Grundlagenanalyse zur Transferschmierung in trockengeschmierten Wälzlagern

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Kopnarski; Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer; Dr.-Ing. Bernd Wetzel
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280150856

Trockengeschmierte Wälzlager werden eingesetzt, wenn kritische Umgebungsbedingungen wie Vakuum und hohe Temperaturen herrschen und dadurch konventionelle Schmiermittel nicht anwendbar sind. Als Festschmierstoffe haben sich Wolframdisulfid (WS2) sowie Molybdändisulfid (MoS2) bewährt. WS2 und MoS2 werden u.a. bereits erfolgreich zur direkten Beschichtung von Bauteiloberflächen angewendet.Neueste Forschungsergebnisse im Bereich von Wälzlagern deuten darauf hin, dass WS2 und MoS2 für diese Maschinenelemente ein großes Potenzial zur Verbesserung der Lebensdauer bieten. Dieses entsteht durch den Einbau der Festschmierstoffe direkt in den Werkstoff der Wälzlagerkäfige aus Polymer, wodurch eine intrinsische Schmierwirkung entsteht. Mit mikroskaligen Schmierstoffpartikeln wird somit ein Schmierstofftransfer vom Lagerkäfig zu den Laufbahnen erreicht. Dieser Schmierstofftransport hält den für den Betrieb notwendigen Tribofilm auf den Laufbahnen aufrecht, und nimmt damit auf die Lagerlebensdauer einen entscheidenden Einfluss. Vorangegangene Arbeiten konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Laufbahnbeschichtung sowie die Optimierung der Geometrie des Käfigs. Dann rückte die Formulierung des Käfigwerkstoffes in den Fokus, also dessen Zusammensetzung aus Polymermatrix und Schmierstoffpartikeln. In gemeinsamen Vorarbeiten der Antragsteller wurde daraufhin begonnen, den Transport des Schmierstoffs innerhalb des Wälzlagers besser zu verstehen. Erste Erkenntnisse zum Auf- und Abbau eines Tribofilms sowie zu dessen Ausbildung in verschiedenen Zonen auf der Laufbahn wurden gewonnen. In diesem Vorhaben wollen die Partner nun den Schmierstofftransport im Wälzlager grundlegend verstehen und erklären. Der Transport erfolgt vom Schmierstoffdepot Lagerkäfig hin zu den tribologisch beanspruchten Wälzkörper-Laufbahn-Kontakten. Hierzu erzeugen die Antragsteller eigene Composites mit unterschiedlichen Schmierstoffpartikelgrößen und Konzentrationen. Aus diesen werden dann Modellprüfkörper sowie Wälzlagerkäfige hergestellt. Mit Hilfe von instrumentierten Modellprüfständen in Stift-Ring-Konfiguration werden Reibungskoeffizienten und Verschleißverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen präzise erfasst und mit Ergebnissen aus Versuchen mit Composite-Lagerkäfigen auf dem Bauteilprüfstand korreliert. Simulative Untersuchungen ergänzen die Informationen zum dynamischen Kugel-Käfig-Kontakt. Weiterhin werden mit Hilfe oberflächenanalytischer Methoden Bauteiluntersuchungen durchgeführt, anhand derer der Einfluss des Käfigmaterials auf die Betriebssicherheit des Tribosystems Wälzlager erkennbar wird. Insbesondere durch die detaillierte Charakterisierung des chemischen Zustandes der tribologisch funktionalen Oberflächen von Käfig, Wälzkörper und Laufbahnen wollen wir die Auf- und Abbauprozesse von reibungsmindernder Tribofilmen infolge des Schmierstofftransfers in den trockengeschmierten Wälzlagern beschreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen