Elasto-Hydrodynamic Lubrication (EHL) là một trong những cơ chế bôi trơn quan trọng nhất trong tribology, đặc biệt trong các ứng dụng chịu tải lớn, tiếp xúc điểm (point contact) hoặc đường (line contact) như vòng bi lăn, bánh răng, cam – con đội, máy nén, và hộp số ô tô. Đây là cấp độ bôi trơn cao cấp hơn so với hydrodynamic vì có thêm yếu tố đàn hồi của bề mặt và sự biến đổi độ nhớt theo áp suất.

Bài viết này phân tích chi tiết cơ chế hình thành màng dầu EHL, các yếu tố ảnh hưởng, mô hình tính toán độ dày màng dầu, và ứng dụng trong thực tế.

---

1. EHL là gì?

Trong bôi trơn thủy động (hydrodynamic), hai bề mặt kim loại được tách ra hoàn toàn bởi màng dầu nhờ chuyển động tương đối và hình nêm chất lỏng.

Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng chịu tải lớn như vòng bi hoặc bánh răng, áp suất tiếp xúc rất cao, thường đạt:

• 0.5 – 4 GPa trong vòng bi
• 1 – 2 GPa trong bánh răng
• lên đến 3 GPa trong cam – follower

Ở áp suất này, xảy ra hai hiện tượng đặc biệt:

(1) Bề mặt kim loại bị biến dạng đàn hồi (Elasto-)

Mặc dù thép rất cứng, nhưng dưới áp suất gigapascal, nó biến dạng đàn hồi, làm vùng tiếp xúc mở rộng ra. Điều này khác hoàn toàn với hydrodynamic lub., nơi bề mặt được xem là phẳng và cứng.

(2) Độ nhớt dầu tăng mạnh theo áp suất (-Hydrodynamic)

Dầu nhờn không còn giữ độ nhớt “bình thường”. Khi áp suất lên tới hàng GPa, độ nhớt có thể tăng 1000–10.000 lần (hiện tượng “pressure–viscosity effect”).

👉 Sự kết hợp của hai hiện tượng trên tạo ra màng dầu cực mỏng nhưng rất mạnh, gọi là EHL film – có thể giữ hai bề mặt thép tách nhau với độ dày chỉ vài chục nanomet đến vài trăm nanomet.

---

2. Phân loại EHL: Hard EHL vs Soft EHL

Hard EHL

• Xảy ra ở vòng bi, bánh răng, cam
• Bề mặt kim loại cứng → biến dạng đàn hồi nhỏ
• Màng dầu rất mỏng (20 – 200 nm)
• Áp suất cực cao → độ nhớt tăng đột biến

Soft EHL

• Xảy ra trong polymer, cao su, bao bì đàn hồi
• Bề mặt mềm → biến dạng lớn
• Màng dầu dày hơn
• Ứng dụng: vòng đệm cao su, lốp–đường, seals

Trong ngành công nghiệp dầu nhờn, hard EHL là dạng được quan tâm nhiều nhất.

---

3. Mô hình tính toán độ dày màng dầu EHL (Hamrock–Dowson)

Phương trình Hamrock–Dowson (HD, 1977) là phương trình kinh điển để ước tính độ dày màng dầu trong EHL.

Đối với tiếp xúc điểm (vòng bi): hmin=3.63 U0.68G0.49W−0.073(1−e−0.68k)h_{min} = 3.63 \, U^{0.68} G^{0.49} W^{-0.073} (1 – e^{-0.68k})hmin​=3.63U0.68G0.49W−0.073(1−e−0.68k)

Trong đó:

• U – thông số vận tốc (liên quan đến độ nhớt & tốc độ)
• G – thông số áp suất–độ nhớt
• W – thông số tải
• k – độ cong bề mặt

Ý nghĩa kỹ thuật:

• Tốc độ và độ nhớt tăng ⇒ màng dầu dày hơn
• Tải trọng tăng ⇒ màng dầu mỏng hơn
• Base oil có pressure–viscosity coefficient cao ⇒ màng dầu mạnh hơn

Trong thực tế, kỹ sư bảo trì dựa vào mô hình này để chọn đúng cấp độ nhớt và ngăn ngừa failure.

---

4. Cơ chế hình thành màng dầu EHL

4.1. Vùng vào dầu (inlet zone)

Dầu được kéo vào vùng tiếp xúc nhờ độ nhớt & tốc độ trượt. Vùng này quyết định khả năng hình thành màng.

4.2. Vùng áp suất cực đại (pressure spike)

Ở trung tâm tiếp xúc, áp suất tăng lên đến GPa, làm dầu:

• trở nên “cứng” hơn
• tăng độ nhớt lên hàng nghìn lần
• tạo lớp màng có sức chịu tải cao

4.3. Vùng thoát dầu (outlet zone) – hiện tượng cavitation

Áp suất giảm đột ngột → có thể xuất hiện bọt khí hoặc sự tách pha của dầu → ảnh hưởng đến độ ổn định màng.

---

5. Hư hỏng liên quan đến EHL

Pitting (bọt rỗ bề mặt bánh răng / vòng bi)

• Do ứng suất tiếp xúc lặp lại dưới áp lực cao
• Thường do màng dầu EHL không đủ dày

Micropitting

• Hạt rỗ rất nhỏ, do màng dầu quá mỏng (thường < 50 nm)
• Xảy ra trong hộp số ô tô, đặc biệt là dầu loãng 0W-20 trở xuống

Scuffing

• Màng EHL bị phá vỡ → tiếp xúc kim loại-kim loại
• Do tải tăng đột ngột hoặc nhiệt độ quá cao

Wear (mài mòn)

• Khi màng dầu không duy trì được EHL → chuyển sang vùng “boundary lubrication”

---

6. Vai trò của dầu nhờn trong EHL

Dầu nhờn cần những đặc tính quan trọng sau:

6.1. Độ nhớt phù hợp

• Đủ cao để tạo màng dầu
• Nhưng không quá cao gây tổn thất ma sát

6.2. Pressure–viscosity coefficient (α)

Thông số quan trọng nhất trong EHL:

• α cao → dầu “cứng” hơn khi bị nén → màng EHL mạnh hơn
• Ester và PAO thường có α tốt hơn dầu khoáng

6.3. Đặc tính shear-thinning

Trong điều kiện shear cao, dầu bị “loãng” hơn tạm thời → giảm ma sát → tăng hiệu suất.

6.4. Phụ gia chống mài mòn

Khi EHL bị phá vỡ, phụ gia ZDDP, AW, EP bảo vệ bề mặt kim loại.

---

7. Ứng dụng của EHL trong công nghiệp

7.1. Vòng bi tốc độ cao

• Màng dầu EHL giúp giảm ma sát lăn
• Ngăn ngừa hư hỏng fatigue

7.2. Bánh răng tải nặng

• Ngăn micropitting
• Giảm scuffing khi chịu tải sốc

7.3. Hộp số ô tô / xe máy

• Rất quan trọng đối với bánh răng hypoid
• Dầu GL-4/GL-5 được thiết kế để duy trì EHL + EP

7.4. Máy nén & tuabin

• EHL giúp ổ đỡ hoạt động ổn định ở tốc độ cao

---

8. Thách thức hiện nay trong thiết kế dầu cho EHL

✔ Xu hướng dầu siêu loãng (0W-8, 0W-12)

→ Màng dầu mỏng hơn, dễ chuyển sang boundary → dễ micropitting.

✔ Xu hướng vật liệu mới: Ceramic, DLC

→ Tương tác dầu—bề mặt khác với thép truyền thống.

✔ Xu hướng tiết kiệm năng lượng

→ Yêu cầu giảm ma sát nhưng vẫn giữ bảo vệ tải nặng.

Kỹ thuật dầu nhờn hiện đại phải cân bằng giữa:

• hiệu suất nhiên liệu
• bảo vệ EHL
• độ bền dầu

---

9. Kết luận

Cơ chế Elasto-Hydrodynamic Lubrication (EHL) là yếu tố nền tảng giúp các thiết bị cơ khí chịu tải nặng hoạt động bền bỉ. Nhờ hiểu rõ biến dạng đàn hồi của bề mặt, tính chất dầu dưới áp suất cực cao, và cách mà màng dầu EHL hình thành, kỹ sư có thể:

• lựa chọn đúng loại dầu
• ngăn ngừa hư hỏng như pitting, micropitting, scuffing
• tối ưu hiệu suất và tuổi thọ thiết bị

Trong bối cảnh thiết bị ngày càng nhỏ gọn, tốc độ cao và tiêu chuẩn nhiên liệu ngày càng nghiêm ngặt, EHL tiếp tục là trụ cột quan trọng của công nghệ bôi trơn hiện đại.