An approach to investigate surface roughness influence on the running-in behaviour of mixed-lubricated sliding contacts using the finite element method = Ein Ansatz zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf das Einlaufverhalten von mischreibungsbehafteten Gleitkontakten unter Verwendung der Finite Elemente Methode
Creators: name: Reichert, Stefan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Um den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Reibungs- und Verschleißverhalten zu untersuchen, stehen nur begrenzte experimentelle Möglichkeiten zur Verfügung. Bedingt durch die spanende Endbearbeitung von Lagerschalen und Wellen bewirkt eine Veränderung der Werkstücktopographie, resultierend aus der Variation der Schnittparameter im Herstellprozess, immer auch eine Veränderung der Welligkeit und der Grenzschicht einer Oberfläche. Daher ist es mit experimentellen Methoden aktuell nicht möglich, die Rauheit isoliert zu betrachten. Hierzu wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächentopographie auf das Reibungs- und Verschleißverhalten von geschmierten Kontakten vorgestellt, die Entwickler bei der ressourcenschonenden Auslegung von technischen Oberflächen unterstützt. Die Methode basiert auf numerischen Modellen auf der Mikroskala, die sowohl für trockenlaufende als auch für geschmierte Systeme einen genaueren Einblick in den tribologischen Kontakt ermöglicht. Die Untersuchungen wurden mit der Finite-Elemente-Software ABAQUS auf der Mikroskala durchgeführt. Ein bestehendes Mischreibungsmodell wurde hierzu um eine Verschleißroutine erweitert, die die Berechnung von lokalen Verschleißtiefen an beiden tribologischen Partnern erlaubt. Die numerischen Modelle von trockenlaufenden Kontakten wurden experimentell anhand von Nanoindenterversuchen validiert. Die Modelle von geschmierten Kontakten wurden mit numerischen Methoden verifiziert. Um das initiale Zielsystem für die Berechnungsmethode zu entwickeln, wurde mit Hilfe des Contact, Channel and Connector Approach (C&amp;C²-A) ein tribologisches System methodisch analysiert und unter Verwendung der PGE- Produktgenerationsentwicklung eine Validierungsumgebung für die Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf Reibung und Verschleiß geschaffen. Auf dieser Grundlage wird ein Untersuchungsansatz mit dem Schwerpunkt auf der Modellbildung des mikroskopischen Mischreibungskontaktes und den zutreffenden Annahmen und verwendeten Randbedingungen entwickelt. Das trockenlaufende Kontaktmodell wurde anschließend anhand von experimentellen Nanoindenterversuchen validiert, wobei nur sehr geringe Abweichungen in der gemessen und berechneten Reibkraft auftraten. Das geschmierte Kontaktmodell wurde anhand von Konvergenzuntersuchungen und Vergleichen mit anerkannten Berechnungsverfahren in der Strömungsmechanik verifiziert. Anschließend wurde eine Parameterstudie durchgeführt, wobei Einflüsse von Materialeigenschaften der Festkörper und des Fluides und Randbedingungen wie Fluiddruck im Schmierspalt und Anpresskraft auf das Reibungs- und Verschleißverhalten untersucht wurden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass besonders die Anpresskraft in der Einlaufphase einen großen Einfluss auf die Verschleißtiefe in der stationären Phase des tribologischen Systems hat. Weiterhin wurden unterschiedlich gefertigte Oberflächen untersucht und auch hier konnten große Unterschiede in Reibung und Verschleiß aufgezeigt werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Oberflächentopographie betrachtet und mit experimentell ermittelten Werten verglichen. Auch hier konnten identische Veränderungen ausgewählter statistischer Rauheitsparameter beobachtet werden.