Näherungslösungen für Reibung und Verschleiß in ölgeschmierten Wälzkontakten unter Berücksichtigung der realen Rheologie

Abstract

Für einen sicheren Betrieb von Maschinenelementen auch unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen ist nicht nur die Sicherheit gegen mechanisches Versagen nachzuweisen, sondern auch die Funktionsfähigkeit ihrer tribologischen Sub-Systeme. Steigende Anforderungen an einen energieeffizienten – und damit reibungsarmen – Betrieb führen aber in der Praxis vermehrt zum Einsatz niedrigviskoser Schmierstoffe, welche eine geringe innere Reibung aufweisen. Die Senkung der Reibung geht allerdings mit der Bildung eines dünneren Schmierfilms einher, wodurch das Risiko des Auftretens von Mischreibung steigt. Der Schmierfilm ist dann nicht mehr in der Lage, die Kräfte allein zu übertragen, so dass zusätzlich mechanische Kontakte einzelner Rauheitserhebungen auftreten – ein Anstieg des Verschleißes kann die Folge sein. Durch eine detaillierte Analyse solcher Tribosysteme im Bereich der Mischreibung kann nichtsdestotrotz ein sicherer – und damit ein effizienter – Betrieb der eingesetzten Maschinenelemente ermöglicht werden. Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Berechnung von Tribosystemen im Bereich der Mischreibung. Dazu wird zu Beginn der Arbeit ein Kontaktmodell entwickelt, welches auf Basis der Halbraumtheorie die Pressungsverteilung kontaktierender rauer Oberflächen im Bereich der Mischreibung in lokaler Auflösung abbildet. Die Oberflächentopographien werden mittels Lasermikroskopie am realen Objekt er-mittelt und numerisch übersetzt. Die Schmierfilmhöhe wird analytisch berechnet und als Abstand der deformierten Rauheitsprofile zueinander interpretiert. Aufbauend auf der Pressungsverteilung wird unter Berücksichtigung experimentell ermittelter rheologischer Systemparameter die Mischreibung im Kontakt berechnet. Dazu wird die Kontaktzone in die beiden Bereiche Festkörperreibung und viskose Reibung unterteilt. Die Berechnung der Reibung in den viskosen Bereichen erfolgt anhand bekannter Fluidmodelle und unter Berücksichtigung nicht-Newton‘scher Fluideigenschaften. Die Modelle werden anschließend auf die Festkörperkontakte erweitert, in-dem auch dort das Vorliegen eines dünnen Schmierfilms angenommen wird. Der Druck im Fluid entspricht dann der Festkörperpressung zwischen zwei Rauheitshügeln. Die lokale Scherrate ist aufgrund des dünnen lokalen Schmierfilms so hoch, dass die Grenzschubspannung des Fluids erreicht wird. Die Simulationsergebnisse werden in Form von Traktionskurven anhand von Experimenten am Zwei-Scheiben-Prüfstand validiert. Abschließend wird die Verschleißbildung im Mischreibungsbetrieb untersucht. Dazu werden ein energetisches Verschleißmodell in lokaler Auflösung entwickelt und anhand von ausgewählten Fallbeispielen die Anwendbarkeit auf reale Systeme aufgezeigt. Auf Basis bereits veröffentlichter Untersuchungen wird zusätzlich ein Vergleich mit experimentell ermittelten Ergebnissen durchgeführt.