Heterogenes Kontaktmodell zur Mischreibungssimulation an Radialgleitlagern aus kurzfaserverstärkten Polymeren

Nadermann, Daniel GND

Polymere Komposite finden zunehmend Anwendung in tribologischen Systemen. Durch die spezifische Zugabe von Füll- und Verstärkungsstoffen lassen sich maßgeschneiderte Eigenschaften für ein tribologisches System erzielen. Dabei stellt die virtuelle Auslegung solcher Systeme durch die Inhomogenitäten der Materialeigenschaften auf der Mikroskala eine besondere Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Mischreibungssimulation, welche auf einem isotropen, homogenen, linear-elastischen und temperaturunabhängigen Materialverhalten für metallische Werkstoffe basiert, für polymere Komposite erweitert. In der Simulation erfolgt eine Skalentrennung. Auf der Mikroskala wird auf Rauheitsebene die Kontakt- und Fluidsimulationen durchgeführt. Deren Ergebnisse werden als effektive Eigenschaften auf der Makroskala verwendet. Auf der Makroskala erfolgt eine Mischreibungsberechnung basierend auf einer thermo-elasto-hydrodynamischen Simulation. Als Analyseobjekt dient ein Radialgleitlager mit Stahlwelle und PEEKCF30-Lagerbuchse (Hochtemperaturthermoplast mit 30 Gew.-% Kohlenstoffkurzfaserverstärkung). Auf der Mikroskala wird eine heterogene FEM-Kontaktsimulation mit rauen Oberflächen entwickelt, welche die reale Faserverteilung mit gemessenen Rauheiten überlagert. Durch die heterogene Kontaktsimulation werden signifikant geringere Kontaktsteifigkeiten gegenüber der homogenen Kontaktsimulation basierend auf PEEKCF30-Zugversuchen erreicht, da auf der Mikroskala die Matrixeigenschaften die Kontaktsteifigkeit dominieren. Es stellt sich heraus, dass durch variierende Rauheiten und Faseranteile in der Oberfläche a priori keine generische, effektive, homogene Steifigkeit für die Kontaktsimulation eines heterogenen Materials auf der Mikroskala möglich ist. Das entwickelte Kontaktmodell liefert hierfür einen Lösungsansatz. Die Makroskala wird um thermische Effekte erweitert. Temperaturabhängige Kontaktsteifigkeiten führen bei erhöhten Temperaturen auf der Makroskala zu geringeren Reibungszahlen. Die Berücksichtigung der Temperaturdehnung auf der Makroskala führt zusätzlich zu geringeren Reibungszahlen durch eine Verengung des Schmierspaltes und zu einem qualitativ unterschiedlichen Tragverhalten. Zusätzlich wird auf der Makroskala eine Verschleißsimulation nach einem energetischen Verschleißmodell entwickelt. Die Validierung der Modellerweiterungen am Gleitlagerprüfstand zeigt signifikante Verbesserungen in der Reibungsvorhersage für polymere Werkstoffe. Genauso zeigen die simulierten Verschleißgeometrien eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Geometrien, was auf der realitätsnahen Beschreibung der Kontaktverhältnisse in der Mischreibungssimulation basiert. Schlagwörter: PEEK, Polymer, Gleitlager, Mischreibung, Verschleiß, TEHD-Simulation

Polymeric composites gain increasing importance in tribological systems. By the addition of particles or fibers to a polymeric matrix, specific properties for a tribological system can be achieved. Hence, the virtual design of such materials especially on the micro scale is particularly challenging. In this work, a mixed lubrication simulation based on isotropic, homogeneous, linear elastic and temperature independent material behavior is extended for polymeric composites. The simulation holds a separation of two length scales. On the micro scale, fluid and contact simulations with real rough surfaces are performed. The results are used as effective properties on the macro scale. On the macro scale, friction is calculated based on a thermal elastohydrodynamic lubrication simulation. As a component of interest a journal bearing with a steel shaft and a PEEKCF30 bushing (high temperature thermoplastic with 30 mass-% short carbon fiber) is used. On the micro scale, a heterogeneous FEM-based contact simulation with rough surfaces is developed, in which the real fiber distribution is merged with the real roughness. This novel heterogeneous contact simulation leads to significantly less contact stiffness compared to a homogeneous contact simulation based on tensile tests of PEEKCF30. The results show that there is no generic, homogeneous stiffness for the contact simulation of heterogeneous materials due to the varying roughnesses and fiber distributions, which are not known a priori. The developed FEM contact model offers an approach to solve this problem. On the macro scale, the simulation is enhanced by additional thermal effects. The temperature dependent contact stiffness leads to decreasing friction for elevated temperatures. The consideration of thermal expansion results also in lower friction due to a global decrease of the fluid gap. Additionally the thermal expansion leads to a qualitatively different contact distribution. Furthermore, a wear simulation based on the mixed lubrication simulation and an energetic wear model is developed. The validation of the mixed lubrication simulation by a journal bearing test rig shows significant improvements for the friction prediction of polymeric composites. The simulated and measured worn geometry show a very good match because of the realistic modeling of the contact behavior by the mixed lubrication simulation. Keywords: PEEK, polymer, journal bearing, mixed lubrication, wear, TEHL simulation

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Daniel, Nadermann: Heterogenes Kontaktmodell zur Mischreibungssimulation an Radialgleitlagern aus kurzfaserverstärkten Polymeren. 2020.

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