TY - THES

T1 - Entwicklung einer Methodik zur tribologischen Prüfung von Kolbenhemd und Zylinderlaufbuchse

AU - Liebenwein, Markus

N1 - gesperrt bis 31-05-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - In dieser Arbeit wurde das tribologische System zwischen Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn mithilfe eines Modelltests auf zwei Prüfmaschinen im Detail geprüft und analysiert. Dabei wurde einerseits das SRV®5 der Firma Optimol Instruments Prüftechnik GmbH und andererseits das TE77 der Firma Phoenix Tribology Ltd für Versuche verwendet. Außerdem wurden zwei unterschiedliche Beschichtungen des Kolbenhemds miteinander verglichen. Beschichtung A besteht dabei hauptsächlich aus Kohlenstoff und ist mit etwa 10μm in den Welligkeitstälern relativ dünn, in den Spitzen ist diese Beschichtung noch dünner mit etwa 5μm. Beschichtung B besteht aus einer Titanoxid Legierung und ist mit etwa 15μm etwas dicker als Beschichtung A. Die Versuche wurden bei unterschiedlichen Prüfbedingungen durchgeführt und anschließend der Verschleiß der Proben gemessen und verglichen. Zur Messung des Verschleißes wurde eine Methode entwickelt, in der die ursprüngliche und verschlissene Oberfläche der Probe vermessen und anschließend approximiert wurde. Aus der Differenz beider Kurven wurde schließlich ein Wert für den Oberflächenverschleiß errechnet, der über alle Versuche verglichen wurde. Bei den Versuchen des SRV mit einem Hub von 5mm zeigte sich, dass die Oberfläche mit Beschichtung A bereits innerhalb kürzester Zeit schwere Verschleißerscheinungen zeigt und nach wenigen Minuten bereits vergleichbare Verschleißtiefen messbar sind, wie bei einem gelaufenen Motorkolben mit derselben Beschichtung. Außerdem konnte in diesen Versuchen gezeigt werden, dass der Oberflächenverschleiß des Kolbenhemds zu Beginn des tribologischen Prozesses sehr schnell voranschreitet und sich nach einer gewissen Zeitspanne deutlich verlangsamt. Der Verschleiß verlangsamt sich dabei, sobald die Spitzen der Oberflächenwelligkeiten verschlissen sind und Beschichtung A mehrheitlich entfernt wurde. Bei Beschichtung B konnte ein ähnlicher Effekt nachgewiesen werden, bei dem zunächst die Spitzen der Welligkeit in kurzer Zeit verschleißen, bevor sich ein stabilerer Zustand mit langsamerem Verschleiß einstellt. Dabei ist im Fall von Beschichtung B allerdings noch kein flächiger Verschleiß der Beschichtung zu sehen, und lediglich in den Spitzen sind schmale Bänder des Grundmaterials zu sehen. Allerdings verlangsamt sich der Verschleiß bei Beschichtung B früher als im Fall von Beschichtung A und auch der Reibungskoeffizient ist während dem gesamten Versuch niedriger als bei Beschichtung A. Die Versuche des TE77 ergaben zusätzlich, dass dieser Effekt nur bei geringen Hüben auftritt, denn bei Versuchen mit einem Hub von 12, 5mm oder 25mm ergaben sich mit etwa 30% im Vergleich zu den SRV Versuchen wesentlich geringere Verschleißwerte bei Beschichtung A. Hier wurden auch unterschiedliche Betriebsbedingungen geprüft, wie beispielsweise eine Verringerung der Schmiermittelmenge auf 20% oder eine Erhöhung der Prüfkraft auf das Doppelte. Auch bei diesen Untersuchungen änderte sich das Verhalten von Beschichtung A nicht nennenswert. Es wurden für alle Versuche mit Beschichtung A bei Hüben von 25mm oder 12, 5mm vergleichbare Verschleißwerte gemessen. Bei Versuchen mit 5, 6mm Hub am TE77 konnten allerdings vergleichbare Ergebnisse zu den Versuchen am SRV erzielt werden. Bei Beschichtung A ergibt sich somit ein Effekt durch unterschiedliche Hübe auf das Verschleißverhalten der Beschichtung im tribologischen Modelltest. Für Beschichtung B konnte kein derartiger Effekt gezeigt werden und alle Versuchsergebnisse lagen unabhängig vom Hub des Tests in derselben Größenordnung.

AB - In dieser Arbeit wurde das tribologische System zwischen Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn mithilfe eines Modelltests auf zwei Prüfmaschinen im Detail geprüft und analysiert. Dabei wurde einerseits das SRV®5 der Firma Optimol Instruments Prüftechnik GmbH und andererseits das TE77 der Firma Phoenix Tribology Ltd für Versuche verwendet. Außerdem wurden zwei unterschiedliche Beschichtungen des Kolbenhemds miteinander verglichen. Beschichtung A besteht dabei hauptsächlich aus Kohlenstoff und ist mit etwa 10μm in den Welligkeitstälern relativ dünn, in den Spitzen ist diese Beschichtung noch dünner mit etwa 5μm. Beschichtung B besteht aus einer Titanoxid Legierung und ist mit etwa 15μm etwas dicker als Beschichtung A. Die Versuche wurden bei unterschiedlichen Prüfbedingungen durchgeführt und anschließend der Verschleiß der Proben gemessen und verglichen. Zur Messung des Verschleißes wurde eine Methode entwickelt, in der die ursprüngliche und verschlissene Oberfläche der Probe vermessen und anschließend approximiert wurde. Aus der Differenz beider Kurven wurde schließlich ein Wert für den Oberflächenverschleiß errechnet, der über alle Versuche verglichen wurde. Bei den Versuchen des SRV mit einem Hub von 5mm zeigte sich, dass die Oberfläche mit Beschichtung A bereits innerhalb kürzester Zeit schwere Verschleißerscheinungen zeigt und nach wenigen Minuten bereits vergleichbare Verschleißtiefen messbar sind, wie bei einem gelaufenen Motorkolben mit derselben Beschichtung. Außerdem konnte in diesen Versuchen gezeigt werden, dass der Oberflächenverschleiß des Kolbenhemds zu Beginn des tribologischen Prozesses sehr schnell voranschreitet und sich nach einer gewissen Zeitspanne deutlich verlangsamt. Der Verschleiß verlangsamt sich dabei, sobald die Spitzen der Oberflächenwelligkeiten verschlissen sind und Beschichtung A mehrheitlich entfernt wurde. Bei Beschichtung B konnte ein ähnlicher Effekt nachgewiesen werden, bei dem zunächst die Spitzen der Welligkeit in kurzer Zeit verschleißen, bevor sich ein stabilerer Zustand mit langsamerem Verschleiß einstellt. Dabei ist im Fall von Beschichtung B allerdings noch kein flächiger Verschleiß der Beschichtung zu sehen, und lediglich in den Spitzen sind schmale Bänder des Grundmaterials zu sehen. Allerdings verlangsamt sich der Verschleiß bei Beschichtung B früher als im Fall von Beschichtung A und auch der Reibungskoeffizient ist während dem gesamten Versuch niedriger als bei Beschichtung A. Die Versuche des TE77 ergaben zusätzlich, dass dieser Effekt nur bei geringen Hüben auftritt, denn bei Versuchen mit einem Hub von 12, 5mm oder 25mm ergaben sich mit etwa 30% im Vergleich zu den SRV Versuchen wesentlich geringere Verschleißwerte bei Beschichtung A. Hier wurden auch unterschiedliche Betriebsbedingungen geprüft, wie beispielsweise eine Verringerung der Schmiermittelmenge auf 20% oder eine Erhöhung der Prüfkraft auf das Doppelte. Auch bei diesen Untersuchungen änderte sich das Verhalten von Beschichtung A nicht nennenswert. Es wurden für alle Versuche mit Beschichtung A bei Hüben von 25mm oder 12, 5mm vergleichbare Verschleißwerte gemessen. Bei Versuchen mit 5, 6mm Hub am TE77 konnten allerdings vergleichbare Ergebnisse zu den Versuchen am SRV erzielt werden. Bei Beschichtung A ergibt sich somit ein Effekt durch unterschiedliche Hübe auf das Verschleißverhalten der Beschichtung im tribologischen Modelltest. Für Beschichtung B konnte kein derartiger Effekt gezeigt werden und alle Versuchsergebnisse lagen unabhängig vom Hub des Tests in derselben Größenordnung.

KW - Tribologie

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M3 - Masterarbeit

ER -