Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten resultieren aus dem Ansatz, die theoretisch ableit-baren erheblichen Vorteile der Werkstoffgruppe WPC zur Herstellung von kombinierten WPC-Trag- und Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen industrieller Verkettungssysteme (Stückgutförderer) zu nutzen. Es wurde davon ausgegangen, dass sich die typischen Ver-schleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente: - Abrasivverschleiß - mechanische Überlast und Deformation in den Kontaktstellen - thermisch bedingter Verschleiß durch geeigneten Holzzusatz und –anteil zu höheren Grenzen hin verschieben lassen, indem der anfängliche Abrasivverschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb bzw. den Verschleiß und die Reibungszahl der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Zudem sollen durch diese Werkstoffmischung die negativen Folgen steigender Temperaturent-wicklung auf die Reibpaarung gesenkt werden. Für die Optimierung der WPC-Werkstoffe zum Einsatz in maschinenbautechnischen Anwen-dungen wurden Rezepturen entwickelt, die neben dem verbesserten tribologischen Verhalten gleichfalls durch erhöhte mechanische Festigkeiten aufgrund gezielter Haftvermittlerzugabe gekennzeichnet sind. Einflußgrößen aus Rezeptur und Verarbeitung wurden untersucht, Grundlagenversuche zur Schweißbarkeit durchgeführt. Dabei zeigt sich eine geringere Abhän-gigkeit von Prozeßgrößen, wie Temperaturen oder Drücke in der Fügezone. Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen zur Verifikation der Annahme zeigen, daß bei der Verwendung von WPC in hoch belasteten Reibpaarungen ein verbesserter Gleitreibwert bei geringerem Verschleiß im Gegensatz zum reinen Kunststoff vorliegt und somit der Ansatz der Projektzielstellung bestätigt wurde. Für die Übertragung der Erkenntnisse in der Praxis wurde abschließend zusammen mit einem Industriepartner ein vorteilhaftes Profilsystem für einen Stückgutförderer konzipiert und in einer ersten Testanlage geprüft.

Die Kontaktgeometrie von Kegelrad- und Hypoidverzahnungen bestimmt wesentlich deren Betriebseigenschaften. Sie wird während des Prozessschritts der Hartfeinbearbeitung produziert. Als direkte Konkurrenz zum Schleifen stellt das Läppen ein flexibles und hoch effizientes Verfahren zur Hartfeinbearbeitung von Hypoidverzahnungen dar, das sich zudem meist günstig auf das Geräuschverhalten auswirkt. Allerdings ist der lokale Materialabtrag auf den Zahnflanken und damit die durch das Läppen erzielte Kontaktgeometrie von einer Vielzahl an Einflüssen abhängig, was eine praxisgerechte Vorhersage derselben bislang nicht gestattete. Gegenüber einer deterministischen Schleiffertigung im Closed Loop stellt dies einen erheblichen Nachteil dar. Hier setzt die vorliegende Arbeit an und stellt ein Simulationsverfahren für den lokalen Läppabtrag vor. Es basiert auf dem Archard-Ansatz zur Verschleißtiefenberechnung sowie einer hocheffizienten und validierten Zahnkontaktsimulation. Durch die Einführung eines virtuellen Bremsmoments kann dabei erstmals der Einfluss der Abrasivpartikel auf die Lastverteilung im Zahnkontakt simulativ berücksichtigt werden. Für die Simulation sind nur wenige Parameter erforderlich, die das tribologische System des Läppprozesses charakterisieren. Diese lassen sich aus einfachen Versuchen automatisiert bestimmen. Anhand von Praxisversuchen wird die gute Abbildungsgenauigkeit der Simulation nachgewiesen. Durch eine Invertierung des zeitlichen Ablaufs lässt sich die Läppsimulation in den gewohnten Prozess zur digitalen Auslegung von Kegelrad- und Hypoidverzahnungen integrieren.:1 Einleitung 1 2 Motivation 3 2.1 Vergleich zu konkurrierenden Hartfeinbearbeitungsverfahren 3 2.2 Anwendungspotenzial einer Läppsimulation in der Auslegung von Hypoidverzahnungen 5 3 Stand der Technik 7 3.1 Läppen 7 3.1.1 Tribologisches System 9 3.1.2 Verschleißmechanismen 10 3.1.3 Planläppen 12 3.1.4 Grundlagen des Verzahnungsläppens 13 3.1.5 Wissenschaftliche Arbeiten zum Verzahnungsläppen 15 3.2 Einflussgrößen auf den Läppabtrag 16 3.2.1 Einfluss von Grund- und Gegenkörper 16 3.2.2 Einfluss der Abrasivpartikel 20 3.2.3 Einfluss des Trägermediums 25 3.2.4 Einfluss der Maschineneinstellungen 26 3.3 Einfluss von losen Partikeln auf den Zahnkontakt 28 3.3.1 Einfluss auf die Lastverteilung 28 3.3.2 Bewegung von Abrasivpartikeln im Kontakt 30 3.4 Ansätze zur Verschleißberechnung 32 3.4.1 Ansatz nach Archard 33 3.4.2 Ansatz nach Rabinowicz 35 3.4.3 Ansatz nach Williams und Hyncica 36 3.5 Simulation des Verzahnungsläppens 37 3.5.1 Jiang und Gosselin 37 3.5.2 Park und Kahraman 39 3.6 Optimierung von Läppprozessen 41 4 Simulation des lokalen Läppabtrags 45 4.1 Diskretisierung des Zahnkontakts an Hypoidverzahnungen 45 4.2 Geschwindigkeitskomponenten im Zahnkontakt 47 4.3 Wahl des geeigneten Verschleißansatzes 49 4.4 Anwendung des Archard-Ansatzes auf Verzahnungen 50 4.5 Ablauf der Simulation 53 4.5.1 Ermittlung der Relativlage für die Haltepositionen 55 4.5.2 Diskretisierung des Läppprogramms 56 4.5.3 Geometriemodifikation 58 4.5.4 Glättung des simulierten Läppabtrags 59 4.6 Berücksichtigung von Läpppartikeln im Zahnkontakt 61 4.7 Invertierung der Läppsimulation 63 5 Analogieversuche 67 5.1 Vorgehen 67 5.2 Reproduzierbarkeit 69 5.3 Lastwechselzahl 70 5.4 Gleitgeschwindigkeit 71 5.5 Gleit-Wälz-Verhältnis 73 5.6 Kritik des Versuchsaufbaus 74 6 Verzahnungs-Läppversuche 77 6.1 Versuchsverzahnungen 77 6.2 Versuchsdurchführung 78 6.3 Messdatenausrichtung 80 6.4 Bestimmung des Läppabtrags 82 6.5 Reproduzierbarkeit der Läppversuche 84 6.6 Untersuchte Einflüsse auf den Läppabtrag 88 6.6.1 Hochlauf 88 6.6.2 Läppzeit 90 6.6.3 Drehzahl 93 6.6.4 Bremsmoment 94 6.6.5 Flankentopologie 95 7 Experimentelle Ermittlung des Läppkoeffizienten 97 7.1 Problemstellung 97 7.2 Vorgehen 97 7.3 Ergebnisse 101 8 Validierung der Simulation gegen Versuchsergebnisse 105 8.1 Läppzeit 105 8.2 Drehzahl 107 8.3 Bremsmoment 109 8.4 Flankentopologie 111 8.5 Validierungsversuche 113 8.5.1 Radsatz A, geschliffene Verzahnung 114 8.5.2 Radsatz B, seriennaher Läppprozess 118 8.5.3 Radsatz C, serienmäßiger Läppprozess 122 8.5.4 Grenzen der Läppsimulation 126 9 Zusammenfassung und Ausblick 129 10 Summary and outlook 133 11 Literaturverzeichnis 137 A Abtragsergebnisse der Verzahnungs-Läppversuche 151 A.1 Erläuterung zu den folgenden Darstellungen 151 A.2 Versuchsübersicht 152 A.3 Versuchsreihe 1 [Lu 18] 155 A.3.1 Drehmomenteinfluss 155 A.3.2 Drehzahleinfluss 156 A.3.3 Hochlaufversuche Radsatz A 158 A.3.4 Haltezeit 158 A.3.5 Serienversuch Radsatz A 159 A.4 Versuchsreihe 2 [We 20] 160 A.4.1 Wiederholversuche Drehmomenteinfluss 160 A.4.2 Drehmomentversuche ungeschliffene Verzahnung (Radsatz B) 161 A.4.3 Hochlaufversuche 162 A.4.4 Kurzzeitversuche 163 A.4.5 Serienähnliche Versuche Radsatz B 163 A.5 Zusätzliche Versuchsreihe zur Validierung 164 A.5.1 Wiederholversuche zu W501 164 A.5.2 Hochlaufversuche Radsatz C 164 A.5.3 Serienversuche Radsatz C 164 A.5.4 Versuch zur Topologiestreuung 165 / The contact geometry of bevel and hypoid gears determines their operating characteristics. It is finally produced during the process step of hard finishing. As a direct competitor to grinding, lapping is a flexible and highly efficient process for the hard finishing of hypoid gears, which also usually has a favourable effect on NVH behaviour. However, the local material removal on the tooth flanks and thus the contact geometry achieved by lapping depends on a multitude of influence factors, effectively preventing any practical predictions of the resulting geometry up until now. Compared to deterministic closed-loop grinding, this has been a considerable disadvantage. This work presents a simulation method for the local removal of material during lapping. It is based on the Archard equation and a highly efficient and well validated tooth contact simulation to calculate the wear depth distribution. By introducing a virtual braking torque, the influence of the abrasive particles on the load distribution can be considered in the simulation for the first time. The simulation requires only a few parameters to characterize the tribological system of the lapping process. These can be determined automatically from fairly simple experiments. Practical examples are used to prove the accuracy of the simulation. By inverting the time sequence, the lapping simulation can also be integrated into the established process for the digital design of bevel and hypoid gears.:1 Einleitung 1 2 Motivation 3 2.1 Vergleich zu konkurrierenden Hartfeinbearbeitungsverfahren 3 2.2 Anwendungspotenzial einer Läppsimulation in der Auslegung von Hypoidverzahnungen 5 3 Stand der Technik 7 3.1 Läppen 7 3.1.1 Tribologisches System 9 3.1.2 Verschleißmechanismen 10 3.1.3 Planläppen 12 3.1.4 Grundlagen des Verzahnungsläppens 13 3.1.5 Wissenschaftliche Arbeiten zum Verzahnungsläppen 15 3.2 Einflussgrößen auf den Läppabtrag 16 3.2.1 Einfluss von Grund- und Gegenkörper 16 3.2.2 Einfluss der Abrasivpartikel 20 3.2.3 Einfluss des Trägermediums 25 3.2.4 Einfluss der Maschineneinstellungen 26 3.3 Einfluss von losen Partikeln auf den Zahnkontakt 28 3.3.1 Einfluss auf die Lastverteilung 28 3.3.2 Bewegung von Abrasivpartikeln im Kontakt 30 3.4 Ansätze zur Verschleißberechnung 32 3.4.1 Ansatz nach Archard 33 3.4.2 Ansatz nach Rabinowicz 35 3.4.3 Ansatz nach Williams und Hyncica 36 3.5 Simulation des Verzahnungsläppens 37 3.5.1 Jiang und Gosselin 37 3.5.2 Park und Kahraman 39 3.6 Optimierung von Läppprozessen 41 4 Simulation des lokalen Läppabtrags 45 4.1 Diskretisierung des Zahnkontakts an Hypoidverzahnungen 45 4.2 Geschwindigkeitskomponenten im Zahnkontakt 47 4.3 Wahl des geeigneten Verschleißansatzes 49 4.4 Anwendung des Archard-Ansatzes auf Verzahnungen 50 4.5 Ablauf der Simulation 53 4.5.1 Ermittlung der Relativlage für die Haltepositionen 55 4.5.2 Diskretisierung des Läppprogramms 56 4.5.3 Geometriemodifikation 58 4.5.4 Glättung des simulierten Läppabtrags 59 4.6 Berücksichtigung von Läpppartikeln im Zahnkontakt 61 4.7 Invertierung der Läppsimulation 63 5 Analogieversuche 67 5.1 Vorgehen 67 5.2 Reproduzierbarkeit 69 5.3 Lastwechselzahl 70 5.4 Gleitgeschwindigkeit 71 5.5 Gleit-Wälz-Verhältnis 73 5.6 Kritik des Versuchsaufbaus 74 6 Verzahnungs-Läppversuche 77 6.1 Versuchsverzahnungen 77 6.2 Versuchsdurchführung 78 6.3 Messdatenausrichtung 80 6.4 Bestimmung des Läppabtrags 82 6.5 Reproduzierbarkeit der Läppversuche 84 6.6 Untersuchte Einflüsse auf den Läppabtrag 88 6.6.1 Hochlauf 88 6.6.2 Läppzeit 90 6.6.3 Drehzahl 93 6.6.4 Bremsmoment 94 6.6.5 Flankentopologie 95 7 Experimentelle Ermittlung des Läppkoeffizienten 97 7.1 Problemstellung 97 7.2 Vorgehen 97 7.3 Ergebnisse 101 8 Validierung der Simulation gegen Versuchsergebnisse 105 8.1 Läppzeit 105 8.2 Drehzahl 107 8.3 Bremsmoment 109 8.4 Flankentopologie 111 8.5 Validierungsversuche 113 8.5.1 Radsatz A, geschliffene Verzahnung 114 8.5.2 Radsatz B, seriennaher Läppprozess 118 8.5.3 Radsatz C, serienmäßiger Läppprozess 122 8.5.4 Grenzen der Läppsimulation 126 9 Zusammenfassung und Ausblick 129 10 Summary and outlook 133 11 Literaturverzeichnis 137 A Abtragsergebnisse der Verzahnungs-Läppversuche 151 A.1 Erläuterung zu den folgenden Darstellungen 151 A.2 Versuchsübersicht 152 A.3 Versuchsreihe 1 [Lu 18] 155 A.3.1 Drehmomenteinfluss 155 A.3.2 Drehzahleinfluss 156 A.3.3 Hochlaufversuche Radsatz A 158 A.3.4 Haltezeit 158 A.3.5 Serienversuch Radsatz A 159 A.4 Versuchsreihe 2 [We 20] 160 A.4.1 Wiederholversuche Drehmomenteinfluss 160 A.4.2 Drehmomentversuche ungeschliffene Verzahnung (Radsatz B) 161 A.4.3 Hochlaufversuche 162 A.4.4 Kurzzeitversuche 163 A.4.5 Serienähnliche Versuche Radsatz B 163 A.5 Zusätzliche Versuchsreihe zur Validierung 164 A.5.1 Wiederholversuche zu W501 164 A.5.2 Hochlaufversuche Radsatz C 164 A.5.3 Serienversuche Radsatz C 164 A.5.4 Versuch zur Topologiestreuung 165

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Porosität lichtbogendrahtgespritzter Zylinderlaufbahnen auf das Reibungsverhalten. Hierzu wird das fokussierte System aus Kolbenring, Schmierstoff und Lauffläche zunächst für einen repräsentativen Betriebspunkt per numerischer Abschätzung der Kolbenringzwischendrücke sowie der Schmierfilmdicke analysiert und eine Einteilung der Reibungszustände vorgenommen. Unter anderem auf Basis der strömungsmechanischen Ähnlichkeitstheorie erfolgt im Anschluss eine Ableitung von Betriebspunkten für experimentelle Untersuchungen an einem Mittelhub-Tribometer im Bereich der Grenzreibung sowie Mischreibung und Hydrodynamik. An diesem Modellprüfstand werden daraufhin zum einen Laufbahnsegmente differenter Porosität gegen einen nitrierten Kompressionsring bewertet. Neben skalaren Größen dienen wegaufgelöste Signale über dem Hub zur Analyse des Reibungsverhaltens. In Ergänzung zu den nitrierten Oberflächen wird das Potenzial einer ta-C Beschichtung zur Reibungsreduzierung bewertet. Die Übertragbarkeit der erarbeiteten Erkenntnisse auf den verbrennungsmotorischen Betrieb wird über eine Messreihe an einem Einzylinderprüfstand untersucht. Auch hier werden Oberflächendaten verwendet, um eine Korrelation zwischen den ermittelten Reibmitteldrücken respektive den wegaufgelösten Signalen und der Porosität herstellen zu können. Über diese experimentellen Untersuchungen hinaus wird das Verhalten des Schmierfilms zwischen dem Kolbenring und einzelner Poren der Lauffläche mit Hilfe der dreidimensionalen numerischen Strömungssimulation analysiert. Hierzu werden Laufbahnsegmente per Computertomographie vermessen, einzelne Porenobjekte isoliert und für die Simulation aufbereitet. Im Rahmen von stationären Berechnungen wird zunächst eine Vielzahl einzelner Objekte in einem abstrahierten System strömungsmechanisch untersucht. Die Analyse ausgewählter Poren in transienten Strömungssimulationen und die Bewertung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse schließen diese Arbeit ab.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6 / This work deals with the influence of the porosity of twin wire arc sprayed cylinder liner on the friction behavior. For this purpose, the focused system of piston ring, lubricant and liner is first analyzed for a representative operating point by numerical estimation of the piston ring intermediate pressures as well as the lubricant film thickness and a classification of the friction states is carried out. Among other things, based on the mechanics of flow similarities, a calculation of operating points for experimental investigations on a medium stroke tribometer in the field of boundary friction as well as mixed and hydrodynamic friction is done subsequently. After that, on this model test bench, cylinder segments of different porosity are evaluated against a nitrided piston ring. Beside scalar values, signals above the stroke are used to analyze friction behavior. In addition to the nitrided surfaces, the potential of a ta-C coating for friction reduction is investigated. The transferability of the developed findings to the combustion-engined operation is evaluated via a series of measurements on a single cylinder test bench. Here, too, surface data is used to establish a correlation between the mean effective pressure of frictional forces determined or the signals above the stroke and the porosity. In addition to these experimental investigations, the behaviour of the lubricant film between the piston ring and single pores of the cylinder surface is evaluated using the three-dimensional numerical flow simulation. For this purpose, liner segments are measured by computed tomography, individual pore objects are isolated and processed for simulation. In the context of stationary calculations, a large number of individual objects are first examined in an abstracted system. The analysis of selected pores in transient flow simulations and the evaluation of the transferability of the findings complete this work.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6

Les performances dans les deux principales applications en électrochimie (batterie primaire au lithium) et en tribologie (lubrifiant solide) de carbones fluorés nanostructurés obtenus par fluoration directe sous fluor moléculaire étaient déjà remarquables mais non - optimisées du fait de la présence de défauts structuraux. Ainsi de nouvelles méthodes de synthèse ont été étudiées pour réduire ces défauts. En fonction du matériau à fonctionnaliser, différentes stratégies de synthèse ont été testées telles que la fluoration assistée, la mécanosynthèse sous atmosphère de fluor gazeux et la fluoration par décomposition d'agent fluorant appelée également fluoration contrôlée. La méthode par agent fluorant avec le tetrafluorure de terbium (TbF4) et le difluorure de xénon (XeF2) a été optimisée. Les propriétés électrochimiques, sensiblement améliorées, et tribologiques, maintenues excellentes, des nanocarbones fluorés obtenues par ces méthodes ont été axpliquées par une caractérisation physico-chimique approfondie et une combinaison de techniques (Résonance Magnétique Nucléaire, Résonance Paramagnétique Electronique, Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission, Microscopie à Force Atomique, Raman, Diffraction des Rayons X). Les mécanismes se distinguent entre les fluorations directes et contrôlée par la nature de l'espèce réactive, fluor moléculaire ou atomique, respectivement

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Les membranes lipidiques auto-assemblées présentent une riche phénoménologie de comportements dynamiques, et sont présentes dans de nombreux systèmes biologiques. Au cours de cette thèse nous avons étudié la dynamique de ces membranes dans des situations de fort confinement par des modèles théoriques simples. Nous nous sommes focalisés sur le cas d'un confinement entre deux murs, en présence d'un potentiel double-puits menant à deux états possibles d'adhésion (sur le mur du haut, ou sur celui du bas). A l'aide de modèles de lubrification, nous avons obtenu une équation différentielle nonlinéaire et nonlocale décrivant l'évolution de la morphologie de la membrane. Nous avons surtout étudié son comportement dans les systèmes bidimensionnels, où la membrane est un objet unidimensionnel. Dans ce cadre, nous avons montré que la rigidité de courbure de la membrane mène à une dynamique différente de la dynamique de mûrissement obtenue habituellement en présence d'une tension de surface. En effet, la membrane atteint rapidement une configuration gelée, qui dépend des conditions initiales. L'arrêt de la dynamique la conséquence d'une interaction oscillante entre les kinks –définis ici comme parois de domaines dans les systèmes unidimensionnels. L'organisation spatiale de la configuration finale peut être contrôlée par la perméabilité des murs : par exemple, si la membrane est initialement plane, et à mi-chemin entre les deux murs, des morphologies désordonnées sont obtenues pour des murs perméables, alors qu'un ordre à longue distance est obtenu dans le cas imperméable. Nous avons de plus montré que différents ingrédients physiques tels qu'une tension de membrane, l'asymétrie du potentiel d'adhésion, ou le bruit thermique sont susceptibles de restaurer le mûrissement, généralement au dessus d'un seul fini. Inspirés par la biolubrification, nous avons par ailleurs étudié l'influence d'un cisaillement imposé par le mouvement des murs. Les simulations montrent une dynamique riche de plusieurs régimes, qui influence la friction effective entre les murs. Pour les faibles taux de cisaillements, nous obtenons une dynamique complexe et chaotique qui engendre du mûrissement, et mène à un comportement thixotrope, où la force décroît avec le temps. Pour des taux de cisaillement modérés et fort, nous obtenons respectivement des solutions stationnaires périodiques ou du chaos spatiotemprel. Dans ces deux régimes, le système est rhéo-fluidifiant / Self-assembled lipid membranes exhibit a rich variety of dynamical behaviors, and are ubiquitous in biology. In this thesis, we report on the study of dynamics of membranes in strong confinement, using simple theoretical models. We focus on the case of confinement between two walls, in the presence of a double-well potential leading to two possible states of adhesion (on the upper or the lower wall). Using a lubrication model, we obtained a nonlinear and nonlocal partial differential equation describing the evolution of the membrane morphology. We have mainly studied the twodimensional case, where the membrane is a one-dimensional object. Within this frame, we have shown that the membrane bending rigidity leads to dynamics that are different from the coarsening behavior obtained usually in the presence of surface tension. Indeed, the membrane reaches a frozen state, which depends on the initial conditions. The freezing of the dynamics is the consequence of the oscillatory interaction between kinks –here defined as domain walls in one-dimensional systems. The spatial organization of the final state can be controlled by the wall permeability : as an example, starting from a plane membrane half-way between the two walls, disordered configurations are obtained for very permeable walls, while long range order is obtained with impermeable walls. In addition, we have shown that different physical ingredients such as membrane tension, potential asymmetry, or thermal noise, can restore coarsening, usually above a finite threshold. Inspired by biolubrication, we have also studied the influence of shear imposed by the motion of the two confining walls. Simulations show a rich behavior with several regimes, which influence the effective friction between the walls. For weak shear rates, we obtain complex and chaotic dynamics, which induce coarsening, leading to a thixotropic behavior, where the force decreases with time. For moderate or large shear rates, we respectively obtain frozen periodic stationary solutions, or spatio-temporal chaos. In these two regimes, the system exhibits shear-thinning

