TY - THES

T1 - Bewertung des Einflusses von Wellen-Oberflächenstrukturen auf das tribologische Verhalten von Gleitlagern

AU - Pusterhofer, Michael

N1 - gesperrt bis 01-10-2021

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Die derzeitige Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen verfolgt die Reduktion von Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen mit Ansätzen im Bereich des Leichtbaus und der Reibungsreduktion. Die Kurbelwelle als eine wichtige Motorkomponente ist dabei auch Gegenstand dieses Optimierungsprozesses. Beispielsweise bietet der Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen gewisse Gewichts- und Kostenvorteile. Aufgrund der Oberflächenstruktur solcher Kurbelwellen werden die gestellten Anforderungen an die Betriebsrobustheit der hydrodynamischen Gleitlagerungen, besonders bei höher belasteten Motoren, jedoch nur zum Teil erfüllt. Die Optimierung der gusseisernen Laufflächen durch verschiedene Oberflächen-Bearbeitungsprozesse würde daher den Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen auch in höher belasteten Motoren ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt ein Screening verschiedener Werkstoff- und Bearbeitungsvarianten von Kurbelwellen. Neben serienmäßig polierten Stahlkurbelwellen werden Gusskurbelwellen mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen, sowie eine geschliffene Stahlkurbelwelle untersucht. Die anwendungsnahe Prüfung in einem Rotationstribometer mit Gleitlager-Konfiguration zeichnet sich durch die Probenentnahme aus den fertig bearbeiteten Kurbelwellen, sowie die Verwendung der originalen Lager und Schmiermittel aus. Der Schwerpunkt der anschließenden Auswertung der durchgeführten Start-Stopp-Versuche liegt dabei auf Lagerschalen-Verschleiß und Reibenergie. Begleitend zu den Versuchen wird eine Simulation der hydrodynamischen Gleitlagerung im Prüfstand durchgeführt. Dabei erfolgt die Berücksichtigung der hydrodynamischen Effekte der verschiedenen Oberflächenstrukturen über die Einbindung von Flussfaktoren, welche direkt von der vermessenen Mikrotopographie abgeleitet werden. Mit der durchgeführten Methodik können die Verschleiß- und Reibungsunterschiede gut aufgelöst werden. Die serienmäßig polierte Stahlwelle zeigt im Ranking der untersuchten Wellenvarianten die geringsten Misch- und Flüssigkeitsreibungsverluste und produziert den geringsten Lagerverschleiß. Eine geschliffene Stahlwelle sowie die verschiedenen Gusskurbelwellen weisen ein schlechteres Reibungs- und Verschleißverhalten auf, wobei das Verhalten der Gusswellen durch gezielte Oberflächenbearbeitung beeinflusst werden kann. Der Abgleich der Versuchs- und der Simulationsergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung, und diente zum Überprüfen und Abgleichen der Simulationsmethodik, sowie zur Verifikation der Reibungsmessungen am Prüfstand. Weiters ist das Erlangen grundlegender Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Oberflächenstrukturen auf Durchfluss, Druckaufbau und Reibungsverluste möglich.

AB - Die derzeitige Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen verfolgt die Reduktion von Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen mit Ansätzen im Bereich des Leichtbaus und der Reibungsreduktion. Die Kurbelwelle als eine wichtige Motorkomponente ist dabei auch Gegenstand dieses Optimierungsprozesses. Beispielsweise bietet der Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen gewisse Gewichts- und Kostenvorteile. Aufgrund der Oberflächenstruktur solcher Kurbelwellen werden die gestellten Anforderungen an die Betriebsrobustheit der hydrodynamischen Gleitlagerungen, besonders bei höher belasteten Motoren, jedoch nur zum Teil erfüllt. Die Optimierung der gusseisernen Laufflächen durch verschiedene Oberflächen-Bearbeitungsprozesse würde daher den Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen auch in höher belasteten Motoren ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt ein Screening verschiedener Werkstoff- und Bearbeitungsvarianten von Kurbelwellen. Neben serienmäßig polierten Stahlkurbelwellen werden Gusskurbelwellen mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen, sowie eine geschliffene Stahlkurbelwelle untersucht. Die anwendungsnahe Prüfung in einem Rotationstribometer mit Gleitlager-Konfiguration zeichnet sich durch die Probenentnahme aus den fertig bearbeiteten Kurbelwellen, sowie die Verwendung der originalen Lager und Schmiermittel aus. Der Schwerpunkt der anschließenden Auswertung der durchgeführten Start-Stopp-Versuche liegt dabei auf Lagerschalen-Verschleiß und Reibenergie. Begleitend zu den Versuchen wird eine Simulation der hydrodynamischen Gleitlagerung im Prüfstand durchgeführt. Dabei erfolgt die Berücksichtigung der hydrodynamischen Effekte der verschiedenen Oberflächenstrukturen über die Einbindung von Flussfaktoren, welche direkt von der vermessenen Mikrotopographie abgeleitet werden. Mit der durchgeführten Methodik können die Verschleiß- und Reibungsunterschiede gut aufgelöst werden. Die serienmäßig polierte Stahlwelle zeigt im Ranking der untersuchten Wellenvarianten die geringsten Misch- und Flüssigkeitsreibungsverluste und produziert den geringsten Lagerverschleiß. Eine geschliffene Stahlwelle sowie die verschiedenen Gusskurbelwellen weisen ein schlechteres Reibungs- und Verschleißverhalten auf, wobei das Verhalten der Gusswellen durch gezielte Oberflächenbearbeitung beeinflusst werden kann. Der Abgleich der Versuchs- und der Simulationsergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung, und diente zum Überprüfen und Abgleichen der Simulationsmethodik, sowie zur Verifikation der Reibungsmessungen am Prüfstand. Weiters ist das Erlangen grundlegender Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Oberflächenstrukturen auf Durchfluss, Druckaufbau und Reibungsverluste möglich.

KW - journal bearing

KW - crankshaft

KW - tribology

KW - Gleitlager

KW - Kurbelwelle

KW - Tribologie

M3 - Masterarbeit

ER -