Controlling friction by multi-scale surface patterning inside and outside the contact zone

Abstract

Tribological problems in machine elements contribute significantly to energy consumption and thus have a major impact on economic efficiency and CO2 emissions. To influence the tribological proper- ties of surfaces, bio-inspired multi-scale surface patterns are developed in the present dissertation and applied inside and outside the contact zone of technologically relevant steel surfaces. For the genera- tion of multi-scale patterns, larger micro-coined patterns are combined with smaller laser patterns. Patterns outside the contact zone can guide lubricants over the surface or prevent lubricant migration out of the contact caused by centrifugal forces or temperature gradients. With respect to the develop- ment of effective surface patterns, multi-scale patterns have been identified as particularly effective both inside and outside the contact zone. Thus, the tribological properties can be improved directly and indirectly by the use of multi-scale surface patterns. For an effective design of the patterns, struc- tural parameters like depth and periodicity have to be considered. Suitable single- and multi-scale surface patterns are selected and successfully transferred to the shafts of journal bearings. The fric- tional investigations show a excellent comparability between laboratory tests and application. Com- pared to the non-patterned shaft, the friction of the shaft with a multi-scale pattern can be reduced by a factor of 4. Finally, the use of surface patterns in machine elements is critically discussed, and general design guidelines for surface patterning in machine elements are derived.

Tribologische Probleme in Maschinenelementen tragen wesentlich zum Energieverbrauch bei und haben somit einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und den CO2-Ausstoß. Um Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften von Oberflächen zu nehmen, werden in der vorliegenden Arbeit bio- inspirierte Multiskalen-Oberflächenstrukturen entwickelt und innerhalb und außerhalb der Kontakt- zone von technologisch relevanten Stahloberflächen eingesetzt. Für die Erzeugung von multi-skaligen Strukturen werden größere mikrogeprägte Muster mit kleineren Lasermustern kombiniert. Strukturen außerhalb der Kontaktfläche können Schmiermittel über die Oberfläche leiten oder die Schmiermittelmigration aus dem Kontakt heraus aufhalten, welche durch Zentrifugalkräfte, sowie Temperaturgradienten verursacht wird. Im Hinblick auf die Entwicklung effektiver Strukturen wurden multi-skalige Strukturen als besonders wirksam sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kontaktzone identifiziert. Somit können die tribologischen Eigenschaften direkt und indirekt durch den Einsatz von multi-skaligen Oberflächenmustern verbessert werden. Für ein effektives Design der Strukturen müs- sen vor allem strukturelle Parameter wie Tiefe und Periodizität berücksichtigt werden. Als effektive befundene einzel- und multi-skalige Strukturen werden auf die Wellen von Gleitlagern übertragen. Die Reibuntersuchungen zeigen eine gute Vergleichbarkeit zwischen Laborversuchen und Anwen- dung. Im Vergleich zur unstrukturierten Welle kann die Reibung der Welle mit einer multi-skaligen Struktur um den Faktor 4 reduziert werden. Abschließend wird die Verwendung von Oberflächenstrukturen in Maschinenelementen kritisch diskutiert und allgemeine Designrichtlinien für die Oberflächenstrukturierung in Maschinenelementen abgeleitet.