Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

TriboComp (Tribological Components / Computation / Comparison): Experimentelle und simulative Beschreibung und Bewertung polymerbasierter Werkstoffe hinsichtlich tribologischer Lastgrenzen und Ableitung einer vereinfachten Auswahlmethodik für den Einsatz als Gleitlager.

Infolge der durch nötige CO2-Einsparungen getriebenen stetig wachsenden Leistungsdichten werden in tribologischen Systemen immer höhere Temperaturen erzeugt, die die Belastungsfähigkeit stark begrenzen. Kunststoffbasierte trockenlaufende Systeme sind hiervon aufgrund der Temperatursensitivität der Polymermatrix besonders betroffen. Eine Materialoptimierung erfolgt heutzutage durch zahlreiche Versuche in verschiedenen Prüfkategorien von der Modellebene bis zum Feld. Eine Übertragung gemessener Kennwerte zwischen den Prüfebenen ist zurzeit nur in Ansätzen möglich und birgt noch enormes Einsparpotential.

Ziel des Antrags ist daher, durch eine systematische Untersuchung die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen einem Block-on-Ring Modellprüfstand und einem Gleitlagerprüfstand zu entschlüsseln und für eine Verknüpfung der jeweils ermittelten Kennwerte und Belastungsgrenzen nutzbar zu machen. Hierzu ist ein enges Zusammenspiel intelligenter experimenteller mit erprobten simulativen Methoden vorgesehen.

Die experimentelle Basis wird durch eine intelligente Versuchstechnik mit randomisiertem Lastverlauf gebildet, wodurch über ein großes Last(pv)spektrum zahlreiche Systemkennwerte wie Reibungskoeffizient, Verschleißrate und Probentemperatur unter verschiedenen Umgebungsbedingungen ermittelt werden, welche anschließend für eine ausgiebige Analyse bestimmter auslegungsrelevanter Grenzlasten sowie eine mathematische Korrelation zur Verfügung stehen. Schlüssel zur Beschreibung der Zusammenhänge ist vor allem die simulativ bestimmte 3D-Temperaturverteilung, denn geometrische Einflussfaktoren äußern sich vor allem in einer Veränderung von Wärmeeintrag und -austrag und damit in der Systemtemperatur, wodurch folglich auch die Bulkeigenschaften des Materials und die tribologische Leistungsfähigkeit beeinflusst werden. Gerade KMU profitieren von den Projektergebnissen, da zeit- und kostenintensive Komponententests größtenteils durch einfache Modellversuche ersetzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Bewertung und Einordung der tribologischen Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Materialien im Gleitkontakt mit Stahl unter unterschiedlichen Kriterien möglich ist.

Ein Vergleich der in verschiedenen Prüfkonfigurationen ermittelten tribologischen Kennwerte zeigt, dass die Reibungskoeffizienten sowohl im trockenen als auch im geschmierten Zustand zwischen den Systemen mit einfacher Mathematik umgerechnet werden können. Die Übertragung der Verschleißintensität als Funktion der Lastbedingung bzw. Kontakttemperatur im trockenen System ist allerdings nur bedingt und in geschmierten Systemen nicht möglich. Da der Verschleiß in geschmierten System allerdings nahezu Null ist, scheint eine Übertragung auf unterschiedliche Systemgeometrien auch nicht erforderlich.

Die Ausgangshypothese tribologische Kennwerte über unterschiedliche Prüfkonfigurationen durch eine temperaturabhängige physikalisch basierte Funktion verschieben zu können, konnte letztendlich nur in Teilen bestätigt werden. Hierzu scheint eine Berücksichtigung der Faserausrichtung relativ zur Reibrichtung in den unterschiedlichen Grundkörpergeometrien sowie eine weitere Verfeinerung der Temperatursimulation in Bezug auf die reale Kontaktfläche sowie von Blitztemperaturen erforderlich.

Ein zentrales Ergebnis der Forschungsarbeiten ist neben der umfangreichen Datengenerierung unter statistischen Gesichtspunkten die Aufbereitung der Daten in Form von interaktiven Materialkarten. Hier können unterschiedliche Akzeptanzkriterien hinsichtlich Reibung, Verschleiß, Temperatur und Schmierzustand für verschiedene Prüfkonfigurationen festgelegt und daraus geeignete Lagermaterialen abgeleitet werden. Von den Projektergebnissen profitieren Industrieunternehmen daher ganz besonders, da die ermittelten Belastungsgrenzen, Systemkennwerte und Simulationsergebnisse unmittelbar als Konstruktionshilfe zur Verfügung stehen.