Analysis of Textured Surfaces in Full-film Lubrication

Eine Möglichkeit zur Reduktion der Reibung in geschmierten Kontakten sowie zur Steigerung der Tragfähigkeit stellen gezielte Oberflächenmodifikationen, sogenannte Texturen, dar. Aktuelle Publikationen befassen sich dabei häufig mit parallelen Schmierspalten, obwohl in den meisten technischen Anwendungen konvergierende Schmierspalte vorliegen. Aus diesem Grund untersucht die vorliegende Arbeit das Verhalten texturierter Oberflächen in konvergierenden Schmierspalten unter Flüssigkeitsreibung. Da die tribologischen Eigenschaften von Texturen von einer Vielzahl an Parametern beeinflusst werden, wurde zu Beginn der Arbeit ein numerisches Simulationsmodell entwickelt. Dieses Modell diente zur Durchführung umfangreicher Parameterstudien, wodurch der Einfluss unterschiedlicher geometrischer Texturparameter systematisch analysiert werden konnte. Dabei zeigte sich, dass Texturen, die ausschließlich im Druckmaximum positioniert sind, eine Reduktion der Tragfähigkeit bewirken. Zur Untersuchung des Einflusses der Texturgeometrie wurden neun unterschiedliche Texturformen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Texturen mit möglichst großer Flächenabdeckung vorteilhafter sind als lokal begrenzte Oberflächenmodifikationen. Entsprechend führen rechteckige oder quadratische Vertiefungen zu einer höheren Tragfähigkeit als dreieckige Texturen. Neben den geometrischen Einflussgrößen konnte numerisch nachgewiesen werden, dass Oberflächenmodifikationen insbesondere bei steigender Drehzahl und Viskosität sowie bei sinkendem Konvergenzwinkel des Schmierspalts und geringerer Belastung wirksamer sind. Da diese Erkenntnisse zunächst ausschließlich numerisch gewonnen wurden, wurde zur experimentellen Validierung eine neuartige Prüfmethodik für einen konvergierenden Schmierspalt in Flüssigkeitsreibung entwickelt. Dabei wird der minimale Schmierspalt definiert vorgegeben und sowohl die Reibkraft als auch die Tragfähigkeit gemessen. Zur Identifikation geeigneter Texturen wurde ein Optimierungsalgorithmus auf das Simulationsmodell angewandt, der optimale Texturparameter lieferte. Die resultierenden Texturen wurden anschließend durch Fräsen hergestellt. Dabei zeigte sich, dass die Texturen die Tragfähigkeit um über 35 % erhöhen und unter bestimmten Betriebsbedingungen die Reibkraft um über 10 % reduzieren können. Somit konnte mithilfe der entwickelten Versuchsmethodik experimentell nachgewiesen werden, dass gezielte Oberflächenmodifikationen zur Steigerung der Tragfähigkeit und zur Reibungsreduktion in konvergierenden Schmierspalten beitragen.