Les roulements soumis à des mouvements oscillatoires et des charges élevées sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux mécanismes industriels (actionneurs, commandes d’avions, machines pour l’usinage, robots, chaînes d’assemblages, …). Ces roulements sont soumis à des pressions de contact locales extrêmement élevées avec des vitesses de roulement faibles qui ne permettent pas une lubrification adéquate des interfaces des premiers corps avec de l’huile. Les essais d’endurance sur les roulements ont permis la reconstitution des courbes de dégradation pendant la vie du roulement. Des analyses des surfaces, effectués à chaque phase de la vie du roulement ont permis aussi bien de suivre l’évolution de la topographie à l’interface entre les pistes et les éléments roulants. D’autre parte, des analyses numériques par éléments finis ont permis d’obtenir des informations sur les distributions des contraintes et des déformations. Le croisement des résultats expérimentaux et numériques a donc permis la reconstruction des mécanismes locaux d’accommodation. Dans le cas d’un roulement oscillant non graissé, les déplacements relatifs et les contraintes sont principalement accommodés aux interfaces des premiers corps en contact, ce qui accélère l’endommagement final du roulement. Dans le cas d’un roulement oscillant graissé, une partie des déplacements relatifs et contraintes est accommodée dans une sous couche qui se forme dans la peau des éléments roulants. Cette accommodation se manifeste par l’accumulation de déformations plastiques qui s’avèrent être aussi à l’origine de l’endommagement final du roulement. L’analyse des surfaces de contact des roulements oscillants graissés montre qu’il se forme, en présence de la graisse et très tôt dans la vie du roulement, une couche (troisième corps graisse/particule et TTS en surface de la piste) qui protège les surfaces en contact. D’autre part, une expertise de roulement ayant fonctionné sur un avion de de type A340 révèle une forte similarité entre ses faciès d’usure et ceux obtenus lors des essais d’endurance, et valide ainsi les mécanismes d’accommodation reconstitués. Enfin, des questions portant sur les effets de la quantité de graisse, du glissement des éléments roulants, et des pauses sur un essai donné sont aussi traitées. / Bearings subjected to oscillatory motions and high loads are necessary for the operation of several industrial mechanisms (actuators, aircraft controls, machining, robots, assembly lines, ...). These bearings are subjected to extremely high local contact pressures with low running speeds, which do not permit adequate lubrication of the interfaces of the first bodies with oil. Endurance tests perfomed on commercial bearings allowed at reconstructing the evolution of the degradation curves during the bearing life. Surface analyses carried out at each phase of the bearing life also allowed at following the evolution of the topography at the interface between the bearing raceways and the rolling elements. On the other hand, numerical analyses, by finite element method, have led to obtain information on the distributions of stresses and deformations. The dialogue between experimental and numerical results allowed the reconstruction of the local accomodation mechanisms. In the case of ungreased oscillating bearings, the relative displacements are mainly accommodated at the surfaces of the first bodies in contact, which accelerates the damage of the bearing. In the case of greased oscillating bearings, part of the relative displacements and stresses are accommodated at the subsurface of the rolling elements. This accommodation mechanism is manifested by the accumulation of plastic deformations which are at the origin of the final degradation of the bearing. The analysis of the contact surfaces of the raceways of the greased oscillating bearings shows as well that, in the presence of grease, a layer (third body mixture of grease and particles, and TTS on the track surface) protects the surfaces of the raceway and thus accommodates the other part of the displacements and stresses. On the other hand, the analysis of an airelon bearing, dismounted from an A340 type aircraft, revealed a strong similarity between its topographies and those obtained during the performed endurance tests, validateing the reconstructed accommodation mechanisms. Finally, questions about the effects of the amount of grease, sliding of the rolling elements, and pauses on a given test heve been discussed too.

Quelques développements sont démontrés dans cette thèse, du modèle de contact au modèle de roulement et du modèle de roulement-rotor à la technique de reproduction par bancs. Tout d’abord, la méthode de perturbation est étendue afin de prouver que la rigidité et l’amortissement distribués en état stable EHL ne remplissent pas les conditions transitoires et que les coefficients intégrés ne sont pas appropriés pour les analyses dynamiques. La loi de distribution de la rigidité et l’amortissement du film d’huile de l’EHL est proposée. En combinant l’état initial d’une solution stable avec l’amortissement et la rigidité distribués de l’EHL transitoire, les comportements du film d’huile peuvent être prédits. Par la suite, l’effet du contact en bordure entre le cylindre et le courant est pris en compte dans les transmissions de roulement. Les méthodes d’approximation première et seconde sont proposées pour interpréter numériquement cet effet. La méthode d’approximation première se concentre sur l’adoption de la méthode du coefficient d’influence pour reproduire l’effet de contact de même que l’utilisation du procédé de normalisation pour respecter les résultats empiriques ; alors que la méthode d’approximation seconde se concentre sur une manière analytique rapide de décrire la pression Hertz au contact entre le cylindre et le courant. Ensuite, les matrices de roulements pratiques sont utilisées pour développer un code de dynamiques 3D du roulement-rotor, basé sur des formules Hertz et EHL classiques. En temps-domaine, la méthode Adams quatre-ordres est améliorée pour résoudre les équations incrémentées des dynamiques non-linéaires. En fréquence-domaine, la méthode analytique de HB-AFT est particulièrement employée pour combler des matrices de roulement en 3D et des solutions d’état stable 3D. De plus, la méthode de continuation arc-longueur augmente la vitesse de calcul. En utilisant les deux méthodes, certains facteurs peuvent être considérés qualitativement et quantitativement, en incluant les états initiaux, l’amortissement, l’excentricité et les tensions internes et externes. Enfin, une technique alternative est proposée pour reproduire les comportements de contact à l’intérieur des roulements sous une forte charge et des vibrations à haute fréquence, lorsque les paramètres actifs sont en sous capacité du banc. Cette thèse apporte des visions nouvelles mais simples sur ce qui se produit sur les contacts roulants et longitudinaux d’un roulement circulaire ; sur comment modéliser et résoudre le système non-linéaire de roulement-rotor en domaines à la fois temps et fréquence ; et sur le moyen de reproduire des conditions de contact extrême à l’intérieur des roulements. / Some developments on bearing applications are emphasized in this thesis, from contact model to bearing model, and from bearing-rotor model to bench reproduction technique. First, perturbation method is extended to prove that steady-state EHL distributed damping and stiffness do not satisfy the transient conditions, and steady-state EHL lumped coefficients are not suitable for dynamic analysis. Distribution law of EHL oil film damping and stiffness is attemptly proposed. Combining initial state of steady-state solution with transient EHL distributed stiffness and damping, dynamic behaviors of oil film are predicted. Second, edge effect of roller/race contact is considered in bearing transmissions. First and second approximation methods are proposed to numerically interpret this effect. First approximation method concentrates on adopting influence coefficient method to replay edge effect as well as using normalization process to respect empirical results, while second approximation method focuses on a fast-analytical manner of describing Hertz pressure inside roller slice. Third, practical bearing matrices are used to develop 3D bearing-rotor dynamics code, based on classical Hertz and EHL formulas. In time domain, four-order Adams method is improved to solve incremental nonlinear dynamics equations; In frequency domain, analytical method of HB-AFT is particularly employed to bridge 3D bearing matrices and 3D steady-state solutions, besides, arc-length continuation method increases calculation speed. Using both methods, some factors can be considered qualitatively and quantitatively, including initial states, damping, eccentricity, internal and external excitations. Last, an alternative technique is proposed to reproduce contact behaviors inside bearings under heavy loading and high-frequency vibrations, when working parameters are beyond bench capacity. This thesis gives new but simple insights into what happens to rolling and longitudinal contacts of bearing roller, how to model and solve nonlinear bearing-rotor system in both time and frequency domains, and where a way is to reproduce extreme contact conditions inside bearings using bench.

Le chrome dur, utilisé comme revêtement de tige d’actionneurs hydrauliques linéaires, a été interdit pour risque sanitaire (directive européenne REACH). A cet effet, un revêtement de WS2 a été sélectionné par Safran Landing Systems pour substituer le chrome dur comme revêtement de tige de piston de frein hydraulique. La démarche de sélection utilisée, est limitée par son incapacité à expliquer les performances observées et démontre le besoin d’une démarche de sélection d’autant plus appropriée que la notion d’étanchéité des actionneurs hydrauliques linéaires est « floue ». Comme, la tribologie n’a pas vocation à caractériser les revêtements de surface, parce que son plus petit objet d’étude est un triplet tribologique, cette étude propose l’évaluation de la compatibilité tribologique du revêtement de WS2, avec la fonction d’étanchéité. La démarche utilisée montre que l’étanchéité est régie, par un critère en pression, et par une vérification des caractéristiques tribologiques du système tige/joints requises pour la réalisation de l’étanchéité ; ce qui nécessite un piston hydraulique instrumenté. L’absence de ce piston est compensée par une « caractérisation tribologique approchée » du contact tige/joints, qui associe les expertises tribologiques de pistons hydrauliques d’essais de qualification, appuyées par un modèle éléments finis (EF) du piston hydraulique d’une part, et les résultats d’un essai de frottement piste/joints, conçus à cet effet à l’aide d’un modèle EF d’autre part. Les résultats montrent que le système tige/joints présente de bonnes caractéristiques tribologiques pour le facteur de frottement et l’usure, alors que la localisation de l’accommodation de vitesses dans le cas du contact tige/joint d’étanchéité, accélère le débit source du revêtement et limite sa durée de vie. Enfin, cette thèse comble un vide méthodologique en proposant, une démarche de sélection d’un revêtement pour une application tribologique, et une démarche de triboconception d’un actionneur hydraulique linéaire dans le cas d’un fonctionnement quasi-statique. / Hard chromium used as rod coating in linear hydraulic actuators has been forbidden by the European Directive REACH. In this situation, a WS2 coating has been selected by Safran Landing Systems to replace the hard chromium coating on rod pistons actuators of landing gear braking systems. The selection method was unable to explain the observed performance, and shows the lack of an appropriate methodology for the rod coating selection, mainly because the sealing concept is rather vague. Since tribology is not intended to characterize surface coatings, because its smallest object of study is a tribological triplet, this study proposes the evaluation of the tribological compatibility of the WS2 coating with the sealing function of the hydraulic piston. The adopted approach shows that the sealing performance is governed by a rod/seal contact pressure criterion and by the verification of the tribological characteristics of the rod/seal contact required to achieve a sealing performance. This tribological characterization requires an instrumented hydraulic piston. The absence of this piston is compensated by an "approximate tribological characterization" of the rod/seal contact, which combines the tribological expert analysis of hydraulic pistons of qualification tests, supported by a finite elements model (FE) of the hydraulic piston, and the results of a plate rod/seal friction test, designed for this purpose using another FE model. The results show that the rod/seal contact exhibits good tribological characteristics for the friction factor and wear, whereas the location of the velocity accommodation in the case of the rod/anti-extrusion seal contact accelerates the 3rd body generation of the coating and limits its life expectancy. Finally, this thesis fills a methodological lack by proposing a method of selecting a coating for a tribological application and a triboconception method of a linear hydraulic actuator in the case of quasi-static operating conditions.

