TY - THES

T1 - Numerische und versuchstechnische Bewertung von tribologischen Kontakten

AU - Stadler, Gabriel

N1 - gesperrt bis 18-05-2019

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Bedingt durch steigende Umweltanforderungen werden Automobilhersteller zu einer effizienteren Umsetzung von fossilen Brennstoffen gedrängt. Um diese zu erfüllen, gewinnen Kraftstoff sparende Technologien wie beispielsweise Start-Stopp und Hybrid immer mehr an Bedeutung. Für Gleitlager im Verbrennungsmotor folgen daraus problematische Betriebsverhältnisse. Da der Mischreibungsbereich immer mehr durchfahren wird, erhöhen sich Reibung und Verschleiß. Um diesen Verlusten entgegen zu wirken, bedarf es weiteren Entwicklungen bei Mikrostrukturen der Oberfläche sowie den eingesetzten Werk- und Betriebsstoffen, unterstützt durch tribologische Simulationen. Bei diesen wird der Festkörperkontakt mittels Kontaktmodellen berücksichtigt. Im Zuge dieser Arbeit werden Kontakte mithilfe drei verschiedener Ansätze beschrieben. Diese beinhalten die Anwendung der häufig verwendeten statistischen Modelle sowie die Durchführung von Versuchen und numerischer Untersuchungen. Zweck der Betrachtung dieser Methoden ist die Abwägung des jeweils nötigen Aufwandes zu den erzielten Resultaten und einem Vergleich untereinander. Darüber hinaus liegt ein Augenmerk auch auf einer Beurteilung der Aussagekraft dieser Methoden. Der erste Zugang ist die Auswertung von fünf statistischen Modellen nach Greenwood-Williamson (GW), Chang-Etsion-Bogy (CEB), Zhao-Maietta-Chang (ZMC), Kogut-Etsion (KE) und Jackson-Green (JG). Für die Evaluierung der einzelnen Modelle werden Lagerschalen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Oberflächen eingesetzt. Um die erforderlichen Parameter zu erhalten, müssen Oberflächenvermessungen und Indentierungen durchgeführt werden. Die Auswertung erfolgt mittels einer selbstentwickelten Matlab®-Routine. Eine weitere Aufgabe ist es eine neue Versuchsanordnung für vorhandene Probengeometrien aufzubauen. Für die Durchführung dieser Prüfung wird die Härteprüfmaschine ZHU 2,5 von Zwick-Roell verwendet. Der Versuch dient dazu, das Verhalten bei Festkörperkontakt von konventionellen Welle-Gleitlagerpaarungen zu zeigen. Zusätzlich werden anhand von ABAQUS®- Simulationen die vorliegenden Kontaktverhältnisse ermittelt. Dabei wird anhand der Oberflächenvermessungsdaten in Hypermesh® ein Netz erstellt und in die FEM-Software implementiert. Um den Rechenaufwand gering zu halten, erfolgt eine Dimensionsreduzierung von einem 3D- zu einem 2D-Modell. Ziel dieser Methoden ist das Verhalten des Kontaktdruckes über die Verformung der Oberflächen zu untersuchen. Es zeigt sich, dass bei der Verwendung der Modelle die Kontaktdrücke der einzelnen Werkstoffe größere Unterschiede untereinander aufweisen als die Zunahmen der Kontaktflächen. Auch die Ergebnisse der einzelnen Kontaktmodelle weichen bei denselben Geometrien aufgrund der unterschiedlichen Gewichtung von Parametern deutlich voneinander ab. So steigt der Kontaktdruck des GW-Modells aufgrund der rein elastischen Betrachtung gegenüber den anderen Modellen auf einen bis zu 50 Prozent höheren Wert an. Auch die Fläche nimmt mit dem GW-Modell bei gleichem Druckanstieg weniger stark zu. Wie aus den Ergebnissen der Kontaktmodelle und den Simulationsresultaten hervorgeht, ist bei größeren Verformungen ein Einfluss der unterschiedlichen Werkstoffe vorrangig gegenüber den Oberflächenrauheiten. Die Versuchsergebnisse zeigen Unterschiede in den Steifigkeiten bei verschieden Lagerschalentypen. Diese können bedingt durch systematische Fehlerquellen (z.B. Maschinensteifigkeit) allerdings nicht absolut angesehen werden. Das Resultat sind aus dem neuen Versuchsaufbau gewonnene Kontaktdaten und die daraus resultierende Erkenntnis für Notwendigkeit einer Weiterentwicklung der Versuchsmethodik. Ein Vergleich der Methoden verdeutlicht einerseits die starke Abweichung der Versuchsdaten zu den Simulations- und Kontaktmodelldaten, zeigt aber andererseits, dass die Simulation und Kontaktmodelle abhängig von Parametern vergleichbare Resultate liefern.

