Mikrostrukturierung von Gleitlagerflächen

Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften hydrodynamischer Gleitlager durch Mikrostrukturen und deren Fertigungsverfahren

Ziel des Vorhabens war die Erforschung des Potenzials einer Mikrostrukturierung ölgeschmierter hydrodynamischer Radialgleitlager hinsichtlich einer Verbesserung der Betriebs-Eigenschaften in der Hydrodynamik sowie im Mischreibungsgebiet. Die durchgeführten Arbeiten umfassen die CFD-Simulation, die fertigungstechnische Umsetzung der Mikrostrukturierung, die messtechnische Erfassung und Bewertung der Bauteiloberflächen sowie die tribologische Bewertung der Gleitlager mittels Prüfstandversuchen.

Im Rahmen des Vorhabens wurde ein 3D-CFD-Berechnungsmodell entwickelt, mit dem voll- und teilflächig strukturierte Radialgleitlager untersucht werden können. Das Modell berücksichtigt Kavitationseffekte, thermische Einflüsse und Mischreibungszustände. Für die untersuchten Betriebsbedingungen konnte gezeigt werden, dass eine vollflächige Strukturierung der Lauffläche zu einer Reduzierung der Tragfähigkeit führt. Durch eine Teilstrukturierung konnte hingegen eine Effizienzsteigerung in Form einer Reibungsreduzierung nachgewiesen werden. Maßgebend hierfür sind Kavitationseffekte im Bereich der Oberflächenstrukturen. Darüber hinaus wurde ein vereinfachtes CFD-Modell entwickelt, das eine schnellere Vorauswahl von Strukturgeometrien ermöglicht.

Mit dem Strukturrollieren und dem zweistufigen ultraschallunterstützten Drehen wurden zwei innovative Fertigungsprozesse zur hocheffizienten Mikrostrukturierung von Bohrungsmantelflächen entwickelt. Für beide Prozesse stehen dem Anwender nun Methoden zur Prozess- und Werkzeuggestaltung zur Verfügung. Durch die einfache Adaption der Verfahren auf Standardmaschinen besteht eine gute Integrierbarkeit in Prozessketten. Die einfach gehaltene Methodik zur Prozessauslegung für beide Verfahren führt dazu, dass der jeweilige Prozess durch geschultes Bedienpersonal eingesetzt werden kann. Die finanziellen Eingangshürden für den Einsatz der Verfahren sind gering.

Im Rahmen der tribologischen Bewertung wurden alle Versuche an praxisnahen Gleitlagern durchgeführt. Damit sind die Ergebnisse direkt auf reale Anwendungen übertragbar. Die identifizierten Veränderungen zeigen, in welchen Betriebspunkten eine Strukturierung Potenziale aufweist. Die erzeugten Ergebnisse dienten weiterhin der Validierung des Simulationsmodells. Gegenüber diesem konnte auch der Betrieb bei großen Grenzreibungsanteilen untersucht werden. Für diesen Mischreibungsbetrieb wurde eine Reduzierung des Verschleißes nachgewiesen, wodurch Wartungsintervalle verlängert und die Lebensdauer von bestehenden Anlagen erhöht werden.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20138 BR der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.