Schlüsselcharakteristika einer Oberflächentopographie mit hohen Reibkräften

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Greiner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566243172

Die Reibkraft welche zwischen sich berührenden Oberflächen wirkt, ist ein grundlegendes Phänomen welches die Effizienz und Lebensdauer fast aller mechanischer Systeme beeinflusst. Ungeachtet der Tatsache, dass Forschende und Praktiker mit dem Konzept der Oberflächentopographie - insbesondere der Rauheit - sehr gut vertraut sind, ist die exakte Auswirkung der Oberflächentopographie auf die Reibung noch nicht ausreichend verstanden. Eine gängige Methode Oberflächentopographien zu charakterisieren besteht darin, sie auf einen skalaren Wert zu reduzieren. Dieser Ansatz erlaubt es allerdings nicht die Komplexität praktisch aller technischer Oberflächen zu erfassen. Gleichzeitig können bereits kleinste Abweichungen an und auf der Oberfläche zu einer Erhöhung der lokalen Reibung führen. Da jede Oberfläche einzigartig ist, ist dies einer der Gründe, warum es so außerordentlich schwierig ist, das Reibungsverhalten in tribologischen Experimenten exakt zu replizieren. Dieser Antrag folgt der Hypothese, dass es Schlüsselcharakteristika der Oberflächentopographie gibt welche eine lokal hohe Reibung hervorrufen. Darüber hinaus spielen Oszillationen der Oberflächen, welche beispielweise durch eine Verkippung der Oberflächen während der Montage verursacht werden können, eine entscheidende Rolle dabei, ob diese Schlüsselcharakteristika sich als hohe Reibung manifestieren. Wir werden in unseren Versuchen einen 100Cr6 Wälzlagerstahl für beide Kontaktflächen verwenden. Die tribologischen Modellversuche werden in einem Stift-Scheibe-Kontakt unter geschmierten Bedingungen durchgeführt. Durch die Verwendung eines mehrstufigen Geschwindigkeitsprofils werden wir Stribeck-Kurven erfassen und dadurch in der Lage sein die gesuchten Schlüsselcharakteristika der Oberflächentopographie für Grenz-, Misch- und hydrodynamische Schmierung zu identifizieren. Um diese systematischen Experimente zu ermöglichen, werden wir Oberflächen mit verschiedenem Welligkeitsprofil, sowie Versuche mit verschiedenen, gezielt eingestellten Oberflächenoszillationen durchführen. Letztere werden wir mittels Beschleunigungssensoren aufzeichnen. Bei der Datenanalyse werden wir die Merkmale der Oberflächentopographie, der Reibung sowie der Oszillationen miteinander korrelieren, um hierdurch deren komplexes Zusammenspiel zu verstehen. Hierbei können wir unter anderem auf bereits erprobte Normalisierungsrouten zurückgreifen. Sollte uns solch ein Verständnis tribologischer Kontakte gelingen, planen wir dieses Wissen zu nutzen um zu demonstrieren, dass es in einem nächsten Schritt möglich ist gezielt einen im Vorfeld gewählten Reibwert zu erreichen, indem man sowohl die Topographie als auch die Oszillationen des tribologischen Systems gezielt einstellt. Im Erfolgsfall wäre dies nicht nur ein Schritt um tribologische Kontakte wissenschaftlich tiefer zu durchdringen, sondern dieses Wissen würde auch die Möglichkeit bergen die Lebensdauer und Energieeffizienz technischer tribologischer Kontakte zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen