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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären.
Ketten werden als Übertragungselement für Drehbewegungen und Zugkräfte in verschiedenen Anwendungen verbaut. Daher lassen sich Ketten in Abhängigkeit ihres mechanischen Aufbaus, der Verwendung und der Belastung der Kette unterscheiden. Die kommerziell relevanteste Kette ist die Rollenkette, die aus Innen- und Außengliedern im alternierenden Wechsel besteht. Diese sind durch ein Gelenk aus Bolzen und Hülse miteinander verbunden. Sie wird als Antriebselement im Maschinen- und Fahrzeugbau verwendet. Hinsichtlich Lebensdauer und Effizienz des Kettentriebs steht der tribologische Kontakt zwischen Bolzen und Hülse im Fokus der Entwicklung. Reduzierte Kettenlängung durch geminderten Verschleiß steigert die Gebrauchsdauer einer Rollenkette. Ein optimiertes Reibungsverhalten führt zu einer Senkung der Verlustleistung des Kettentriebs. Neben unterschiedlichen Kettenwerkstoff en, Oberflächenbehandlungen und Schmierstoff en wird an der Bauteilkontur der Gelenkkomponenten geforscht. Infolge von Betriebsbelastungen und elastischen sowie plastischen Verformungen im Montageprozess kommt es im Kettengelenk zu komplexen Lastverhältnissen mit sehr hohen Kontaktpressungen. Der Einfluss der beschriebenen Form- und Konturabweichungen auf das Verschleiß- und Reibungsverhalten wird in dieser Arbeit untersucht, wozu Ketten mit unterschiedlichen Hülseninnenkonturen miteinander verglichen werden. Kettengelenke, die Komponenten mit starker Abweichung von der idealen Zylinderkontur aufweisen, zeigen eine ausgeprägtere Verschleißneigung als Ketten mit optimierten Hülsen. Anstelle von herkömmlichen Bauteil- oder Aggregatsversuchen mit großem physischen Materialaufwand wird ein Bauteil-Tribometer, das Kettengelenktribometer verwendet. Mit Hilfe dieses Prüfstands wird ein einzelnes Kettengelenk über aus realen Kettentrieben abgeleiteten Lastkollektiven geprüft. Der Aufbau ermöglicht so eine realitätsnahe Untersuchung und liefert dabei im Betrieb Daten hinsichtlich des Gelenkverschleiß. Zudem können Reibungskenngrößen erfasst werden. Aus den Daten der experimentellen Untersuchungen und der Prüfkörper-Charakterisierung speist sich ein reibenergetischer Verschleißberechnungsansatz, der die tribologischen Gegebenheiten im Kettengelenk durch eine EHD-Kontaktsimulation darstellt. Der Simulationsansatz kann als Unterstützung im Entwicklungsprozess neuer Hülseninnenkonturen genutzt werden.
The choice of the optimal rolling bearing depends on the boundary conditions and the requirements of the application. This way, the rolling bearings are designed in terms of their requirements of carrying capacity, the resulting frictional losses or the velocity limit among others. The optimization of the internal geometry of rolling bearings for specific applications is still a focus of study. Moreover, new rolling bearings, based on the existing geometries have been developed in the recent years and are on continuous development up to now.
One of the most commonly used rolling bearings for combined load when high load carrying capacity is needed is the tapered roller bearing (TRB). Although this type of rolling bearing has been used in widespread application, its relatively high friction losses occurring at the rib contact are a spotlight for the engineers on this area of work. A solution for reducing the frictional losses appearing at TRBs for applications where a high load carrying capacity is needed is still being searched for. Many recent studies focus on the optimization of the contact between the roller end and the raceway rib surface. On the contrary, this work focuses on the development of a new type of rolling bearing, based on the existing TRB, but where a rib contact is no longer needed.
First of all, the geometrical parameters defining the internal geometry of the rolling bearings, more specifically the contact between the roller and the raceways, have been studied. Moreover, several patents defining new geometries of rolling bearings have been analyzed. Based on the correlations observed between the different geometrical parameters, types of geometries and outcomes, the geometry of a new type of rolling bearing has been developed. In order to study its behavior, a Multi-Body-Simulation (MBS) Model of the new type of rolling bearing has been generated. Moreover, in order to validate the model, a prototype of the geometry under study has been manufactured and experimentally tested.
The results obtained have been compared with the simulated results as well as with a TRB of same main dimensions. After the validation of the model, several simulations have been conducted in order to understand better the behavior of the new rolling bearing design. To do so, a sensitivity analysis has been conducted. Within the analysis, the main geometrical parameters defining the roller-raceway contact have been varied and their influence on main outcomes examined. Finally, an application example of an axle-gearbox for heavy-duty trucks is presented and its result compared with those of a tapered roller bearing.
Getrieben durch nötige Energie- und Kosteneinsparungen finden Kunststoffe vermehrt Anwendung als Primärkomponenten in tribologischen Systemen. Der Trend zeichnet sich durch stete Forschung und Entwicklung hinsichtlich der Effektivität unterschiedlicher Materialkombinationen zur Reduktion von Reibung und Verschleiß aus, wobei die reibinduzierte Wärme zu den größten Herausforderungen zählt. Insbesondere bei variablen Lastbedingungen sowie beim Einsatz technischer Thermoplaste wirkt sich die Kontakttemperatur negativ auf die Leistungsfähigkeit des Systems aus. Die gezielte Nutzung chemischer Umwandlungsprozesse durch Einbringung reaktiver Füllstoffe wie Magnesiumhydroxid verspricht Abhilfe. Die Arbeit befasst sich mit dem Einfluss dieses Füllstoffes auf die werkstofflichen Eigenschaften eines Polyamid 66 und beleuchtet durch umfassende tribologische und oberflächenanalytische Methoden dessen grundlegende Wirkmechanismen. So konnte eine durch Reibungswärme induzierte Umwandlung bestätigt werden, die jedoch eine Schwachstelle im niedrigen Lastbereich aufgrund eines kurzzeitig ungünstigen Zusammenspiels tribochemischer und abrasiver Effekte hervorruft. Im Vergleich zu einer ungefüllten Referenz und zwei Kontrollmaterialien wird insgesamt eine deutliche und über ein großes Lastspektrum stabile Leistungssteigerung erreicht, wobei die Wirkung der Reaktionspartikel durch das Verhindern von Schäden an den integrierten Fasern sowie durch einen reaktionsumsatzabhängigen Vernarbungseffekt hervorsticht. Die Nutzung von Stoffen wie Magnesiumhydroxid stellt einen neuen Ansatz für die Polymertribologie dar und könnte zukünftig intelligente Werkstoffe hervorbringen, die durch lastabhängige Beeinflussung des tribologischen Kontakts dynamisch auf veränderliche Umgebungsbedingungen reagieren.