Introduction to Tribology and Lubrication

Tribology is the science of the mechanisms of Friction, Lubrication, and Wear of interacting surfaces that are in relative motion.

  A Tribological System (Tribosystem) transform Inputs as a type of motion, the sequence of motion, load, velocities, temperatures, and loading time; by Disturbance Variables as material and geometry properties and interactions between elements; in Outputs as force, torque, speed, motion, mechanical energy, material variables, and signal variables; and Loss Variables as friction and wear.

Friction is the resistance to movement of one body over body, the friction laws were formulated by Guillaume Amontons:

1st Law: Friction force is proportional to the applied load.

2nd Law: Friction force is independent of the apparent contact area.

3rd Law (also Coulomb's Law): Friction is independent of sliding velocity.

Generally, friction force F is the result to multiply the normal load N by the coefficient of friction m. The static coefficient of friction may be greater than the kinetic coefficient of friction. 

The microscopic mechanics that are involved in generating friction are:

1.   Adhesion.

2.   Mechanical interactions of surface asperities.

3.   Plowing of one surface by asperities on the other.

4.   Deformation and/or fracture of surface layers.

5. Interference and local plastic deformation caused by third bodies primarily agglomerated wear particles trapped between the moving surfaces.

Wear is the succession of events whereby atoms, products of chemical conversion, fragments, et al., are induced to leave the system. 

The major wear modes are:

·     Abrasive Wear: occurs whenever a solid object is loaded against particles of a material that has an equal or greater hardness.

·     Adhesive Wear: Cold-welding describes the formation of small connections whereby tiny disruptions arise during translation.

·     Corrosive & Oxidative Wear: Chemical the reaction between the worm material and a        corroding medium can be a chemical reagent, reactive lubricant, or even air.

·     Fatigue Wear: By deformations sustained by the asperities and surfaces make contact. They are accompanied by very high local stresses that are repeated a large number of times.

·     Erosive Wear: By the impact of particles of solid or liquid against the surface of an object.

·     Electrical Erosion Wear: Occurs when electric current passes between two metal surfaces through the oil or grease film. 

·     Fretting Wear: Occurs whenever short amplitude reciprocating sliding between contacting surfaces is sustained for a large number of cycles. If micro-particles are present then the name is Polishing Wear. 

·     Cavitation Wear: By the cyclic formation and the collapse of bubbles on a solid surface in contact with a fluid.

Lubrication is the process or technique employed to reduce friction between, and wear of one or both, surfaces in proximity and moving relative to each other, by interposing a substance called a Lubricant in between them. 

The main property of a lubricant is Viscosity that is defined as the internal resistance to flow of one layer of the fluid, moving in relation to an adjacent layer; Absolute Viscosity or Dynamic Viscosity (h) is the proportional factor of the shear stress in a fluid to the rate of change of velocity with respect the the thickness of the fluid film. Kinematic Viscosity (u) is the ratio of the dynamic viscosity to the density of the fluid.

Stribeck Curve, defined by Richard Stribeck, is basically a curve between Coefficient of Friction and a number defined as dynamic viscosity with relative sliding velocity per unit load. The curve defines four different forms of lubrication called the Lubrication Regimes.

 (Stribeck Curve, from Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Boundary Lubrication. The condition when the fluid films are negligible and there is considerable asperity contact. The mean film thickness is lower than the surface roughness; the coefficient of friction is a maximum in this area. 

b. Mixed Lubrication. The number is higher, the mean film thickness is just higher than surface roughness, so the tallest asperities of the bounding surfaces will protrude through the film and occasionally come in contact. The coefficient of friction reduces dramatically until a minimum.

c. Elastohydrodynamic Lubrication (EHL). The condition that occurs when a lubricant is introduced between surfaces that are in rolling contacts, such as ball and rolling element bearings. In this lubrication regime, the load is sufficiently high enough to produce Hertzian pressures for the surfaces to elastically deform, in those points, the lubricant film has got a Non-Newtonian behavior. The coefficient of friction is minimum in this area; the behavior is defined by the Cheng equation.

d. Hydrodynamic Lubrication. The condition when the load-carrying surfaces are separated by a relatively thick film of lubricant. This is a stable regime of lubrication and metal-to-metal contact does not occur during the steady-state operation of the bearing. The lubricant pressure is self-generated by the moving surfaces drawing the lubricant into the wedge formed by the bounding surfaces at a high enough velocity to generate the pressure to completely separate the surfaces and support the applied load. The coefficient of friction increase in this area, the behavior is defined by the Reynolds equation.

