Experimentelle Untersuchungen zur Schmierstoff-Oberflächen-Wechselwirkung in nasslaufenden Reibsystemen am Beispiel von Synchronisierungen

Abstract

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Erweiterung und Verbesserung, aber auch zur Vereinfachung der Untersuchungsmethoden im Bereich der Komponenten- bis Modellversuche in Forschung und Entwicklung von nassen Reibsystemen, insbesondere Synchronisierungen. Durch die erarbeiteten Methoden und deren Kombination werden Erkenntnisse über Mechanismen sowie die Funktionsweisen von Additiven, Oberflächengüten und Makro- und Mikrostrukturen auf Reibflächen gewonnen. Die Untersuchungen zeigen die Herausforderungen beim Übergang von Komponententests zu stärker abstrahierenden Probekörper- oder Modellversuchen. Dies wird im Speziellen an Tribometerversuchen mit einfachen Probekörpern (Pin-on-Disc) im Abbremsversuch für die Belagsentwicklung im Bereich von Synchronisierungen (z. B. Material-Screening-Tests) mit folgenden Methoden erörtert: Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fluoreszenzanalyse erstmals für Synchronisierungen zur qualitativen Visualisierung der Beölungssituation (Verteilung, Verdrängung, Schmierfilmhöhe) im tribologischen Kontakt angepasst und eingesetzt. Über die Einführung eines statischen Kalibrierverfahrens wird die Reibbelagsverformung bzw. Topografieänderung unter Pressungsbelastung quantifizierbar gemacht. Zum Einstieg wird auch ein Review zu optischen Untersuchungsmethoden für Schmierfilmdicken gegeben. Weiterhin geben TOF-SIMS-Analysen Aufschlüsse über die Wirkweise der Additivierung und die Funktionsweise von Oberflächenschutzschichten. An Hand von Mikrohärtemessungen und mikrotribologischen Ritz-Untersuchen (Scratch) werden Belastungsgrenzen und Übergänge im Verformungsverhalten insbesondere der Oberflächenschutzschichten ermittelt und der Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten diskutiert. Weitere Untersuchungen ermitteln den Einfluss wechselnder Drehrichtungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten in Komponententests. Es zeigt sich, dass in Abhängigkeit der Reibmaterialpaarung durch wechselnde Drehrichtungen die Anwendungsnähe von abstrahierten Komponententests im Vergleich zu bisher üblichen einsinnigen Drehrichtungen deutlich erhöht werden kann. An Hand von FEM-Berechnungen zur Bauteilverformung und Pressungsverteilung wird der Einfluss von Baugröße bzw. Reibdurchmesser (bei gleichem Ringquerschnitt), Trägerringmaterial sowie Ringbreite zunächst theoretisch analysiert. Die Ergebnisse werden zusammen mit dem in Versuchen ermittelten Verschleißverhalten diskutiert. Abschließend wird ein Ausblick auf die Anwendbarkeit der Ergebnisse und Methoden für virtuelle Produktentwicklung geworfen. Zusätzlich ist in der Arbeit ein Review über die bestehenden Forschungen an Synchronisierungen enthalten, da hierzu bisher eine umfassende Zusammenstellung fehlt.

This work contributes to the extension and improvement, but also to the simplification of the investigation methods in the field of component to model tests in research and development of wet friction systems, especially synchronizers. The developed methods and their combination will provide a deeper insight into mechanisms as well as the functioning of additives, surface qualities and macro- and microstructures on friction surfaces. The investigations also reveal the challenges in the transition from component tests to more abstract test specimens or model tests. This is particularly discussed in tribometer tests with simple test specimens (pin-on-disc) in the braking test for development of friction layers in the domain of synchronizers (e.g. material screening tests) using the following methods: As part of this work, the fluorescence method is adapted and used for the first time for synchronizations for the qualitative visualization of the oiling situation (distribution, displacement, lubricant film thickness) in the tribological contact. The introduction of a static calibration method makes the friction lining deformation or topography change under compressive load quantifiable. As an introduction, a review of optical investigation methods for lubricant film thicknesses is also given. Furthermore, TOF-SIMS analyses provide information about the mode of action of the additives and the functionality of surface protection layers. By means of microhardness measurements and microtribological scratch tests, load limits and transitions in the deformation behaviour, especially of surface protection layers, are determined and the influence on the friction and wear behaviour is discussed. Further investigations determine the influence of changing rotational directions on the friction and wear behaviour in component tests. It has been shown that, depending on the friction material pairing, changing rotational directions can significantly increase the applicability of abstracted component tests compared to the previously common single direction of rotation. Based on FEM calculations for component deformation and pressure distribution, the influence of size or friction diameter (with the same ring cross-section), carrier ring material and ring width is first of all analyzed theoretically. The results are discussed regarding the wear behaviour determined in tests. Finally an outlook on transfer of result an methods to virtual product development is given. The thesis includes a review of the existing research on synchronizers, since a comprehensive compilation was missing.