relative speed of the surfaces in contact is increased. The conditions of starvation for the mixed regime were studied experimentally and computationally. The film thickness was modelled through a combination of a numerical solution of Reynolds equation, applied to the contact geometry which induces an important variation of the viscosity of the lubricant with pressure, and the elastic deformation predicted by Hertz’s theory. In mixed lubrication the load supported by the bearing area is shared between the asperities and the lubricating film. A new iterative approach was developed for predicting the load distribution as function of the total shearing load at the contact zone produced by the relative motion. The Eyring stress model was used to predict the rheological behaviour of the lubricant under high pressure and shear.

Starvation was studied experimentally using a ball-on-rotating cylinder lubricity tester that allowed the measurement of the friction at the point contact under different operating conditions; using three oils with different viscosities. The rheological properties of these oils were assessed at various temperatures using a commercial rheometer. Several conditions of loading and surface roughness were explored at various relative speeds. It was found that operating conditions influenced significantly the occurrence and severity of starvation, which consequently affected the film thickness. On the other hand, the onset of starvation was delayed with increasing surface roughness, implying its beneficial effect of acting as a reservoir. The concept of meniscus formation at the inlet of the contact zone in starved condition, was considered for the interpretation of these results. A criterion predicting the condition of starvation has been developed.

Le but de cette recherche était d’investiguer le comportement d’un film de lubrification sous carence en régime élasto-hydrodynamique mixte d’un contact ponctuel. La littérature définie la condition de carence en lubrification par la diminution notable de l’épaisseur du film quand la vitesse relative des surfaces en contact accrois. Les conditions de carence pour le cas du régime mixte ont été étudiées expérimentalement et par méthode computationnelle. L’épaisseur du film a été modélisée par une combinaison de la solution numérique de l’équation de Reynolds, appliquée à la géométrie de ce contact qui produit une variation importante de la viscosité du lubrifiant avec la pression, et la déformation élastique prédite par la théorie de Hertz. En régime de lubrification mixte, la charge supportée par la surface d’appui est distribuée parmi les aspérités et le film de lubrification. Un processus itératif nouveau a été développé pour la prédiction de cette distribution en fonction de la charge de cisaillement au niveau du contact; produite par le mouvement relatif. Le model de la contrainte de Eyring a été utilisé pour prédire le comportement rhéologique du lubrifiant.

La carence de lubrification a été étudiée expérimentalement à l’aide d’un tribomètre du type sphère sur cylindre tournant, simulant un contact ponctuel, permettant l’évaluation du frottement au niveau de l’interface à diverses conditions d’opération; pour le cas de trois huiles de viscosités différentes. Les propriétés rhéologiques de ces huiles ont été déterminées à différentes températures à l’aide d’un rhéomètre commercial. Différentes conditions de chargement, et rugosités de surface ont été examinées à diverses vitesses relatives de glissement. Il a été conclu que les conditions d’opération influencent grandement l’apparition de la carence de lubrification qui par conséquent affecte l’épaisseur du film ainsi que son comportement. Par ailleurs la carence est retardée dans le cas des surfaces rugueuses suggérant que les creux de la rugosité servent de réservoir de lubrifiant. Le concept de formation de ménisque à l’entrée de la zone de contact, a été considéré pour l’interprétation de ces résultats. Un critère de prédiction de la condition de carence a été proposé.