haku: @instructor Tuononen, Ari / yhteensä: 19
viite: 9 / 19
| Tekijä: | Kärkimaa, Jukka |
| Työn nimi: | Sliding friction of rubber on self-affine fractal surfaces |
| Kumin liukukitka itseaffiinisilla fraktaalipinnoilla | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2013 |
| Sivut: | x + 59 + [17] Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Perustieteiden korkeakoulu |
| Oppiaine: | Fysiikka (laskennallinen fysiikka) (Tfy-105) |
| Valvoja: | Foster, Adam |
| Ohjaaja: | Tuononen, Ari |
| Digitoitu julkaisu: | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/101025 |
| OEVS: | Digitoitu arkistokappale on julkaistu Aaltodocissa
|
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 524 | Arkisto |
| Avainsanat: | rubber sliding friction surface roughness self-affinity kumi liukukitka pinnankarheus itseaffiinisuus |
| Tiivistelmä (fin): | Kumin liukukitka eroaa muiden materiaalien liukukitkasta sisäisen kitkan suhteen, joka kumilla on poikkeuksellisen suuri. Sisäinen kitka perustuu kumimateriaalin korkeaan häviömoduuliin ja erityisen matalaan elastiseen moduuliin. Kumin viskoelastiset ominaisuudet riippuvat lämpötilasta ja taajuudesta. Sisäisen kitkan lisäksi kumin liukukitka perustuu myös adheesiohäviöihin. Liukuja-alusta systeemissä, jossa kumipala liukuu kovalla ja karhealla alustalla, alustan karheudesta kohdistuu aikariippuvia deformaatioita kumin pintaan, joista syntyy viskoelastisia energiahäviöitä kumissa, mikä aiheuttaa liukukitkaa. Kumin häiriötaajuus riippuu alustan pinnankarheudesta ja liukunopeudesta. Monien luonnollisten pintojen pinnankarheutta voidaan kuvata itseaffiinisen fraktaalisena. Itseaffiininen fraktaalikuvaus on hyödyllinen liukukitkamallille, sillä siinä voidaan huomioida suuri määrä eri karheuskokoluokkia, ja näiden vaikutusta kitkaan siten arvioida. Tässä diplomityössä tutkittiin kokeellisesti ja laskennallisesti kumipalan ja asfaltin muodostaman liukuja-alusta systeemin liukukitkaa. Liukukitkakerroin mitattiin lämpötilan ja liukunopeuden funktiona tällaiselle systeemille kylmähuoneessa. Mitattava lämpötila-alue oli välillä -8°C ja +32°C ja mitattava liukunopeusalue välillä 1 mm/s ja 1 m/s. Lisäksi optisella profilometrillä määritetyt kokeelliset parametrit, jotka kuvaavat asfaltin pinnankarheutta, ja liukujana käytettävien kuminäytteiden valmistajan kokeellinen data näytteiden viskoelastisista ominaisuuksista liitettiin laskennalliseen malliin. Työssä toteutettu liukukitkateoria on siten uusi, että se huomioi sisäisen kitkan synnyttämän äkillisen paikallisten lämpötilojen nousun vaikutuksen kumiliukujassa. Tämän vaikutuksen huomioiminen on erityisen tärkeää yli 1 cm/s liukunopeuksille, joilla kumin lämpötilannousu on merkittävää. Toteutetun mallin havaittiin ennustavan liukukitkakertoimen kvalitatiivisesti oikein liukunopeuden funktiona +21°C ja +32°C lämpötiloissa tehtyihin mittauksiin verrattuna liukunopeuksille välillä 1 mm/s ja 1 m/s. Kuitenkin mallin ennuste on kvantitatiivisesti huono, ja mallin havaittiin ennustavan suurimman kitkatason monikertaiseksi. Selitykseksi mallin ja mittausten väliselle erolle ehdotettiin eroja kokeellisissa olosuhteissa, kuten ilmankosteudessa ja siitä seuraavassa pintojen vesikerroksessa, joita mallissa ei oteta huomioon. Lisäksi liian alhainen kitkataso, jonka malli ennustaa alle 1 cm/s liukunopeuksille, selitettiin sellaisilla energianhukkamekanismeilla, joita malli ei huomioi, kuten ohuen, suljetun kontaminaatiokerroksen murtumisella ja halkeamien syntymisellä rajapinnalla. Kun kumin paikallisten lämpötilojen nousu huomioidaan, häviötangentin havaittiin ennustavan kvalitatiivisesti liukukitkatason ainakin nopeuteen 1 m/s asti. Asfalttipinnan vahvistettiin olevan itseaffiinisen fraktaalinen pintaprofiilin mittauksella |
| Tiivistelmä (eng): | The sliding friction of rubber differs from that of many other materials as its internal friction is exceptionally high. This is due to a high loss modulus and a particularly low elastic modulus above the glass transition temperature of rubber. The viscoelastic properties of rubber are temperature and frequency dependent. In addition to internal friction, the sliding friction of rubber can be partly attributed to adhesion losses. In a slider-substrate system formed by a rubber block sliding on a hard rough substrate, the substrate asperities will exert time-dependent deformations on the rubber surface resulting in viscoelastic energy dissipation in the rubber, which contributes to the sliding friction. The perturbation frequency in the rubber block depends on the surface roughness of the substrate and the sliding speed. The surface roughness of many natural surfaces can be described as self-affine fractal. The advantage of a self-affine fractal treatment of a surface for a sliding friction model is the large range of roughness length scales which are incorporated and whose contribution to the sliding friction can thus be considered. This thesis consists of experimental and computational study on the sliding friction exhibited by a slidersubstrate system of a tyre rubber block sliding on an asphalt surface. The sliding friction coefficient as a function of temperature and sliding speed was measured for such a system in a climate chamber. The measured temperature and sliding speed ranges were from -8°C to +32°C and from 1 mm/s to 1 m/s, respectively. Furthermore, the experimental parameters describing the asphalt surface roughness, and the experimental data for the viscoelastic modulus of the rubber samples provided by the manufacturer were incorporated in the computational model. The sliding friction theory implemented in the thesis is novel as it takes into account the effect from the abrupt rise of local temperatures in the rubber slider due to internal friction. It is increasingly important to consider this effect at sliding speeds over 1 cm/s, where the temperature rise in the rubber becomes significant. The prediction of the implemented model for the sliding friction coefficient as a function of sliding speed was found to be qualitatively correct when comparing to the experiments performed at temperatures of +21°C and +32°C with sliding speeds from 1 mm/s to 1 m/s. However, the model seemed to exaggerate the maximum friction level many times. The inconsistency between the experiment and the model was suggested to lie in differences in the experimental conditions, such as humidity and the resulting water-layer on the surfaces, which are not considered in the model. Moreover, a relatively too low friction level, predicted by the model for sliding speeds below 1 cm/s, was attributed to such energy dissipation mechanisms (eg. shearing, crack opening) which are excluded from the model. Taking the rise of local temperatures in the rubber into account, the loss tangent was found to qualitatively predict the sliding friction level at least up to a sliding speed of 1 m/s. The asphalt surface was confirmed to be self-affine fractal by the profilometry measurement |
| ED: | 2013-12-09 |
INSSI tietueen numero: 48144
+ lisää koriin
INSSI