Verschleißverhalten realer überkritischer Fremdpartikel in hochbelasteten Gleitlagern von Verbrennungsmotoren. Dissertation
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- Johanna Böhme
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1 Verschleißverhalten realer überkritischer Fremdpartikel in hochbelasteten Gleitlagern von Verbrennungsmotoren Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Ingenieurwissenschaften vorgelegt von Dipl.- Ing. César Pastor Alonso aus Valladolid, Spanien genehmigt von der Fakultät für Mathematik/Informatik und Maschinenbau der Technischen Universität Clausthal Tag der mündlichen Prüfung
2 Vorsitzender der Promotionskommission Prof. Dr.-Ing. G. Brenner Hauptberichterstatter Prof. Dr.-Ing. H. Schwarze Mitberichterstatter Prof. Dr.-Ing. H. Palkowski
3 Fortschrittsberichte des Instituts für Tribologie und Energiewandlungsmaschinen Band 18 César Pastor Alonso Verschleißverhalten realer überkritischer Fremdpartikel in hochbelasteten Gleitlagern von Verbrennungsmotoren D 104 (Diss. TU Clausthal) Shaker Verlag Aachen 2012
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2012 Copyright Shaker Verlag 2012 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagung An dieser Stelle möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Schwarze für die Betreuung und die fachliche Unterstützung meinen Dank aussprechen. Für die bereitwillige Übernahme des Zweitgutachtens bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing. H. Palkowski, Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Brenner danke ich für den Vorsitz der Prüfkommission. Allen Mitarbeitern des Instituts für Tribologie und Energiewandlungsmaschinen der TU Clausthal möchte ich für die langjährige Unterstützung danken. Dr.-Ing. Franz Rückert und Dr.-Ing. Rainer Joos möchte ich für die Möglichkeit zur Promotion, für ihr Vertrauen und für die Betreuung und die Zusammenarbeit bei der Daimler AG danken. Danken möchte ich auch allen Kollegen von der PWT/VWO der Daimler AG. Für die ständige Unterstützung und fruchtbare Zusammenarbeit danke ich vor allem Dr.-Ing. Andreas Barth, Álvaro Fernández, Ben Goldbach und Fouad Baroudi. Mein besonderer Dank gilt Dr.-Ing. Ralf Blümke, der mir alles über Gleitlager und Lagerschaden beigebracht hat und der das Ende meiner Doktorarbeit leider nicht mehr miterleben konnte. Ohne die Korrekturen und die Hilfe bei der Ausfertigung der Doktorarbeit von Christel und Reinhard Schulze wäre die deutsche Fassung dieser Dissertation unmöglich gewesen. Für die langjährige Freundschaft und ihre Unterstützung seit dem ersten Tag, den ich in Deutschland wohne, bedanke ich mich herzlich. Nicht zuletzt will ich mich bei meiner Familie bedanken, die mich trotz der großen räumlichen Distanz zwischen uns ständig unterstützt und meine Weiterbildung stets vorangetrieben hat. Mein besonderer Dank geht an Daniela Umbreit, die mich Tag und Nacht, in den besten und härtesten Zeiten dieser Promotion moralisch unterstützt und gleichzeitig motiviert hat. Ohne sie, ihre Beratung, Korrekturen, ihre Geduld und ihr Verständnis wäre die Fertigstellung dieser Doktorarbeit nicht möglich gewesen. Stuttgart, April 2012 César Pastor Alonso
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7 Inhaltverzeichnis Inhaltverzeichnis Symbolverzeichnis I III 1. Einleitung Vorwort Problemstellung Stand der Forschung Ziel der Arbeit 9 2. Tribologische Grundlagen Reibung Verschleiß Schmierung Analytische Modelle und Theorien über abrasiven Verschleiß Abrasiver Zwei-Körper-Verschleiß Abrasiver Drei-Körper-Verschleiß Blitztemperatur Zusammensetzung und Verhalten der Fremdkörper im Spalt Ermittlung der Zusammensetzung und Verteilung von Schmutzpartikeln aus realen, 27 ausgefallenen Motoren Zusammensetzung der gefundenen Fremdkörper im Spalt Größenverteilung Untersuchung des Partikelverhaltens im Spalt Einbettung Bruchverhalten von Einzelpartikeln Experimentelle Technik Versuchsaufbau Versuchsmaterial Welle Lagerschalen Fremdkörper Schmierstoff Versuchsdurchführung Grundlagen der Berechnung Einleitung Hypothese Berechnung der Partikelform Berechnung der auf die Partikel ausgeübten Kräfte Berechnung der Eindringtiefe 50 I
8 Inhaltverzeichnis 5.6. Berechnung des Verschleißvolumens Berechnung des verschobenen Materials Berechnung des Reibungskoeffizienten Berechnung der Blitztemperatur Ergebnisse Zwei-Körper-Verschleiß Versuchsteilecharakterisierung, idealisierter Zwei-Körper-Kontakt, Ritztest Untersuchung der beschädigten Lauffläche nach dem Zwei-Körper-Verschleiß Vorversuche und Versuchsparameter zum Drei-Körper-Verschleiß Versuche mit sauberem Öl Versuche mit Al 2 O Drei-Körper-Verschleiß Einfluss des Lagerwerkstoffes Einfluss der Materialeigenschaften der Fremdpartikel Einfluss der Partikelgröße Einfluss des Werkstoffs der Welle Einfluss des Belastungsverlaufs Einfluss der Gleitgeschwindigkeit Andere Parameter-Kombinationen Simulation und Berechnung eines Drei-Körper-Verschleißmodells Vorgehensweise Simulation der Form des Fremdkörpers Berechnung der Normalkraft an den Partikeln und ihrer Eindringtiefe Parametrisierung der Form des Verschleißschnittes (Furche) Berechnung des Verschleißvolumens Berechnung des verschobenen Materials Reibungskoeffizient Blitztemperatur Berechnungsergebnisse mit dem Simulationsprogramm Berechnung der Eindringtiefe und Modellierung der Form der Verschleißspur Berechnung der Blitztemperatur Berechnung der kritischen Temperaturbereiche Berechnung der kritischen Einbettungsbereiche Berechnung der kritischen Adhäsionsbereiche Berechnung der gesamtkritischen Bereiche Diskussion der Ergebnisse Diskussion der Versuchsergebnisse Diskussion der theoretischen Ergebnisse Zusammenfassung 125 Literaturverzeichnis 127 Anhänge 135 II
9 Symbolverzeichnis Großbuchstaben A Fläche [m²] A Koeffizient im Slip-Line Modell [-] A g Querschnittfläche der Verschleißspur [m²] A i scheinbare Kontaktfläche [m 2 ] A R reale Kontaktfläche [m 2 ] A r Querschnittfläche des plastisch verformten Werkstoffes der Riefe [m²] D Größte Achse eines Partikels [m] E Elastizitätsmodul [N/m²] E * Reduzierter Elastizitätsmodul [N/m²] F Kraft [N] F N Normalkraft [N] F R Reibkraft [N] F T Tangentialkraft [N] F σ Deformationskraft [N] F τ Adhäsionskraft [N] H Härte [N/m²] H WL Verhältnis Härte Welle/Härte Lager [-] H V Vickershärte [HV] L Länge eines Partikels [m] Q Verschleißmenge von Archard [m²] R e Streckgrenze [N/m²] R p mittlere Glättungstiefe [m] T C Kontakttemperatur [ ] T f Blitztemperatur (Flashtemperature) [ ] T S Temperatur des Schmierstoffs [ ] Dimensionslose Blitztemperatur [-] U Lineare Geschwindigkeit [m/s] V Verschleißvolumen [m³] V g Gesamtes abgetragenes Volumen [m³] V r Verformtes Volumen beim Verschleiß [m³] V v Volumetrischer Verschleiß [m] V 1/s Lineare Verschleiß Intensität [-] W Gesamte Normalkraft [N] X Achsenrichtung [-] Y Achsenrichtung [-] Z Achsenrichtung [-] Kleinbuchstaben a Größte Halbachse einer Ellipse [m] a 1 Radius der projizierten Kontaktfläche zwischen Partikel und Reibkörper [m] b Kleinste Halbachse einer Ellipse [m] b Breite eines Lagers [m] c y Proportionalitätsfaktor [-] d Durchmesser eines Lagers [m] d Korngöße [m] d Reibdistanz [m] d c Kritische Korngröße [m] d t Übergang Korngröße [m] III
10 Symbolverzeichnis f Adhäsionskoeffizient [-] f ab Mikroabschneiden-Mikropflügen-Kennzahl [-] f Verhältnis zwischen realer und scheinbarer Kontaktfläche (Williamson und Greenwood) [-] h Spalthöhe [m] k Wärmeleitfähigkeit [W/mK] k abr Abrasiver Verschleißkoeffizient von Archard [-] n Drehzahl [1/min] p Druck [N/m²] p n spezifische Lagerbelastung [N/m²] p p Spezifische Flächenpressung [N/m²] p 0 arithmetischer Mittelwert des Kontaktdruckes [N/m] mittlere Pressung [N/m²] q 0 mittlerer Wärmestrom [N/ms] r Radius von einer Unebenheit [m] Äquivalenter Kontaktradius [m] t Eindringtiefe [m] x Parameter für eine Größe [m] Griechische Buchstaben α Temperaturleitfähigkeit [m 2 /s] α Winkel [ ] β Koeffizient im Slip-Line Modell [-] β Parameter in dem Modell von zum Gahr [-] δ Eindringtiefe [m] µ Reibungskoeffizient [-] θ Angriffswinkel [ ] σ Normalspannung [N/m²] σ f Fließgrenze [m -2 ] σ 0 Mechanische Spannung [N/m²] τ Scherfestigkeit [m -2 ] υ Poissonzahl [-] φ Winkel der Sektion einer Ellipse [ ] φ lim Verformungsfähigkeit eines Materials während des Verschleißes [-] φ s effektive Verformung der Oberfläche [-] Ψ Plastizität-Kennzahl [-] Ф 1 Faktor der Partikelform [-] Indizierung 1 Körper 1 2 Körper 2 i Punkt i A Angrifffläche G Gleitende Fläche ' Maße vom Angriffswinkel beeinflusst IV
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