Tribologically Tailored Cylinder Liner with Machined Microstructures
Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
Final Report Abstract
Am ITV wurde erfolgreich eine Methode zur Kurbelwinkel aufgelösten Reibkraftmessung am gefeuerten Motorenprüfstand entwickelt. Diese wurde in einer umfangreichen Parameterstudie verifiziert. Mit diesem System wurde eine Messkampagne zur Erfassung der Basisdaten für die Simulation durchgeführt. Die erfassten Größen sind neben den Temperaturen der Bauteile des gesamten Motors, die Kolbendrücke hinter und zwischen den Kolbenringen. Mit Hilfe der Methode der Flussfaktoren und der Kolbenring-Dynamiksimulation wurden Mikrostrukturen an Zylinderlaufbahnen ermittelt, die die Reibung und den Verschleiß von Kolbenringen verringern können. Die simulativen Ergebnisse zeigen für eine Strukturtiefe von 7 µm und einer Dichte von bis zu 50 % eine Reibungsminderung. Es gibt jedoch Abweichungen zu den Messergebnissen, die in weiteren Forschungsarbeiten näher untersucht werden müssen. Darüber hinaus wurden Mikrokavitation und Trägheitseffekte im Schmierfilm untersucht. Für die Berechnung von Mikrokavitation mit der FE-Methode sind weiterführende Arbeiten notwendig. Trägheitseffekte sind in der Anwendung der Kolbenringe vernachlässigbar klein. Die spanende Herstellung der Mikroschmiertaschen wurde erfolgreich in ihrer Flexibilität hinsichtlich der Schmiertaschenverteilung und -geometrie erhöht. Zudem konnte die Produktivität um den Faktor 4 gesteigert werden. Dabei wurden die Prozessgrenzen und -Möglichkeiten anhand von Zerspanungsuntersuchungen an Analogiebauteilen aufgezeigt und an Zylinderlaufbuchsen validiert. Am Floating-Liner Prüfstand wurden Laufbuchsen mit verschiedenen Parametervariationen der Mikrostrukturen in der Oberfläche tribologisch vermessen. Die Variationen umfassten statische sowie dynamische Strukturbereiche an verschiedenen geometrischen Positionen im Liner. Zusätzlich wurden die Tiefe und die geometrische Dichte der Mikroschmiertaschen variiert. Auf Basis der Auswertung und Analyse der erfassten Messergebnisse wurden weitere Layout-Vorschläge der Mikrostrukturgeometrie- und Anordnung ausgearbeitet und tribologisch analysiert. Die vielversprechenden Layouts der mikrostrukturierten Zylinderlaufbuchsen mit einem Bohrungsdurchmesser von 130 mm konnten erfolgreich auf den industriellen Großmotor des Industriepartners mit 170 mm Bohrungsdurchmesser übertragen werden. Des Weiteren wurde mit Hilfe der Ringzwischendruckmessung und des Kolbenschafttragbildes die in der Industrie verwendeten Simulationstools validiert und somit eine weitere Transferleistung erbracht. Weiterhin konnte eine erste Bewertung der potentiellen Wirtschaftlichkeit für den Einsatz mikrostrukturierter Zylinderlaufbuchsen an der BR4000 durchgeführt werden. Damit ist der erste Schritt in eine mögliche industrielle Implementierung geschafft. Als nächster technologischer Schritt würde eine Bewertung des Verschleißes der mikrostrukturierten Zylinderlaufbuchsen in einer verschleißkritischen Anwendung über lange Betriebsdauern von mehr als 5000 Betriebsstunden erfolgen. Gleichzeitig müsste die Dauer des Strukturierungsprozesses weiter reduziert und die Fertigungsqualität im industriellem Umfeld der Fertigungslinie prozesssicher gewährleistet werden. Nächste Schritte wären die Entwicklung eines detaillierten Business-Cases als Entscheidungsgrundlage für eine Serieneinführung von mikrostrukturierten Zylinderlaufbuchsen. Bei jedem der Teilschritte konnten wesentliche Erfolge erzielt werden. Ein Transfer in die Industrielle Praxis konnte sowohl über den Weg der Entwicklung anwendertauglicher Simulationswerkzeuge als auch über Versuche am realen Vollmotor aufgezeigt werden.
Publications
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Pohlmann-Tasche, F.; Köser, P.; Pasligh, H.; Haase, H.
