Fundamental analysis of the transfer lubrication in dry lubricated rolling bearings
Final Report Abstract
Für die Analyse der Transfervorgänge in feststoffgeschmierten Wälzlagern wurden geeignete Analysemethoden entwickelt um die Stoffströme innerhalb der Lager zu beschreiben. Weiter wurde ein neues Kunststoff-Verbundmaterial mit eingelagerten Festschmierstoffpartikeln (WS2) entwickelt. Als Kunststoffbasis wurde ein Polyamidimid (PAI) ausgewählt, welches mit den Festschmierstoffpartikeln granuliert wurde. Anschließend wurde dieses Material zu Ronden spritzgegossen und daraus Prüfkörper hergestellt. Es folgte eine intensive Charakterisierung des Materials auf einer Zugprüfmaschine sowie in mehreren Triboversuchen um wichtige Kenngrößen für die spätere Modellentwicklung wie Reibungskoeffizienten und Verschleißraten zu bestimmen. Außerdem dienten die Triboversuche mit der anschließenden Oberflächenanalyse der Bestimmung der Tribofilmbildung in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen (Normaldruck und Vakuum). Hierbei wurden interessante Erkenntnisse zum Transfer des Materials unter Gleitbeanspruchung aufgedeckt. So konnten wir zwar einerseits bestätigen, dass unter Normaldruck eine massive Oxidation des Trockenschmierstoffs WS2 zu WO3 erfolgt, welche unter den hier erreichten Vakuumbedingungen deutlich reduziert wird. Andererseits konnten wir aber zeigen, dass dies nicht die Ursache für die deutlich kleineren Reibkoeffizienten (Faktor fünf) und spezifische (!) Verschleißraten (Faktor fünfzehn) unter Vakuumbedingungen ist. Durch Bauteilversuche an realen Lagern mit neu entwickelten Käfigen wurde unter Zuhilfenahme der Mehrkörper-Dynamiksimulation eine Strategie entwickelt, die umgesetzten Reibenergien in allen Kontakten zu bestimmen. Durch die gravimetrische Analyse der Bauteile vor und nach den Versuchen wurden die zugehörigen Massenverluste bestimmt. Da solche Massenverluste zwar die (Netto-) Bauteilverschleißrate festlegen, aber noch keine Aussagen über stoffspezifische Verschleißraten, insbesondere den Festschmierstoffverschleiß, und die zugehörigenTransferprozesse erlauben, mussten hierzu mit Hilfe von Mikrobereichsanalysen neue Wege beschritten werden. Am Beispiel des Lagerinnenrings wurde gezeigt, wie sich der auf der Bauteiloberfläche befindliche Feststoffschmierstoff mengenmäßig aus noch vorhandenem Restschmierstoff und während des Betriebs zugeführtem Transferschmierstoff zusammensetzt. Damit konnten die zugehörigen Raten für Schmierstoffverschleiß und – transfer zum ersten Mal in einem realen Prüfstandsversuch gemessen werden. Mit Hilfe der Mehrkörpersimulation wurde die in den verschiedenen tribologischen Teilsystemen umgesetzte Reibenergien bestimmt, sodass auch die Reibenergie-Verschleißfaktoren für die jeweiligen Teilsysteme berechnet werden können. Prinzipiell sind damit die in dem untersuchten Lager auftretenden Stoffflüsse quantitativ erfassbar. Allerdings konnten wegen des damit verbundenen hohen Aufwandes bisher nicht alle Lagerkomponenten ausreichend analysiert werden und es sind weitere Versuche zu Validierung der ermittelten Daten erforderlich. Bereits jetzt lassen sich aber die Grundzüge eines neuen Lebensdauermodells ableiten, welches den Schmierstofftransfer ebenfalls berücksichtigt.
Publications
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Methodik zur Analyse der Schmierstofftransfervorgänge in feststoffgeschmierten Wälzlagern. VDI-Berichte 2308. 12. VDI Fachtagung Gleit- und Wälzlagerungen 2017, S. 341-346, VDI Verlag GmbH: Düsseldorf, 2017, ISBN 978-3-18-092308-6
Pörsch, S.; Sauer, B. Jim, B. C.
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Analysis of transfer mechanisms of solid-lubricated rolling bearings. STLE’s 73rd Annual Meeting and Exhibition, 20.-24.05.2018, Minneapolis
Pörsch, S.; Jim, B. C.; Emrich, S., Brodyanski, A.; Sauer, B.; W Etzel, B.; Kopnarski, M.
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Friction and Wear Mechanism of Materials for Solid Lubricated Rolling Bearings. TAE 21st International Colloquium Tribology 2018, 09.-11.01.2018, Esslingen
Pörsch, S.; Bai Cheng, J.; Sauer, B.; W Etzel, B.; Emrich, S.; Kopnarski, M.
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Ansätze zur erweiterten Lebensdauerberechnung feststoffgeschmierter Wälzlager. Dissertation; Technische Universität Kaiserslautern (2019)
Pörsch, S.
