Gran avance en tribología: predecir películas lubricantes extremadamente finas

Cuando un vehículo eléctrico acelera, el motor genera fuerzas máximas y enormes presiones actúan sobre los engranajes de la transmisión eléctrica. Superficie contra superficie, metal contra metal. Si no hubiera una película lubricante que permitiera a los engranajes deslizarse con más facilidad, no sólo se calentarían en extremo, sino que se desgastarían rápidamente. "Sin una película lubricante, muchas cosas de nuestra vida cotidiana serían más lentas, chirriarían más y darían más tirones", explica el profesor Michael Moseler, Director de la Unidad de Negocio de Tribología del Fraunhofer IWM. "Sin duda, el vehículo eléctrico nunca alcanzaría una autonomía tan elevada", añade la Dra. Kerstin Falk, que dirige el equipo de "Diseño de lubricación molecular". Juntos investigan el comportamiento de las películas lubricantes en contactos tribológicos sometidos a grandes esfuerzos, con el fin de predecir su idoneidad para un funcionamiento de baja fricción. Tanto si el material en cuestión es metal, plástico o cerámica, una lubricación ideal puede ahorrar más de un 20% de energía, ya que las máquinas funcionan con menos resistencia. También es un campo de investigación prometedor en términos de sostenibilidad.

Por eso no es de extrañar que las empresas asociadas al Centro de MicroTribología µTC, una colaboración entre el Fraunhofer IWM y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), estén muy interesadas en reducir al máximo la fricción en sus sistemas. "Actualmente, muchos sistemas tribológicos se diseñan en su límite de carga, donde se producen espesores de película lubricante en el rango de los nanómetros y presiones en el rango de los gigapascales. Nuestros socios se preguntan cómo calcular la fricción en un componente con contactos tribológicos tan cargados, ya que los enfoques convencionales de cálculo fluidodinámico fallan en estas condiciones extremas", explica Kerstin Falk, resumiendo el problema. Junto con su equipo de simulación del MicroTribology Centrum μTC, Falk y Moseler han encontrado una respuesta a esta pregunta. Ahora presentan los resultados de su investigación en la renombrada revista Science Advances.

Comprender y optimizar la fricción

La forma de calcular la fricción y mantenerla lo más baja posible depende del régimen de lubricación que una empresa pretenda para sus componentes. Por lo general, desea accionar sus tribosistemas -en los que una fuerza presiona los cuerpos primario y opuesto- en condiciones elastohidrodinámicas. Una película lubricante, cuyo espesor es mucho mayor que la rugosidad de las dos superficies, tiene por objeto reducir la fricción. En este caso, el rozamiento puede predecirse con gran exactitud utilizando un enfoque de mecánica continua. Se trata de resolver la denominada ecuación de Reynolds para el lubricante, que Osborne Reynolds dedujo en 1886.

Además, se calcula la ecuación de conducción del calor para el sistema global y las ecuaciones elásticas lineales para ambas superficies. Los únicos datos materiales necesarios son los módulos de elasticidad y las relaciones de Poisson de los socios de fricción, las conductividades térmicas y las capacidades caloríficas de todos los materiales implicados, así como leyes constitutivas precisas - para la densidad del fluido y para su viscosidad dinámica para un campo de parámetros consistente en presión, temperatura y velocidad de cizallamiento local en el fluido. Este es el estado actual de la técnica.

Sin embargo, si el sistema tribológico funciona en lubricación límite, es decir, con una película de lubricante muy fina en la que los contactos de las asperezas, es decir, los picos de rugosidad, sólo están separados por unas pocas capas atómicas de lubricante, en los cálculos de los puntos de contacto "secos" sólo se utiliza un coeficiente de fricción aproximado. "Esto es muy insatisfactorio porque los cálculos con parámetros de material adivinados son inexactos, conducen a diseños subóptimos y, en última instancia, cuestan mucho dinero a las empresas", afirma Michael Moseler.

Kerstin Falk y Michael Moseler no se conformaron con esto: Junto con cuatro empresas asociadas del MicroTribology Centrum µTC, investigaron su propia ley matemática para el comportamiento de películas lubricantes extremadamente finas en un proyecto de tres años y desarrollaron la ecuación de Reynolds más allá, por así decirlo. "Queríamos entender cómo se comporta la fricción en la lubricación límite", explica Moseler. El objetivo del proyecto es aclarar por debajo de qué espesor de película lubricante falla la mecánica del continuo y cómo pueden ampliarse las ecuaciones subyacentes para poder calcular una película lubricante más fina que la rugosidad de la superficie. Para ello se calculó la dinámica molecular de un lubricante de hidrocarburo en una geometría de contacto de asperidad, por ejemplo dos superficies de carbono tipo diamante (DLC) lubricadas con un aceite base de polialfaolefina (PAO). A continuación se compararon los resultados de la simulación de dinámica molecular con los de la ecuación de Reynolds.

El resultado fue rotundo: Para presiones entre los socios de fricción inferiores a 0,4 gigapascales y alturas de la ranura de lubricación superiores a 5 nanómetros, la descripción de Reynolds concuerda bien con los cálculos de referencia de dinámica molecular, siempre que se utilice una ley constitutiva exacta para la viscosidad del lubricante. Por el contrario, Kerstin Falk y Michael Moseler han podido demostrar que en condiciones extremas de lubricación límite, es decir, presiones elevadas de aprox. 1 gigapascal y alturas pequeñas de la ranura de lubricación de aprox. 1 nanómetro, la adherencia del lubricante a las superficies se reduce y, por tanto, el deslizamiento entre un compañero de fricción y el lubricante debe incluirse en el cálculo para predecir correctamente la fricción. Esto requiere una ley de deslizamiento de pared no lineal. Ésta relaciona las velocidades de deslizamiento de la pared (es decir, la diferencia de velocidad entre un socio de fricción y el lubricante adyacente) con las tensiones de cizallamiento locales en la película lubricante.

Un gran avance en tribología: predecir la fricción en los bordes

Con estos resultados, los investigadores presentan ahora un método innovador para predecir la fricción en condiciones de lubricación límite. La estructura atómica de las superficies de rozamiento es un dato adicional necesario para esta modelización continua predictiva no empírica de los contactos tribológicos sometidos a grandes cargas. Ésta se determina mediante análisis experimentales en profundidad y es un requisito previo para la ley de deslizamiento de la pared.

Los nuevos descubrimientos del Fraunhofer IWM se están utilizando ahora en proyectos de seguimiento para predecir los coeficientes de fricción y el comportamiento de la fricción en aplicaciones específicas -por ejemplo, en engranajes y cojinetes-, así como para apoyar a los socios investigadores en la creación de experiencia en simulación. De este modo, pueden realizar simulaciones en bancos de pruebas y de componentes, reducir las incertidumbres en el diseño de sistemas tribológicos y determinar con mayor precisión los parámetros de diseño. Se trata de un paso importante hacia el diseño de lubricantes, superficies y componentes basado en el conocimiento, y debería resultar sumamente interesante para los fabricantes de lubricantes y recubrimientos, así como para los fabricantes de rodamientos y engranajes.