TY - THES

T1 - Bewertung von Mischreibungsvorgängen in kontraformen Kontakten

AU - Moder, Jakob

N1 - gesperrt bis 04-11-2016

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist wohl der schonende Umgang mit den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen, sowie die Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffen. Neben der Nutzung von erneuerbaren Energien wie z.B. Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft, oder Geothermie, bietet die Optimierung von bereits etablierten Systemen ein enormes Potential. So beträgt in Verbrennungskraftmaschinen der Anteil an Reibungsverlusten etwa 30% der aktuell abgegebenen Motorleistung. Aufgrund dieser Thematik und Vorgaben von Gesetzgeber und Unternehmen, ist eine detaillierte Analyse und Optimierung von geschmierten kontraformen Kontakten, die beispielsweise in Nockenwellen oder Zahnrädern vorkommen, notwendig um den immer höher werdenden Anforderungen gerecht zu werden. Im Rahmen der Arbeit werden durch die Oberflächenmodifikationsprozesse Kugelstrahlen, Gleitschleifen und Schleifen die Oberflächenstrukturen von Bauteilen gezielt geändert, und die Auswirkungen auf das tribologische System detailliert analysiert. Die Analysemethodik gliedert sich dabei in drei Teilbereiche. So werden mit einem Zweischeibenprüfstand Versuche durchgeführt, wobei die Steuergrößen Temperatur, Geschwindigkeit, Pressung und Schlupf vorgegeben und die Größen Reibwert, Temperatur und Kontaktpotential gemessen werden. Begleitend werden optische Analysen durch ein Laserkonfokalmikroskop durchgeführt, die dadurch generierten Daten werden in einer eigens entwickelten MATLAB Software ausgewertet. Die Software ermöglicht eine 3D Visualisierung der Oberfläche, sowie eine Ermittlung von 3D Oberflächenkennwerten. Abschließend werden die durchgeführten Versuche in einem eigens entwickelten Mischreibungsmodell, welches auf vorhergehenden Arbeiten basiert, in der Software COMSOL Multiphysics simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verfahrenskombination von Kugelstrahlen und Gleitschleifen (KSGS) die Reibungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Schleifen drastisch reduzieren kann. Für bestimmte Situationen ergibt sich eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um den Faktor zwei. Bei der KSGS Verfahrenskombination bildet sich eine extrem glatte Oberfläche, die aber trotzdem noch Schmiertaschen enthält, wodurch sich auch noch bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr günstiger Reibwert ergibt. Die detaillierten optischen Analysen zeigen, dass diese Art von Oberflächen keinen Einlaufbedarf aufweist. Oberflächen, die nur gleitgeschliffen (GS) werden, können nicht die Eigenschaften von KSGS Oberflächen erreichen. Kugelgestrahlte (KS) Oberflächen zeigen aufgrund der hohen Rauhigkeit das schlechteste Reibverhalten. Allerdings stellt sich heraus, dass sich diese Oberflächen im Betrieb sehr gut aneinander anpassen können. Eingelaufene KS Oberflächen weisen weiters einen um etwa 10% geringeren Reibwert im Vergleich zu nicht eingelaufenen Proben auf. Der Vergleich der Oberflächenparameter der verschieden bearbeiteten Oberflächen ergibt, dass der statistische Kennwert Schiefe ein sehr gutes Maß für das tribologische Verhalten von Oberflächen ist, wobei grundsätzlich eine möglichst kleine Schiefe anzustreben ist. Durch die abschließend durchgeführten numerischen Berechnungen kann das Verhalten der verschiedenen Modifikationsverfahren noch detaillierter untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass das Reibungsverhalten bei niedrigen Drehzahlen durch das Losreißen der Oberflächen dominiert wird. Bei höheren Drehzahlen überwiegt die Fluidreibung und die Berücksichtigung von nicht Newton’schen Fluidverhalten ist maßgebend. Durch die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse aus Versuchen, optischer Analyse und numerischer Simulation, können konkrete Empfehlungen für eine gezielte Optimierung der Oberflächenstruktur von verschiedenen kontraformen Kontakten abgegeben werden.

AB - Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist wohl der schonende Umgang mit den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen, sowie die Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffen. Neben der Nutzung von erneuerbaren Energien wie z.B. Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft, oder Geothermie, bietet die Optimierung von bereits etablierten Systemen ein enormes Potential. So beträgt in Verbrennungskraftmaschinen der Anteil an Reibungsverlusten etwa 30% der aktuell abgegebenen Motorleistung. Aufgrund dieser Thematik und Vorgaben von Gesetzgeber und Unternehmen, ist eine detaillierte Analyse und Optimierung von geschmierten kontraformen Kontakten, die beispielsweise in Nockenwellen oder Zahnrädern vorkommen, notwendig um den immer höher werdenden Anforderungen gerecht zu werden. Im Rahmen der Arbeit werden durch die Oberflächenmodifikationsprozesse Kugelstrahlen, Gleitschleifen und Schleifen die Oberflächenstrukturen von Bauteilen gezielt geändert, und die Auswirkungen auf das tribologische System detailliert analysiert. Die Analysemethodik gliedert sich dabei in drei Teilbereiche. So werden mit einem Zweischeibenprüfstand Versuche durchgeführt, wobei die Steuergrößen Temperatur, Geschwindigkeit, Pressung und Schlupf vorgegeben und die Größen Reibwert, Temperatur und Kontaktpotential gemessen werden. Begleitend werden optische Analysen durch ein Laserkonfokalmikroskop durchgeführt, die dadurch generierten Daten werden in einer eigens entwickelten MATLAB Software ausgewertet. Die Software ermöglicht eine 3D Visualisierung der Oberfläche, sowie eine Ermittlung von 3D Oberflächenkennwerten. Abschließend werden die durchgeführten Versuche in einem eigens entwickelten Mischreibungsmodell, welches auf vorhergehenden Arbeiten basiert, in der Software COMSOL Multiphysics simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verfahrenskombination von Kugelstrahlen und Gleitschleifen (KSGS) die Reibungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Schleifen drastisch reduzieren kann. Für bestimmte Situationen ergibt sich eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um den Faktor zwei. Bei der KSGS Verfahrenskombination bildet sich eine extrem glatte Oberfläche, die aber trotzdem noch Schmiertaschen enthält, wodurch sich auch noch bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr günstiger Reibwert ergibt. Die detaillierten optischen Analysen zeigen, dass diese Art von Oberflächen keinen Einlaufbedarf aufweist. Oberflächen, die nur gleitgeschliffen (GS) werden, können nicht die Eigenschaften von KSGS Oberflächen erreichen. Kugelgestrahlte (KS) Oberflächen zeigen aufgrund der hohen Rauhigkeit das schlechteste Reibverhalten. Allerdings stellt sich heraus, dass sich diese Oberflächen im Betrieb sehr gut aneinander anpassen können. Eingelaufene KS Oberflächen weisen weiters einen um etwa 10% geringeren Reibwert im Vergleich zu nicht eingelaufenen Proben auf. Der Vergleich der Oberflächenparameter der verschieden bearbeiteten Oberflächen ergibt, dass der statistische Kennwert Schiefe ein sehr gutes Maß für das tribologische Verhalten von Oberflächen ist, wobei grundsätzlich eine möglichst kleine Schiefe anzustreben ist. Durch die abschließend durchgeführten numerischen Berechnungen kann das Verhalten der verschiedenen Modifikationsverfahren noch detaillierter untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass das Reibungsverhalten bei niedrigen Drehzahlen durch das Losreißen der Oberflächen dominiert wird. Bei höheren Drehzahlen überwiegt die Fluidreibung und die Berücksichtigung von nicht Newton’schen Fluidverhalten ist maßgebend. Durch die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse aus Versuchen, optischer Analyse und numerischer Simulation, können konkrete Empfehlungen für eine gezielte Optimierung der Oberflächenstruktur von verschiedenen kontraformen Kontakten abgegeben werden.

KW - Tribologie

KW - kontraforme Kontakte

KW - Mischreibung

KW - Reibung

KW - Fluidmechanik

KW - Kontaktmechanik

KW - Einlaufverhalten

KW - Elastohydrodynamik

KW - tribology

KW - non-comforming contacts

KW - mixed friction

KW - fluid mechanics

KW - contact mechanics

KW - running-in behavior

KW - elastohydrodynamics

M3 - Diplomarbeit

ER -