Untersuchungen zur Wirkungsweise von Mikrotexturen in elastohydrodynamischen Gleit-/Wälzkontakten

Produktbeschreibung

Motivation und Problemstellung

Die Energie- und Ressourceneffizienz technischer Produkte besitzt sowohl im Bewusstsein der Bevölkerung und damit der Nutzer bzw. Käufer als auch aufgrund regulatorischer Anforderungen durch Behörden eine immer größere Bedeutung. Knapper werdende Rohstoffe sowie eine internationale Klimaschutzpolitik erzwingen die Reduzierung von klimarelevanten Gasen und somit vor allem der CO2-Emissionen. Was dies konkret bedeutet, soll am Beispiel des Automobils aufgezeigt werden: etwa 20 % des CO2- Ausstoßes sind in Deutschland im Bereich Verkehr zu verorten wovon wiederum 84 % auf den Straßenverkehr zurückgehen [1]. Über Deutschland hinaus spielt der Straßenverkehr aber auch weltweit eine wichtige Rolle bei den Emissionen. Allein die Zahl der PKW steigt tendenziell von aktuell 0,9 Milliarden [2] durch den Aufstieg der Schwellenländer bis 2035 auf 1,7 Milliarden und bis 2050 auf 2-3 Milliarden PKW an [3, 4]. Für die dabei in Zukunft anzutreffenden Antriebssysteme wurden für Deutschland in [5] Szenarien erarbeitet: im Jahr 2040 werden dem Trendszenario folgend noch immer 5 %, dem Alternativszenario folgend 70 % der Fahrleistung aller PKW durch einen Otto- oder Dieselmotor bzw. Elektro-Hydridbauweisen erbracht. Daher muss die Effizienz insbesondere der konventionellen Antriebe und ihrer Nebenaggregate weiter zunehmen. Um dies zu ermöglichen sind die Verluste aus Reibung, in etwa ein Viertel der zugeführten Energie [6], durch eine anforderungsgerechte Gestaltung der Einzelkomponenten zu reduzieren. Dies gilt in dieser Form aber nicht nur für den Verbrennungsmotor sondern kann vielmehr als allgemeingültiger Grundsatz zur Effizienzsteigerung technischer Systeme verstanden werden: es müssen somit in Zukunft in besonderem Maße ressourceneffiziente Konstruktionselemente bereitgestellt werden, in denen eine Relativbewegungen der einzelnen Komponenten mit möglichst geringen Reibungsverlusten stattfinden kann. Mit dieser Verringerung der Reibungsverluste geht häufig auch als positiver Nebeneffekt, eine erhöhte Gebrauchs- bzw. Lebensdauer durch einen reduzierten Verschleiß einher.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung……………………………………………………………………………………1
1.1 Motivation und Problembeschreibung …………………………………………………….. 1
1.2 Aufgabenstellung ………………………………………………………………………………….. 2
2 Grundlagen der Mikrotexturierung von Tribokontakten …………………..5
2.1 Tribologische Kontakte …………………………………………………………………………. 5
2.1.1 Das tribologische System ………………………………………………………………….. 6
2.1.2 Größenskalen tribologischer Systeme ………………………………………………….. 8
2.1.3 Beanspruchung konzentrierter tribologischer Kontakte…………………………. 9
2.1.4 Schmierung und Schmierungszustand ……………………………………………….. 14
2.2 Mikrotexturierung tribologischer Bauteiloberflächen ……………………………….. 16
2.2.1 Herstellungsverfahren diskreter Mikrotexturen…………………………………… 18
2.2.2 Hydrodynamische Gleitkontakte ………………………………………………………. 20
2.2.3 Elastohydrodynamische Kontakte…………………………………………………….. 31
3 Grundlagen der Simulation geschmierter Tribokontakte …………………40
3.1 Grundgleichungen der Strömungsmechanik ……………………………………………. 40
3.2 Reynoldssche Differentialgleichung ……………………………………………………….. 43
3.3 Verallgemeinerte reynoldssche Differentialgleichung………………………………… 45
3.4 Gültigkeit der reynoldsschen Differentialgleichung in texturierten
Kontakten………………………………………………………………………………………….. 47
3.5 Berücksichtigung der Oberflächengeometrie und -mikrotextur in der
Hydrodynamik……………………………………………………………………………………. 49
3.5.1 Makrogeometrie……………………………………………………………………………… 49
3.5.2 Mikrogeometrie ……………………………………………………………………………… 50
3.6 Kavitation …………………………………………………………………………………………. 54
3.7 Berechnung der Temperaturverteilung ………………………………………………….. 58
3.8 Schmierstoffeigenschaften…………………………………………………………………….. 60
3.8.1 Viskosität ……………………………………………………………………………………… 60
3.8.2 Dichte…………………………………………………………………………………………… 67
3.8.3 Thermische Eigenschaften……………………………………………………………….. 70
3.9 Reibungsmechanismen und Reibungsberechnung ……………………………………. 72
3.9.1 Kontaktmechanischer Reibungsanteil ……………………………………………….. 72
3.9.2 Hydrodynamischer Reibungsanteil……………………………………………………. 74
3.10 Elastische Deformation………………………………………………………………………… 76
3.11 Dimensionslose Kennzahlen und Gleichungen ………………………………………… 81
3.11.1 Dimensionslose Kennzahlen …………………………………………………………….. 81
3.11.2 Dimensionslose Gleichungen ……………………………………………………………. 82
3.12 Lösung des gekoppelten EHD-Problems ………………………………………………… 85
3.12.1 Kopplung von elastischer Deformation und Hydrodynamik …………………. 86
3.12.2 Stabilisierung der reynoldsschen Differentialgleichung ………………………… 89
3.12.3 Kopplung von Hydrodynamik, Deformation, nicht-newtonschem
Fluid und Wärmeübertragung …………………………………………………………. 91
4 Untersuchungen am Nocken/Stößel-Kontakt………………………………… 94
4.1 Tribologisches System Nocken/Stößel……………………………………………………. 97
4.1.1 Geometrie des Tribosystems ……………………………………………………………. 98
4.1.2 Kinematik, Belastung und Beanspruchung des Tribosystems ………………100
4.2 Prüfaufbau der experimentellen Untersuchungen ……………………………………105
4.3 Schmierungszustand im Tribosystem Nocken/Stößel ………………………………106
4.4 Reibungsmessung an mikrotexturierten Flachstößeln ………………………………112
4.4.1 Probekörper ………………………………………………………………………………….112
4.4.2 Versuchsreihen und Versuchsdurchführung ……………………………………….112
4.4.3 Versuchsergebnisse…………………………………………………………………………116
5 Simulation mikrotexturierter EHD-Kontakte ……………………………… 120
5.1 Validierung………………………………………………………………………………………..120
5.1.1 Unterschiede durch Kavitationsmodelle ……………………………………………120
5.1.2 Linienkontakt………………………………………………………………………………..123
5.1.3 Punktkontakt ………………………………………………………………………………..129
5.2 Mathematische Beschreibung diskreter Mikrotexturen…………………………….131
5.3 Auswirkung des Schlupfes auf den Schmierfilm unter Berücksichtigung
von Mikrotexturen, nicht-newtonschem Fluidverhalten und thermischen
Effekten …………………………………………………………………………………………….137
5.4 Statistische Versuchsplanung und Modellbildung……………………………………147
5.5 Gaußförmige Mikrotexturen im infiniten EHD-Linienkontakt…………………..151
5.6 Trapezförmige Mikrotexturen im infiniten EHD-Linienkontakt ………………..158
5.7 Gaußförmige Mikrotexturen im finiten EHD-Linienkontakt……………………..163
5.8 Diskussion der Ergebnisse ……………………………………………………………………171
6 Zusammenfassung und Ausblick………………………………………………… 174
Anhang – Berechnungsergebnisse der Simulationsstudien ……………………. 177
Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………….. 182

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