Elastohydrodynamische Rollreibung in Stahl-Keramik-Kontakten = Elastohydrodynamic rolling friction in steel-ceramic-contacts

Reibung ist eine der grundlegendsten mechanischen
Wechselwirkungen in den Funktionskontakten von
Wirkflächenpaaren. Dennoch ist es bis heute nicht gelungen,
unabhängig vom Aggregatzustand der wechselwirkenden
Grundelemente, einen einheitlichen Ansatz zur Beschreibung der
Reibung zu finden. So wird trockene Wälzreibung vielfach über
die Deformation der in Kontakt stehenden Oberflächen
beschrieben, wohingegen hydrodynamische Wälzreibung über die
Schubspannungen im Schmierfilm beschrieben wird. Im Falle der
elastohydrodynamischen Schmierung bildet bis heute der
hydrodynamische Ansatz die Grundlage aller Betrachtungen, trotz
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der Tatsache, dass bei diesem Schmierungszustand sowohl die
Effekte der hydrodynamischen Wälzreibung (tragender Schmierfilm)
als auch der trockenen Wälzreibung (Oberflächendeformation)
auftreten. Während für den Fall eines hohen Gleitanteils mit
diesem Ansatz gute Ergebnisse erzielt werden konnten, gelang
dies für den Zustand des reinen Rollens bzw. bei marginalem
Gleitanteil nicht.
Ausgehend von experimentellen Untersuchungen wird im Rahmen der
Arbeit aufgezeigt, dass entgegen der gängigen Praxis eine
Beschreibung der elastohydrodynamischen Wälzreibung im Zustand
des reinen Rollens, bzw. bei marginalem Gleitanteil in Anlehnung
an den Ansatz zur Beschreibung der trockenen Wälzreibung sehr
gute Ergebnisse liefern kann. D.h. ein elastohydrodynamischer
Wälzkontakt ist im Zustand des reinen Rollens, bzw. bei
marginalem Gleitanteil in Bezug auf die entstehende Reibung als
trockener Wälzkontakt zu betrachten!
Zur Überprüfung des entwickelten Modells werden exakte
Vermessungen der Oberflächendeformation im Kontakt vorgestellt,
die mit Hilfe von Dünnschichtsensoren durchgeführt wurden, die
am Institut für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau
der Universität Karlsruhe (TH) entwickelt und hergestellt
wurden. Da diese Sensortechnologie, ähnlich wie optische
Messverfahren, aufgrund der extremen Bedingungen in
elastohydrodynamisch geschmierten Kontakten stark fehlerbehaftet
ist, wird ein vollständiges Korrekturverfahren unter
Berücksichtigung aller Einflüsse für die erhaltenen Messsignale
erarbeitet und ausführlich dargestellt.
Im Hinblick auf die großen Fortschritte, die in letzten Jahren
auf dem Gebiet der strukturkeramischen Werkstoffe erzielt
wurden, und dem damit verbundenen verstärkten Einsatz dieses
Werkstoffs als Konstruktionswerkstoff werden die Betrachtungen
an hybriden Stahl­Keramik­Kontakten durchgeführt.

Friction is one of the fundamental, mechanical interactions in
working contacts of working surface pairs, whereby it gets a
special significance, not only in mechanical engineering.
Nevertheless until today there is no uniform approach to
describe friction independently from the state of aggregation of
the interactive elements. In case of dry combined sliding and
rolling friction, friction often is described by the deformation
of the surfaces which are in contact, whereas in case of
hydrodynamic combined sliding and rolling friction it is
described by the shear stress in the carrying lubrication film.
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To describe elastohydrodynamic combined sliding and rolling
friction usually the hydrodynamic way is used, despite the fact
that both mentioned effects, carrying lubrication film and
surface deformation, are involved. In fact this approach yields
good results if sliding friction is dominant, but it doesn't so
in case of pure rolling friction or negligible sliding friction.
Based on experimental investigations, the dissertation on hand
presents an approach to describe elastohydrodynamic friction in
the state of pure rolling or negligible sliding only by the
deformation of the surfaces, which yields better results than
the common way. I.e. friction in an elastohydrodynamic contact
in the state of pure rolling or negligible sliding has to regard
as friction of a dry sliding and rolling contact.
To verify the developed model, surface deformations in the
contact zone are presented, meassured by thin film sensor
technology developed and built at the Institute of Machine
Design at the University of Karlsruhe. Similar to optical
meassurement methods the thin film technology contains parasitic
errors evoked by the extreme situation in the highly loaded
contact zone. Therefore a correction method considering all
sophisticating influences is developed and described.
With regard to the successful innovation progress in the field
of structural ceramics and consequently increased usage of these
kind of materials in highly loaded tribological systems the
considerations are realized in hybrid steel­ceramic­contacts.