AB - Bedingt durch steigende Umweltanforderungen werden Automobilhersteller zu einer effizienteren Umsetzung von fossilen Brennstoffen gedrängt. Um diese zu erfüllen, gewinnen Kraftstoff sparende Technologien wie beispielsweise Start-Stopp und Hybrid immer mehr an Bedeutung. Für Gleitlager im Verbrennungsmotor folgen daraus problematische Betriebsverhältnisse. Da der Mischreibungsbereich immer mehr durchfahren wird, erhöhen sich Reibung und Verschleiß. Um diesen Verlusten entgegen zu wirken, bedarf es weiteren Entwicklungen bei Mikrostrukturen der Oberfläche sowie den eingesetzten Werk- und Betriebsstoffen, unterstützt durch tribologische Simulationen. Bei diesen wird der Festkörperkontakt mittels Kontaktmodellen berücksichtigt. Im Zuge dieser Arbeit werden Kontakte mithilfe drei verschiedener Ansätze beschrieben. Diese beinhalten die Anwendung der häufig verwendeten statistischen Modelle sowie die Durchführung von Versuchen und numerischer Untersuchungen. Zweck der Betrachtung dieser Methoden ist die Abwägung des jeweils nötigen Aufwandes zu den erzielten Resultaten und einem Vergleich untereinander. Darüber hinaus liegt ein Augenmerk auch auf einer Beurteilung der Aussagekraft dieser Methoden. Der erste Zugang ist die Auswertung von fünf statistischen Modellen nach Greenwood-Williamson (GW), Chang-Etsion-Bogy (CEB), Zhao-Maietta-Chang (ZMC), Kogut-Etsion (KE) und Jackson-Green (JG). Für die Evaluierung der einzelnen Modelle werden Lagerschalen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Oberflächen eingesetzt. Um die erforderlichen Parameter zu erhalten, müssen Oberflächenvermessungen und Indentierungen durchgeführt werden. Die Auswertung erfolgt mittels einer selbstentwickelten Matlab®-Routine. Eine weitere Aufgabe ist es eine neue Versuchsanordnung für vorhandene Probengeometrien aufzubauen. Für die Durchführung dieser Prüfung wird die Härteprüfmaschine ZHU 2,5 von Zwick-Roell verwendet. Der Versuch dient dazu, das Verhalten bei Festkörperkontakt von konventionellen Welle-Gleitlagerpaarungen zu zeigen. Zusätzlich werden anhand von ABAQUS®- Simulationen die vorliegenden Kontaktverhältnisse ermittelt. Dabei wird anhand der Oberflächenvermessungsdaten in Hypermesh® ein Netz erstellt und in die FEM-Software implementiert. Um den Rechenaufwand gering zu halten, erfolgt eine Dimensionsreduzierung von einem 3D- zu einem 2D-Modell. Ziel dieser Methoden ist das Verhalten des Kontaktdruckes über die Verformung der Oberflächen zu untersuchen. Es zeigt sich, dass bei der Verwendung der Modelle die Kontaktdrücke der einzelnen Werkstoffe größere Unterschiede untereinander aufweisen als die Zunahmen der Kontaktflächen. Auch die Ergebnisse der einzelnen Kontaktmodelle weichen bei denselben Geometrien aufgrund der unterschiedlichen Gewichtung von Parametern deutlich voneinander ab. So steigt der Kontaktdruck des GW-Modells aufgrund der rein elastischen Betrachtung gegenüber den anderen Modellen auf einen bis zu 50 Prozent höheren Wert an. Auch die Fläche nimmt mit dem GW-Modell bei gleichem Druckanstieg weniger stark zu. Wie aus den Ergebnissen der Kontaktmodelle und den Simulationsresultaten hervorgeht, ist bei größeren Verformungen ein Einfluss der unterschiedlichen Werkstoffe vorrangig gegenüber den Oberflächenrauheiten. Die Versuchsergebnisse zeigen Unterschiede in den Steifigkeiten bei verschieden Lagerschalentypen. Diese können bedingt durch systematische Fehlerquellen (z.B. Maschinensteifigkeit) allerdings nicht absolut angesehen werden. Das Resultat sind aus dem neuen Versuchsaufbau gewonnene Kontaktdaten und die daraus resultierende Erkenntnis für Notwendigkeit einer Weiterentwicklung der Versuchsmethodik. Ein Vergleich der Methoden verdeutlicht einerseits die starke Abweichung der Versuchsdaten zu den Simulations- und Kontaktmodelldaten, zeigt aber andererseits, dass die Simulation und Kontaktmodelle abhängig von Parametern vergleichbare Resultate liefern.

KW - tribology

KW - contact mechanics

KW - contact models

KW - rough surface

KW - real contact area

KW - contact pressure

KW - Tribologie

KW - Kontaktmechanik

KW - Kontaktmodelle

KW - Raue Oberflächen

KW - reale Kontaktfläche

KW - Kontaktdruck

M3 - Masterarbeit

ER -