Untersuchungen zur Wirkungsweise von Mikrotexturen in elastohydrodynamischen Gleit/Wälz-Kontakten

Research into the mode of action of microtextures in elastohydrodynamic rolling-sliding contacts

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-91095
  • Durch in den letzten Jahrzehnten gestiegene Anforderungen an Maschinenelemente und technische Systeme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz arbeiteten auf Tribologie ausgerichtete Wissenschaften und Forschungsvorhaben zielgerichtet an Methoden und Verfahren zur Reibungsminderung. Hierdurch wurde unter anderem eine selektive Oberflächenbearbeitung als geeignete Lösung zur Reibungsreduktion identifiziert, die Oberflächenmerkmale im mikroskopischen Maßstab erzeugt. Die hergestellten Oberflächenänderungen können dabei in stochastisch verteilte, aber ausgerichtete Rillen und in diskrete Texturelemente unterteilt werden. In dieser Arbeit erfolgte eine Einschränkung auf die zuletzt genannten Formen.Durch in den letzten Jahrzehnten gestiegene Anforderungen an Maschinenelemente und technische Systeme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz arbeiteten auf Tribologie ausgerichtete Wissenschaften und Forschungsvorhaben zielgerichtet an Methoden und Verfahren zur Reibungsminderung. Hierdurch wurde unter anderem eine selektive Oberflächenbearbeitung als geeignete Lösung zur Reibungsreduktion identifiziert, die Oberflächenmerkmale im mikroskopischen Maßstab erzeugt. Die hergestellten Oberflächenänderungen können dabei in stochastisch verteilte, aber ausgerichtete Rillen und in diskrete Texturelemente unterteilt werden. In dieser Arbeit erfolgte eine Einschränkung auf die zuletzt genannten Formen. Ein positiver Effekt auf die Reibung konnte bisher allerdings nur für niedrigbelastete Gleitkontakte wie den Zylinder/Laufbahn-Kontakt nachgewiesen werden. Für elastohydrodynamische (EHD) Kontakte konnten demgegenüber noch keine klaren Aussagen getroffen werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher einen Literaturüberblick zu bekannten Mechanismen diskreter Mikrotexturen in verschiedenen Kontaktsituationen zu geben, ein vertieftes Verständnis hinsichtlich der EHD-Wälz/Gleit-Kontakte zu entwickeln und einen Machbarkeitsnachweis für ihr Reibungsreduktionspotential in diesen Kontaktsituationen zu erbringen. Hierzu wurde ein Fokus auf numerische Studien und deren Umsetzung gelegt, aber auch Experimente durchgeführt. Zunächst erfolgten Reibungsmessungen an einem Nocken/Stößel-System, einem Vertreter der EHD-Wälz/Gleit-Kontakte der hauptsächlich im Bereich der Mischreibung betrieben wird. Hierzu wurden unterschiedliche Formen und Anordnungen von Mikrotexturen auf Tassenstößeln mit obenliegender Einstellscheibe aufgebracht. Im günstigsten Fall ergab sich dadurch ein Reibungsminderungspotential von bis zu 18 % im Vergleich zu einer polierten Referenzprobe. Der dabei ebenfalls erkannte Einlaufverschleiß bedarf noch einer weitergehenden Untersuchung. Des Weiteren wurde ein Simulationsmodell dieser Kontakte entwickelt um ähnlich einer „numerischen Lupe“ tiefer in mikrotexturierte Wälz/Gleit-Kontakte zu blicken und die auftretenden Mechanismen und Effekte besser verstehen zu können. Abweichend von der weit verbreiteten Herangehensweise an EHD-Fragestellungen mittels selbstentwickelter Programmcodes und sequenzieller numerischer Lösungsalgorithmen wurde die Entscheidung zugunsten kommerzieller FE-Software und eines, wo möglich, vollständig gekoppelten Lösungsansatzes getroffen. Der Abgleich mit Daten aus der Literatur belegte die Machbarkeit dieses Ansatzes und zeigte nur kleine Abweichungen, die sich durch Unterschiede in der numerischen Implementierung erklären ließen. Daran schloss sich eine breite Studie zu nicht-newtonschen und thermischen Effekten, sowie zu verschiedenen Mikrotexturformen und Belastungssituationen an. Diese Studien lieferten Erkenntnisse über die Bedeutung von Gleiteffekten und gemäßigten Belastungen bei gleichzeitig ausreichend hoher Schmierstoffviskosität sowie günstigen Mikrotexturdimensionen. Zusammenfassend liefert diese Arbeit durch Ihre Simulationsergebnisse weitere Einblicke in mikrotexturierte EHD-Kontakte, während die Experimente ihr Potential zur Reibungsreduzierung aufzeigen.show moreshow less
  • Due to increased requirements for machine elements and technical systems with regard to their energy efficiency, in the last decades there has been a focus in tribology oriented sciences and research on methods and treatments to reduce friction. Amongst others, a selective surface machining defining surface features on a microscopic scale was found to be an appropriate solution for friction reduction. These surface features can be divided into stochastically distributed yet oriented grooves or discrete surface features. Focusing on the latter in this thesis, a positive effect on friction has mainly been proven in literature for low loaded sliding contacts as the cylinder/liner-contactDue to increased requirements for machine elements and technical systems with regard to their energy efficiency, in the last decades there has been a focus in tribology oriented sciences and research on methods and treatments to reduce friction. Amongst others, a selective surface machining defining surface features on a microscopic scale was found to be an appropriate solution for friction reduction. These surface features can be divided into stochastically distributed yet oriented grooves or discrete surface features. Focusing on the latter in this thesis, a positive effect on friction has mainly been proven in literature for low loaded sliding contacts as the cylinder/liner-contact whereas no clear decision has been taken for elastohydrodynamic (EHL) contacts. The goal of this thesis therefore is to provide a literature overview of the known mechanisms of discrete microtextures in different contact situations, to develop a deeper understanding regarding rolling-sliding EHL contacts as well as to perform a proof of concept for their friction reduction potential in these contact situations. To achieve this, a focus was made on numerical studies and their implementation but also experiments were undertaken. First, friction measurements in a cam/follower tribo system – representing rolling-sliding EHL contacts and running mostly in mixed lubrication – were conducted. Therefore, different shapes and arrangements of microtextures were applied on flatbase tappets. A friction reduction potential of up to 18 % compared to a polished surface reference resulted in best case. But also a noteworthy amount of running in wear had to be detected that needs deeper investigations. Second, resembling a “numerical loupe” and in order to look deeper into microtextured rolling/sliding EHL contacts and the mechanisms and effects occurring, a simulation model of these contacts was developed. Deviating from the widespread approach in EHL research of self-developed program codes and sequential numerical solution algorithms, the decision was made in favor of adopting commercial FE software and using a fully-coupled solution approach where appropriate. Extended comparison with data from literature proved the feasibility of this approach and showed only small deviations that could be explained with differences in the numerical implementation. This was followed up by a broad study of non-newtonian and thermal effects as well as of different microtexture shapes and loading conditions. These studies provided findings for the importance of slip effects and medium loading conditions but high enough lubricant viscosity as well as favorable microtexture dimensions. Summarizing, this thesis provides further insights into microtextured EHL contacts from a numerical point of view while giving confident prospects for their friction reduction potential in experiments.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin Weschta
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-91095
Referee:Sandro Wartzack
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/12/17
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/11/20
Release Date:2018/01/15
Tag:Gleit/Wälz-Kontakt; Mikrotexturen
SWD-Keyword:Tribologie; Reibung; Schmierung; Elastohydrodynamik; Computersimulation
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
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Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht