Zugl.: Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss.

Stuttgart, University, Diss., 2007.

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The aim of the paper is showing, how projection methods can be used for computing contact problems in elasticity for different classes of obstacles. Starting with the projection idea for handling hanging nodes in finite element discretizations the extension of the method for handling penetrated nodes in contact problems will be described for some obstacle classes.

Der gesellschaftlich in den Fokus rückende Faktor der Klima- und Energieeffizienz von technischen Produkten eröffnet Unternehmen die Möglichkeit, ihre unternehmerischen Gesellschaftsverantwortung (CSR - Cooperate Social Responsybility) zu definieren und mit konkreten wirtschaftlichen Vorteilen zu verknüpfen. Kerngedanke der CSR ist der Ansatz der Nachhaltigkeit. Den folgenden Generationen soll ein intaktes ökologisches, soziales und ökonomisches Gefüge hinterlassen und dabei langfristig bilanzierbare Gewinne erwirtschaftet werden. Für die technische Intralogistik resultiert daraus die Anforderung, nachhaltige und ressourceneffiziente Systemkomponenten, Systeme und Prozesse („Green Logistics“ oder „grüne Fördertechnik“) bereitzustellen.

Im Beitrag werden Möglichkeiten zur Optimierung von Reibsystemen durch geometrische Veränderung der Kontaktfläche erörtert. Als mögliches Einsatzgebiet bieten sich Linearführungen, wie sie z. B. an einem Gleitkettenförderderer im Bereich der Fördertechnik vorliegen, an. Die Untersuchungen zeigen, dass die sich einstellende Flächenpressung einen erheblichen Einfluss auf den Reibwert hat und, wie experimentell nachgewiesen wurde, zu einer Halbierung des Reibwertes führen kann. Basierend auf Ergebnissen mit mikrostrukturierten Oberflächen (Erodierstrukturen verschiedener Rauigkeitsklassen), wurde die Probengeometrie vereinfacht und die dargestellten Experimente mit kugelförmigen Probekörpern durchgeführt. Für die Versuche wurde ein nach dem Kugel-Platte-Prinzip arbeitendes Tribometer mit oszillierender Bewegung einer fixierten Kugel über eine fest eingespannte Platte verwendet. Die Versuchsdauer betrug jeweils mindestens 24 h. Ein Großteil der Untersuchungen wurde mit verschieden additivierten PE-UHMW-Typen als Plattenwerkstoff und Kugeln aus Stahl, PA und POM als Gegenkörper durchgeführt. Weiterhin wurden Plattenwerkstoffe wie PP, POM und PE-300 betrachtet, wobei grundlegend das gleiche Reibverhalten zu beobachten war. Allerdings fällt der Verschleiß an den PE-UHMW besonders gering aus und äußert sich nur durch eine definierte Laufspur ohne nennenswerte Abriebpartikel. Die aufgebrachten Lasten im Bereich von FN = 10 – 280 N bei einem Kugeldurchmesser von 8 mm führen dabei bei allen Proben zur Überschreitung der Streckgrenze und in Folge liegt eine plastisch deformierte Laufspur vor. Weiterhin wurde anhand ausgewählter Paarungen die Geschwindigkeit von 0,01 – 0,7 m/s variiert, wobei die Paarungen mit Kunststoffkugeln hier ebenfalls eine deutliche Reduktion des Reibwertes (bis 30 %) bei Geschwindigkeitserhöhung zeigten. Anhand ausgewählter Experimente werden die Ergebnisse hinsichtlich des Temperatureinflusses sowie deformativer und adhäsiver Reibanteile diskutiert. Die positiven Resultate zeigen, dass durch das gezielte Einstellen der Flächenpressung mit Hilfe von Oberflächenstrukturen Reibwertreduktion von 50% möglich sind. Dieses Verhalten geht mit der Verschleißreduktion und einer Stabilisierung des Reibwertverlaufs im Vergleich zu flächigen Probekörpern einher. Perspektivisch kann dadurch auf eine aufwendige Additivierung der beteiligten Kunststoffe (z. B. mit Wachs, Silikonöl, PTFE) verzichtet werden und das Eigenschaftenprofil (Festigkeit, Steifigkeit) der Werkstoffe bleibt unverändert.

Für die Stetigförderung von Gütern werden zunehmend Kunststoffgleitketten und Führungsschienen eingesetzt. Einerseits wird dies durch Möglichkeiten wie die Herstellung im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren, der Verzicht auf Schmierung im Betrieb und eine hohe Anpassungsmöglichkeit der Werkstoffe nach Einsatzbedingungen begünstigt. Andererseits untermauert das Eigenschaftenportfolie wie geringe Dichte, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute tribologische Eigenschaften den Einsatz von Kunststoffen in Förderanlagen. Die Förderanlage selbst weist dabei vielerlei tribologische Kontaktstellen auf. Je nach Aufbau der Kette (gerad- oder kurvengängig) entstehen verschiedene Kontaktbereiche, welche diversen Pressungen (0,05 – 15 MPa) und unterschiedlich andauernden Belastungszeiträumen unterliegen. Allen Kettensystemen gemein ist die Kontaktpaarung Kette/ Abstützung (Gleitschiene). Besondere Bedeutung hinsichtlich der Energieeffizienz erlangt diese Paarung aufgrund der Tatsache, dass ein Bewegungswiderstand zwischen Gleitkette und der entsprechenden Abstützung überwunden werden muss. Der Reibwert beeinflusst maßgeblich die benötigte Antriebsenergie und hat Auswirkungen auf die Belastung und den Verschleiß des Kettensystems. Als Kettenwerkstoffe haben sich besonders die technischen Kunststoffe Polyoxy-methylen (POM), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyamid (PA) am Markt bewiesen, für Gleitschienen wird meist ultrahochmolekulares Polyethylen (PE UHMW) verwendet. Trotz der Beschränkung auf diese Polymere ergibt sich durch die Zugabe von Additiven und/ oder Fasern ein sehr breites Werkstoffspektrum. Im Beitrag werden gesammelte Erkenntnisse und Phänomene der tribologischen Modellprüfung am eigens entwickelten Prüfstand des Institutes für Fördertechnik und Kunststoffe (ifk) der TU Chemnitz beschrieben. Es werden Erklärungsansätze für den Einfluss der Umgebungs- und Kontakttemperatur, Oberflächenstrukturierung und die Wirkung einzelner Gleitadditive auf das Reibungs- und Verschleißverhalten erörtert.

In dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Magnesiumsandgusslegierung AZ91 in Abhängigkeit von den Prozessparametern untersucht. Es wurde gezeigt, dass durch die Anwendung von Filtration, Kornfeinung und Wärmebehandlung das Niveau der mechanischen Eigenschaften des Sandgusses dem des Druckgusses angepasst werden kann. In dieser Arbeit wurde außerdem der Einfluss der Prozessparameter auf die Spannungsrelaxations- und Dämpfungseigenschaften untersucht.

Piston rings cause significant friction losses within internal combustion engines. Especially the first compression ring, which is pressed onto the liner by high cylinder pressure, contributes significantly to the total friction loss of the piston assembly. The tribological behavior of the oil scraper ring is mainly related to the pretensioning force and can lead to high losses even at low and idle speed. Due to this, there is always a markable risk of wear for the contact surfaces of the piston rings and the cylinder. “Diamond-like carbon” coatings on the surface of the piston rings can prevent wear and are able to reduce friction in the ring-liner-contact. The purpose of this work was to investigate the tribological benefit of this coating-system on the compression and oil scraper ring. Experimental studies were carried out on a fired single-cylinder engine using the Indicated Instantaneous Mean Effective Pressure-method (IIMEP) for the crank angle-resolved detection of the piston assembly’s friction force. To be able to determine the component-related fractions of the friction loss and to quantify the hydrodynamic and asperity related parts locally and time dependent, an EHD/MBS model of the engine was created in AVL EXCITE and a simulative investigation was performed. This simulation was validated by the experimental work and provided detailed information about the individual contact conditions and gap height of each tribological contact of the piston group. The combined approach of measurement and simulation enabled the prediction of tribological aspects and performance in parameter studies on a virtual engine test bed.