Tribological characterization of valvetrain ball/socket-contacts based on a tribometric model testing system

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitMasterarbeitForschung

Abstract

Höhere Wirkungsgrade und geringere Emissionen in Verbrennungsmotoren erfordern niedrigviskose Motoröle, um Reibungsverluste zu reduzieren. Zusätzlich müssen bestimmte Öl-Additive reduziert werden, um neue Umweltbestimmungen zu erfüllen. Dies führt zu höherem Verschleiß an Motorkomponenten, die bisher eine unkritische Verschleißcharakteristik zeigten. Vor allem an Kugelgelenken in Ventiltrieben wirkt sich Verschleiß sehr negativ aus, da dadurch das Ventilspiel und folglich der Gasaustausch beeinflusst werden. Dies kann zur Reduktion des Wirkungsgrades, höheren Emissionen und Motorschäden führen. Derzeit werden Motortests mit einer Laufzeit von mehreren Tagen durchgeführt, um das tribologische Verhalten von Ventiltriebskomponenten zu untersuchen. Um Zeit und Kosten zu sparen, wird nach einem Modellprüfsystem verlangt. Basierend auf einem Rotationstribometer, wurde ein Prüfstand entwickelt, der Untersuchungen unterschiedlicher Kugelgelenksproben, die aus Ventiltriebskomponenten geschnitten werden, innerhalb eines Tages ermöglicht. Der modulare Aufbau des Prüfstandes ermöglicht es, verschiedene Proben, deren Einbauposition, Schmiersystem und Kinematik zu variieren. Ein passendes Testprogramm mit Datenauswertung, basierend auf einem Start-Stopp-Zyklus, wurde entwickelt, um die realen Laufeigenschaften im Motor bestmöglich zu simulieren. Die Ergebnisse mit begleitender optischer Analyse und gravimetrischer Verschleißmessung werden mit Motortests verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen Rotationsachse im Tribometer und im Motor, war es erforderlich, Geschwindigkeit und Last anzupassen, um den gleichen feinabrasiven Verschleißmechanismus zu erzielen, der in Motorkomponenten festgestellt wurde. Da Versuche mit ungebrauchtem Motoröl nicht genügend Verschleiß produzieren konnten, um die Ölwirksamkeit zu erproben, wurde eine künstliche Ölalterung durch Beimischung von Abrasivpartikeln oder einem Rußersatz erzielt. Es konnte gezeigt werden, dass die geometrische Konformität von Kugel und Kugelpfanne einen großen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit und den eventuellen Aufbau eines tragenden Ölfilms hat. Versuche mit gebrauchtem Motoröl konnten beweisen, dass es möglich ist, signifikanten Verschleiß an den untersuchten Teilen in moderater Versuchsdauer zu erzeugen. Weiters konnte gezeigt werden, dass, abhängig von deren Konzentration, Abrasivpartikel an den untersuchten Kontakten zwar den Reibungskoeffizienten erhöhen und zum Fressen führen können, aber nicht den feinabrasiven Verschleiß erhöhen. Das Beimischen von Rußersatz dagegen führt zu einer deutlichen Erhöhung des Verschleißes. Laut Literatur ist dies auf eine chemische Interaktion zwischen Ruß und dem Öl-Additiv Zinkdialkyldithiophosphat zurückzuführen. Zum Zwecke der Validierung wurden Versuche mit Ölen unterschiedlicher Laufleistungen im Motor durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Öl mit niedrigem Verschleiß im Motortest, unter Anwendung künstlicher Ölalterung, auch zu niedrigem Verschleiß im Modell führt. Folglich bietet die entwickelte Versuchsmethodik ein gutes Werkzeug zum besseren Verständnis und zur Bewertung von Tribosystemen mit Kugelgelenken.

Details

Titel in ÜbersetzungTribologische Charakterisierung von Kugelgelenken in Ventiltrieben basierend auf einem tribometrischen Modellprüfsystem
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung28 Jun 2019
StatusVeröffentlicht - 2019