Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2004--Erlangen.

Ziel der Untersuchungen war es, Grundlagen für den Einsatz von hochgefüllten WPC in tribologisch funktionalen Maschinenelementen, wie z. B. Gleitschienen in Stückgutförderern zu schaffen. Aufbauend auf einem Kurzzeitversuch verschiedener hoch gefüllter WPC mit Polypropylenmatrix (PP- Matrix), wurde untersucht, wie sich ein steigender Holzanteil, eine Wasserlagerung sowie die Matrix selbst durch Ersatz der PP durch eine Polyethylenmatrix (PE-Matrix) auf das tribologische Langzeitverhalten des Werkstoffes auswirken. / The aim of the research was to create basic knowledge for the use of highly filled WPC in tribological functional machine elements, e. g. sliding rails in conveyors. Based on a short-term test of several highly filled WPCs with polypropylene matrix (PP matrix), the impact of several parameters on the long-term performance of WPC was investigated. These parameters were: a rising proportion of wood, an immersion in water over 700 hours and the matrix itself. In that case the PP matrix was replaced by a polyethylene matrix (PE matrix).

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.

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.

L’oxygène liquide est utilisé principalement dans le domaine de la propulsion spatiale et la connaissance des mécanismes d’usure dans cet environnement est donc indispensable pour le développement des différents moteurs. Ce domaine est mal connu car l’oxygène liquide est un des rares fluides à associer trois propriétés spécifiques pouvant influencer les mécanismes du contact. Ces trois propriétés tribologiques spécifiques sont l’état liquide, la réactivité et la température cryogénique. Une campagne d’essais a été réalisée dans le cadre du projet européen In Space Propulsion-1 (ISP-1) afin d’identifier l’influence de chacune de ces propriétés sur un contact PCTFE/métal. Plusieurs comportements ont ainsi été explicités. D’abord, la présence de lubrification limite a été mise en évidence dans le cas d’un contact en azote liquide. Ensuite,la rugosité de la piste s’est révélé un paramètre fortement influent sur l’usure, les frottements ainsi que sur la formation d’un film de transfert de PCTFE sur le disque. Ce transfert de PCTFE a une grande influence sur le contact. Son épaisseur ainsi que sa régularité influencent directement les mécanismes du contact et plus particulièrement l’usure. Enfin, ces films de transfert se forment rapidement et leur épaisseur augmente avec la distance de glissement, changeant ainsi la vitesse d’usure. Tous ces mécanismes sont très dépendants de la température de surface au niveau du contact qui peut modifier les paramètres des matériaux. L’étude a donc été complétée en comparant une évaluation théorique de la température de surface avec une extrapolation de cette même température à partir des données mesurées dans le pion pendant la réalisation des essais. / Liquid oxygen is mainly used for space propulsion. The knowledge of the wear mechanisms in this environment is therefore essential for the development of the engines. Wear mechanisms in liquid oxygen are not well known because liquid oxygen is one of the few fluids combining three tribological properties that can influence contact mechanisms. These three specific tribological properties are the liquid state, the reactivity and the cryogenic temperature. A test campaign was performed in the frame of the European project In Space Propulsion-1 (ISP-1) to identify the influence of each one of these properties on the PCTFE/metal contact. Several behaviors have been explained. First, boundary lubrication has been demonstrated for contactin liquid nitrogen. Then, we confirmed that disk roughness was greatly affecting wear, friction and PCTFE transfer film formation on the disk. This PCTFE transfer film has a great influence on the contact properties. Its thickness and its regularity directly influence contact mechanisms, especially wear. Finally, the transfer film is easily formed and the thickness increases with the sliding distance, thereby changing the wear rate. All these mechanisms are highly dependent on the surface temperature at the contact interface, which can modify the materials parameters.The study was completed by comparing a theoretical evaluation of the surface temperature with an extrapolation of this same temperature from the measured data in the pin during the experiments.

Cette thèse traite de l'étude du comportement du contact disque-garniture sous sollicitations sévères de freinage rencontrées lors de freinages d'arrêt d'urgence ou de successions de freinages rapprochés avec cumul de chaleur. L'approche adoptée est multiphysique par la prise en compte des interactions entre tribologie, thermique et physicochimie, et l'étude est présentée en 4 parties.<br />La première présente la caractérisation des matériaux étudiés (un matériau composite à matrice organique et une fonte GL) et les moyens expérimentaux utilisés.<br />La seconde concerne la dégradation du matériau composite avec la température et l'influence de cette dégradation sur le comportement tribologique du couple de matériaux et les mécanismes physiques de frottement activés au contact.<br />La troisième présente l'étude du comportement en freinage du contact disque-garniture sous les deux types de sollicitations sévères. Les évolutions du coefficient de frottement sont corrélées aux phénomènes de localisation thermique de surface observés par thermographie infrarouge et aux mécanismes physiques identifiés à partir d'observations et d'analyses des surfaces après freinage.<br />La quatrième est dédiée à l'étude de l'évolution des mécanismes physiques de frottement activés pendant un freinage d'arrêt isolé à haute énergie et de leur interaction avec les phénomènes thermiques locaux et transitoires observés en surface. Des observations et des analyses de surfaces sont menées après des freinages interrompus avant l'arrêt à des instants typiques du freinage. Des observations in-situ de la piste de frottement du disque en vidéo rapide permettent d'appuyer les résultats déduits des observations post-mortem.

Die wesentlichen Ziele der vorliegenden Arbeit bestehen darin, das Verständnis für die Einsatzgrenzen und -möglichkeiten von thermoplastischen Massivgleitlagern radialer Ausführung unter den verschiedenartigen Betriebsbedingungen zu verbessern, die Kompliziertheit des tribologischen Systems Polymer-gleitlager / Welle zu verdeutlichen und ggf. Problemlösungen anzubieten. Es werden dafür die Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen mit Mantel- und Buchsen-lagern im Langzeitbetrieb und im Aussetzbetrieb, jeweils mit und ohne Initialschmierung, vorgestellt und bewertet. Im Vordergrund stehen das Reibungs- und Verschleißverhalten jener Gleitlager. Die falsche Auslegung des Lagerspiels ist bei Trockenlaufgleitlagern wahrscheinlich die häufigste Ausfallursache. Die Ergebnisse eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Rechengangs für die Bestimmung des notwendigen Einbaulagerspiels von Buchsenlagern werden den experimentell ermittelten Ergebnissen gegenübergestellt. Die Berechnungen ergeben nach bisherigem Wissen im Vergleich zu den Lagerspielversuchen etwas größere notwendige Einbaulagerspiele.