: Verschleißminimierende Grenzschichtbildung und Grenzschichtwachstum in Wälzlagern

Transkript

1 Verschleißminimierende Grenzschichtbildung und Grenzschichtwachstum in Wälzlagern Dipl.-Ing. Andreas Stratmann Dipl.-Ing. Gero Burghardt, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs : Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung

2 Übersicht Motivation und Zielstellung Experimentelle Untersuchungen Mikroanalytische Untersuchungen Zusammenfassung Folie 2

3 Motivation und Zielstellung Gefahr von adhäsivem und abrasivem Verschleiß von Wälzlagern im Mischund Grenzreibungsregime Effektiver Verschleißschutz durch Additive und Grenzschichten möglich Vorhersage der Grenzschichtbildung und -leistungsfähigkeit komplex Gesetzlichen Regelungen erfordern Reduzierung der erlaubten Additivmenge 100 nm Bestimmung der erforderlichen Betriebsbedingungen und der minimalen Additivkonzentration zur Grenzschichtbildung Folie 3

4 Übersicht Motivation und Zielstellung Experimentelle Untersuchungen Mikroanalytische Untersuchungen Zusammenfassung Folie 4

5 Kontaktwiderstand [Ω] Experimentelle Untersuchungen Versuchsaufbau Ölzufuhr Kraftmessung axiale Last Axialzylinderrollenlager Antrieb FE8 Prüfstand Überwachung des Schichtaufbaus und -zustands mittels Kontaktwiderstandsmessung A B Isolation Kontaktwiderstände über Versuchsdauer Versuchsdauer [h] Effizientes Testen der Grenzschichtbildung möglich Folie 5

6 Experimentelle Untersuchungen Schmierstoff und Additiv Grundöl: Mineralöl ISO VG 100 Additiv: Zink Dialkyldithiophosphat (ZDDP) Alkylkettenlänge C 3 +C 4 +C 8 (Gemisch) [C3C4C8] Alkylkettenlänge C 12 [C12] Folie 6

7 Experimentelle Untersuchungen Einfluss der Grenzschicht auf den Verschleiß Versuchsparameter FE8-Standardversuch Last 80 kn Temperatur 80 C Dauer 80 h Drehzahl 7,5 min -1 adhäsiver & abrasiver Verschleiß verschleißbedingte Ermüdung Extremer Verschleiß und verschleißbedingte Ermüdung im FE8 Standardversuch Unzureichender Schutz vor Verschleiß durch Schmierstoff bzw. Additiv Folie 7

8 Last [kn] Drehzahl [min -1 ] Load [kn] Speed [min -1 ] normierter Kontaktwiderstand [%] Experimentelle Untersuchungen Einfluss der Grenzschicht auf den Verschleiß Versuchsparameter Drehzahleinlauf Last 80 kn Temperatur 80 C Dauer 30 min Drehzahl 75 min -1 Versuchsparameter FE8-Standardversuch Last 80 kn Temperatur 80 C Dauer 80 h Drehzahl 7,5 min -1 Wälzlager nach 15 min 80 h Einlaufphase 100% 80% Verschleißtest Wear test Dauer [min] Dauer [h] 60% 40% 20% 0% Schneller Schichtaufbau unter günstigen Bedingungen Vollkommene Verschleißschutzwirkung durch Grenzschicht Initiale Schicht zeigt Schutzwirkung Folie 8

9 Experimentelle Untersuchungen Variation der Einflussfaktoren Ziel der Versuche: Erforderliche Betriebsbedingungen und minimale Additivkonzentration zur Bildung von Verschleißschutzschichten Variation der Einflussfaktoren: Additivstruktur Konzentration Kontaktpressung Temperatur Versuchsdauer [C3C4C8] und [C12] 200 ppm 1750 ppm Phosphor (0,02-1,75 %) 500 MPa 2000 MPa 80 C Beobachtung des Schichtwachstums über 2 Stunden Drehzahl Ermittlung des Schichtbildungslimits durch Variation der Schmierungsbedingungen Folie 9

10 Drehzahl [min -1 ] Experimentelle Untersuchungen Konzentrations- und Strukturvariation Vollständiger Schichtaufbau Konzentrationsvariation Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn 2 h Kein vollständiger Schichtaufbau 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] Verschleiß Abnehmende Schichtintensität mit sinkender Drehzahl Erstes Auftreten von Verschleiß im inneren Laufbahnbereich Folie 10

11 Drehzahl [min -1 ] Experimentelle Untersuchungen Konzentrations- und Strukturvariation Konzentrationsvariation Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn 2 h 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] Grenzen der Additivkonzentration nach API SN Standard Hohe Additivkonzentrationen Mindestdrehzahl erforderlich Geringe Additivkonzentrationen Anstieg der notwendigen Drehzahl Grenzschichtbildung bei minimalen Additivkonzentrationen möglich Folie 11

12 Drehzahl [min -1 ] Drehzahl [min -1 ] Experimentelle Untersuchungen Konzentrations- und Strukturvariation Konzentrationsvariation Strukturvariation Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn 2 h Grenzen des Schichtaufbaus [C12] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn 2 h ,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] Schichtaufbau stark abhängig von Additivstruktur Folie 12

13 Drehzahl [min -1 ] Drehzahl [min -1 ] Experimentelle Untersuchungen Pressungsvariation Konzentrationsvariation Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] 0,02 %P Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn 2 h 0,14 %P 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] Schmierspalthöhe nach Dowson Pressungsvariation Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 80 kn Kontaktpressung [MPa] 0,02 %P 0,14 %P Absinken der notwendigen Drehzahl bei geringeren Pressungen Beschreibung der Schichtbildungsgrenze durch Schmierspalthöhe möglich Folie 13

14 Übersicht Motivation und Zielstellung Experimentelle Untersuchungen Mikroanalytische Untersuchungen Zusammenfassung Folie 14

15 part. Elementbelegung [µmol/cm²] Mikroanalytische Untersuchungen Reaktionsschicht auf der Wälzlageroberfläche 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Elementverteilung in der Reaktionsschicht O Zn P S Abstand [µm] 50 nm Anlagerung der Additivelemente an der Oberfläche Unterbindung von direktem Stahl- Stahl-Kontakt durch Additivschicht Folie 15

16 Drehzahl [min -1 ] Mikroanalytische Untersuchungen zeitlicher Aufbau der Grenzschicht Grenzen des Schichtaufbaus [C3C4C8] Schichtaufbau x kein Schichtaufbau 0,14 %P 10 min C 80 kn 2 h Ortaufgelöste Massenbelegung des Wälzkörpers ,05 0,1 0,15 0,2 Additivkonzentration [% Phosphor] Zu Beginn: Mögliche Behinderung der Grenzschichtbildung durch Relativbewegung Folie 16

17 Mikroanalytische Untersuchungen zeitlicher Aufbau der Grenzschicht Beanspruchung des Wälzkörpers Ortaufgelöste Massenbelegung des Wälzkörpers Zu Beginn: Mögliche Behinderung der Grenzschichtbildung durch Relativbewegung Anschließend: Schnelleres Wachstum durch höheren Energieeintrag zum Laufbahnrand Folie 17

18 Übersicht Motivation und Zielstellung Experimentelle Untersuchungen Mikroanalytische Untersuchungen Zusammenfassung Folie 18

19 Zusammenfassung Schnelle Schichtbildung bei geeigneten Bedingungen Initiale Schichten ausreichend für Schutzwirkung vor Verschleiß Grenzschichtbildung bei minimalen Additivkonzentrationen möglich Grenzen der Schichtbildung abhängig von Betriebsbedingungen und Additivstruktur Schichtwachstum abhängig von Energieeintrag Folie 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Andreas Stratmann Tel: