Tribologie an Oberflächen mit maßgeschneidertem topographischem Design

Abstract

Die Steuerung von Reibung und Verschleiß unter trockenen und geschmierten Bedingungen ist in vielen technologischen, biologischen und geologischen Bereichen von essentieller Bedeutung. Eine Möglichkeit, die tribologischen Eigenschaften unabhängig vom eingestellten Reibregime positiv zu beeinflussen, ist die gezielte Einbringung von definierten Oberflächenmustern mittels Laserstrukturierung. Angelehnt an die Stribeckkurve wird die tribologische Wirksamkeit der erzeugten Strukturen in jedem Reibregime untersucht und der zugrunde liegende Mechanismus evaluiert. Es bleibt festzuhalten, dass die erzeugten Oberflächenstrukturen unabhängig vom wirkenden Reibregime zu einer Verbesserung der tribologischen Eigenschaften führen. Im Bereich der trockenen Reibung ruft die Laserstrukturierung eine signifikante Reduktion der Reibkraft hervor, wohingegen eine 130-fache Verlängerung der Ölfilmlebensdauer unter Mischreibungsbedingungen nachgewiesen wird. Ferner werden die Reduktion der Reibkraft unter elastohydrodynamischen Bedingungen und die Erhöhung der Schmierfilmdicke bzw. der Tragfähigkeit im Bereich der Hydrodynamik mit numerischen Simulationen verknüpft, um die experimentellen Ergebnisse zu verifizieren. Abschließend wird die Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf reale Konstruktionselemente (Kolbenring und Axialzylinderrollenlager) überprüft und eine deutliche Reduktion des Verschleißes nachgewiesen.

Controlling friction and wear under dry and lubricated conditions is essential to many technological, biological and geological systems. One approach to improve the tribological properties is through tailored laser-structured surface patterns. Based on the well-known Stribeck curve, the tribological efficacy of the produced patterns and the underlying mechanism are evaluated. The patterns unequivocally lead to an improvement in the tribological response, regardless of the lubrication regime. Under dry friction, the friction force is significantly reduced, whereas the oil film lifetime, under mixed lubrication, can be increased by a factor of 130. Furthermore, the reduced friction force under elastohydrodynamic lubrication as well as the enhanced film thickness and load-carrying capacity under hydrodynamic lubrication will be correlated with and verified by numerical simulations. Finally, the portability of the laboratory results to real machine elements (piston ring and cylinder roller thrust bearing) is tested and a significant wear reduction is demonstrated.