Johdanto Nanoteknologiaan vaihdeissa

Nanoteknologia, aineen käsittely atomi- tai molekyyliasteikolla (tyypillisesti 1-100 nanometriä), on noussut tehokkaaksi koneenrakennuksen välineeksi. Laatat ovat peruskomponentteja lukemattomilla koneilla, jotka ovat peräisin autolähetyksistä ja lentokonemoottoreista teollisiin robotiikkaan ja tuuliturbiineihin. Niiden pintaominaisuudet vaikuttavat suoraan tehokkuuteen, meluun, tärinäyn ja käyttöikään. Nanoteknologian avulla voidaan saavuttaa materiaaliparannuksia, joita ei aiemmin ollut mahdollista saavuttaa perinteisen metallurgian tai pinnoitteiden avulla. Tässä artikkelissa tarkastellaan, miten nanomateriaalit ja nanorakennetekniikat muuntavat vaihteen suorituskykyä, vähentävät kitkaa ja kulutusta ja pidentävät käyttöikää.

Tärkeimmät nanomateriaalit pyydysten pintaparannukseen

Nanomateriaaleja on tutkittu ja otettu käyttöön pyydysten pinnan ominaisuuksien parantamiseksi.

  • Diamond-Like Carbon (DLC):[ DLC-pinnoitteissa on ultra-alhainen kitkakerroin (jopa 0,02) ja äärimmäisen kovuus. Kun niitä käytetään nanomittakaavana ohutkalvona, DLC vähentää merkittävästi liukuvaa kulumista ja naarmuuntumista raskaasti kuormitetuissa vaihteistokoskettimissa.
  • Metaalidisulfidit (MOS2, WS2):[ Nämä kerrostetut materiaalit tarjoavat erinomaisen kiinteän voitelun. Nanopartikkelit molybdeenidisulfidi tai volframidisulfidi upotettu vaihdepintoihin tai voiteluaineet luovat matala-saumaisia lentokoneita, jotka vähentävät kitkaa ja estävät metalli-metallikosketuksen.
  • Grafeeni ja hiilinanoputket (CNT):[ Grafeeni erittäin vetolujuus ja lämmönjohtavuus tekevät siitä ihanteellisen hammasten pintojen vahvistamiseen. CNT-aineita voidaan lisätä pinnoitteisiin tai voiteluaineisiin kuorman kantavuuden ja lämmönhukan parantamiseksi.
  • Keraamiikananopartikkelit (Al2O3, Si3N4, TiO2):[ Keraamisten nanopartikkelien dispergointi metallimatriiseiksi (esim. sähkötön nikkeli tai kupari) luo komposiittipinnoitteita, joissa on erinomainen kulutuskestävyys ja korroosionsuoja.
  • Nanostrukturoidut kovapäällysteiset pinnoitteet (TiN, CrN, TiAlN): nanokerroksisten nitriittejen fyysinen höyrypinnoitus (PVD) tuottaa kovat, matalakitkaiset pintakerrostumat, jotka kestävät hankaavaa ja liimautumista.

Nanoteknologian edut hammaspyörien pinnoille

Kestävyyden ja väsymyksen lisääntyminen Elämä

Nanopinnoite ja nanorakenteiset pinnat vähentävät merkittävästi mikrorakkuloiden käynnistymistä ja leviämistä. Esimerkiksi 2...3 μm DLC-pinnoite voi pidentää vaihdetta pitsielämää useita satoja prosentteja suurissa kosketuspaineissa. Nanomittakaavat raerajat estävät dislocation liikkeen, mikä nostaa käsitellyn hammaskyljen tehokasta kovuutta.

Rajoituksen ja energiahäviön vähentäminen

Voimalaitosvaihteiden kitkahäviöt aiheuttavat merkittävän osan energiajätteestä mekaanisissa järjestelmissä. Nanostrukturoidut pinnat, erityisesti ne, joilla on itsevoiteluominaisuuksia kuten MoS2 tai grafeenitehostetut pinnoitteet, voivat alentaa kitkakerrointa 30..50 prosenttia verrattuna päällystämättömään teräkseen. Tämä tarkoittaa suoraan lämmöntuotannon vähentämistä, alhaisempia käyttölämpötiloja sekä mitattavissa olevia polttoaine- tai sähkösäästöjä.

Korroosio- ja hapettumisresistenssi

Kosteissa, meri- tai kemiallisesti aggressiivisissa ympäristöissä toimivat pyydykset ovat alttiita ruosteelle ja syöpymiselle. Alumiinioksidiin tai piidioksidiin perustuvat nanokomposiittipinnoitteet tarjoavat tiiviitä, inertiä esteitä, jotka estävät syövyttäviä aineita pääsemästä alustaan. Lisäksi tietyt nanomateriaalit (esim. seriumoksidin nanohiukkaset) voivat haaskata vapaita radikaaleja ja hidastaa sekä vaihdemetallin että voiteluaineiden hapettumista.

Tehostettu voitelujärjestelmä

Nanohiukkaset lisätty öljyt tai rasvat toimivat ... Nano-kanavina, ...liikkuminen välillä asperities ja tasoittaa kosketusrajapinta. Ne myös kerääntyvät metallipinnalle, muodostaen suojaavan tribofilmin, joka täydentää itseään käytön aikana. Tämä hybridi kiinteä-neste voitelu vaikutus on erityisen hyödyllinen raja- ja sekavoitelujärjestelmät yhteisiä aikana vaihde käynnistyksen, sammutuksen, tai hetkellinen ylikuormitukset.

Nanoteknologian käyttö laitteissa

Nanopäällysteet höyrypinnoitusten avulla

Fyysistä höyrypinnoitusta (PVD) ja kemiallista höyrypinnoitusta (CVD) käytetään laajalti ohut- (0,5...5 μm) nanokomposiittipinnoitusten tallettamiseen. PVD-prosessit, kuten magnetroni-sputterointi tai katodikaarihaihdutus, luovat tiheät, hyvin kiinnittyneet DLC-, TiN- tai CrN-kerrokset hammashammaspintoihin. CVD-menetelmät, mukaan lukien plasma-tehostetut CVD-levyt (PECVD), mahdollistavat pinnoitteen koostumuksen ja paksuuden tarkan valvonnan myös monimutkaisilla hammasgeometrioilla, joissa on sisäiset spliinit.

Nanostrukturoitu pintatekstitys

Laserpinnan tekstitys (LST) ja ammuttu pioneeri voi luoda säännöllisesti nano mittakaava kuvioita (kuoppa, urat, tai pilarit) vaihde sivustat. Nämä tekstuurit toimivat öljysäiliöt ja ansa kulumisen roskat, vähentää kitkaa ja estää kolmannen kehon naarmuuntumista. Kun yhdistetään myöhemmin nanopinnoite, hyödyt ovat additive. Textured ja päällystetty pyydyksiä voi näkyä jopa 60 % pienempi kitka kuin käsittelemättömiä.

Nanopartikkeleiden upottaminen voiteluaineisiin ja pintakerroksiin

Nanohiukkasten suora lisääminen vaihteistoöljyihin on yksinkertainen, jälkiasennettava lähestymistapa. MoS2, WS2, grafeenioksidi ja CuO-nanohiukkaset ovat kaupallisesti saatavilla öljyn lisäaineina. Kehittyneemmät tekniikat kyllästävät vaihdepinnat nanohiukkasilla elektrodien (esim. nikkeli-timanttikomposiittipinnoitus) tai kuuman isostaattisen puristuksen (HIP) avulla nanojauhe-metalliseoksesta. Nämä upotetut hiukkaset tuottavat pitkäkestoisia itsekorjaavia tribologisia ominaisuuksia.

Sol-Gel- ja sumutuspinnoitemenetelmät

Suurissa hammas- tai kenttäkorjauksissa soligeelipinnoite tarjoaa nestemäisen vaiheen reitit, joilla voidaan tuottaa nanomittaisia keraamisia kalvoja. Esiaineliuos ruiskutetaan, kastetaan tai spin-pinnoitetaan vaihteelle, minkä jälkeen se kovetetaan lämpöisesti kovaoksidikerrokseksi (esim. TiO2 tai Zro2). Vaikka paksuus on vähemmän tarkka kuin PVD, soligeelipinnoitteita voidaan käyttää paikan päällä ja ne ovat kustannustehokkaita kohtalaisen suorituskyvyn paranemiseen.

Haasteet ja rajoitukset

Lupauksestaan huolimatta nanoteknologian integrointiin pyydysten valmistukseen kohdistuu useita esteitä:

  • Kaavittavuus ja skaalattavuus:[[] PVD/CVD-laitteet ja puhtaat nanohiukkaset ovat edelleen kalliita. Nanopäällysteisten pyydysten taloudellinen massatuotanto auto- tai kuluttajasovelluksissa edellyttää prosessien lisäinnovaatioita.
  • Pinnoitus Adhesion ja johdonmukaisuus:[[ Ohuiden nanopinnoitteiden on kestettävä korkeita Hertzian kosketuspaineita (jopa useita GPa) ja syklistä taivutusta. Huono kiinnitys voi johtaa delaminointiin ja katastrofaaliseen vikaan. Kehitellään kehittyneitä interlayer-malleja ja pintaaktivaatiota parantamaan sidettä.
  • Ympäristö- ja terveysasiat:[ Nanohiukkaset voivat olla myrkyllisiä, jos ne hengitetään tai vapautuu valmistuksen tai hävittämisen aikana. Suljetut silmukkaprosessit ja asianmukainen jätehuolto ovat välttämättömiä työntekijöiden turvallisuuden ja ekologisen suojelun varmistamiseksi.
  • Nanorakenteiden pitkä-aikainen kestävyys:[ Jotkut nanorakenteiset pinnat hajoavat ajan mittaan nanotekstien kulumisen tai nanohiukkasten ehtyessä. Jatkuvassa tutkimuksessa keskitytään regenerointipinnoitteisiin, jotka vapauttavat uusia nanopartikkeleita käytön aikana (esim. sulautettujen säiliöiden kautta).
  • Standardointi ja testaus:[ Teollisuuden laajuiset standardit, jotka koskevat nanopäällysteen suorituskykyä vaihteissa, puuttuvat. Elinikäinen testaus realistisilla kuormilla, nopeuksilla ja lämpötiloilla on aikaa vievää mutta välttämätöntä kriittisissä sovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruuslaitteissa tai lääkinnällisissä laitteissa, tarvittavien vaatimusten täyttämiseksi.

Tulevaisuuden linjaukset ja kehitteillä oleva tutkimus

Itselukittavat pyydykset Nano-varastoiduilla

Tutkijat kehittävät mikro- tai nanohuokoisia pyydyksiä, jotka toimivat kiinteiden voiteluaineiden nanopartikkeleiden varastoina. Kuormauksessa huokoset päästävät voiteluaineen kosketusalueelle; joutokäyntiaikoina kapillaarivoimat imevät uudelleen ylimääräistä materiaalia. Tämä jäljittelee biologisia voitelujärjestelmiä ja voi poistaa öljyn tarpeen tietyissä pienikuormaisissa vaihteistoissa.

Älykkäät pinnoitteet, joissa on aistinvaraisuuksia

Johtavien nanopartikkeleiden (esim. hiilinanoputkien) sisältämät nanokomposiittipinnoitteet voivat tuplata kulumisen tunnistimeksi. Valvomalla sähkövastuksen muutoksia vaihdehammasvälissä insinöörit voivat havaita alkavan splalling- tai naarmuuntumistilan reaaliajassa. Tällaiset älykkäät vaihteen pinnat mahdollistaisivat ennakoivan huollon ja lyhenisivät seisokkiaikaa.

Hybridivoitelujärjestelmät

Nanopäällysteisten pyydysten yhdistäminen nanopartikkelilla tehostettuihin öljyihin tarjoaa synergistisiä etuja. Pinnoitus on pysyvä perustaso, kun taas lisäainepaketti mukautuu erilaisiin käyttöolosuhteisiin. Varhaiset testit osoittavat, että DLC-päällystetyt vaihdeet, jotka toimivat grafeeni-öljyjousituksella, saavuttavat kitkakertoimet alle 0,01 rajavoitelun alla.

Biomimeettinen Nanosstrukturaatio

Lootuksen lehtien ja hain ihon inspiroimina insinöörit suunnittelevat vaihdepintoja, joissa on hierarkkisia nanomikrorakenteita, jotka karkottavat saasteita ja edistävät öljyn leviämistä. Laserin tuottamia jaksottaisia pintarakenteita (LIPSS) voidaan tuottaa teräksisillä pyydyksillä nopeasti, jolloin syntyy kuvioita, jotka vähentävät kitkaa ja estävät bakteerien kasvua elintarviketeollisuuden laitteissa.

Päätelmät

Nanoteknologia tarjoaa muuntavan tien parantaa vaihteen pinnan ominaisuuksia.Kestävyyden, kitkan vähentämisen ja täysin uusien toimintojen mahdollistamisen. DLC:stä ja MoS2:sta nanopinnoiteisiin grafiikoihin ja laser-tektuureihin, nykyisin käytettävissä olevat työkalut parantavat vaihteiston tehokkuutta mitattavien marginaalien avulla. Kustannusten, skaalautuvuuden ja ympäristöturvallisuuden haasteet ovat edelleen aktiivisia tutkimusalueita, mutta innovaatiovauhti kiihtyy. Valmistuksen edetessä kypsästä ja standardikehityksestä nanoteknologiasta tulee olennainen osa korkean suorituskyvyn vaihteistosuunnittelua auto-, ilmailu-, uusiutuvan energian ja teollisuuden automaatio-aloilla. Nanoteknologialla on hyvät mahdollisuudet tuottaa seuraavan sukupolven hiljaisempia, vahvempia ja tehokkaampia mekaanisia järjestelmiä.

Lisätietoja tribologian nanopinnoitteista on AZoM.M.s. ja .ScienceDirect.s. . Nanopartikkelien voiteluaineiden lisäaineiden teknistä arviointia varten .Tämä tutkimus on saatavilla journal Materials. Nanorakenteisia pyydyspinnoitteita koskevia teollisuusasiatutkimuksia on saatavilla Gear Technology -lehdestä .