Le développement de lubrifiants haute performance pour réduire le frottement dans les moteurs et limiter la consommation de carburant, demeure un défi majeur pour les fabricants d’huiles. Les améliorants d'indice de viscosité (VII) sont des polymères couramment utilisés pour réduire la dépendance en température de la viscosité du lubrifiant, afin de maintenir une lubrification hydrodynamique acceptable à haute température. Ce travail se concentre sur la compréhension du rôle des VII dans les lubrifiants moteur afin de relier leur réponse tribologique et leur comportement rhéologique. Des lubrifiants simplifiés sont étudiés, composés de divers polymères de différents poids moléculaires et conformations, ajoutés à une huile de base minérale. Premièrement, la dépendance de la viscosité à la température et la pression de ces lubrifiants est étudiée. Il est montré que leur comportement rhéologique résulte de mécanismes se produisant à l'échelle moléculaire, en considérant les notions de solubilité, rayon hydrodynamique et d’effets de conformation. Ensuite, la dépendance viscosité-cisaillement est discutée en fonction de la structure des polymères et prédite sur une large gamme de températures et de pressions à travers un modèle conventionnel. Cependant, les hypothèses qui sous-tendent ce modèle nous amènent à proposer une relation plus appropriée prenant en compte la viscoélasticité des lubrifiants. Enfin, des mesures d'épaisseur de film sont effectuées pour explorer comment l'addition de polymère affecte la réponse du lubrifiant dans les régimes élastohydrodynamique et thin film. Elles sont comparées aux prévisions analytiques basées sur les modèles rhéologiques établis précédemment. Il est montré i) une bonne adéquation entre les prévisions et les données expérimentales dans le régime EHD et ii) la présence d’une épaisseur critique pour certains polymères à partir de laquelle les résultats s’écartent significativement des prévisions. Ce régime thin film, aux faibles épaisseurs, est expliqué par le comportement non newtonien des lubrifiants et l'adsorption des polymères aux surfaces. / The development of high-performance lubricants to reduce engine friction and consequently fuel consumption remains a major challenge for oil manufacturers. Viscosity Index Improvers (VII) are polymer additives used for decades to limit the dependency of the lubricant’s viscosity on temperature, to maintain an acceptable hydrodynamic lubrication at high temperature, without experiencing excessive frictional and thermal losses at low temperature. This work focuses on understanding the role of VII in engine lubricants with the aim to bridge their tribological response with their rheological behavior. Simplified lubricants are studied, composed of various polymers of different molecular weights and conformations added to a mineral base oil. In a first part, the viscosity-temperature-pressure dependence of these lubricants is investigated. Their rheological behavior is shown to result from mechanisms occurring at molecular scale, by considering the notions of solubility, hydrodynamic radii and conformation effects. In a second part, the viscosity-shear stress dependence is discussed according to the polymers structure and predicted on a large range of temperatures and pressures through a conventional model. However, the strong assumptions behind this model lead us to propose a more appropriate relationship which takes into account the viscoelastic properties of the lubricants. Finally, film thickness measurements are conducted to explore how the polymer addition affects the lubricant’s response in the Elastohydrodynamic and Thin Film regimes. They are compared with analytical predictions based on the rheological models established previously. It is shown that i) there is a good agreement between predictions and measured film thicknesses in the EHD regime and ii) at lower thickness, i.e. in the Thin Film regime, some polymers show a critical thickness from which the film thickness significantly departs from the predictions. Several explanations are considered, among them the non-Newtonian behavior of the lubricants and the adsorption of polymers on the solid bodies.