das System zügig einen stationären Zustand erreicht, der sich durch niedrige Verschleißraten kennzeichnet. Im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts „SPP1551 - Ressourceneffiziente Konstruktionselemente“ wurde die Oberflächentopographie verschiedener Metalle untersucht, um den Einfluss des Fertigungsverfahrens auf die Einlaufphase eines Gleitlagers beurteilen zu können. Bei der Bearbeitung von Oberflächen entstehen abhängig vom Fertigungsverfahren unterschiedliche Oberflächentopographien, die sich beispielsweise durch ihre Welligkeiten und Rauheiten unterscheiden. Die experi- Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 3/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0016 1 Einleitung In der Einlaufphase eines tribologischen Systems (Tribosystem), entstehen gegenüber der Betriebsphase erhöhter Verschleiß und große Reibungskräfte. Produktentwickler versuchen daher bei der Auslegung von Tribosystemen eine kurze Einlaufphase zu erreichen, damit Untersuchung des Einflusses der Einlaufprozedur auf das Reibungs- und Verschleißverhalten von geschmierten Kontakten mit der Finite-Elemente-Methode Arn Jörger, Stefan Reichert, Albert Albers* Ziel der Untersuchung ist die Beurteilung verschiedener Einlaufphasen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten in der Betriebsphase eines Gleitlagers mithilfe der Finite-Elemente-Methode. Das Mikromodell, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Reibkörpern, bildet real-gedrehte Materialoberflächen ab, zwischen denen eine Schmierung modelliert ist. Durch das Aufbringen einer Last entstehen Kontaktstellen, die zu lokalen Festkörper- und Mischreibungskontakten führen. Die sich plastisch ausbildenden Täler auf den Oberflächen des Modells erlauben eine Berechnung der lokalen Verschleißtiefe. Die Untersuchung zeigt die Abhängigkeit der Verschleißtiefe von der initialen Last während der Einlaufphase. Die Betrachtung der folgenden Betriebsphase zeigt, dass durch die während der Einlaufphase erhöhte Last die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen spätere Belastung gestiegen ist. Eine erhöhte Einlauflast verringert demnach in der späteren Betriebsphase den Verschleiß. Schlüsselwörter Mischreibung, Einlaufphase, Verschleißsimulation, Reibungssimulation The aim of the investigation is to assess the influence of different running-in procedures to the friction and wear behavior of a journal bearing by using a finite element simulation. Real surfaces have been scanned in and mapped on two opposite arranged solids which are separated by a lubrication layer. By applying a load to one solid, local contact zones develop and solid-to-solid and lubricated contacts develop. Elastic and plastic deformations facilitate the computation of the local wear depth. The results show a dependence of the initial load condition on the increasing of the final wear depth. The inspection of the subsequent running phase depicts an enhanced wear resistance of the surface by increasing the load in the running-in phase. Hence, by raising the initial load the wear in the following running phase can be reduced. Keywords Mixed friction, running in, wear simulation, friction simulation Kurzfassung Abstract * Arn Jörger, M. Sc. Dipl.-Ing. Stefan Reichert Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Albert Albers Karlsruher Institut für Technologie (KIT) IPEK - Institut für Produktentwicklung 76131 Karlsruhe T+S_3_2019.qxp_T+S_2018 13.06.19 11: 31 Seite 32 mentelle Messung des Einflusses des Verschleißes auf die Reibungs- und Verschleißphänomene in der Kontaktzone erfolgen häufig mithilfe der Radionuklid-Technologie und sind daher enorm aufwendig. Ein generisches Simulationsmodell ermöglicht die Variation einzelner Parameter und erlaubt dadurch zum Beispiel eine isolierte Betrachtung des Einflusses der Rauheit bei konstanter Welligkeit auf das Verschleißverhalten. In der vorliegenden Untersuchung wird der Einfluss realer Oberflächenrauheiten auf den Reibwert und das Verschleißverhalten mithilfe der Finite-Elemente- Methode untersucht. Das erlaubt verglichen mit der experimentellen Betrachtung eine erhebliche Kostenreduktion und eine verkürzte Simulationszeit. 2 Stand der Forschung Diverse Untersuchungen beschäftigen sich mit der experimentellen Analyse der Einlaufphase tribologischer Systeme. Dabei wird die Verschleißrate häufig kontinuierlich mit der Radionuklid-Technologie gemessen. Diese Technologie nutzen Scherge, et al. [1], um in einem mechanischen System sehr geringe Verschleißraten in hoher Auflösung abbilden zu können. Weiterhin hat Volz [2] an einem Zylinder-Kolbenring-System gezeigt, dass sich die Verschleißrate mit steigender Normalkraft und steigender Geschwindigkeit erhöht. An einem Stift- Scheibe-Tribometer zeigen Scherge, et al. [3], dass eine hohe Last während der Einlaufphase zwar einen erhöhten Verschleiß am Anfang bedeutet, jedoch im Vergleich zu einer geringen Einlauflast in der Betriebsphase widerstandsfähiger gegen Verschleiß ist. Dies ist mit der mechanischen Durchmischung der Randzone und somit der Ausbildung von verschleißbeständigen Schichten begründet. Linsler, et al. [4] untersuchen den Einfluss von thermischen Beschichtungen auf das Verhalten während der Einlaufphase. Durch Variation von Kontaktdruck und Geschwindigkeit können verschiedene Reibwertverläufe und Reibwertkennfelder ermittelt werden. Die Experimente zeigen keinen Reibungsunterschied zwischen den Testbedingungen. 3 Forschungsziel und Vorgehen Die vorliegende Forschung beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einlaufverhaltens von geschmierten Kontakten. Dabei werden die tribologischen Effekte, wie Festkörperkontakt, aber auch die plastischen Verformungen in der Randzone, untersucht. Das Ziel ist die Beurteilung des Zustands des Tribosystems hinsichtlich Reibung und Verschleiß. Die Analyse erfolgt mithilfe der in einer Finite-Elemente-Simulation berechneten Verschleißtiefe und des berechneten Reibwerts. Dabei soll aus der Entwicklung der Verschleißtiefe Rückschluss auf den Zustand des Kontakts gezogen werden, um beispielsweise die Einlaufphase zur Optimierung der Lebenszeit verwenden zu können. Im folgenden Kapitel wird das Simulationsmodell, die Materialeigenschaften und die Oberfläche vorgestellt. Zudem wird das Modell beschrieben und die Vorgehensweise bei der Durchführung der Simulationen erläutert. Die Durchführung der beiden betrachteten Lastfälle ist im Ergebniskapitel aufgeführt. Anschließend folgt eine Diskussion und Zusammenfassung. 4 Modellaufbau Das Modell besteht aus zwei gegenüberliegenden Reibkörpern, im Folgenden Base und Slider genannt, die reale Oberflächen besitzen. Zwischen den Körpern mit den Abmessungen 225 × 225 µm² ist eine Fluidschicht modelliert. Aus den mit einem Weißlichtinterferometer eingelesenen realen Oberflächen werden Solid-Körper erstellt. Die Simulationen wurden mit dem Mischreibungsmodell nach Lorentz, et al. [5] durchgeführt. Das Modell, erlaubt tribologische Kontakte mit der Finite-Elemente- Methode in einer Simulation abzubilden. Das Ziel ist dabei das Erlangen eines besseren Verständnisses der in der Kontaktfläche ablaufenden Reibungsphänomene. Die Erweiterung des ursprünglichen Modells auf die Anwendung hinsichtlich der Verschleißsimulation nach Archard erfolgte durch Albers, et al. [6]. Dies erlaubt die sequentielle Berechnung der Verschleißtiefe (vgl. Albers, et al. [7]) für einen kontinuierlichen Bewegungsvorgang, der durch das Zurücksetzen des Sliders ermöglicht wird. Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 3/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0016 Slider Base Fluid Bild 1: (a) Mischreibungsmodell (b) Base Körper (a) (b) T+S_3_2019.qxp_T+S_2018 13.06.19 11: 31 Seite 33 der Last dar, die über den gesamten Simulationszeitraum konstant 1,0 N beträgt. Die unterbrochene Kurve zeigt den Verlauf der variablen Last, die von initial 0,5 N auf 0,75 N und dann auf 1,0 N erhöht wird. Die durchgezogene Kurve, also die der konstanten Last, weist nur eine einzige Einlaufphase zu Beginn auf und verläuft anschließend nahezu linear. Die unterbrochene Kurve beschreibt die Verschleißtiefenentwicklung der variablen Last. Die drei Einlaufphasen bei t 1 = 0, t 2 = 600 s und t 3 = 1200 s kennzeichnen sich deutlich durch Sprünge in der Verschleißtiefenentwicklung. Dieser Effekt kann auf die Lasterhöhung und den dadurch erhöhten Anteil an Festkörperkontakt zwischen den Reibkörpern zurückgeführt werden. Jede Erhöhung der Last führt zu einem steigenden Druck in der Kontaktzone und der dadurch steigende Anteil an Festkörperkontakt fördert die Verschleißbildung und dies resultiert in einer größere Verschleißtiefe. Im Vergleich zur variablen Last zeigt die konstante Last dagegen eine konstante Verschleißtiefenentwicklung nach der Einlaufphase. Die Verschleißtiefenentwicklung korreliert also mit dem Festkörperkontaktanteil während der Einlaufphase. Das Aufbringen einer hohen Last während der Einlaufphase wirkt sich positiv auf die Verschleißtiefe und deren Verlauf während der stationären Phase aus. Ähnliche Resultate erreichen Scherge, et al. [1] in experimentellen Versuchen mit der Radionuklid- Technologie. Auch hier zeigt eine erhöhte Einlauflast eine geringere Verschleißtiefenentwicklung in der Betriebsphase (siehe Bild 3). Die schrittweisen Erhöhungen der Normalkraft (bei t 2 = 600 s und t 3 = 1200 s) zeigen, dass die Normalkraft mit dem Kontaktdruck korreliert. Bei jeder Erhöhung kommt es zu einem kurzen Anstieg des Kontaktdrucks, der zu einer Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 3/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0016 5 Ergebnisse Um den Einfluss der Einlaufphase auf den Reibwert und das Verschleißverhalten untersuchen zu können, werden verschiedene Lastfälle verglichen. In jedem Lastfall wird eine konstante Last oder eine variable Last (siehe Tabelle 1) aufgebracht. Die Beurteilung des Reibungsverhaltens erfolgt am Verlauf des Reibwerts und des Verschleißverhaltens an dessen Verlauf über den gesamten Simulationszeitraum hinweg (vgl. [6]). Für die Simulationen wurde eine drehgefertigte Welle aus AISI1045 ausgewählt. Tabelle 2 zeigt die Materialparameter und Oberflächenrauheiten. Lastfall A Bild 2 zeigt den Einfluss der Einlaufphase auf die Verschleißtiefe. Die durchgezogene Kurve stellt den Verlauf Lastfall Konstante Last Variable Last A steigende Last 1,0 N Erhöhung in drei Schritten von 0,5 N auf 1,0 N B sinkende Last 0,5 N Reduktion in drei Schritten von 1,0 N auf 0,5 N Tabelle 1: Lastfälle Parameter AISI 1045 Dichte 7.860 kg/ m³ E-Modul 212 GPa Querkontraktionszahl 0.289 Fließspannung 568 MPa Kritische Scherspannung 328 MPa R a 0,343 µm R q 0,437 µm R z 2,880 µm R pk 0,073 µm Tabelle 2: Materialparameter AISI1045 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Verschleißtiefe [µm] Zeit [s] Konstante Last Variable Last Bild 2: Einfluss der konstanten Last und der steigenden Last auf die Verschleißtiefe T+S_3_2019.qxp_T+S_2018 13.06.19 11: 31 Seite 34 schnellen Erhöhung der Verschleißtiefe führt. Dies verdeutlicht, dass die Einlaufphase einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Verschleißtiefe besitzt. Das Ergebnis des Einflusses der Einlaufphase auf den Verlauf des Reibwerts zeigt Bild 4. Die konstante Last führt nach der Einlaufphase zu einem konstanten Reibwert von ca. 0,09. Wohingegen die unterbrochene Kurve zwei Reibwerterhöhungen zu den Zeitpunkten der Erhöhung der Last aufweist. Am Ende des Betrachtungszeitraums resultiert in beiden Lastfällen ein ähnlicher Reibwert. Diese Beobachtung zusammen mit den in Bild 4 sichtbaren Sprüngen im Reibwertverlauf legen die Vermutung nahe, dass der Reibwert von der gegenwärtigen Anpresskraft abhängig ist. Lastfall B Bild 5 zeigt den Einfluss der in zwei Schritten von 1,0 N auf 0,75 N und 0,5 N reduzierten Last auf die Verschleißtiefe im Vergleich zur konstanten Last von 1,0 N. Die Lastverminderungen finden zum Zeitpunkt t 2 = 600 s und t 3 = 1200 s statt. Der Zeitpunkt der ersten Reduzierung ist durch das Auflösen des identischen Verlaufs beider Kurven offensichtlich. Die Differenz der beiden Kurven ist in der folgenden Betriebsphase gering und beide resultieren in einer Verschleißtiefe von 0,135 µm. Dieser Endwert liegt deutlich unterhalb des Werts, der variablen Last aus Teil A (vgl. Bild 2). Dies zeigt, dass die Verschleißtiefe stückweise unabhängig von der gegenwärtigen Last ist, aber die in der Belastungsgeschichte maximal aufgebrachte Last einen erheblichen Einfluss auf die resultierende Verschleißtiefe besitzt. Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 3/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0016 Bild 3: Verschleißtiefenentwicklung [3] 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Reibwert Zeit[s] Konstante Last Variable Last Bild 4: Einfluss der konstanten Last und der steigenden Last auf den Reibwert 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Verschleißtiefe [µm] Zeit [s] Konstante Last Variable Last Bild 5: Einfluss der konstanten Last und der sinkenden Last auf die Verschleißtiefe T+S_3_2019.qxp_T+S_2018 13.06.19 11: 31 Seite 35 7 Danksagung Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Schwerpunktprogramms „SPP1551 - Ressourceneffiziente Konstruktionselemente“ mit dem Thema „Optimierung von Tribosystemen durch gezielte Vorwegnahme des Einlaufs in der spanenden Endbearbeitung am Beispiel von Gleitlagerungen“. Literatur [1] Scherge M.; Pöhlmann K.; Gervé A. (2003): Wear measurement using radionuclide-technique (RNT). In: Wear 254 (9), S. 801-817 [2] Volz J. (1977): Erstellung optimierter Einlaufsprogramme von Dieselmotoren [3] Scherge M.; Shakhvorostov D.; Pöhlmann K. (2003): Fundamental wear mechanism of metals. In: Wear 255 (1- 6), S. 395-400 [4] Linsler D.; Kümmel D.; Nold E.; Dienwiebel M. (2017): Analysis of the running-in of thermal spray coatings by time-dependent stribeck maps. In: Wear 376-377, S. 1467-1474 [5] Lorentz B.; Albers A. (2013): A numerical model for mixed lubrication taking into account surface topography, tangential adhesion effects and plastic deformations. In: Tribology International 59, S. 259-266 [6] Albers A.; Reichert S. (2017): On the influence of surface roughness on the wear behavior in the running-in phase in mixed-lubricated contacts with the finite element method. In: Wear 376-377, S. 1185-1193 [7] Albers A.; Reichert S.; Heldmaier S. (2016): Untersuchung des Einlauf-Verschleißverhaltens von geschmierten Kontakten unter Berücksichtigung unterschiedlicher Fertigungsverfahren mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 3/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0016 Die identischen Verläufe der beiden Kurven erlauben eine Aussage hinsichtlich der plastischen Verformungen in den Materialrandbereichen. Die beiden initial großen Lasten führen zu plastischen Verformungen in den Randbereichen, die die Verschleißbildung in der Betriebsphase beeinflussen. Die ausgebildeten Verformungen führen dazu, dass sich trotz abnehmender Last ein konstanter Verlauf ausbildet. Somit ist auch hier der deutliche Einfluss der Einlaufphase auf das Verschleißverhalten im Betrieb offensichtlich und begünstigt daher die Vorhersagbarkeit des Zustands des Tribosystems bei bekannter Maximalkraft. Die Reibwertverläufe in Bild 6 verhalten sich entgegengesetzt zu den vorangegangen Ergebnissen. Der am Anfang noch identische Verlauf der beiden Kurven ist aufgrund identischer Randbedingungen ein Zeichen für die Wiederholbarkeit der Simulation und trägt daher auch zur notwendigen Validierung des Modells bei. Ab dem Zeitpunkt der ersten Reduzierung sinkt der Reibwert auf ca. 0,08, wohingegen der Wert der konstanten Last während des gesamten Simulationszeitraums bei ca. 0,09 liegt. Der Zeitpunkt der zweiten Reduzierung ist durch das erneute Abfallen des Reibwerts gekennzeichnet. Es stellt sich ein Reibwert von ca. 0,06 bei 0,5 N ein. Dies zeigt deutlich die Abhängigkeit des Reibwerts von der aufgebrachten Normalkraft. 6 Zusammenfassung Die Einlaufphase wirkt sich in beiden Fällen deutlich auf die Entwicklung der Verschleißtiefe aus. Das Aufbringen einer maximalen, aber nicht schädigenden, Last hat einen positiven Einfluss auf das tribologische System, da am Ende des Betrachtungszeitraums eine geringere Verschleißtiefe erreicht wird. Im ersten Teil liegt der Vorteil in der am Ende reduzierten Verschleißtiefe, wenn nur eine Maximallast aufgebracht wird. Teil B verdeutlicht, dass der Zustand eines Tribosystems mit geringem Aufwand abgeschätzt werden kann, wenn die initiale Belastung bekannt ist, da sich, wie oben dargestellt, die Verschleißtiefe linear entwickelt. Der Reibwertverlauf zeigt, dass durch das Aufbringen der Maximallast kein Oberflächenprofil entsteht, das sich nachteilig auf das Systemverhalten auswirkt. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Reibwert Zeit [s] Konstante Last Variable Last Bild 6: Einfluss der konstanten Last und der sinkenden Last auf den Reibwert T+S_3_2019.qxp_T+S_2018 13.06.19 11: 31 Seite 36