Mechanism-based understanding of the transfer of plastic-bonded fluid-free lubricant systems in the lubricant body-to-body contact and its influence on the tribological properties in highly loaded body-to-body contacts
Final Report Abstract
Durch den Einsatz eines kunststoffbasierten Festschmierstoffs zur Schmierung hochbelasteter Roll-/Wälzkontakte ohne flüssige Schmierstoffe konnte grundsätzlich bestätigt werden, dass Kunststoffe bzw. Kunststoffblends geeignete Festschmierstoffe für derartige Kontakte sind. In einem ersten Schritt wurde im Modellsystem festgestellt, dass der Festschmierstoff erst oberhalb einer gewissen Bereitstellungrate seine Schmierwirkung entfaltet. Der Schwellenwert für das PEEK/PTFE-Compound liegt im Kugel/Ring-Tribosystem bei ca. 20 ng/(mm·U). Oberhalb dieses Wertes bleibt der Reibungskoeffizient nahezu konstant auf einem niedrigen Niveau von ca. 0,3. Dementsprechend verringert sich der Verschleiß der Gleitpaarung auch signifikant. Darüber hinaus zeigen die Resultate der Modellversuche, dass die Oberflächentopographie der Stahl/Stahl-Paarung keinen Einfluss auf die Schmierwirkung ausübt, sobald die Struktur auf der Oberfläche mit dem Festschmierstoff gefüllt wird. Der entscheidende Parameter zur Beschreibung dieses Verhaltens ist die spezifische Schmierfilmdicke. Untersuchungen in verschiedenen realen Systemen, nämlich einem Axial-Zylinderrollenlager und einem Stirnradpaar haben die Beobachtung im Modelsystem bestätigt. Die tribologischen Eigenschaften skalieren mit der Bereitstellungsrate des Festschmierstoffs, wobei sowohl im Modellsystem als auch im Axialwälzlager zwei Plateaus mit einem Übergangsbereich dazwischen identifiziert werden kann. Für ein Stirnradpaar konnte gezeigt werden, dass bei einer Rate, die im Modellversuch zu einem niedrigen Reibungskoeffizenten der Verschleiß um 3 Größenordnungen niedriger als im ungeschmierten Vergleichsversuch ist. Oberflächensensitive Analysen der Verschleißspuren decken auf, dass die Tribospur zwischen der Stahlgleitpaarung mit einem sehr dünnen Tribofilm belegt ist. Zudem wurde auch gefunden, dass die Fluorkonzentration in der Tribospur bei ausreichender Bereitstellungsrate des Schmierstoffs deutlich ansteigt, d. h. vergleichsweise mehr Bestandteile des PTFE auf der Ringoberfläche deponiert wird, wobei es sich hierbei größtenteils um organische C-F-Verbindungen handelt. Daher ist zu vermuten, dass dieser fluorreiche Tribofilm zu einer niedrigen Reibung und einem geringen Verschleiß führt. Grundsätzlich scheinen sich als Funktion der Bereitstellungsrate/Spezifische Schmierfilmdicke analog zu flüssigkeitsgeschmierten Systemen drei Reibungszustände: Feststoffreibung (Hochplateau); Grenz- und Mischreibung (Übergangsbereich); (Fest-)schmierstoffreibung (Tieflage) einzustellen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ein PEEK-basierter Festschmierstoff sowohl im Modellversuch als auch in zwei komplexen Maschienenelementen die tribologischen Eigenschaften im Vergleich zum ungeschmierten Zustand um mehrere Größenordnungen zu verbessern in der Lage ist. Damit ist der prinzipielle Nachweis gelungen ist, dass hochbelastete Roll- /Wälzkontakte unterschiedlicher Konfiguration mit diesem Konzept geschmiert werden können. Letztendlich hängen die Bereitstellungs-, Transfer- und Schmierprozesse neben den eingesetzten Materialien sowohl von den Eingriffsbedingungen im hochbelastbaren Kontakt sowie den Betriebsbedingungen der Maschine und den Umgebungsbedingungen ab. Daher ist es unumgänglich in einem weiteren Schritt die Übertragung des Konzepts für diese unterschiedlichen Betriebs- und Randbedingungen zu erforschen und letztendlich zu quantifizieren.
Publications
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Assessment of the lubricating effect of polymer-based solid lubricants in fluid-free metal/metal tribocontact. GETLUB-5, 06./07. November 2018, Hamburg
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Mechanismenbasierte Aufklärung des Transfers kunststoffgebundener fluidfreier Schmierstoffsysteme im Schmierstoffkörper-Grundkörper-Kontakt und dessen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften im hochbelasteten Grundkörper-Gegenkörper-Kontakt. GfT-Tagung, 23.-25. September 2019, Göttingen
Lin, L.Y.; Kamerling, S.; Emrich, S.; Kopnarski, M. & Schlarb, A.K.
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Assessment of the lubrication ability of polymer materials in the fluid-free steel/steel tribosystem. Wear, 452-453(c(2020, 7)), 203287.
Lin, Leyu; Sun, Chong; Emrich, Stefan; Kopnarski, Michael & Schlarb, Alois K.
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Mechanismenbasierte Aufklärung des Transfers kunststoffgebundener fluidfreier Schmierstoffsysteme im Schmierstoffkörper- Grundkörper-Kontakt und dessen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften im hochbelasteten Grundkörper-Gegenkörper-Kontakt. GfT-Tagung, 25.-28. September 2020, Online
Lin, L.Y.; Emrich, S.; Kopnarski, M. & Schlarb, A.K.
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Mechanismenbasierte Aufklärung des Transfers kunststoffgebundener fluidfreier Schmierstoffsysteme im Schmierstoffkörper-Grundkörper-Kontakt und dessen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften im hochbelasteten Grundkörper-Gegenkörper-Kontakt. Zwischenkolloquium DFG SPP 2074, 23. Juni 2020, Online
Lin, L.Y.; Emrich, S.; Kopnarski, M. & Schlarb, A.K.
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Lubrication performance of a polyetheretherketone (PEEK) and polytetrafluoroethylene (PTFE) blend within a steel/steel tribosystem. Wear, 484-485(c(2021, 11)), 203997.
Lin, Leyu; Emrich, Stefan; Kopnarski, Michael & Schlarb, Alois K.
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Mechanismenbasierte Aufklärung des Transfers kunststoffgebundener fluidfreier Schmierstoffsysteme im Schmierstoffkörper- Grundkörper-Kontakt und dessen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften im hochbelasteten Grundkörper-Gegenkörper-Kontakt. GfT-Tagung, 25.-28. September 2021, Online
Lin, L.Y.; Emrich, S.; Kopnarski, M. & Schlarb, A.K.
