TY - BOOK

T1 - Numerische und experimentelle Methoden für die Untersuchung von alternativen Tribosystemen in hochbelasteten Maschinenelementen

AU - Moder, Jakob

N1 - gesperrt bis 31-05-2020

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Hochbelastete Maschinenelemente sind unverzichtbare Bestandteile von technischen Systemen wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, Getrieben oder Elektromotoren. Aufgrund von immer strengeren Anforderungen der Legislative hinsichtlich Verbrauch und Emissionen an die Automobilindustrie, sowie aktuellen Herausforderungen der Elektromobilität, sind neue Methoden notwendig um das Potential alternativer Tribosysteme durch Simulationen und Modelluntersuchungen evaluieren zu können. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung eines neuen Simulationswerkzeuges, welches die Analyse von hochbelasteten Maschinenelementen unter geschmierten und trockenen Randbedingungen ermöglicht, wobei unter anderem Beschichtungen und Mikrostruktur der Oberflächen berücksichtigt werden können. Durch Einbeziehung der Oberflächenmikrostruktur in die Simulation ist eine um bis zu 75% treffsicherere Vorhersage des Reibungskoeffizienten verglichen mit bisher verwendeten Methoden möglich. Die Validierung der Simulation erfolgte durch einen ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelten Zweischeibenprüfstand, wobei eine komplette Erneuerung von Schmiersystem, Reibkraftmessung, Elektronik, Steuerungstechnik und Sensorierung durchgeführt wurde. Ergebnisse von Simulations- und Prüfmethodik zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit Resultaten die in anderen Publikationen veröffentlicht wurden. In weiteren Untersuchungen erfolgte eine Anwendung der entwickelten Methodik für die Erprobung alternativer Materialien in hochbelasteten Maschinenelementen. So wurde der Einsatz von diamond-like-carbon (DLC) Beschichtungen in Kombination mit einem Stahl-Gegenkörper unter Bedingungen untersucht, die für moderne Verbrennungskraftmaschinen relevant sind. Aufgrund der Bildung von Tribofilmen auf der Stahloberfläche konnte eine Erhöhung des Grenzreibwertes um bis zu 20% je nach Öltemperatur nachgewiesen werden. Weiters wurden Hochleistungskunststoffe wie PA46 oder PPA für den Einsatz in trockenen Systemen mit hoher Gleitgeschwindigkeit und Stahl als Gegenkörper untersucht. Es zeigte sich, dass eine Nickelbeschichtung der Stahl-Proben das tribologische Verhalten signifikant verbesserte. Die entwickelten Methoden stellen ein wertvolles Werkzeug dar um zukünftige Herausforderung der Reibungsminimierung effizient bearbeiten zu können. Zusätzlich dienen die mit alternativen Materialien durchgeführten Untersuchungen als Basis für zukünftige Forschungsprojekte um den Energiebedarf von hochbelasteten Maschinenelementen in Produktion und Betrieb zu verringern.

AB - Hochbelastete Maschinenelemente sind unverzichtbare Bestandteile von technischen Systemen wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, Getrieben oder Elektromotoren. Aufgrund von immer strengeren Anforderungen der Legislative hinsichtlich Verbrauch und Emissionen an die Automobilindustrie, sowie aktuellen Herausforderungen der Elektromobilität, sind neue Methoden notwendig um das Potential alternativer Tribosysteme durch Simulationen und Modelluntersuchungen evaluieren zu können. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Entwicklung eines neuen Simulationswerkzeuges, welches die Analyse von hochbelasteten Maschinenelementen unter geschmierten und trockenen Randbedingungen ermöglicht, wobei unter anderem Beschichtungen und Mikrostruktur der Oberflächen berücksichtigt werden können. Durch Einbeziehung der Oberflächenmikrostruktur in die Simulation ist eine um bis zu 75% treffsicherere Vorhersage des Reibungskoeffizienten verglichen mit bisher verwendeten Methoden möglich. Die Validierung der Simulation erfolgte durch einen ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelten Zweischeibenprüfstand, wobei eine komplette Erneuerung von Schmiersystem, Reibkraftmessung, Elektronik, Steuerungstechnik und Sensorierung durchgeführt wurde. Ergebnisse von Simulations- und Prüfmethodik zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit Resultaten die in anderen Publikationen veröffentlicht wurden. In weiteren Untersuchungen erfolgte eine Anwendung der entwickelten Methodik für die Erprobung alternativer Materialien in hochbelasteten Maschinenelementen. So wurde der Einsatz von diamond-like-carbon (DLC) Beschichtungen in Kombination mit einem Stahl-Gegenkörper unter Bedingungen untersucht, die für moderne Verbrennungskraftmaschinen relevant sind. Aufgrund der Bildung von Tribofilmen auf der Stahloberfläche konnte eine Erhöhung des Grenzreibwertes um bis zu 20% je nach Öltemperatur nachgewiesen werden. Weiters wurden Hochleistungskunststoffe wie PA46 oder PPA für den Einsatz in trockenen Systemen mit hoher Gleitgeschwindigkeit und Stahl als Gegenkörper untersucht. Es zeigte sich, dass eine Nickelbeschichtung der Stahl-Proben das tribologische Verhalten signifikant verbesserte. Die entwickelten Methoden stellen ein wertvolles Werkzeug dar um zukünftige Herausforderung der Reibungsminimierung effizient bearbeiten zu können. Zusätzlich dienen die mit alternativen Materialien durchgeführten Untersuchungen als Basis für zukünftige Forschungsprojekte um den Energiebedarf von hochbelasteten Maschinenelementen in Produktion und Betrieb zu verringern.

KW - Hochbelastete Maschinenelemente

KW - Tribologie

KW - Elastohydrodynamik

KW - Reibung

KW - Numerische Simulation

KW - Beschichtungen

KW - DLC

KW - Tribofilme

KW - ZDDP

KW - Highly loaded machine elements

KW - tribology

KW - elastohydrodynamics

KW - friction

KW - numerical simulation

KW - coatings

KW - DLC

KW - tribofilms

KW - zddp

M3 - Dissertation

ER -