Hartfräsen von Mikroschmiernäpfen zur Reibungs- und Verschleißreduktion in hochbelasteten Wälzkontakten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Reibungsminderung an Kegelrollenlagern birgt aufgrund der großen Verbreitung dieses Lagertyps im Automobil- und Nutzfahrzeugbereich ein großes Potential für die Ressourceneffizienz und CO2-Reduktion. Das Ziel dieses Vorhabens war es, die Grundlagenkenntnisse für die Auslegung und prozesssichere Fertigung von Mikroschmiernäpfen zur Senkung von Reibung und Verschleiß durch Hartfräsen am Beispiel des Rolle-Bord-Kontaktes im Kegelrollenlager zu gewinnen. Hierzu wurde ein neuartiger und hochproduktiver simulationsgestützter Bearbeitungsprozess entwickelt, der auch die Möglichkeit einer Übertragung auf andere Werkzeugmaschinensysteme bietet und somit das Potential besitzt eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungsfälle abzudecken. Durch die Verkettung von Fertigungstechnik und Tribologie können die Zusammenhänge von der Ausprägung der Mikrostrukturen bis hin zur tribologischen Kontaktsituation simulativ abgebildet werden. Weiterhin können mit diesem Vorgehen flexibel und mit geringem zeitlichen Umfang neue Werkzeuge für die Mikrostrukturierung von geometrisch komplexen Kontaktflächen, wie der Innenbordwand des Kegelrollenlagers, virtuell erprobt werden. In dem hier vorliegenden Anwendungsfall wurde mittels eines modifizierten Gewindefräsers eine flexible Möglichkeit der Einbringung von Mikrotexturen untersucht und umgesetzt, die bei der Lagerherstellung mit minimalem Fertigungsaufwand anwendbar ist. Für die Mikrostrukturierung von EHL-Kontakten existieren Ansätze in der Literatur, die erfolgreich eine reibungsmindernde Wirkung gezeigt haben. Mittels Simulation und Referenzversuchen wurde versucht, diese reibungsmindernde Wirkung auf die Kegelrollenlager-Bordfläche zu übertragen. Simulativ konnte keine verbesserte hydrodynamische Wirkung der hier untersuchten, tiefen Mikrotexturen nachgewiesen werden. Referenzversuche zeigten jedoch unter ausgewählten Bedingungen auch mit tiefen Texturen eine Reibungsminderung im Betrieb. Hierfür konnte eine Erklärungshypothese basierend auf einer verbesserten Schmierstoffversorgung formuliert werden, deren endgültiger Nachweis noch aussteht. Bei den Versuchen mit strukturierten Kegelrollenlagern zeigte sich eine positive Beeinflussung des Einlaufverhaltens. Dieser kurzzeitige Effekt kann auf eine günstige Beeinflussung der Fettverteilung im Lager zurückgeführt werden. Nach dem Einlauf konnte keine durchgängige Verbesserung des hydrodynamischen Druckaufbaus durch die Strukturierung beobachtet werden, trotz umfangreicher Variation von Orientierung und Tiefe.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Feasibility of Microstructures on Rolling Bearing Surfaces. Tribologie-Fachtagung, Tagungsband, September 29th, 2020, Göttingen
Pape F. & Kelley J.
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Tapered Roller bearing rib – roller end contact and lubrication. Qingdao-IMKT Tribology Workshop 2021: A digital program sponsored by DFG-NSFC, December 17th, 2021, Garbsen, DE and Qingdao, China.
Kelley J.
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Application of Hertzian Theory to Torus on Plane Contacts. 7th World Tribology Congress, July 15th, 2022, Lyon, France.
Kelley J.
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Application of Hertzian theory to torus on plane contacts. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 236(11), 2189-2208.
Kelley, Josephine; Babaalihaghighi, Kambiz; Bader, Norbert; Wege, Christian; Pape, Florian & Poll, Gerhard
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Fluid-structure interaction coupling for elastohydrodynamic lubricated micro structured contacts. Civil-Comp Conferences, 2, 1-6. Civil-Comp Press.
Pape, F.; Dong, S. & Poll, G.
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Investigation of the possible applications for microtextured rolling bearings. Frontiers in Manufacturing Technology, 2.
Kelley, Josephine; Poll, Gerhard & Pape, Florian
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Numerical investigations towards friction-optimized design of microdimple-textured surfaces for tapered roller bearing flange surfaces. 76th STLE Annual Meeting & Exhibition, May 18th, 2022, Orlando, Fl, USA.
Kelley J.
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Process strategies for milling of dimples on tapered roller bearings. Production Engineering, 17(6), 893-905.
Denkena, Berend; Bergmann, Benjamin; Keitel, Michael; Wege, Christian; Poll, Gerhard; Kelley, Josephine & Pape, Florian