 Also the Hydrostatic Lubrication regime can be added, in which surfaces are fully separated by a lubricating film of liquid or gas forced between the surfaces by external pressure.

Introducción a la Tribología y la Lubricación

Denominamos Tribología a la ciencia que estudia los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste entre dos superficies en movimiento relativo.

 Un Sistema Tribológico transforma unas variables de entrada, que son tipo de movimiento, carga, velocidad y temperatura, mediante unas variables de alteración como son material y geometría de las superficies y el medio de interacción entre ellas en variables de salida que son fuerza, par, velocidad y energía y unas pérdidas que son fricción y desgaste.

Podemos definir Fricción como la resistencia al movimiento de un cuerpo deslizando sobre otro, la fricción cumple con las siguientes leyes, enunciadas por Guillaume Amontons:

1ª Ley: La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

2ª Ley: La fuerza de fricción es independiente al área aparente de contacto.

3ª Ley (o Ley de Coulomb): La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de deslizamiento. 

De modo general, la fuerza de fricción F se define como el producto de la carga normal al plano N y el coeficiente de fricción m. El coeficiente de fricción estática puede ser superior al de la fricción cinemática.

Los mecanismos que están involucrados en la generación de fricción son los siguientes:

1.   Adhesión.

2.   Interacciones mecánicas entre las superficies.

3.   Formación de surcos en una superficie por asperezas de la otra.

4.   Deformación y/o fractura de capas superficiales.

5. Interferencias y deformaciones plásticas causadas por un tercer elemento, principalmente aglomeración de partículas de desgaste entre las superficies en movimiento.

Respecto al Desgaste, lo podemos definir como la sucesión de sucesos a través de los cuales los átomos, productos resultantes de la conversión química, fragmentos, etc. son inducidos a abandonar el sistema. 

  El desgaste se puede clasificar en estos tipos:

· Desgaste Abrasivo: por presencia de partículas duras sobre un objeto más blando.

· Desgaste Adhesivo: por formación de microsoldaduras inmediatamente seguidas de sus roturas, y transferencias de material de una superficie a otra, durante el movimiento de las superficies.

· Desgaste por Reacciones Químicas: Principalmente corrosión, herrumbre y oxidación, producidas por la reacción entre el material y un agente corrosivo, que puede ser un agente químico, un lubricante, agua o incluso el aire.

· Desgaste por Fatiga: Por deformaciones sostenidas en las capas superficiales de superficies opuestas, acompañadas por grandes tensiones locales muy repetitivas.

· Desgaste Erosivo: Producido por el impacto de pequeñas partículas sólidas o líquidas sobre un objeto.

· Desgaste Electro-Corrosivo: Producido por el paso de corriente eléctrica entre dos superficies a través del lubricante. También puede deberse a la formación de arco eléctrico, por elevación de voltaje, en la superficie metálica. 

· Desgaste por Fretting: Producidos por deslizamientos sucesivos, de baja amplitud, entre superficies de contacto durante un gran número de ciclos. También se denomina pulido si está acompañado de micropartículas. 

· Desgaste por Cavitación: Por la formación y colapso cíclico de burbujas sobre una superficie sólida en contacto con un fluido.

Cualquier procedimiento que reduzca esta fricción y el desgaste se denomina Lubricación y cualquier material utilizado para este propósito se denomina Lubricante.

La característica principal de un lubricante es la Viscosidad, que podemos definir como la resistencia a fluir, y es la relación entre la tensión de cortadura sobre un fluido y la tasa de variación de la velocidad del fluido con respecto a la altura del fluido. Esta relación se denomina viscosidad absoluta, o viscosidad dinámica (h); al dividir esta viscosidad entre la densidad del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u).

Las formas en que un lubricante líquido puede reducir la fricción se denominan Regímenes de Lubricación y vienen definidos por la Curva de Stribeck, descrita por Richard Stribeck, que relaciona el Coeficiente de Fricción con el resultado de un parámetro resultante de multiplicar la viscosidad dinámica por la velocidad relativa del fluido dividido entre la carga normal sobre el objeto.

 (Curva de Stribeck, tomado de Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Lubricación Límite. El parámetro es muy bajo, lo que da como resultado una película lubricante muy fina, inferior a la rugosidad media de las superficies en contacto, por lo tanto no evita el contacto entre metales. En esta zona la fricción alcanza valores máximos. 

b. Lubricación Mixta. El parámetro es superior, dando como resultado una película lubricante fina, aproximadamente del mismo grosor que la rugosidad media, por lo que no garantiza que en algunos casos no haya contacto entre metales. En esta zona la fricción disminuye hasta aproximarse a su valor mínimo.

  

c. Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Se produce cuando el valor del parámetro es ligeramente superior dando como resultado una película lubricante tiene un grosor ligeramente superior a la rugosidad media. En estas condiciones se producen presiones Hertzianas que deforman de forma elástica las superficies metálicas, produciendo presiones puntuales extremadamente elevadas en el lubricante que producen un comportamiento no-newtoniano. La fricción alcanza un mínimo en este régimen de lubricación, que queda definido con la Ecuación de Cheng.

d. Lubricación Hidrodinámica. Se produce cuando el parámetro es superior dando como resultado un grosor de película lubricante muy superior a la rugosidad media, de manera que se impide el contacto entre las superficies metálicas. En esta zona el coeficiente de fricción aumenta de forma progresiva, su comportamiento que da definido por la Ecuación de Reynolds.

Además de estos regímenes se puede añadir la Lubricación Hidrostática en el que las superficies están completamente separadas por una película de un lubricante líquido o gaseoso mantenido entre las superficies por una presión externa.

Lubrication Regimes

 Knowledge of the lubrication regimes in which our machines run is essential to choose the best viscosity and type of lubricant with the target to avoid wear and improve energy saving, that is why to know the Stribeck curve is needed.

 To choose the right viscosity for an application is of crucial importance to avoid wear in machines, for this we usually follow the manufacturer recommendations but rarely do we consider parameters as the surface relative speed or the real running temperature. If we are not sure usually we increase the ISO viscosity grade but this does not ensure the wear protection.

 In addition these criteria don’t consider the equipment energy saving which can get worse without to improve the reliability.

 The best way to solve this problem is to know the lubrication regime our machines run, that is why we need to know the Stribeck curve.

 Describe by Richard Stribeck during the first years of the XX century, this Curve provide us an idea of the friction coefficient variation between two surfaces in the function of the lubrication regime. This regime depends on a parameter related to the lubricant viscosity, the surfaces relative speed and the load.

 If we follow the abscissa axis, first we find the boundary lubrication regime in which the friction coefficient is too high due the film is too thin, lower than the surface roughness, so we cannot avoid the wear. If we cannot avoid running in this regime, due to the running temperature, very low relative speed and/or very high load, we must use solid lubricants and pastes. Another option is to increase the lubricant viscosity to move to the next lubrication regime.

 In the mixed lubrication regime, the film thickness is higher, around the surface roughness, so only there are isolated contacts. This regime provides a drastic friction coefficient decrease and we can find a curve minimum, it means is suitable for energy saving. To avoid wear to use anti-wear additives are needed. 

 Both regimes are considered unstable because the increase in the temperature reduces the viscosity and increases the friction, as a result of that the lubrication regime moves to the left of the curve, the area that generates more wear.

 If we increase the viscosity or the relative speed we move to the elastohydrodynamic and hydrodynamic regimes, where we avoid wear because the film thickness is higher than the roughness.

 In the elastohydrodynamic regime, described by Ertel and Grubin and developed by Cheng, Hertzian contacts are found due to very small contact surface and very high load, up to 3.0 GPa, that increase the viscosity of the lubricant, deform both surfaces and reduce the roughness. This lubrication regime is near the minimum of the Stribeck curve, in fact, some authors think the minimum is in this regime, so to keep in this regime increases the energy-saving and reduces wear. Gears, bearings and cams run in this regime.

 In the hydrodynamic regime, the film thickness is much higher than the roughness, due to the relative speed and the viscosity of the lubricant, this is why we avoid the contacts between the surfaces and eliminate wear. This regime is defined by the Reynolds equation. But the Stribeck curve indicates us that this regime increases the friction coefficient due the high viscosity so the energy-saving gets worse, mainly if the relative speed between the surfaces is too high, in this case, we must reduce the viscosity of the lubricant to move closer the minimum of the Stribeck curve. Journal bearings run in this regime.

 We can consider these regimes as stables because any variation of temperature produces a variation of the viscosity and the friction coefficient in the same direction so they stabilize themselves.

Regímenes de Lubricación

 Conocer los regímenes de lubricación en el que trabajan nuestras máquinas es fundamental para escoger la viscosidad y el tipo de lubricante adecuado con el objetivo de evitar desgastes y reducir el consumo energético, para ello es necesario conocer la curva de Stribeck.

 Escoger la viscosidad adecuada para cualquier aplicación resulta de vital importancia para evitar desgastes en las máquinas, esta elección suele realizarse teniendo en cuenta la recomendación del fabricante, pero raras veces se consideran parámetros como la velocidad relativa de las superficies o la temperatura real de trabajo. En caso de duda habitualmente aumentamos el grado de viscosidad ISO, pero esto no garantiza una mejor protección contra el desgaste.

 Además, con estos criterios no tenemos en cuenta el consumo energético del equipo, que se puede incrementar de forma importante sin que eso conlleve un aumento de fiabilidad.

 La mejor manera de solucionar este problema es conocer el régimen de lubricación en el que trabajamos y para ello necesitamos conocer la curva de Stribeck.

 Descrita por Richard Stribeck a principios del siglo XX, esta Curva nos proporciona una visión general de la variación del coeficiente de fricción entre dos superficies en función del régimen de lubricación. Este régimen depende de un parámetro que relaciona la viscosidad del lubricante, la velocidad relativa de las superficies y la carga a la que estas están sometidas.

 Si seguimos el eje horizontal, primero encontramos el denominado régimen de lubricación límite, en él el coeficiente de fricción es muy elevado debido a que la película lubricante es muy fina, inferior a la rugosidad de las superficies, por lo que no podemos evitar el contacto ni el desgaste. Si no podemos evitar trabajar en este régimen de lubricación, debido a las temperaturas de trabajo, velocidades relativas muy bajas y/o cargas muy elevadas, debemos utilizar lubricantes sólidos. La otra opción es aumentar la viscosidad del lubricante para desplazarnos al siguiente régimen de lubricación.

 Este lo denominamos lubricación mixta y en él el grosor de la película lubricante es mayor, aproximadamente igual a la rugosidad de las superficies, por lo que encontramos contactos puntuales. En este régimen se produce una disminución drástica del coeficiente de fricción y podemos encontrar un mínimo de la curva, eso significa que es el más adecuado en términos de eficiencia energética. Para evitar desgastes es necesario utilizar aditivos anti-desgaste adecuados a la aplicación. 

 Estos dos regímenes los consideramos inestables, ya que un aumento de la temperatura reduce la viscosidad y aumenta la fricción lo que multiplica este efecto desplazando el régimen de lubricación a la izquierda, la zona donde se genera mayor desgaste, de la curva.

 Si, por el contrario, aumentamos la viscosidad o la velocidad relativa de las superficies entramos en los regímenes de lubricación elastohidrodinámica e hidrodinámica, en estos casos tenemos garantizada la separación de las superficies debido a que el grosor de la película lubricante es superior a la rugosidad de las superficies, por lo que reducimos el desgaste al mínimo.

 El régimen de lubricación elastohidrodinámica, descrito por Ertel y Grubin y desarrollado por Cheng, se da entre superficies curvas entre las que se producen contacto Hertziano debido que encontramos unas superficies de contacto muy pequeñas y cargas muy elevadas, que traen como consecuencia una presión de contacto extremadamente elevada, alcanzando los 3.0 GPa, que incrementan drásticamente la viscosidad del lubricante y deforman ambas superficies reduciendo la rugosidad. Este régimen de lubricación está muy cerca del mínimo de la curva de Stribeck (algunos autores consideran que, de hecho, el mínimo se encuentra en este régimen) por lo que es interesante situarnos en esta zona para mejorar eficiencia energética a la vez que reducimos desgastes. Es el régimen de lubricación típico de engranajes, rodamientos y levas.

 En el régimen de lubricación hidrodinámica el grosor de la película lubricante es mucho mayor que la rugosidad, debido a la velocidad relativa de las superficies y la viscosidad del lubricante, por lo que evitamos completamente el contacto entre las superficies eliminando desgastes. Este régimen está definido por la ecuación de Reynolds. Sin embargo, la curva de Stribeck nos indica que en este régimen aumenta la fricción debido, precisamente, a la elevada viscosidad del fluido por lo que tiene un aspecto perjudicial para el consumo energético, sobre todo si la velocidad relativa de las superficies es muy elevada, en estos casos podemos reducir la viscosidad del lubricante para acercarnos al mínimo de la curva de Stribeck sin comprometer la protección al desgaste. Es el régimen de lubricación típico de cojinetes.

 Consideramos estos dos regímenes de lubricación estables ya que cualquier variación de temperatura varía la viscosidad y el coeficiente de fricción en el mismo sentido por lo que se estabiliza.