Name: experiments on ultrasonic lubrication using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer
Uploaded: 2015-09-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 21 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer at JoVE.com

저자는 기여 그들의 기술 지원 및 현물 혼다 R &amp; D에서 NASA 글렌과 드웨인 Detwiler에서 팀 랜츠을 인정하고 싶습니다. 이 연구에 대한 재정 지원이 스마트 자동차 개념 센터 (www.SmartVehicleCenter.org)의 회원 단체에 의해 제공되었다, 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 산업 / 대학 협동 연구 센터 (I / UCRC). SD는 스마트 자동차의 개념 친목 대학원과 오하이오 주립 대학 대학원에서 대학 원정대에 의해 지원됩니다.

수정 마찰 계 1. 개발 <ol><li> 척 모터 서브 시스템을 설치합니다. <ol><li> 레벨 진동 절연 테이블. 테이블에 DC 모터를 배치; 심과 모터를 수평 및 스트럿과 볼트로 고정합니다. 모터 주변의지지 프레임을 배치합니다. </li><li> 키를 이용하여 모터 축에 스플라인 샤프트를 연결한다. 스플라인 축이 판의 구멍을 통해가는 프레임에지지 플레이트를 넣습니다. 집합 지지판과 스플라인 축 주위 바늘 롤러 스러스트 베어링. 유체를 절단와 베어링 윤활. </li><li> 스플라인 일측에 축 결합하고, 다른 쪽의 척 볼트 패턴이 어댑터 플레이트를 통해 척에 스플라인 샤프트를 연결한다. 이 시점에서, 척은 스러스트 베어링을 통하여 상기 프레임에 의해지지되고, 어댑터 플레이트를 통해 모터에 연결. </li></ol></li><li> gymbal 어셈블리를 설치합니다. <ol><li> U-채널 스트럿, 괄호를 사용하여지지 프레임을 구축하고,볼트. 기둥과 같이 네 개의 긴 스트럿을 사용하고, 크로스 빔 3 개의 짧은 것을 사용. </li><li> 브래킷과 볼트를 사용 제진 테이블 네 기둥을 고정. 볼트와 너트를 사용하여 중앙 크로스 빔에 gymbal 어셈블리를 연결합니다. </li><li> gymbal 어셈블리의 수평 중심의로드 셀을 설치; 와이어 gymbal 팔에 반대편을 연결하는 동안 견고하게, gymbal 어셈블리의 프레임에로드 셀의 한 쪽을 연결합니다. </li></ol></li><li> 압전 액츄에이터를 조립합니다. <ol><li> 압전 스택의 구멍을 통해 긴, 완전히 스레드로드 3을 삽입; 하나의 세탁기와 스택의 각 끝에 하나의 너트를 넣어; 약 1/8 하나 너트의 끝에서 돌출 스레드에 둡니다. </li><li> 모두 스택의 프리로드를 만들 끝에서 너트를 조이십시오. 너트와 와셔를 사용하여 gymbal 팔에 긴 노출 스레드를 연결합니다. 척에 압전 액추에이터 및 삽입 디스크의 다른 끝에 나사 도토리 너트 (이 도토리 너트및 디스크)가없는 테스트, 설정 목적을 위해 사용된다. </li><li> 도토리 너트 디스크의 상부와 접촉하고 gymbal 아암 레벨이되도록 gymbal 조립체의 높이를 조정한다. </li><li> 도토리 너트와 디스크 사이의 접촉 지점은 약 25mm 떨어진 디스크의 회전 중심으로부터되도록 gymbal 조립체의 위치를​​ 조정한다. 안정성을 보장하기 위해 셋업에서 모든 볼트를 조입니다. </li></ol></li><li> 신호 생성, 신호 증폭, 및 데이터 수집 서브 시스템을 설정합니다. <ol><li> 실험실 컴퓨터에 데이터 수집 시스템을 연결합니다. 전기 증폭기의 입력 신호 발생기의 출력을 연결합니다. 압전 스택의 입력 와이어 앰프 출력을 연결합니다. 데이터 수집 시스템에 증폭기 모니터를 연결한다. </li><li> 신호 조절기에로드 셀을 연결하고 데이터 수집 시스템에 신호 컨디셔너의 출력을 연결한다. </li></ol></li><li> 추가 설정입니다.<ol><li> 공기를 쇼핑 공기 호스를 연결합니다. 이러한 압전 액츄에이터에 그 출구 가리키는 프레임 호스의 단부를 고정한다. 압전 액추에이터에 열전대의 끝을 테이프입니다. 독자 열전대 리드를 연결합니다; 프레임에 독자를 끊습니다. </li></ol></li></ol> 2. 사전 테스트 준비 <ol><li> 모터의 회전 속도를 보정한다. <ol><li> 척의 가장자리에 자석을 부착합니다. 척에 가까운 장소 홀 효과 프로브. 그는 데이터 수집 시스템과 연결하는 가우스 미터 홀 효과 프로브의 출력을 연결한다. </li><li> 데이터 수집 소프트웨어를 열고 데이터 수집을 시작합니다. 모터를 켜십시오; (10) (모터가 제공 낮은 회전 속도)로 모터 제어기의 속도 노브를 돌려. 모터가 10 회전을 위해 회전 한 후, 모터의 전원을 끄십시오. 데이터 수집을 종료합니다. </li><li> 저장된 데이터를 분석; 가우스 미터로부터의 출력 신호의 두 개의 피크 사이의 시간은 모터가 썩위한 시간하나의 전체 혁명을 먹었다. </li><li> 10 단위로 10 ~ 100 (가장 높은 회전 속도는 모터가 제공하는)에서 노브를 돌려; 반복은 2.1.3에 2.1.2 단계를 반복합니다. </li></ol></li><li> 계면 수직력을 측정하는 도토리 너트와 디스크 사이에 하중 센서 패드를 배치했다. 