Influence of temperature dependent viscoelastic material properties of thermoplastic composite materials on the tribological behaviour
Final Report Abstract
Die tribologischen Untersuchungen zeigen, dass die Zugabe von verschiedenen Füllstoffen, insbesondere Nanopartikeln zu einer signifikanten Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften Polymer/Metall-Tribosystem vor allem unter extremen Lastbedingungen führt. Die Korrelation der tribologischen Eigenschaften mit der durch Simulation berechneten Gleitflächentemperatur macht deutlich, dass PEEK-A geringfügige Abhängigkeit der Reibungszahl von der Kontakttemperatur aufweist, zeigt aber minimalen Verschleiß nahe der Glasübergangstemperatur. Zudem nehmen sowohl die Reibungszahlen als auch die Verschleißraten von PEEK-Compounds mit zunehmender Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur ab. PBT-A zeigt ähnliche Tendenzen unterhalb der Schmelztemperatur, jedoch steigt die Reibungszahl von PBT-A signifikant, sobald die Gleitflächentemperatur den Wert der Schmelztemperatur von PBT erreicht. Für PBT-Compounds ist überraschend zu beobachten, dass sie die maximalen Verschleißraten bei der Glasübergangstemperatur aufweisen. Die FE-Simulation erlaubt es, den Verschleiß eines Polymerwerkstoffes unter Gleitreibungsbedingungen aus bekannten experimentellen Daten rechnerisch zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Verschleißhöhe aus der Messung und FE-Simulation in der stationären Phase. Allerdings wird die Abweichung in der Einlaufphase größer, da der Verschleiß dort nicht linear verläuft. Darüber hinaus bleiben in dieser Phase die Erweichung des Werkstoffs, das Kriechverhalten und die thermische Ausdehnung bisher noch unberücksichtigt. Überraschend war die Beobachtung, dass die Viskoelastizität keine so große Rolle für das tribologische Verhalten spielt wie zunächst erwartet. Die tribologischen Kenngrößen zeigen keine eindeutige Korrelation und auch der Effekt auf die Verformung in Gleitrichtung ist makroskopisch betrachtet irrelevant. Dennoch ist aus den Untersuchungen, Modellierungen und Simulationen ein erweiterbares validiertes FE-Modell hervorgegangen mithilfe dessen sich die 3D-Temperaturverteilung und die Verformung des Grundkörpers berechnen lassen. Eine Anwendungsmöglichkeit besteht hier z.B. in der Auslegung tribologisch beanspruchter Kunststoffbauteile. Damit das Modell jedoch wirtschaftlich verwertbar wird, muss in einer Folgestudie noch unbedingt das plastische Werkstoffverhalten integriert werden, sodass die bei extremen Belastungszuständen beobachtete Verformung hinreichend genau abgebildet wird. Zudem ließe sich das Modell auf die Mikroskala übertragen, wo bei der Verformung einzelner Rauheitsspitzen von einem deutlich größeren Einfluss der viskoelastischen Materialeigenschaften ausgegangen werden kann.
Publications
- Investigation on morphology and properties of melt compounded polyoxymethylene/carbon nanotube composites. J. Appl. Polym. Sci. 2015
Lin, L.Y.; Schlarb, A.K
(See online at https://doi.org/10.1002/app.42639) - Modellierung und Simulation der Temperaturverteilung in einem Kunststoff/Metall-Tribosystem bei gleitender Reibung. Tribologie-Fachtagung, Göttingen, 23. September 2015
Schott, M. und Schlarb, A. K.
- Simulation der Temperaturverteilung in tribologischen Versuchen. 21. Nationales Symposium SAMPE Deutschland, Darmstadt, 18. Februar 2015
Friedrichsen, R.; Lin, L.Y.; Schlarb, A.K.
- Effect of the varied load conditions on the tribological performance and the thermal characteristics of PEEK-based hybrid composites. Tribology International 106 (2016), 218-225
Lin, L.Y.; Schlarb A.K.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.04.025) - Modeling and simulation of the thermal characteristics on an application oriented tribological system. 611. WE-Heraeus-Seminar on Mechanisms of Tribology, Bad Honnef, 29. März - 01. April 2016
Schott, M.; Ecke, N.; Schlarb, A.K.
- Simulation der Temperaturverteilung für das Tribosystem Bended Plate on Ring (BPoR). 22. Nationales Symposium SAMPE Deutschland, Fürth, 02. Februar 2016
Schott, M.; Ecke, N.; Schlarb, A.K.
- Simulation des thermischen Haushalts von Kunststoff/Metall- Gleitpaarungen mittels FEM. Tribologie-Fachtagung 2016, Göttingen, 27. September 2016
Schott, M.; Schlarb, A.K.
- Temperaturberechnung in Kunststoff/Metall-Gleitlagersystemen, VDI-Konferenz Kunststoffzahnräder. Fürth, 22. September 2016
Schott, M.; Schlarb, A.K.
- (2018) Simulation des thermischen Haushalts von Kunststoff/Metall- Gleitpaarungen mittels FEM. Tribologie und Schmierung 65 (1) 20-26
Schott, M.; Schlarb, A.K.
