TY - THES

T1 - Schadensorientierte Prüfmethodenentwicklung für das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn

AU - Schiffer, Jürgen

N1 - gesperrt bis null

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Durch strenger werdende gesetzliche Vorgaben, steigende Kundenanforderungen und eine gewünschte Verminderung des Service- bzw. Instandhaltungsaufwands wird sowohl die thermische und mechanische als auch die tribologische Belastung in Verbrennungsmaschinen steigen. Im Fokus steht dabei besonders das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn. Um eine einwandfrei Funktion auch in Zukunft gewährleisten zu können, ist es erforderlich, das Gesamtsystem im Hinblick auf Grundwerkstoffe, Oberflächenkonfiguration und Schmierstoffe zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn von Gas-Großmotoren untersucht, wobei primär zwei Ziele verfolgt wurden. Nach der Entwicklung einer schadensäquivalenten Prüfmethodik wurde das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn auf Modellmaßstab untersucht. Das tribologische Ersatzmodell war ring-on-liner. Die Untersuchungen wurden anhand zweier charakteristischer Betriebsverhältnisse durchgeführt. Der normale Betrieb wurde mit idealen Schmierungsbedingungen nachgebildet. Der außerordentliche Betrieb wurde mit einem stark abrasiv wirkenden Schmierstoff reproduziert. Diese Versuche, die als Arizona-Dust-Test bezeichnet werden, zeigen das Systemverhalten bei einer möglichen Verschmutzung des Schmierstoffs durch Abrasivpartikel. Um hinsichtlich dieser Betriebsbereiche eine Optimierung der tribologischen Tragfähigkeit der Zylinderlaufbahn erreichen zu können, wurden zahlreiche Nitrierschichten einer Versuchsreihe unterzogen. Zur Verifikation der Erreichbarkeit der wahren Schädigungsmechanismen wurden Referenzversuche durchgeführt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurden schädigungsäquivalente Versuchsstrategien abgeleitet. Das Einlaufverhalten, das Langzeitverschleißverhalten und die Fresssicherheit waren zentrale Punkte. Nach den vergleichenden Parameteruntersuchungen der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen und Schmiermittelreinheiten wurde eine umfassende Schädigungsanalyse durchgeführt. Die entstandenen Modelle geben Aufschluss über die Funktions- bzw. Schädigungsmechanismen. Es konnten signifikante Unterschiede zwischen den geprüften Nitrierschichten erarbeitet werden. Weiters konnte das unterschiedliche Verhalten bei Langzeitversuchen mit oder ohne Abrasivstoff charakterisiert werden. Es wurden bedeutsame Differenzen zwischen der unmodifizierten Standard-Probenpaarung und den nitrierten Varianten sichtbar gemacht. Abschließend wurden Empfehlungen ausgearbeitet und weitere Schritte in Ausblick gestellt.

AB - Durch strenger werdende gesetzliche Vorgaben, steigende Kundenanforderungen und eine gewünschte Verminderung des Service- bzw. Instandhaltungsaufwands wird sowohl die thermische und mechanische als auch die tribologische Belastung in Verbrennungsmaschinen steigen. Im Fokus steht dabei besonders das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn. Um eine einwandfrei Funktion auch in Zukunft gewährleisten zu können, ist es erforderlich, das Gesamtsystem im Hinblick auf Grundwerkstoffe, Oberflächenkonfiguration und Schmierstoffe zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn von Gas-Großmotoren untersucht, wobei primär zwei Ziele verfolgt wurden. Nach der Entwicklung einer schadensäquivalenten Prüfmethodik wurde das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn auf Modellmaßstab untersucht. Das tribologische Ersatzmodell war ring-on-liner. Die Untersuchungen wurden anhand zweier charakteristischer Betriebsverhältnisse durchgeführt. Der normale Betrieb wurde mit idealen Schmierungsbedingungen nachgebildet. Der außerordentliche Betrieb wurde mit einem stark abrasiv wirkenden Schmierstoff reproduziert. Diese Versuche, die als Arizona-Dust-Test bezeichnet werden, zeigen das Systemverhalten bei einer möglichen Verschmutzung des Schmierstoffs durch Abrasivpartikel. Um hinsichtlich dieser Betriebsbereiche eine Optimierung der tribologischen Tragfähigkeit der Zylinderlaufbahn erreichen zu können, wurden zahlreiche Nitrierschichten einer Versuchsreihe unterzogen. Zur Verifikation der Erreichbarkeit der wahren Schädigungsmechanismen wurden Referenzversuche durchgeführt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurden schädigungsäquivalente Versuchsstrategien abgeleitet. Das Einlaufverhalten, das Langzeitverschleißverhalten und die Fresssicherheit waren zentrale Punkte. Nach den vergleichenden Parameteruntersuchungen der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen und Schmiermittelreinheiten wurde eine umfassende Schädigungsanalyse durchgeführt. Die entstandenen Modelle geben Aufschluss über die Funktions- bzw. Schädigungsmechanismen. Es konnten signifikante Unterschiede zwischen den geprüften Nitrierschichten erarbeitet werden. Weiters konnte das unterschiedliche Verhalten bei Langzeitversuchen mit oder ohne Abrasivstoff charakterisiert werden. Es wurden bedeutsame Differenzen zwischen der unmodifizierten Standard-Probenpaarung und den nitrierten Varianten sichtbar gemacht. Abschließend wurden Empfehlungen ausgearbeitet und weitere Schritte in Ausblick gestellt.

KW - piston ring

KW - cylinder liner

KW - cast iron

KW - nitriding

KW - seizure properties

KW - failure behaviour

KW - tribological model test

KW - plateau honing

KW - Kolbenring

KW - Zylinderlaufbahn

KW - Grauguss

KW - Nitrieren

KW - Fressverhalten

KW - Versagensverhalten

KW - tribologische Modellversuche

KW - Plateauhonen

M3 - Diplomarbeit

ER -