미세 기계 선반을 사용하여 테스트 디스크의 표면. </li><li> 청소 도토리 너트와 디스크는 시험 직전에 시험한다. <ol><li> 플라스틱 장갑에 넣고 실험실 와이프의 mask.Prepare 조각에 직면; 1 인치 사각형으로 그들을 배. 티슈 사각형에 에탄올을 분무; 부드럽게 그들과 함께 도토리 너트와 디스크의 표면을 닦으십시오. </li></ol></li><li> 깨끗한 도토리 너트와 디스크를 설치합니다. <ol><li> , 압전 액추에이터에 도토리 너트 스레드 오픈 엔드 렌치로 조여. 척에 디스크를 삽입; 확실 도토리 너트의 선단이 디스크 표면과 접촉하도록 위치를 조정한다. </li><li> 디스크와 gymbal 팔의 상부면을 맞 춥니 다. 그래서 척을 조디스크가 단단히 고정된다. </li></ol></li><li> 디스크의 회전 진동을 측정한다. <ol><li> 고정 레이저 변위 센서를 설치하고 마찰 계 옆에 고정 배치합니다. 디스크는 센서의 범위 내에 있고, 레이저 빔은 디스크에 수직이되도록 상기 센서의 높이와 각도를 조정한다. </li><li> 데이터 수집 시스템에 센서의 출력을 연결한다. 데이터 수집을 시작합니다. 모터의 전원을 켜고 10 회전의 디스크를 회전; 모터의 전원을 끄십시오. 데이터 수집을 종료합니다. </li></ol></li></ol> 3. 테스트를 수행 <ol><li> 초음파 진동으로 테스트합니다. <ol><li> 와이어와 두 개의 풀리를 통해 gymbal 팔에 연결 한 후크에 잠깐 2 N의 무게. 중량 도토리​​ 너트와 디스크 사이에 정상적인 하중을 적용하기 위해 사용된다. </li><li> 로드셀에 수평 텐션을 제공하기 gymbal 아암에 연결 다른 후크 다른 2 N의 중량을 중단. </li><li> 신호를 설정DC와 연속적인 사인파 신호를 제공하기 위해 발전기가 3 V 3 V의 진폭, 오프셋, 22 kHz의 (압전 액츄에이터의 공진 주파수)의 주파수. 오프셋 3 V가 압전 액츄에이터에 장력을 방지하기 위해 사용된다는 점에 유의. </li><li> 데이터 수집 (감소 마찰력)을 시작합니다. 앰프의 전원을 켜고 4.67의 실제 이득 (게인 노브에 숫자가 임의적)에 해당하는 15 게인 노브를 돌립니다. </li><li> 모터를 켜십시오; 20.3 mm / sec의 선형 속도를 제공하기 위해 6.67 rpm으로 회전 속도를 설정한다. 4 시간 동안 테스트를 실행합니다. </li><li> 모터와 앰프의 전원을 끄고, 다음 데이터 수집을 중지합니다. 셋업에서 테스트 도토리 너트와 디스크를 제거; 반복 새로운 도토리 너트와 디스크를 설치 2.5 2.3 단계를 반복합니다. </li><li> 반복 3.1.6에 3.1.1 단계를 반복합니다. 단계 3.1.5에서 13.3 rpm으로 각각 40.6 mm / 초 및 87mm / 초, 선형 속도를 제공하는 28.7 rpm으로 회전 속도를 설정; 2와 0.94 시간의 corresp에 대한 테스트를 실행ondingly. </li></ol></li><li> 초음파 진동없이 테스트합니다. <ol><li> 단계를 반복 3.1.6은 도토리 너트와 디스크를 변경합니다. 반복 신호 발생기와 신호 증폭기 오프 (측정 된 마찰 고유 마찰이다)와 3.1.6 3.1.1 단계를 반복합니다. </li></ol></li></ol> 4. 광학 프로파일로 측정 <ol><li> 측정 준비 <ol><li> 단계 2.3을 사용하여 측정 직전에 디스크를 청소합니다. 디스크의 가장자리 주위에 여덟 고르게 분포 표시를 확인합니다. 프로파일로 소프트웨어를 엽니 다. </li><li> 렌즈 샘플과 플랫폼 사이에 충분한 간격이 존재하도록 렌즈를 올린다. 샘플 플랫폼을 수준입니다. 플랫폼에 닦아 랩의 조각을 놓습니다. </li><li> 부드럽게 프로파일로의 전면을 마주 여덟 마크들의 하나의 상부에 조직 샘플을 놓는다. </li></ol></li><li> 측정 설정. <ol><li> 처리 유형으로 VSI (수직 스캐닝 간섭계)을 선택합니다. 에 대한 5 배 렌즈를 선택보기 및 전체 모양의 큰 필드. 2.4 mm 1.8 mm의 스캔 영역에 대한 0.55X 배율을 선택합니다. </li><li> 1X 스캔 속도를 선택합니다. -100 미터 ~ 100 미터로 검색 범위를 설정합니다. 화면 흐릿한 영상이있을 때까지 샘플을 향해 하방 렌즈를 가져온다. 이미지가 선명해질 때까지 렌즈의 높이를 조정합니다. </li><li> 검사의 수는 각각의 측정 평균로서 2를 선택합니다. 측정 버튼을 클릭합니다. </li></ol></li><li> 사후 측정 절차. <ol><li> 전체 시료의 기울기에 대한 원시 이미지를 보정 할 수있는 소프트웨어에 정의 된 비전 조리법을 사용합니다. 소프트웨어 분석 도구 상자를 엽니 다. </li><li> &quot;기본 통계&quot;항목에서 측정 된 조도 값을 얻습니다. &quot;볼륨&quot;항목에서 스캔 영역 내 마모 흉터의 측정 된 부피 손실을 가져옵니다. </li><li> x 및 y 방향으로 1 차원 프로파일의 화상을 저장, 2D 프로파일 3D 프로파일뿐만 아니라, 조도 값들의 테이블. 일까지 샘플을 시계 방향으로 돌려전자 표시는 다음 프로파일로의 전면에 대향. </li></ol></li><li> 반복 4.2 나머지 7마르크 4.3 단계를. </li><li> 반복 4.1 단계를 반복합니다. 여섯 디스크에 4.4. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

실험은 초음파 마찰 및 마모 저감에 선 속도의 효과를 연구하기 위해,이 프로토콜을 이용하여 수행 하였다. 측정은 초음파 진동을 효과적으로 마찰을 줄이고, 3 개의 선형 속도로 마모 보여준다. 이전의 관찰과 일치 마찰 감소량는 87mm / sec의 29.3 % 20.3 mm / sec로 62.2 % 감소 함. 착용 감소는 선형 속도 (48.6 %에 45.8 %)의 변화와 무시할 수있다. 초음파는 물질을 통해 전송 될 때 이러...

그들이 서로에 대해, 롤 밀거나 할 때 마찰이 두 접촉면의 계면에 존재한다. 마찰은 일반적으로 연마 또는 접착제 마모와 함께 발생합니다. 1 초음파는 즉, 고주파 현상 뒤에 과학, 파도 음향 범위 (20 kHz에서) 이상의 주파수에서 여행. 초음파 분야는 두 개의 근본적으로 다른 제도를 포함한다. 하나 정권 의료용 초음파 또는 구조물의 비파괴 검사와 같은 화상 형성 공정에서 이용 된 것과 같은 저 강도의 전파를 포함한다. 다른 고 에너지 파가 실행 또는 플라스틱과 금속의 용접과 같은 엔지니어링 프로세스를 지원하기 위해 이용되는 고전력 체제이다. 슬라이딩 접촉하는 계면에 효과적인 마찰력을 감소 그것은 두 개의 표면의 계면에서의 초음파 진동의 후자 종류의 애플리케이션을 보여왔다. 이러한 현상은 초음파 윤활로 알려져있다. 달성하기 위해두 개의 슬라이딩 개체 사이의 초음파 윤활, 초음파 주파수에서 상대적으로 진동이 그들 사이에 설정해야합니다. 진동은 일반적으로 종 방향, 횡 방향 또는 슬라이딩 속도에 대하여 수직 한 방향 중, 두 객체 중 하나에 적용된다. 선단이 마찰 계의 회전 디스크에 수직 인 방향으로 진동되도록 본 연구에서는 마찰 계의 핀은 압전 액츄에이터가 장착되어있다. 압전 물질은 여기 필드와 동일한 주파수에서 진동하는, 전계에 노출 될 경우 변형 &quot;스마트&quot;재료의 클래스이다. 압전 재료는 메가 헤르츠 범위에 잘 주파수에서 진동 할 수있다. 거시적 속도에 중첩되는, 초음파 진동은 순시 마찰력의 방향과 조합하여 효과적으로 마찰력 및 표면 마모의 감소에 이르게 표면 사이의 접촉을 교번하는 효과를 갖는다. </p&gt; 초음파 마찰 감소는 실제 생산 시스템에서 입증되었다. 예를 들어,이 기술은 공구 및 금속 가공시 피 가공물과 드릴링, 가압, 시트를 압연하고, 신선 등의 성형 공정 사이에 힘을 감소시키기 위해 이용되고있다. 장점은 표면 처리 (2)과 최종 제품에서 윤활제를 제거하는 비용과 환경 적으로 유해한 세제 감소 필요성을 개선 등이 있습니다. 가능성이 다른 지역에 초음파 윤활의 응용 프로그램뿐만 아니라이 있습니다. 예를 들어, 초음파 윤활 실질적 윤활제 또는 코팅에 대한 필요성을 제거함으로써 개인 건강 관리 제품에 사용자 경험을 향상시킬 수있다. 차량 좌석과 레일 사이의 마찰 감소는 달리 전통적인 부품 · mechani 의해 점유 될 유저 이동, 공간 절약 및 질량을 용이하게하는 반면, 자동차 애플리케이션들에서, 마찰 변조는 볼 조인트의 성능을 향상시킬 수있다문자. 초음파 윤활 또한 파워 트레인 및 서스펜션 시스템에 마찰을 줄임으로써 연료 효율을 개선하는데 도움이 될 수있다. (3) 기존의 윤활제를 사용할 수없는 공간 애플리케이션에서, 초음파 윤활 마모를 줄이고 극적 중요한 구성 요소의 수명을 연장하는 데 사용될 수있다. 초음파 윤활을 통해 마찰 감소의 실험실 시위가 많다. 마찰 감소는 초음파인가 윤활 및 초음파 진동과 마찰력없이 측정 마찰력의 차이로 정량화된다. 어느 경우 마찰력 직접 힘 센서로 측정된다. Littmann 외. 4-5 힘 센서와 프레임이 마찰력을 측정하고 정상 부하를인가 설치된하는 슬라이더에 압전 구동 식 액츄에이터를 접속. 공압 액추에이터는 가이드 레일을 따라 상기 액추에이터와 함께 슬라이더를 밀어 사용 하였다. UltrasoniC는 종 방향 진동 속도로 슬라이딩 방향으로인가 하였다. Bharadwaj 및 Dapino 6-7 스택의 어느 단부에 원추형 도파로에 접속 스택 압전 액츄에이터를 사용하여 유사한 실험을 수행 하였다. 연락처 콘 구형 에지와 가이드 레일의 표면 사이에 일어났다. 이러한 접촉 강성, 정상로드 및 글로벌 강성 등의 시스템 파라미터의 효과를 연구 하였다. 쿠마과 허칭 (8)는 초음파 변환기에 의해 에너지를 한 sonotrode에 핀을 설치했다. 초음파 진동은 발생 공구강 표면과 접촉하여 배치 된 핀에 전달 하였다. 수직력은 공압 실린더에 의해 도포하고,로드 셀에 의해 측정 하였다. 핀과 디스크 사이의 상대 운동은 왕복 표에 의해 만들어졌습니다. Pohlman 및 Lehfeldt 9는 핀 - 온 - 디스크 실험을 구현했습니다. 다른 연구와는 달리, 그들은 magnetostrict 고용초음파 진동을 발생하는 트랜스 듀서를 필자. 초음파 마찰 감소를위한 최적의 방향을 연구하기 위해, 트랜스 듀서는주의 깊게 정렬 그래서 진동 방향이 거시적 속도로, 세로 폭과 수직이었다. 그들은 건조 윤활면 모두에서 초음파 마찰 감소를 공부했다. 포포 외. (10)는 원추형 도파로 액츄에이터를 이용했다. 액추에이터는 회전베이스 플레이트와 접촉하여 배치 하였다. 다양한 경도를 가진 재료로 만들어진 구 콘 초음파 마찰 감소 재료의 경도에 영향을 연구하기 위해 채택되었다. 동과 Dapino 11-13 생성 둥근 모서리 프리즘 도파관에 초음파 진동을 전송하는 압전 트랜스 듀서를 사용했다. 종 진동으로 인해 포아송 효과로 수직 진동을 발생합니다. 만곡 된 상부와 슬라이더 도파로 하에서 접촉에 넣었다. 프레임은 접촉 계면에서 정상적인 힘을 적용하기 위해 지어졌다. 티그는 슬라이더 도파로의 중심 영역 주위에 수동으로 당겨졌다; 마찰력은 슬라이더에 연결된로드 셀에 의해 측정 하였다. 초음파 - 유도 된 마모 감소는 또한 조사 입증되었다. 용적 감소, 체중 감량, 및 표면 거칠기의 변화가 wear.Chowdhury 심각도를 정량화하기 위해 사용되며 Helali 14 핀 - 온 - 디스크 설정에서 회전 디스크를 진동. 진동은 회전 디스크 아래에있는 두 개의 평행 한 플레이트의지지 구조에 의해 발생되었다. 상부 플레이트는 하부 플레이트의 상부 표면에 각인 된 슬롯에 슬라이드 오프 중앙 저면에 설치된 구형 볼을 갖는다. 상부 플레이트가 회전시 상하 이동하도록 슬롯이 주기적으로 가변 깊이와 가공 하였다. 주파수는 회전 속도에 따라 100 Hz의 주위였다. 브라이언트와 뉴욕 15 ~ 16 승에 미세 진동의 효과를 연구귀 감소. 일단이 회전 강철 디스크와 코일 스프링에 연결된 타 단부에 휴식으로 그들은 홀더를 통해 탄소 실린더를 삽입 하였다. 진동에 대한 스페이스가 없기 때문에 하나의 경우에, 실린더 홀더 내에 꼭 맞았다. 다른 경우에, 콘텐츠는 실린더가 회전 디스크와 접촉하는 동안 마이크로 실린더의 진동을 허용하도록 남았다. 실린더의 중량 손실은 마모율을 계산하기 위해 측정되었다. 그것은 자체 생성 마이크로 진동 최대 50 %까지 마모를 줄이기 도움 것으로 나타났다. 고토와 아시다 17 ~ 18도 핀 - 온 - 디스크 실험을 채택했다. 이들은 테이퍼 콘 및 혼을 통해 트랜스 듀서와 핀 샘플들을 연결. 핀은 디스크 표면에 수직 방향으로 진동한다. 질량은 정상적인 부하를 적용하기위한 그 위에 트랜스 듀서에 연결되었다. 마찰력은 디스크를 회전 시키도록 적용된 토크 번역 하였다. 마모가 모두 있기 때문에 접착제로 확인되었다핀과 디스크는 탄소강으로 만들어졌다. 마모율 체적 손실 측정으로부터 계산 하였다. 이것은 선 속도가 초음파의 윤활에 중요한 역할을하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구의 실험적인 구성 요소는 선형 속도에 마찰과 마모 감소의 의존성에 초점을 맞추고있다.

<table><tbody><tr><td>DC Motor&amp;nbsp;</td><td>Minarik&amp;nbsp;</td><td>SL14</td><td></td></tr><tr><td>Electrical amplifier</td><td>AE Techron</td><td>LVC5050</td><td></td></tr><tr><td>Signal conditioner&amp;nbsp;</td><td>Vishay Measurements Group</td><td>2310</td><td></td></tr><tr><td>Signal generator</td><td>Agilent&amp;nbsp;</td><td>33120A</td><td></td></tr><tr><td>Piezoelectric stack</td><td>EDO corporation</td><td>EP200-62</td><td></td></tr><tr><td>Load cell</td><td>Transducer Techniques</td><td>MLP-50</td><td></td></tr><tr><td>Load sensor pad</td><td>FlexiForce</td><td>A201</td><td></td></tr><tr><td>Laser meter</td><td>Keyence corporation&amp;nbsp;</td><td>LK-G32</td><td></td></tr><tr><td>Hall-effect probe and gaussmeter</td><td>Walker Scientific, Inc.</td><td>MG-4D</td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition module</td><td>Data Physics</td><td>Quattro</td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition software</td><td>Data Physics</td><td>SignalCalc Ace</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouple reader</td><td>Omega</td><td>HH22</td><td></td></tr><tr><td>Optical profilometer</td><td>Bruker</td><td>Contour GT</td><td></td></tr><tr><td>Profilometer operation software</td><td>Bruker&amp;nbsp;</td><td>Vision 64</td><td></td></tr></tbody></table>

experiments on ultrasonic lubrication using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer

마찰 및 마모가 설계 시스템에 해로운 있습니다. 두 슬라이딩면 사이의 계면이 탄성 범위 (20 KHZ) 상기 주파수에서 진동 할 때 초음파 윤활이 달성된다. 종래의 윤활제 또는 실현성 바람직 어디에 고체 기술 된 바와 같이, 초음파 윤활을 사용할 수있다. 또한, 초음파 윤활이 슬라이딩 표면 사이의 유효 마찰 계수의 전기 변조 할 수 있습니다. 이 속성은 자신의 마찰 상태와 운전 조건 변화에 따라 관련 동적 응답을 수정 적응 시스템을 가능하게한다. 표면의 마모 또한 초음파 윤활 통해 감소 될 수있다. 우리는 마찰력 감소의 의존도를 조사하고 초음파 윤활 표면 사이의 선형 슬라이딩 속도에 감소를 착용 할 수있는 프로토콜을 개발했다. 핀 온 디스크 마찰 계는 압전 스택 (22)에 핀을 진동하도록 사용되는 것을 상업적인 단위와 다른 지어진회전 디스크면에 수직 kHz로. 20.3, 40.6, 및 87mm / 초 : 유효 마찰력, 용적 감소, 및 표면 거칠기를 포함하여 마찰 및 마모 측정은하지 않고, 4 MPa의 세 가지 다른 슬라이딩 속도로 (1)의 일정한 압력에서 초음파 진동에 의해 측정된다. 광 프로파일로는 마모 표면을 특성화하는데 이용된다. 효과적인 마찰력 20.3 mm / sec로 62 %만큼 감소된다. 지속적으로 기존의 초음파 윤활 이론, 마찰력의 감소 퍼센트는 87mm / sec의 29 % 아래로 마찰력 감소, 속도 증가에 따라 감소한다. 착용 감소는 고려 세 가지 속도 (49 %) 본질적으로 일정하게 유지된다.

여기에 제시된 대표적인 측정은도 1에 도시 된 수정 된 마찰 계에서 얻었다. 압전 액추에이터는 22 kHz의 주파수에서 2.5 ㎛의 진폭으로 진동을 발생시킨다. 마찰 의존성을 연구하고, 선 속도에 감소를 착용, 세 가지 다른 속도 (20.3, 40.6, 및 87mm / 초)은 모터의 회전 속도를 변경함으로써, 디스크에 적용 하였다. 세 그룹 모두에 대해, 디스크의 회전 수 및 상기 핀의 이동 거리를 각각 1,600 29...

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Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

12.5K 조회수.  The Ohio State University. We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties. 

비디오: Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. From the measured surface, 3D topographic maps can be subsequently analyzed using a variety of software packages to extract the information that is needed.
In this article we describe how white light interferometry, and optical profilometry (OP) in general, combined with generic surface analysis software, can be used for materials science and engineering tasks. In this article, a number of applications of white light interferometry for investigation of surface modifications in mass spectrometry, and wear phenomena in tribology and lubrication are demonstrated. We characterize the products of the interaction of semiconductors and metals with energetic ions (sputtering), and laser irradiation (ablation), as well as ex situ measurements of wear of tribological test specimens.
Specifically, we will discuss:
<ol class="lroman">
	<li>Aspects of traditional ion sputtering-based mass spectrometry such as sputtering rates/yields measurements on Si and Cu and subsequent time-to-depth conversion.</li>
	<li>Results of quantitative characterization of the interaction of femtosecond laser irradiation with a semiconductor surface. These results are important for applications such as ablation mass spectrometry, where the quantities of evaporated material can be studied and controlled via pulse duration and energy per pulse. Thus, by determining the crater geometry one can define depth and lateral resolution versus experimental setup conditions.</li>
	<li>Measurements of surface roughness parameters in two dimensions, and quantitative measurements of the surface wear that occur as a result of friction and wear tests.</li>
</ol>
Some inherent drawbacks, possible artifacts, and uncertainty assessments of the white light interferometry approach will be discussed and explained.

White light microscope interferometry is an optical, noncontact and quick method for measuring the topography of surfaces. It is shown how the method can be applied toward mechanical wear analysis, where wear scars on tribological test samples are analyzed; and in materials science to determine ion beam sputtering or laser ablation volumes and depths.

이온 스퍼터링에 응용 프로그램, 레이저 절제하고, Tribology 실험 : 화이트 빛 간섭 측정법에 의한 표면 수정의 특성

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

연구

공학

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Measurement of Vibration Detection Threshold and Tactile Spatial Acuity in Human Subjects

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about mechanosensory function that are relevant for clinical diagnosis as well as for basic research. Here, we describe two psychophysical tests designed to determine the vibration detection threshold (automated system) and tactile spatial acuity (handheld device). Both procedures implement a two-interval forced-choice and a transformed-rule up and down experimental paradigm. These tests have been used to obtain mechanosensory profiles for individuals from distinct human cohorts such as twins or people with sensorineural deafness.

Here, we present protocols to determine vibration detection thresholds and tactile acuity using psychophysical methods in man.

인간 주제에 진동 감지 임계 값과 촉각 공간 시력 측정

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about ...

행동분석학

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the degradation of device performance. In order to evaluate such degradations using computer simulations, full matrix material properties at elevated temperatures are needed as inputs. It is extremely difficult to measure such data for ferroelectric materials due to their strong anisotropic nature and property variation among samples of different geometries. Because the degree of depolarization is boundary condition dependent, data obtained by the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedance resonance technique, which requires several samples with drastically different geometries, usually lack self-consistency. The resonant ultrasound spectroscopy (RUS) technique allows the full set material constants to be measured using only one sample, which can eliminate errors caused by sample to sample variation. A detailed RUS procedure is demonstrated here using a lead zirconate titanate (PZT-4) piezoceramic sample. In the example, the complete set of material constants was measured from room temperature to 120 &#176;C. Measured free dielectric constants <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> and&#160;<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> were compared with calculated ones based on the measured full set data, and piezoelectric constants d15 and d33 were also calculated using different formulas. Excellent agreement was found in the entire range of temperatures, which confirmed the self-consistency of the data set obtained by the RUS.

This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).

풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파​​ 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ultrasonic welding process described in this paper is based on three main pillars. Firstly, flat energy directors are used for preferential heat generation at the joining interface during the welding process. A flat energy director is a neat thermoplastic resin film that is placed between the parts to be joined prior to the welding process and heats up preferentially owing to its lower compressive stiffness relative to the composite substrates. Consequently, flat energy directors provide a simple solution that does not require molding of resin protrusions on the surfaces of the composite substrates, as opposed to ultrasonic welding of unreinforced plastics. Secondly, the process data provided by the ultrasonic welder is used to rapidly define the optimum welding parameters for any thermoplastic composite material combination. Thirdly, displacement control is used in the welding process to ensure consistent quality of the welded joints. According to this method, thermoplastic-composite flat coupons are individually welded in a single lap configuration. Mechanical testing of the welded coupons allows determining the apparent lap shear strength of the joints, which is one of the properties most commonly used to quantify the strength of thermoplastic composite welded joints.

A straightforward procedure for ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for basic mechanical testing is described. Key characteristics of this ultrasonic welding process are the use of flat energy directors for simplified process preparation and the use of process data for the fast definition of optimum processing conditions.

단일 랩 전단 시험을 통해 용접 조인트의 기계적 특성에 대한 열가소성 복합 쿠폰의 초음파 용접

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is known about the effects of high pressure hydrogen on the polymer sealing and barrier materials also found within these components. More study is required in order to determine the compatibility of common polymer materials found in the components of the hydrogen fuel delivery infrastructure with high pressure hydrogen. As a result, it is important to consider the changes in physical properties such as friction and wear in situ while the polymer is exposed to high pressure hydrogen. In this protocol, we present a method for testing the friction and wear properties of ethylene propylene diene monomer (EPDM) elastomer samples in a 28 MPa high pressure hydrogen environment using a custom-built in situ pin-on-flat linear reciprocating tribometer. Representative results from this testing are presented which indicate that the coefficient of friction between the EPDM sample coupon and steel counter surface is increased in high pressure hydrogen as compared to the coefficient of friction similarly measured in ambient air.

In Situ High Pressure Hydrogen Tribological Testing of Common Polymer Materials Used in the Hydrogen Delivery Infrastructure

A test methodology for quantifying tribological properties of polymers used in hydrogen infrastructure service is demonstrated and characteristic results for a common elastomer are discussed.

제자리에서 고압 수소 Tribological 수소 공급 인프라에 사용 되는 일반적인 고분자 재료의 테스트

High pressure hydrogen gas is known to adversely affect metallic components of compressors, valves, hoses, and actuators. However, relatively little is ...

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on exposing the specimen to longitudinal vibrations on its resonance frequency close to 20 kHz. With use of this method, it is possible to significantly decrease the time required for the test, when compared to conventional testing devices usually working at frequencies under 200 Hz. It is also used to simulate loading of material during operation in high speed conditions, such as those experienced by components of jet engines or car turbo pumps. It is necessary to operate only in the high and ultra-high cycle region, due to the possibility of extremely high deformation rates, which can have a significant influence on the test results. Specimen shape and dimensions have to be carefully selected and calculated to fulfill the resonance condition of the ultrasonic system; thus, it is not possible to test the full components or specimens of arbitrary shape. Before each test, it is necessary to harmonize the specimen with the frequency of the ultrasonic system to compensate for deviations of the real shape from the ideal one. It is not possible to run a test until a total fracture of the specimen, since the test is automatically terminated after initiation and propagation of the crack to a certain length, when the stiffness of the system changes enough to shift the system out of the resonance frequency. This manuscript describes the process of evaluation of materials' fatigue properties at high-frequency ultrasonic fatigue loading with use of mechanical resonance at a frequency close to 20 kHz. The protocol includes a detailed description of all steps required for a correct test, including specimen design, stress calculation, harmonizing with the resonance frequency, performing the test, and final static fracture.

A protocol for ultrasonic fatigue testing in the high and ultra-high cycle region in axial tension-compression loading mode.

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid more efficiently, in terms of &#64258;ow rate per power input, than those that rely on Rayleigh waves and other modes of vibration in LN or lead zirconate titanate (PZT). The complete device is composed of a transducer, a transducer holder, and a &#64258;uid supply system. The fundamentals of acoustic liquid atomization are not well known, so techniques to characterize the devices and to study the phenomena are also described. Laser Doppler vibrometry (LDV) provides vibration information essential in comparing acoustic transducers and, in this case, indicates whether a device will perform well in thickness vibration. It can also be used to &#64257;nd the resonance frequency of the device, though this information is obtained more quickly via impedance analysis. Continuous &#64258;uid atomization, as an example application, requires careful &#64258;uid flow control, and we present such a method with high-speed imaging and droplet size distribution measurements via laser scattering.

Fabrication of piezoelectric thickness mode transducers via direct current sputtering of plate electrodes on lithium niobate is described. Additionally, reliable operation is achieved with a transducer holder and &#64258;uid supply system and characterization is demonstrated via impedance analysis, laser doppler vibrometry, high-speed imaging, and droplet size distribution using laser scattering.

원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid ...

Roughness Impact of Piezoelectric Dental Scaler on Two Distinct Flowable Composite Filling Materials

Dental ultrasonic scalers are commonly employed in periodontal treatment; however, their ability to roughen tooth surfaces is a worry since roughness may increase plaque production, a key cause of periodontal disease. This research studied the influence of a piezoelectric ultrasonic scaler on the roughness of two distinct flowable composite filling materials. To do this, 10 disc-shaped samples were generated from each of the two flowable composite materials. After standardized polishing, samples were submerged in water for 24 h before the first surface examination using electron microscopy and profilometry. The ultrasonic scaler was applied to a specified location of each sample for 60 s under water cooling and regulated force. Post-scaler surface parameters were again examined. Following the application of the scaler, both composite materials exhibited a notable increase in surface roughness, as determined by profilometry (p &lt; 0.01). Additionally, the observed surface roughness was also qualitatively visualized with scanning electron microscopy. While initial roughness levels were comparable across the two composites (p = 0.143) after scaler application, no substantial discrepancy in surface texture was noticed between them (p = 0.684). The use of a high-power piezoelectric ultrasonic scaler on routinely used flowable composite restorations might generate considerable surface roughness, possibly leading to increased plaque accumulation. Nevertheless, it might be postulated that nanohybrid flowable composite materials having conventional monomer ingredients may demonstrate comparable surface alterations within the limitations of this experiment.

This methodology allows applying a dental appliance on any specimen at any angle with standardized force and stability. This approach might be extensively used in health sciences to standardize the impacts of dental equipment with hand-holding elements such as micromotors, turbines, and ultrasonic scalers on varied surfaces.

Dental ultrasonic scalers are commonly employed in periodontal treatment; however, their ability to roughen tooth surfaces is a worry since roughness may ...

Mimicking and Measuring Occlusal Erosive Tooth Wear with the "Rub&amp;Roll" and Non-contact Profilometry

Chewing, drinking, and occasional tooth grinding will result in physiological tooth wear during a lifetime. Extreme challenges, such as bruxism or habitual chewing on foreign objects, may lead to excessive wear. Recently, the role of erosion in accelerating mechanical tooth wear has been recognized, but the interplay between chemical and mechanical wear processes has not been extensively studied. Our laboratory recently introduced a novel oral wear simulation device, the Rub&#38;Roll, that enables the user to perform wear and loading studies separately or simultaneously in an erosive and/or abrasive environment. This manuscript describes an application of the device: the combined mechanical and erosive loading of extracted human (pre)molars in a simulated chewing movement, with a controlled application of force, velocity, fluid, and time, and the application of non-contact profilometry in visualizing and measuring the resulting wear pattern. The occlusal morphology that was created in the experiment with the highest loading level is very similar to the clinical presentation of erosive wear.

Mimicking and Measuring Occlusal Erosive Tooth Wear with the "Rub&Roll" and Non-contact Profilometry

The Rub&#38;Roll can mimic the chewing cycle, allowing variation of chewing force, sliding distance, chewing velocity, number of cycles, and frequency, and with a combination of erosive and abrasive challenges can result in a complex simulation of oral ageing.

초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용

요약

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이 비디오의 챕터

이온 스퍼터링에 응용 프로그램, 레이저 절제하고, Tribology 실험 : 화이트 빛 간섭 측정법에 의한 표면 수정의 특성

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

인간 주제에 진동 감지 임계 값과 촉각 공간 시력 측정

풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성

단일 랩 전단 시험을 통해 용접 조인트의 기계적 특성에 대한 열가소성 복합 쿠폰의 초음파 용접

제자리에서 고압 수소 Tribological 수소 공급 인프라에 사용 되는 일반적인 고분자 재료의 테스트

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화

Roughness Impact of Piezoelectric Dental Scaler on Two Distinct Flowable Composite Filling Materials

흉내 낸 Occlusal 부식성 치아 측정 "문 지 하 & 롤" 착용 및 비 문의 Profilometry

초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용

요약

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이온 스퍼터링에 응용 프로그램, 레이저 절제하고, Tribology 실험 : 화이트 빛 간섭 측정법에 의한 표면 수정의 특성

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

인간 주제에 진동 감지 임계 값과 촉각 공간 시력 측정

풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파​​ 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성

단일 랩 전단 시험을 통해 용접 조인트의 기계적 특성에 대한 열가소성 복합 쿠폰의 초음파 용접

제자리에서 고압 수소 Tribological 수소 공급 인프라에 사용 되는 일반적인 고분자 재료의 테스트

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화

Roughness Impact of Piezoelectric Dental Scaler on Two Distinct Flowable Composite Filling Materials

흉내 낸 Occlusal 부식성 치아 측정 "문 지 하 & 롤" 착용 및 비 문의 Profilometry

풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성