Abstract:
Um die hohe Komplexität tribologischer Systeme abbilden und viele Einflussfaktoren bedarfsgerecht variieren zu können, werden in der Forschung oft Modellexperimente eingesetzt. Darüber hinaus wurden Systemprüfungen entwickelt, welche die komplexen Betriebsbedingungen aus der Anwendung bestmöglich wiedergeben. Gerade für die Hochtemperaturtribologie, bei der ein Einsatz konventioneller Schmierstoffe nicht möglich ist und höhere Verschleißraten resultieren, ist der Einfluss der Kontaktgeometrie auf das tribologische Verhalten unbekannt. Weiterhin sind Kontaktsysteme der Hochtemperaturtribologie meist in Anwendungen mit einer technischen Verbrennung zu finden. ... mehrDa die tribologischen Systeme nur selten abgedichtet sind, umgibt diese die heiße Abgasatmosphäre, deren Wirkung auf das tribologische Verhalten ebenfalls noch nicht untersucht wurde.
In dieser Arbeit wurden die Einflüsse auf ungeschmierte, tribologische Systeme bei hohen Temperaturen systematisch untersucht. Insbesondere steht der Einfluss einer anwendungsnahen Abgasatmosphäre sowie der Einfluss der Kontaktgeometrie im Fokus. Dazu wurden zwei Materialpaarungen tribologisch charakterisiert, die beispielhaft für zwei Verschleißmechanismen, Abrasion (Co-Basis) und Adhäsion (Fe-Guss), stehen. Die tribologische Prüfung wurde sowohl an einem Modellexperiment mit vereinfachter Kontaktgeometrie als auch an einem Systemexperiment mit Welle-Buchse-Kontaktgeometrie durchgeführt.
Besonders die Temperatur ist als wichtiger Einflussfaktor auf das tribologische Verhalten hervorzuheben, da sie maßgeblich die wirkenden Mechanismen beeinflusst. Im unteren Temperaturbereich treten je nach Materialpaarung verschiedene Mechanismen auf, im oberen Temperaturbereich dominiert material- und experimentübergreifend ein reibungs- und verschleißmindernder Glazelayer. Zur Abschätzung klassischer Einflussfaktoren, wie Normalkraft, Reibweg, Zeit, etc. können in den jeweiligen Temperaturbereichen etablierte Verschleißmodelle von Archard, Quinn, Jiang oder auch Dréano herangezogen werden.
Die Abgasatmosphäre wirkt sich unterschiedlich in den jeweiligen Temperaturbereichen aus. Bei niedrigen Temperaturen wurde mit dem Atmosphärenwechsel sowohl ein Verschleißanstieg als auch ein Verschleißrückgang im Modellexperiment nachgewiesen. Das Partikelbett bzw. dritter Körper, das sich beim Systemexperiment ausbildet, wird hingegen nicht vom Atmosphärenwechsel beeinflusst. Weiterhin wurde material- und experimentübergreifend keine Veränderung des Glazelayerregimes im HT-Bereich durch die Abgasatmosphäre nachgewiesen. Die Wirkung der Atmosphäre ist folglich von den resultierenden tribologischen Reaktionen und deren Produkte abhängig und kann nicht verallgemeinert werden.
Durch zusätzliche Experimente mit einer geschlitzten Buchse wurde der signifikante Einfluss des Partikelauswurfs ermittelt. Bei einem hohen Partikelauswurf im Systemexperiment wurden die klassischen Verschleißmechanismen wie Abrasion und Adhäsion nachgewiesen, die ebenfalls das Modellexperiment dominieren. Bei einem niedrigen Partikelauswurf, wie er am Systemexperiment mit der Welle-Buchse-Geometrie auftritt, bildet sich atmosphärenunabhängig ein verschleißminderndes Partikelbett bzw. dritter Körper aus. Somit sind Modellexperimente mit vereinfachter Kontaktgeometrie hilfreich um das grundsätzliche, temperaturabhängige Verschleißverhalten zu ermitteln. Für quantitativ belastbare Aussagen und Lebensdauerabschätzungen sind jedoch Systemexperimente mit entsprechender Kontaktgeometrie aus der Anwendung unabdingbar.
Abstract (englisch):
To represent the high complexity of tribological systems and vary many influencing factors as required, model experiments are often used in research. At the same time, system tests have been developed that reproduce the complex operating conditions from the application in the best possible way. Especially for high-temperature tribology, where the use of conventional lubricants is not possible and higher wear rates result, the influence of the contact geometry on the tribological behaviour is unknown. Furthermore, high-temperature tribological contact systems are usually found in applications involving technical combustion. ... mehrAs the tribological systems are rarely sealed, they are surrounded by the hot exhaust gas atmosphere, whose effect on the tribological behaviour has not yet been investigated either.
In this work, the influences on unlubricated, tribological systems at high temperature were systematically investigated. In particular, the influence of exhaust gas atmosphere close to the application and the influence of the contact geometry are in focus. For this purpose, two material pairings were tribologically characterised, which represent two wear mechanisms, abrasion (Co-based) and adhesion (Fe-cast). The tribological test was carried out both on a model experiment with simplified contact geometry and on a system experiment with shaft-bushing contact geometry.
Temperature in particular is an important factor influencing the tribological behaviour, as it significantly affects the relevant mechanisms. In the lower temperature range, different mechanisms occur depending on the material pairing; in the upper temperature range, a friction- and wear-reducing glaze layer dominates across all materials and experiments. Established wear models by Archard, Quinn, Jiang or Dréano can be used to estimate classic influencing factors such as normal force, friction distance, time, etc. in the corresponding temperature ranges.
The exhaust gas atmosphere has different effects in the corresponding temperature ranges. At low temperatures, both an increase in wear and a decrease in wear were demonstrated in the model experiment with the change of atmosphere. The particle bed/third body that forms in the system experiment, in contrast, is not affected by the change of atmosphere. Furthermore, no change of the glaze layer regime in the HT range caused by the exhaust gas atmosphere was detected across all materials and experiments. The effect of the atmosphere is therefore dependent on the resulting tribological reactions and their products and therefore cannot be generalised.
Additional experiments with a grooved bushing were used to determine the significant influence of the contact geometry and, in particular, the particle ejection. With a high particle ejection in the system experiment, the classic wear mechanisms such as abrasion and adhesion, which also dominate the model experiment, were detected. With a low particle ejection, which occurs in the system experiment with the shaft-bushing geometry, a wear-reducing particle bed/third body forms independently of the atmosphere. Model experiments with simplified contact geometry are therefore helpful in determining the basic, temperature-dependent wear behaviour. However, for quantitatively reliable statements and lifetime estimations, system experiments with appropriate contact geometry from the application are indispensable.
