An approach to investigate surface roughness influence on the running-in behaviour of mixed-lubricated sliding contacts using the finite element method = Ein Ansatz zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf das Einlaufverhalten von mischreibungsbehafteten Gleitkontakten unter Verwendung der Finite Elemente Methode

Um den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Reibungs- und Verschleißverhalten zu untersuchen, stehen nur begrenzte experimentelle Möglichkeiten zur Verfügung. Bedingt durch die spanende Endbearbeitung von Lagerschalen und Wellen bewirkt eine Veränderung der Werkstücktopographie, resultierend aus der Variation der Schnittparameter im Herstellprozess, immer auch eine Veränderung der Welligkeit und der Grenzschicht einer Oberfläche. Daher ist es mit experimentellen Methoden aktuell nicht möglich, die Rauheit isoliert zu betrachten. Hierzu wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Untersuchung des Einflusses der
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Oberflächentopographie auf das Reibungs- und Verschleißverhalten von geschmierten Kontakten vorgestellt, die Entwickler bei der ressourcenschonenden Auslegung von technischen Oberflächen unterstützt. Die Methode basiert auf numerischen Modellen auf der Mikroskala, die sowohl für trockenlaufende als auch für geschmierte Systeme einen genaueren Einblick in den tribologischen Kontakt ermöglicht.
Die Untersuchungen wurden mit der Finite-Elemente-Software ABAQUS auf der Mikroskala durchgeführt. Ein bestehendes Mischreibungsmodell wurde hierzu um eine Verschleißroutine erweitert, die die Berechnung von lokalen Verschleißtiefen an beiden tribologischen Partnern erlaubt. Die numerischen Modelle von trockenlaufenden Kontakten wurden experimentell anhand von Nanoindenterversuchen validiert. Die Modelle von geschmierten Kontakten wurden mit numerischen Methoden verifiziert.
Um das initiale Zielsystem für die Berechnungsmethode zu entwickeln, wurde mit Hilfe des Contact, Channel and Connector Approach (C&C²-A) ein tribologisches System methodisch analysiert und unter Verwendung der PGE-
Produktgenerationsentwicklung eine Validierungsumgebung für die Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf Reibung und Verschleiß geschaffen. Auf dieser Grundlage wird ein Untersuchungsansatz mit dem Schwerpunkt auf der Modellbildung des mikroskopischen Mischreibungskontaktes und den zutreffenden Annahmen und verwendeten Randbedingungen entwickelt. Das trockenlaufende Kontaktmodell wurde anschließend anhand von experimentellen Nanoindenterversuchen validiert, wobei nur sehr geringe Abweichungen in der gemessen und berechneten Reibkraft auftraten. Das geschmierte Kontaktmodell wurde anhand von Konvergenzuntersuchungen und Vergleichen mit anerkannten Berechnungsverfahren in der Strömungsmechanik verifiziert.
Anschließend wurde eine Parameterstudie durchgeführt, wobei Einflüsse von Materialeigenschaften der Festkörper und des Fluides und Randbedingungen wie Fluiddruck im Schmierspalt und Anpresskraft auf das Reibungs- und Verschleißverhalten untersucht wurden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass besonders die Anpresskraft in der Einlaufphase einen großen Einfluss auf die Verschleißtiefe in der stationären Phase des tribologischen Systems hat. Weiterhin wurden unterschiedlich gefertigte Oberflächen untersucht und auch hier konnten große Unterschiede in Reibung und Verschleiß aufgezeigt werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Oberflächentopographie betrachtet und mit experimentell ermittelten Werten verglichen. Auch hier konnten identische Veränderungen ausgewählter statistischer Rauheitsparameter beobachtet werden.

Only limited experimental possibilities are available to investigate the influence of surface roughness on friction and wear behaviour. Due to the cutting finish of bearings and shafts, a change in the workpiece topography, resulting from the variation of the cutting parameters in the manufacturing process, always results in a change in waviness and the boundary layer of a surface. Therefore, it is currently not possible to view roughness in isolation using experimental methods. The present research paper presents a method for investigating the influence of surface topography on the friction and wear behaviour of lubricated contacts, which supports developers in the resource-saving design of technical surfaces. ... mehrThe method is based on numerical models on the microscale, which allows a more precise insight into the tribological contact for both dry-running and lubricated systems.
The investigations were carried out with the finite element software ABAQUS on the microscale. An existing mixed friction model was extended by a wear routine which allows the calculation of local wear depths at both tribological partners. The numerical models of dry-running contacts were validated experimentally using nanoindenter tests. The models of lubricated contacts were verified with numerical methods.
In order to develop the initial target system for the calculation method, a tribological system is methodically analyzed using the Contact, Channel and Connector Approach (C&C²-A) and a validation environment for the investigation of the influence of surface roughness on friction and wear was created using the PGE - Product Generation Engineering. On this basis, an investigative approach was developed focusing on the modelling of the microscopic mixed friction contact and the assumptions to be made and boundary conditions used. The dry running contact model was validated by experimental nanoindenter tests, whereby only very small deviations in the measured and calculated friction force occurred. The lubricated contact model was verified by means of convergence investigations and comparisons with recognized calculation methods in fluid mechanics.
Subsequently, a parameter study was carried out in which influences of material properties of the solids and the fluid and boundary conditions such as fluid pressure in the lubrication gap and contact force on the friction and wear behaviour were investigated. It could be shown that especially the contact force in the running-in phase has a large influence on the wear depth in the stationary phase of the tribological system. Furthermore, differently manufactured surfaces were investigated and also here large differences in friction and wear could be shown. Finally, the temporal development of the surface topography was examined and compared with experimentally determined values. Here, too, identical changes of selected statistical roughness parameters could be observed.