Numerical representation of a pin-on-disc tribometer for the investigation of textured surfaces

Die wachsende Nachfrage nach höherer Leistung und geringerer Umweltbelastung durch tribologische Geräte hat zur Entwicklung strukturierter Oberflächen geführt, die Reibungsverluste und Verschleißphänomene reduzieren können. Ein großer Teil der tribologischen Forschung an solchen Oberflächen beruht auf experimentellen Untersuchungen, die auf Pin-on-Disc-Tribometern basieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die numerische Darstellung dieser Experimente und die Untersuchung des Einflusses von Texturen im hydrodynamischen Bereich.
Bei der ersten Analyse des Pin-on-Disc-Tribometers wird besonders auf die hochauflösende Darstellung der makroskopischen Geometrie des Kontaktes geachtet. ... mehrIn dieser Hinsicht wird der Einfluss des Geschwindigkeitsgradienten in der Rotationsebene untersucht und mit experimentellen Studien verglichen. Die Rolle von Trägheitseffekten wird anhand der Navier-Stokes-Gleichungen analysiert und die Gültigkeit der Reynolds-Gleichung für 3D-Dimples überprüft. Die Auswirkungen der viskosen Dissipation werden ebenfalls berücksichtigt, um deren Einfluss auf die Druckverluste im Kontaktbereich zu bestimmen, die mit dem Quadrat der Sommerfeldzahl skalieren.
Schließlich wird mittels einer umfangreichen Parameterstudie der Einfluss von Betriebsbedingungen auf die optimalen Formparameter einer durch Dimples strukturierten Oberfläche untersucht. Als Resultat dieser Untersuchung folgt, dass die Tiefe der Dimples einen höheren Einfluss auf die gesamte Kontaktleistung hat als der Durchmesser. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Tiefe der Dimples, die dem minimalen Reibungskoeffizienten entspricht, mit der Quadratwurzel der Sommerfeldzahl skaliert und damit in Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen am gleichen Tribometer steht.

The growing demand for higher performance and lower environmental impact of tribological devices has led to the development of textured surfaces as efficient way to reduce friction losses and wear. Great part of the tribological research of such engineered surfaces relies on experimental set-ups based on pin-on-disc tribometers. The aim of the present work is the numerical representation of such kind of experimental set-ups in order to study the influence of textures in the hydrodynamic regime.
In the initial analysis of the mentioned set-up, particular attention is paid to the high-resolution representation of the macroscopic geometry of the contact. ... mehrIn this regard, the influence of the velocity gradient in the plane of rotation is investigated and compared to experimental studies. The role of inertia effects is then examined by means of the Navier-Stokes equation and the validity of the Reynolds equation is investigated for 3D dimples resulting in the extension of previous literature results. The effects of viscous dissipation are also considered in order to assess their influence on the pressure losses in the contact, which are found to scale with the square of the Sommerfeld number.
Finally, the influence of the operating conditions on the optimal shape parameter of a texture made by dimples is investigated by means of an extensive parametric study. As a result, the dimple depth is shown to have a higher impact on the texture performance than the diameter. Moreover, the dimple depth, which corresponds to the minimal friction coefficient, is found to scale with the square root of the Sommerfeld number in agreement with experimental investigations on the same tribometer.