Vähemmän kitkaa - VTT:n kitkalaboratorio kehityksen kärjessä

Tällä VTT:n kehittämällä koelaitteella voidaan simuloida polttomoottorien männänrenkaiden ja sylinteriputkien kitkaan ja kulumiseen liittyviä ominaisuuksia. Kokeessa mitataan kitkavoima, joka syntyy, kun männänrengaspala kuormitettuna liikkuu edestakaisin sylinteriputkesta valmistetun koekappaleen pinnalla. Kuormitus, liikenopeus, liikematka, lämpötila, voitelutapa ja voiteluaineen koostumus voidaan valita halutuiksi. Liiketaajuus voi olla 5–40 Hz (300–2400 rpm) ja lämpötila 22–230 oC. 

Esimerkki männänrenkaan ja sylinteriputken välisestä kitkakäyrästä. Koekappale liikkui kääntökohdasta toiseen ja takaisin iskunpituudella 40 mm ja pyörimisnopeudella 300 rpm. 

Sileinkään pinta ei ole koskaan aivan tasainen, vaan rosoja on aina. Kitka syntyy pintojen hangatessa toisiaan vastaan. Öljykalvo (kuvassa keltainen) helpottaa tilannetta tasoittamalla epätasaisuuksia ja kuljettamalla pois hankauksessa syntyneet mikroskooppisen pienet materiaalihiukkaset. 

Jyrki Karkinen

Kitka moottoreissa ja voimansiirrossa on monimutkainen ilmiö. Siihen vaikuttaa moni asia, kuten esimerkiksi pintojen materiaali ja laatu, voiteluaine (ja sen puhtaus), lämpötila, kuormitukset, kemiallinen rasitus jne. Kitkaa tutkittaessa jokaista kokonaisuuteen vaikuttavaa tekijää pyritään testaamaan erikseen, jonka jälkeen tulokset yhdistämällä saadaan selville kokonaistilanne. Tutkimalla vaikuttavia tekijöitä erikseen selviää myös se, mitkä toimet vaikuttavat kitkaan eniten, eli siis mihin asioihin moottorin tai voimansiirron valmistajan kannattaa keskittää tuotekehityspanokset.

Tietoa kitkasta ja sen vaikutuksesta on kautta aikain kerätty empiirisesti, mittaamalla. Tietokoneet ja mallintaminen ovat viime aikoina vieneet kehitystä harppauksittain eteenpäin.

Jos tutkittavasta kohteesta, esimerkiksi laakerista, saadaan luotua tietokonemalli joka käyttäytyy kuten ”aito asia”, voidaan kehitystyötä jatkaa pelkän mallin perusteella. Kehitystyö nopeutuu valtavasti, kun tietokonemallin avulla voidaan nopeasti testata lukuisia erilaisia ratkaisuja (joko rakenteellisia tai voiteluun perustuvia). Kun sitten lupaavimmat ratkaisuvaihtoehdot on seulottu selville, voidaan niiden pohjalta tehdä varsinaiset käytännön kokeet.

VTT:n kitkalaboratorion mittavälineillä pystytään selvittämään tarkasti kitkaan liittyviä ilmiöitä. Perustason mittavälineillä keskitytään tutkimaan mikrotason ilmiöitä, kuten pintojen laatua, kitkakerrointa ja kulumista tai öljykalvon paksuutta. Kun perusasiat on selvitetty, siirrytään tutkimaan monimutkaisempia rakenteita. Voidaan esimerkiksi mitata kokonaisia laakereita eri tavalla kuormitettuina ja käyttäen erilaisia voiteluaineita.

Erilaisia moottorissa vallitsevia tilanteita pyritään selvittämään mahdollisimman aidoissa oloissa. Laboratoriossa on esimerkiksi mittalaite, jolla pystytään tutkimaan männänrenkaan ja sylinterin välistä toimintaa. Sylinterissä liikkuvan männänrenkaan kitka saadaan reaaliaikaisesti mitattua, ja laitteella voidaan myös tehdä pitkiä koesarjoja, joilla kulumisen nopeus ja siihen vaikuttavat tekijät saadaan selvitettyä.

Kitkan tutkimus jakautuu tällä hetkellä monelle saralle. Yksi lupaava tutkimuskohde on pintojen päällystäminen. Pinnoitteena voidaan käyttää liukkaita aineita, kuten muoveja (teflon) tai erittäin kovia aineita, jopa timanttia. Osin kyseessä on jo laajalti käytössä oleva tekniikka, hiileen perustuvia pinnoiteaineita käytetään ruiskutusventtiileissä ja esimerkiksi tietokoneiden kiintolevyjen lukupään laakeroinnissa.

Toinen kiinnostava tutkimuskohde on kitkan pienenentäminen pinnan kuviointia (teksturointi) hyödyntäen. On nimittäin havaittu, että öljykalvo saattaa toimia paremmin, jos laakeripinnat eivät ole aivan tasaisia, vaan niissä on esimerkiksi mikroskooppisen pieniä kuoppia. Moottorivalmistajilla on tästä tekniikasta jo testisarjoja menossa.

Öljyn lisäaineiden kehitys jatkuu yhä vilkkaasti. Kokeissa uudet lisäaineet ovat antaneet lupaavia tuloksia. Usein lisäaineen vaikutustapa on sellainen, että lisäainetta kertyy äärimmäisen ohut kerros voideltaviin pintoihin, ja kitka pienenee tämän johdosta. Tutkimusta tehdään myös ns. ionisten nesteiden osalta, mikä tarkoittaa sitä, että voiteluaineen molekyylit ovat sähköisesti varattuja. Laboratoriokokeissa tällaisia voiteluaineita käyttäen on havaittu kitkan vähenevän jopa 25–50 %.

Kitkaa voidaan pienentää myös rakenteita kehittämällä. Esimerkiksi männänrenkaista pyritään tekemään yhä kapeampia, jolloin kitka pienenee.

Jos ja kun kitkaa onnistutaan pienentämään, syntyvät säästöt ovat globaalissa mittakaavassa valtavat. VTT on esimerkiksi selvittänyt kitkahäviöiden pienentämistä henkilöautoissa, ja tullut siihen tulokseen, että uusia aineita ja tekniikoita käyttämällä autoliikenteessä olisi mahdollista saavuttaa seuraavan kymmenen vuoden kuluessa 18 % vähennys kitkassa. Tämä tarkoittaisi Suomen mittakaavassa jopa 4,5 miljardin euron säästöä polttoainekuluissa. n

Lisätietoa tutkimuksesta henkilöautojen kitkan vähentämisestä löytyy osoitteesta www.vtt.fi/news/2012/12012012.jsp

Osa VTT:n tutkimuksista on tehty julkisin varoin, jolloin saadut tiedot ovat vapaasti luettavissa. Nämä tiedot löytyvät VTT:n julkaisusarjoista (www.vtt.fi/publications). Osa tutkimuksista tehdään tilaustyönä, jolloin tutkimustuloksetkin luonnollisesti jäävät vain tilaajan tietoon.

Kitkaan ja jutussa mainittuihin tutkimuksiin liittyviä kysymyksiä voi esittää suoraan tutkimusprofessori Kenneth Holmbergille (kenneth.holmberg@vtt.fi)

Avaa artikkelin PDF