Sensorik für Mischreibung II
FVA 789 II | IGF-Nr. 21473 BG
Entwicklung einer Dünnschichtsensorik für Temperatur, Druck und Schmierspalthöhe in mischreibungsbeanspruchten Kontakten
Die Optimierung von Reibung und Verschleiß von wälzbeanspruchten Tribosystemen ist zentraler Bestandteil bei der Auslegung von Maschinenelementen mit dem Ziel, die Produkte energieeffizienter zu machen und Materialressourcen zu schonen. Der Druck, die Temperatur und die Schmierspalthöhe beeinflussen dabei die Leistungsfähigkeit von wälzbeanspruchten Kontakten. Eine genaue Kenntnis dieser Größen mittels Messungen hilft das Bauteilverhalten und das tribologische System genauer zu verstehen und dies kann den Auslegungsprozess von Maschinenelementen verbessern. Dabei kommen immer häufiger leistungsfähige Berechnungsmodelle basierend auf der Thermo-Elastohydrodynamik (TEHD) zum Einsatz. Ein erfolgreicher Einsatz dieser Modelle setzt allerdings voraus, dass die Berechnungsergebnisse die Realität widerspiegeln. Um eine Validierung durchführen zu können, wurde deshalb ein im Vorgängervorhaben entwickelter Dünnschichttemperatursensor um die Fähigkeit den Druck und die Schmierspalthöhe in mischreibungsbeanspruchten Wälzkontakten zu messen erweitert. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die relevanten Kontaktgrößen simultan am Bauteil bei Mischreibung zu messen.
In einem ersten Schritt wurde das Dünnschichtsystem, aus dem der Sensor besteht, hinsichtlich der bei Mischreibung wirkenden Beanspruchungen optimiert. Darauffolgend wurden die Schichten auf Prüfscheiben gebracht und so strukturiert, dass sie zu einem Multi-Sensor zusammengefasst werden konnten. In Modellversuchen mit einem Zwei-Scheiben-Prüfstand wurde die Beanspruchungsfähigkeit des Multi-Sensors getestet und anschließend die drei Kontaktgrößen experimentell bestimmt. Die Versuche wurden durch leistungsfähige TEHDSimulationsrechnungen nachgerechnet, mit denen es möglich war, u. a. die Druck- und Temperaturverteilungen sowie die Schmierspalthöhe im Kontakt und im Sensor rtsaufgelöst zu berechnen. Die Ergebnisse, beispielhaft im Bild dargestellt, zeigen eine hohe Übereinstimmung.
Abschließend wurde der Multisensor erfolgreich auf Lagerscheiben eines Axialzylinderrollenlagers sowie auf Zahnflanken appliziert. In Versuchen wurde dessen mechanische Funktionsfähigkeit nachgewiesen. Mit 4.5 Mio. Lastwechsel bei 1265 MPa maximaler Flächenpressung konnte der Sensor seine sehr gute Verschleißbeständigkeit zeigen.
Mit weiteren Versuchen wurden Messergebnisse gesammelt, welche mit berechneten Druck- und Temperaturverteilungen verglichen wurden. Es zeigte sich, dass die Berechnungen grundsätzlich eine gute Übereinstimmung mit den Messungen aufweisen, aber die Bauteilversuche aufgrund von Bauteiltoleranzen und Einflüssen der Anschlusskonstruktion wesentlich komplexer sind.
Mit dem Forschungsvorhaben steht ein robuster Multi-Sensor für mischreibungsbeanspruchte Wälzkontakte zur Verfügung. Der Multi-Sensor ermöglicht es die Auswirkung von unterschiedlichen Einflussgrößen auf die
Kontaktbedingungen weit verbreiteter Maschinenelemente wie Verzahnungen und Wälzlager zu analysieren und zu optimieren. Ein weiterer Nutzen besteht in der Überprüfung genormter Berechnungsverfahren und validierter 3D TEHDSimulationsmodelle, um im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung kostenintensive Prototypenversuche reduzieren zu können.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 21473 BG der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
