Investigation of particle-influenced high load contacts
Final Report Abstract
In der Vergangenheit wurden bereits Versuche durchgeführt, die Einflüsse von Partikelschichten in der Grenzschicht von Reibkontakten makroskopisch beschreiben. Bisherige Versuche konzentrierten sich dabei im Wesentlichen auf die messbaren Reibeigenschaften. Da die Grenzschicht eines Reibkontaktes bei technischen Kontakten üblicherweise nicht einsehbar ist, wurden Grenzschichtanalysen zum Teil ex situ durchgeführt. In der Grenzschicht von Reibkontakten wurde die Bildung charakteristischer Strukturen von Partikelansammlungen, u.a. sogenannte Patches, entdeckt. Aus der Dynamik des Verschleißstaubs in der Grenzschicht hat der Antragsteller ein dynamisches Reibgesetz entwickelt, welches die Bildung und den Zerfall dieser Patches mit der Entwicklung des Reibkoeffizienten in Verbindung setzt. Die dynamischen Effekte und Mechanismen, denen Partikel in einem Reibspalt unterliegen, sind bisher jedoch kaum verstanden. Ziel dieses Projekts war es zu einem tieferen Verständnis dieser beizutragen. Hierfür wurde der Partikeltransport in der Grenzschicht von Reibkontakten näher untersucht und die beobachteten Phänomene in Korrelation mit Reibeigenschaften gesetzt. Im Rahmen der Untersuchungen wurde u.a. ein spezialisiertes Tribometer, der Wear Debris Investigator, verwendet. Dieser bildet einen Reibkontakt auf einer makroskopischen Größenordnung nach, wobei einer der Reibkörper durch eine transparente Glasscheibe ersetzt wurde. Hierdurch ist die Grenzschicht des Reibkontakts in situ zu beobachten. Verschleiß wird in dem System vernachlässigt, hingegen werden Verschleißpartikel durch extern zugeführte Partikel simuliert. Dadurch ist es möglich, den Einfluss verschiedener Partikel und Topographien auf den Partikeltransport und das gemessene Reibmoment zu untersuchen. Zur Verbesserung der Reibmessungen und Minimierung von Rückwirkungen des Messsystems auf die Grenzschicht wurde der WDI u.a. hinsichtlich der Belastungseinheit neu aufgebaut, um präzisere Messergebnisse zu ermöglichen. In einem zweiten Schritt wurden erste Untersuchungen zum Einfluss extern zugeführter Partikel auf die messbaren Reibgrößen bei einem realen technischen Kontakt an einem Stift-Scheibe Tribometer durchgeführt. Für die Auswertung und Charakterisierung von Mess- und Bilddaten wurden verschiedene Softwaretools entwickelt. Hierbei werden die am WDI erzeugten Bilddaten hinsichtlich charakteristischen Partikelstrukturen in der Grenzschicht analysiert. Unterschieden werden dabei die recht stabilen Selbstorganisationsstrukturen Patches und Rollen. Patches wurden dabei bei allen untersuchten Materialien beobachtet. Hinsichtlich der messbaren Reibung hat sich gezeigt, dass das Partikelmaterial einen wesentlichen Einfluss auf die Reibung und die Dynamik in der Grenzschicht hat. So wurden für weiche EPDM-Partikel (Gummi) bei niedrigen Drehzahlen die höchsten Reibkräfte gemessen. Gleichzeitig konnte nur für diese Partikel das Auftreten von Rollen bei einer hohen Partikeltransportdynamik im Reibspalt beobachtet werden. Der Reibkoeffizient sank für diese Partikel mit einem steigenden Anteil an Rollen in der Grenzschicht und konnte in ein Plateau übergehen. U.a. feste Partikel haben keine Rollenbildung gezeigt, aber niedrigere, sehr konstante Reibkoeffizienten. Am Stift-Scheibe Tribometer wurde bei externer Zufuhr von NaCl-Partikeln eine Minderung des Reibkoeffizienten und Veränderungen der Grenzschichtausbildung gegenüber dem Grundmaterial beobachtet, verbunden mit dem Auftreten von Patches aus dem zugeführten Material. Die Bilddatenauswertung erlaubt eine Statistik der Größenordnung der Patches in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Normalkraft. Es lassen sich Wachstumsprozesse beobachten und aktive Zonen des Wachstums am Patch wie auch Patchbewegungsprofile erfassen, sogar unterschiedliche Wachstumseigenschaften bei unterschiedlichen Partikelgrößen waren möglich. Nach ersten Auswertungen deuten sich die auch in den frühen Simulationen der Reibgrenzschicht mit Zellulären Automaten gefundenen Eigenschaften an, bei höheren Lasten weniger, aber größere Patches auszubilden. Die ursprünglich ebenfalls avisierte Frage nach der Zerkleinerungsdynamik der Partikel im Reibspalt (AP3) konnte unter den hier genutzten Parameterbereichen nicht angegangen werden.
Publications
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An Experimental Setup for Investigations on the Boundary Layer Dynamics. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility, 3(2), 948-956.
Ostermeyer, Georg-Peter & Rickhoff, Felix
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Test Device for Precise Investigations of Transport Phenomena in the Boundary Layer. EuroBrake 2020 Technical Programme. FISITA.
Ostermeyer, Georg-Peter; Rickhoff, Felix & Otto, Johannes
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"Measurement and Simulation of wear debris transport," Wear Particle Transport and Emission: Mechanisms and Environmental Implications. International Workshop, Berlin, Februar 2021
Ostermeyer, G.-P. & Fang, Chengyuan, Rickhoff, Felix
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Adhesion-related Wear Dust Transport. EuroBrake 2021 Technical Programme. FISITA.
Ostermeyer, Georg-Peter; Fang, Chengyuan & Rickhoff, Felix
