Einfluss von Oberflächengestaltung und Werkstoffwahl auf das tribologische Verhalten von Gleit- und Dichtungskontakten hydraulischer Komponenten

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1 Einfluss von Oberflächengestaltung und Werkstoffwahl auf das tribologische Verhalten von Gleit- und Dichtungskontakten hydraulischer Komponenten Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Andreas Hoppermann aus Wesel Berichter: Univ.- Prof. Dr.- Ing. H. Murrenhoff Univ.- Prof. Dr.- Ing. P. W. Gold Tag der mündlichen Prüfung: 22. Dezember 2005

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Motivation zur Substitution der galvanischen Hartverchromung für Kolbenstangen durch umweltfreundlichere Verfahren Motivation zur Mikrostrukturierung tribologischer Kontaktflächen Integration der verwendeten Verfahren in die Fertigungsfolge Technologie des Superfinish Aufgabenstellung 5 2. Tribologische Bedeutung der Kontaktfläche Definition der tribologischen Kontaktfläche Modellvorstellung des tribologischen Systems Wechselwirkungen im Tribosystem Randzonenaufbau mechanisch bearbeiteter Werkstoffe Technische Oberflächen als Krafteinleitungsebenen Gestaltbeschreibung technischer Oberflächen Kräftemäßige Wechselwirkungen Festkörperreibung Flüssigkeitsreibung Stribeck-Kurve Stoffliche Wechselwirkungen Einfluss der Werkstoffe auf Reibung und Verschleiss Blitztemperaturhypothese Benetzungsverhalten Minderung von Verschleißmechanismen Stand der Technik auf dem Gebiet der Oberflächenstrukturierung Mikrohydrodynamik globaler Oberflächenstrukturen Mikrohydrodynamik überlagerter MikroStrukturen Zusammenfassung Konzeption zur Optimierung von Kontaktflächen durch Mikro- Strukturen 28

3 3. Alternative Kolbenstangenbeschichtungen für Fahrwerksdämpfer Fahrwerksdämpfer in Einrohr- und Zweirohr- Bauweise Ableitung der tribologischen Modelle aus dem Federbein Prüfstandskonzepte Verschleißuntersuchungen an Gleitlagerbuchsen Verschleißuntersuchungen an Dichtungen Reibkraftuntersuchungen an Dichtungen und Gleitlagern Verschleißuntersuchungen an Prototypen Untersuchungen zur Reibkraft von Kolbenstangendichtungen Funktionsweise und Einflussgrößen Spaltbildung Erweiterter Ansatz zur Reibungsbeschreibung Bereitstellung von Schmierstoff im Dichtspalt Einlagerung von Schmierstoff im Dichtungswerkstoff Schmierfilmbildung auf der bewegten Kolbenstange Einfluss der Oberflächentopographie auf die Dichtungsreibung Reibung zu Bewegungsbeginn Variation des Rauheitsprofils der Kolbenstange Veränderung der Systemtemperatur und des Fluiddruckes Stick-Slip Reibung Dichtungsverformung als Folge partieller Festkörperreibung Radiale Beobachtung durch eine transparente Kolbenstange Radiale Beobachtung durch eine transparente Dichtungsnut Tangentiale Beobachtung mittels eines Schnittmodells Galvanisch hartverchromte Kolbenstangen Herstellungsverfahren und Oberflächentopographie Tribologisches System Kolbenstange - Gleitlager Verschleißverhalten Reibungsverhalten Tribologisches System Kolbenstange - Dichtung Verschleißverhalten Reibungsverhalten 83

4 6. HVOF Schmelzverbundschicht auf Kolbenstangen 6.1 Herstellungsverfahren und Oberflächentopographie 6.2 Tribologisches System Kolbenstange - Gleitlager Verschleißverhalten Reibungsverhalten 6.3 Tribologisches System Kolbenstange - Dichtung Verschleißverhalten Reibungsverhalten 7. Plasmanitrierte und oxidierte Kolbenstangen 7.1 Herstellungsverfahren und Oberflächentopographie 7.2 Tribologisches System Kolbenstange - Gleitlager Verschleißverhalten Reibungsverhalten 7.3 Tribologisches System Kolbenstange - Dichtung Verschleißverhalten Reibungsverhalten 8. Prototypentest mit Fahrwerksdämpfern Eignung alternativer Kolbenstangenbeschichtungen für Fahrwerksdämpfer Dauerversuche mit Fahrwerksdämpfern Tribometeruntersuchungen an mikrostrukturierten Gleitringen Prüfstandsaufbau und Versuchskonzept Veränderung der MikroStruktur bei konstanter Materialkombination Reibungsverhalten Verschleißverhalten Verschleißbilder 144 Veränderung der Materialkombination bei konstanter MikroStruktur Reibungsverhalten Verschleißverhalten 153

5 10. Reibungsuntersuchungen an mikrostrukturierten Komponenten in hydraulischen Verdrängereinheiten Hydraulikzylinder / Schwingungsdämpfer Kolbenstange - Gleitlager Kolbenstange - Dichtung Innenzahnradpumpe Axialkolbenmotor in Schrägscheibenbauweise Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick 174 Anhang A. Literaturverzeichnis i B. Abbildungsverzeichnis xi C. Tabellenverzeichnis xviii