Master's Thesis

Grease flow in the ball joint of the steering arm of a car

Final Thesis 11.12 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Běhoun

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Šperka, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the lubrication of automotive steering ball joints using a multidisciplinary approach. It combines experimental modeling, computer simulations, and advanced imaging techniques. X-ray computed tomography (CT) was utilized to analyze the thickness of the lubricating film. The lubricant used in the ball joints is a non-Newtonian fluid called grease. Rheological data were utilized to develop four distinct non-Newtonian fluid models. Tribological measurements provided information on the force interactions in the lubricating films, which were further investigated through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, and the results were compared. The most suitable non-Newtonian fluid model was identified and applied to simulate the behavior of grease in the real geometry of ball joint obtained from CT scans. The simulation results were subsequently compared with experimental data.

Keywords:

Ball joint, grease, CT, CFD, non-Newtonian fluid, rheology, lubrication

Date of defence

12.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil komisi s diplomovou prací Proudění tuku v kulovém kloubu ramene řízení automobilu. Popsal podvozek automobilu a jeho funkci. Následně uvedl způsoby vyhodnocení CT snímků kritických částí. Nastínil rekonstrukci kulového kloubu a vrstvu tuku na kloubu. Zmínil možnosti nalezení vhodného modelu kapaliny. Uvedl počty a odlišnosti použitých geometrií užitých pro simulace. Zmínil nastavení dvoufázové CFD simulace. Na dotaz oponenta vysvětlil rozdíly ve výsledcích dle jednotlivých relogických modelů při srovnání modelu a experimentu. Uvedené popsal také v závislosti na teplotě. Dále uvedl relativní vliv odporu maziva na hranách pinu na tečnou sílu. Popsal kvantitativní vyjádření příspěvku tečné síly. Zamyslel se nad nutností využití 3D simulace ve srovnání s 2D simulací. Komisí byl dále tázán na možnosti doplnění reogramu v oblastech nízkých smykových rychlostí. Uvedl předpoklady o proudění tuku vzhledem k CFD simulaci.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. RNDr. Milada Kozubková, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloslav Haluza, CSc. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Zavadil, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Student Lukáš Běhoun zpracovával svou diplomovou práci na zadání průmyslového partnera z oblasti mazání kulových kloubů řízení automobilu. Práce má rozsáhlou část výpočtovou i experimentální, pracoval v kooperaci s několika pracovišti na VUT i na Akademii věd ČR. Dosažené výsledky jsou do značné míry originální a přináší nové poznatky v oblasti mazání. Konkrétně bych zmínil: nalezení vhodného modelu proudění nenewtonsky se chovajícího tuku, mikroCT sken kulového kloubu s mazacím filmem, výzkum silových a proudových poměrů v nestacionárním Couettově proudění (experimentálně i výpočtově 2d a 3d).

Student pracoval velmi zodpovědně, často konzultoval a předložil diplomovou práci na vysoké úrovni.

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Šperka, Ph.D.

Práce se zabývá CFD modelováním třecího odporu ve vrstvě plastického maziva, kterým jsou mazány kulové klouby používané v automobilových podvozcích. Predikce a kontrola pasivních odporů je jedním z hlavních sledovaných parametrů v jejich konstrukci vstupující do návrhu podvozků a prvků řízení. V práci jsou využity data reologického měření reálného plastického maziva pro sestavení nenewtonského materiálového modelu pro teploty 20 a 40°C, a dále data počítačové tomografie pro rekonstrukci vnitřních prostor kloubu, a určení procentuálního zastoupení vzduchu v mazací vrstvě. Numerické řešení toku maziva v tenké spáře je modelováno 2D a 3D nejprve pro modelový případ konfigurace „pin-on-plate“. Toto řešení bylo porovnáno s experimenty na laboratorním zařízení. V dalším postupu byl modelován tok maziva v reálné konfiguraci kloubu, a porovnáno s měřenými daty celého kulového kloubu, kde se ukázalo, že tato část třecích odporů činí jen velmi malou část celkového odporu. Výstupy práce představují dílčí krok v pochopení fungování kloubů, a jistě je důležitým krokem pro další rozvoj numerických modelů pro predikci důležitých parametrů kloubů. Přednostmi práce je obecně vysoká kvalita odborné a technické práce ve všech kapitolách, vysoká úroveň technického popisu, práce s literaturou a kvalita zdrojů v širokém spektru problémů a úkolů, šířka práce a schopnost zorientovat se v různých problémech. Student prokázal schopnost použít efektivní a pokročilé metody práce s rozličnými daty při využití možností soudobých PC. Rozsáhlý a kvalitní popis použitých numerických metod dodává práci důvěryhodnost. Hlavní rezervy a náměty pro rozšíření jsou v omezené úrovni širší diskuse výsledků, zobecnění a souhrnné interpretace výsledků. Text práce obsahuje poměrně málo hodnotících částí textů. Rozsah rešerše z blízké oblasti samotnému hlavnímu problému práce by mohla být rozsáhlejší. V některých částech mohl být lépe popsán či zdůrazněn smysl dílčích kapitol práce, aby byl jejich cíl více zřejmý. V rozsáhlé práci se tím místy vytrácí přímočarost. V samotné stěžejní části práce jsou aspekty, které mohly být více prověřeny, jako je například role nerovnoběžnosti ploch v experimentu, rozsáhlejší citlivostní analýza vstupů na výsledek, případně diskuse dalších jevů, které mohou být znatelné z rozdílů mezi měřeními momenty reálných ložisek a CFD modelem. Zmíněné body vnímám spíše jako komentáře, které často mohou být nad rámec zadání a rozsahu či úrovně očekávané od diplomové práce, a proto je výrazněji nepromítám do udělených známek. Student prokázal schopnost řešit technický problém, pracovat s literaturou a sestavit teoretický popis, zpracovat vstupy a výstupy řešení. Celková úroveň práce je nadprůměrná. Cíle práce byly splněny a práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Proč je rozdíl ve výsledcích pro jednotlivé reologické modely na Obr. 5.7 tak velký, když při regresi dat reologických měření byly mezi modely malé rozdíly (kapitola 3)? Podobně proč se ukázaly modely Carreau a Cross jako nejreprezentativnější pro teplotu 20 °C (Obr. 5.8) a naopak Power-law a Herschel-Bulkley zase pro teplotu 40 °C (Obr. 5.10)?
  2. Jaký je relativní vliv a celkový závěr k příspěvku odporu maziva na hranách pinu na tečnou sílu? Jaký je kvantitativně vyjádřený přínos, a zda je nezbytné používat 3D analýzy v porovnání s 2D analýzami v modelovém případě „pin-on-plate“?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová