Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée. / A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized.

Afin d’améliorer l’efficacité des traitements des pathologies articulaires, en tenant compte de leur complexité et de leur ampleur, des études récentes ont mis en évidence le rôle des assemblages lipidiques associés à la structure discontinue du fluide synovial dans le contrôle du fonctionnement tribologique articulaire. Ceci à conduit à la mise au point d’un modèle tribologique ex vivo (thèse AM Sfarghiu, 2006), proposant un « motif élémentaire » de la biolubrification articulaire, constitué de l’empilement d’interfaces phospholipidiques et de couches aqueuses. En utilisant ce modèle, l’objectif de ce travail a été d’étudier l’évolution des interfaces phospholipidiques du fluide synovial en présence de pathologies. Pour ce faire, une méthodologie nano-bio-tribologique alliant des analyses biochimiques, physicochimiques, nano-mécaniques et tribologiques a été utilisée. Les résultats de ces analyses montrent : l’influence de la faible rugosité des surfaces frottantes caractérisant les stades précoces des pathologies et celle des propriétés des interfaces phospholipidiques (liées à la variation de leur composition) sur la résistance mécanique, l’évolution au cours du frottement et la dégradation in situ des assemblages lipidiques des fluides synoviaux pathologiques. Le comportement des assemblages lipidiques est accentué par l’action des enzymes associées aux pathologies. Par conséquent, le fonctionnement articulaire dépend de la résistance mécanique des interfaces phospholipidiques et pour obtenir des coefficients de frottement très bas, l’accommodation de vitesse doit s’effectuer au niveau des couches d’hydratation qui entourent les ions présents dans la couche aqueuse. Ces résultats permettront de comprendre à court terme l’évolution des interfaces phospholipidiques dans les pathologies articulaires et, à plus long terme le bon enchaînement cause/conséquence responsable d’une pathologie articulaire afin de développer des traitements plus efficaces, ciblés et non prothétiques. / In order to improve the effectiveness of joint diseases’ treatments, given their complexity and magnitude, recent studies have highlighted the role of lipid assemblies associated with the discontinuous structure of the synovial fluid (SF) in the tribological performance of joint operation. Thus, an ex vivo tribological model (AM Sfarghiu, PhD thesis, 2006) providing a "basic pattern" for joint biolubrification was developed. It consists of the stack of phospholipidic interfaces and aqueous layers. Using this model, the objective of this work was to study the evolution of phospholipidic interfaces of SF within pathological state. Therefore, a nano-bio-tribological methodology combining biochemical, physicochemical, nano-mechanical and tribological analysis was used. The results of these analyses show: the influence of even small rubbing surfaces’ roughness characteristics of early stage illness and that of phospholipidic interfaces’ properties (related to their composition change) on the mechanical strength, changes in friction and in situ degradation of lipidic assemblies of pathological SF. The tribological operation is highlighted by enzymes’ associated with diseases. Thus, joint operation depends on the mechanical strength of phospholipidic interfaces and to obtain very low friction coefficients, velocity accommodation must be done at the level of hydration layers surrounding ions in the aqueous solution. These results would therefore allow better understanding of the evolution of phospholipidic interfaces in joint diseases and of the proper cause/consequence sequence responsible for a joint disease in order to develop more effective, targeted and non prosthetic treatments.

Hard chrome exhibit hardness of about 70 HRC and lubricity that prevents seizing and galling and is therefore the common first choice for engineers to reduce friction and minimize wear. These properties enable engineering applications such as cutting and drilling, especially in manufacturing, production and consumer good industries. Hard chrome has a wide set of functions as being decorative, corrosion resistant and ease cleaning procedures. Hence, electroplating is a common process to synthesize hard chrome butthis process is banned by EU due to the rise of hazardous components. However, the need for alternative material is at rise but, fundamental issues for hard chrome are yet to be solved. The purpose of the work is to develop atomic structures for two systems using different programs such as OpenMX, VESTA and Ovito. The goal is to identify atomic wear mechanisms of hard chrome in an ideal system (Al2O3- Cr) and a real system (Al2O3 - Cr2O3) using density functional theory (DFT). These two systems are analyzed since every surface oxidises in air (real system) and under increased mechanical loads the pristine surface of hard chrome (ideal system) can be exposed to the counter body (Al2O3). DFT based molecular dynamics simulations are carried out at a temperature of 300 K and a sliding speed of 10 ms−1. The simulation interval is 0-15000 fs and radial distribution function (RDF) is employed to analyse the atomic wear mechanisms. Both systems start to show adhesive wear due to amorphization, mixed with signs of abrasive wear on the atomic scale. The systems are further analyzed using electron density distribution (EDD), that plots electronic structures enhancing the analyse of different type of bondstaking place. The bulk structures mainly show covalent bonds with ionic and metallic bonds less represented. Furthermore, same observations have been made for the interfaces of the ideal and real system. / Hårdkrom uppvisar hårdhet på ungefär 70 HRC och en smörjförmåga som förhindrar nötning och är därför det vanliga första valet för ingenjörer att minska friktionen och minimera slitaget. Dessa egenskaper möjliggör tekniska tillämpningar, såsom skärning och borrning, särskilt inom tillverknings, produktions och konsumentvaruindustrin. Hårdkrom har ett brett användningsområde och flera egenskaper såsom att vara dekorativ, korrosionsbeständig och underlätta rengöringsprocedurer. Därav är galvanisering en vanlig process för att syntetisera hårdkrom, men denna process är förbjuden av EU på grund av utsläpp av farliga komponenter. Behovet av alternativt material är vid uppgång men, de grundläggande problemen för hård krom är ännu inte lösta. Syftet med arbetet är att ta fram atom strukturer för två system med hjälp av olika program, såsom OpenMX, VESTA och Ovito. Målet är att identifiera vilken typ av nötning som sker på hårdkrom i ett idealt system (Al2O3- Cr) och i ett verkligt system (Al2O3- Cr2O3) genom att använda täthetsfunktionalteorin (DFT). Dessa två system analyseras eftersom varje yta oxiderar i luften (verkligt system) och under ökade mekaniska belastningar kan den orörda ytan av hårtkrom (idealiskt system) exponeras för motkroppen (Al2O3). DFT simuleringar är skapade med en temperatur på 300 K och en glidningshastighet på 10 ms−1. Simulerings intervallet är från 0-15000 fs och med hjälp av radiell fördelningsfunktion (RDF) analyseras de atomiska nötnings mekanismerna. Båda systemen börjar visa adhesiv nötning på grund av amorfisering, samt ett tecken på abrasiv nötning på en atomisk skala. Systemen analyseras vidare med användning av elektrondensitetsfördelning (EDD) som plottar elektroniska strukturer vilket förbättrar analysen av olika typer av bindningar som äger rum. Bulkstrukturerna visar huvudsaklig en kovalent bindning med joniska och metalliska bindningar mindre representerade. Samma observationer har gjorts för gränssnitten mellan det ideala och verkliga systemet.

Magnesium with two-thirds of the density compared to aluminium and one-quarter of steel, intrigues product developers and material scientists due to the light metal’s excellent combination of strength to weight ratio as well as their capability of being produced as a High Pressure Die Cast component compared to other ferrous or light metal alloys.   However, a magnesium alloy inherits some concerning drawbacks, limiting the exploitation in structural applications and mechanical design such as automotive, heavy machinery and aerospace components. The need for a magnesium alloy that could withstand a sufficient amount of wear, temperature and corrosive environment, leads towards the investigation and evaluation of a suitable, functional coating as a solution to exploit the evident advantages a magnesium alloy exhibits. A substantial amount of research is required in order to reduce an existing knowledge gap that is the ongoing development in the search for a sufficient functional coating and adherence capability to the highly reactive substrate that is a magnesium alloy.   This industrial master thesis is an early stage investigation to evaluate how the currently used aluminium substrate with an electrodeposited coating relate and compares to a heat-treated electroless deposited coating through tribological and thermophysical induced stresses. These properties are tested with proven industrial standard methods resulted in a comprehensive conclusion and discussion regarding the feasibility of applying the coating onto a commercial magnesium alloy closely related to the Mg-alloy developed by Husqvarna and thereby contributing to technological advances to the highly relevant topic within product development in materials engineering.

[ES] Con el aumento de la demanda de soluciones más amigables con el medio ambiente en la industria de la automoción, el motor de combustión interna alternativo (MCIA) enfrenta actualmente grandes desafíos para minimizar su consumo de recursos no renovables y especialmente, para reducir sus emisiones contaminantes. Debido a que el aporte de los MCIAs es fundamental para cubrir las necesidades de movilidad y de generación de energía alrededor de todo el mundo, y el hecho de que diferentes alternativas, como los motores eléctricos e hibrido, están y continuaran enfrentado múltiples obstáculos para su implementación masiva en el futuro cercano, la investigación continua en MCIA es fundamental para cumplir con los propósitos de reducción de emisiones. En este aspecto, una aproximación para el aumento de la eficiencia del motor y la reducción del consumo de combustible es mediante la implementación de alternativas dirigidas a reducir las pérdidas mecánicas por fricción. Estas alternativas tribológicas incluyen aquellas que requieren modificaciones en los componentes del motor, como materiales y acabados superficiales, y el uso de formulaciones de aceite lubricante de menor viscosidad o aditivos que mejoren las condiciones de lubricación del motor. Con la contante evolución y mejoras en el MCIA y las condiciones de trabajo cada vez más severas, también surgen nuevas alternativas tribológicas para enfrentar los nuevos desafíos del motor, y por tanto se requiere de investigaciones adicionales en este tema. Durante el desarrollo de esta Tesis, uno de los objetivos consistió en contribuir a la investigación del uso de aceites de baja viscosidad para el ahorro de combustible como un efecto conjunto con las condiciones de conducción del vehículo. Para llevar a cabo este objetivo, se desarrollaron ensayos experimentales bajo condiciones estacionarias en un banco de motor con formulaciones de aceite de diferente viscosidad HTHS, algunas de ellos con aditivo modificador de fricción para expandir el rango de reducción de fricción a condiciones de lubricación más severas. Los mapas de consumo de combustible resultantes de estos ensayos fueron utilizados en un modelo de simulación del vehículo para estimar su consumo de combustible como función del aceite y las condiciones de trabajo de tres ciclos de conducción. Con el objetivo de expandir los conocimientos en los fundamentos de lubricación de los MCIAs y tener la capacidad de evaluar otras alternativas para reducir las pérdidas por fricción, se consideró necesario enfocar la investigación en el conjunto pistón-camisa, que es el par tribológico con mayor aporte a las perdidas por fricción. Para conseguir este objetivo, durante esta Tesis se desarrolló una maqueta específica para el ensamble pistón-camisa, y un modelo teórico para simular la lubricación del segmento de compresión. Para la primera parte, la maqueta se desarrolló basada en el método de camisa flotante, en el cual la camisa fue aislada del resto del motor y la fuerza de fricción generada en la interfaz pistón-camisa pudo ser medida mediante sensores de fuerza. En esta instalación se desarrollaron diferentes ensayos los cuales permitieron llevar a cabo un análisis exhaustivo de los fundamentos de lubricación de este par tribológico como función de diferentes parámetros que tiene impacto en las condiciones de lubricación. Este estudio se complementó con el desarrollo de un modelo de lubricación para el segmento de compresión basado en el método de diferencias finitas. Finalmente, se llevó a cabo una comparativa de resultados experimentales y teóricos para el segmento de compresión, lo cual permitió validar los ensayos experimentales en la maqueta de camisa flotante, así como el modelo de simulación desde el punto de vista de datos de entrada, condiciones de contorno y supuestos. / [CA] Amb l'augment de la demanda de solucions més amigables amb el medi ambient en la indústria de l'automoció, el motor de combustió interna alternatiu (MCIA) s'enfronta actualment a grans desafiaments per minimitzar el seu consum de recursos no renovables i especialment, per reduir les seves emissions contaminants . Tenint en compte que l'aportació dels MCIA és fonamental per a cobrir les necessitats de mobilitat i generació d'energia arreu de tot el món, i el fet que diferents alternatives, com els motors elèctrics i híbrids, estan i continuaran enfrontat múltiples obstacles per a la seva implementació massiva al proper futur, la investigació contínua en MCIA és fonamental per complir amb els propòsits de reducció d'emissions. En aquest aspecte, una aproximació per a l'augment de l'eficiència del motor i la reducció de consum de combustible és mitjançant la implementació d'alternatives dirigides a reduir les pèrdues mecàniques per fricció. Aquestes alternatives tribològiques inclouen aquelles que requereixen modificacions de components del motor, com materials i acabats superficials, i l'ús de formulacions d'oli lubricant de menor viscositat o additius que milloren les condicions de lubricació del motor. Amb la constant evolució i millores en el MCIA i les condicions de treball cada vegada més severes, també sorgeixen noves alternatives tribològiques per enfrontar els nous desafiaments del motor, i per tant es requereix d'investigacions addicionals en aquest tema. Durant el desenvolupament d'aquesta Tesi, un dels objectius va consistir a contribuir a la investigació de l'ús d'olis de baixa viscositat per a l'estalvi de combustible com un efecte conjunt amb les condicions de conducció de vehicle. Per dur a terme aquest objectiu, es van desenvolupar assajos experimentals sota condicions estacionàries en un banc de motor amb formulacions d'oli de diferent viscositat HTHS, algunes d'elles amb additiu modificador de fricció per expandir el rang de reducció de fricció a condicions de lubricació més severes . Els mapes de consum de combustible resultants d'aquests assajos van ser utilitzats en un model de simulació del vehicle per estimar el seu consum de combustible com a funció de l'oli i les condicions de treball de tres cicles de conducció. Amb l'objectiu d'expandir els coneixements en els fonaments de lubricació dels MCIAs i tenir la capacitat d'avaluar altres alternatives per reduir les pèrdues per fricció, es va considerar necessari enfocar la recerca al conjunt pistó-camisa, que és el parell tribològic amb major aportació a les perdudes per fricció. Per aconseguir aquest objectiu, durant aquesta Tesi es va desenvolupar una maqueta específica per al acoblament pistó-camisa, i un model teòric per simular la lubricació del segment de compressió. Per a la primera part, la maqueta es va desenvolupar basada en el mètode de camisa flotant, en el qual la camisa va ser aïllada de la resta del motor i la força de fricció generada en la interfície pistó-camisa va poder ser mesurada mitjançant sensors de força. En aquesta instal·lació es van desenvolupar diferents assajos els quals van permetre dur a terme una anàlisi exhaustiva dels fonaments de lubricació d'aquest parell tribològic com a funció de diferents paràmetres que tenen impacte en les condicions de lubricació. Aquest estudi es va complementar amb el desenvolupament d'un model de lubricació per al segment de compressió basat en el mètode de diferències finites. Finalment, es va dur a terme una comparativa de resultats experimentals i teòrics per al segment de compressió, la qual cosa va permetre validar els assajos experimentals a la maqueta de camisa flotant, així com el model de simulació des del punt de vista de dades d'entrada, condicions de contorn i hipòtesis. / [EN] With the increasing demand for greener solutions in the automotive industry, the ICE is currently facing great challenges to minimize the consumption of nonrenewable resources and specially to reduce its harmful emissions. Given that the contribution of the ICE is fundamental to cover the actual mobility and power generation needs worldwide, and the fact that different power-train alternatives, such as electric and hybrid vehicles, are and will continue facing multiple obstacles for their large-scale implementation in the near future, the continuous research on the ICE is fundamental in order to meet the emissions reduction targets. In this regard, one approach to increase the engine efficiency and reduce the fuel consumption, is through the implementation of alternatives aimed to reduce the friction mechanical losses. These tribological alternatives include those that require modifications to the engine components, such as materials and surface finishes, and the use of lubricant oil formulation of lower viscosity or additives that improve the lubrication performance of the engine. With the ongoing evolution and improvement of the ICE and the increasingly severe working conditions, new tribological solutions also emerge to face the new challenges in the ICE, and therefore further research is required on this subject. During the development of this Thesis, one of the objectives was to contribute to the research on low viscosity engine oils for fuel economy as a joint effect with the driving conditions of the vehicle. To accomplish this, experimental tests were performed under stationary conditions in an engine bench test for oil formulations of different HTHS viscosity, some of them with friction modifier additive to expand the friction reduction effect to more severe lubrication conditions. The resultant fuel consumption maps were then employed in a vehicle model to estimate the fuel consumption of the vehicle as function of the oil formulation and the working conditions of the three driving cycles. With the aim of expanding the knowledge on the lubrication fundamentals of the engine and to have the capability to assess other alternatives to further reduce the friction mechanical losses, it was deemed necessary to focus the research on the piston-cylinder liner assembly, the tribo-pair of major friction share. In order to achieve this objective, a test rig was developed in this Thesis specific for the piston-liner assembly, and a theoretical model to estimate the lubrication of the piston compression ring. For the first part, the test rig was designed based on the floating liner method, where the cylinder liner was isolated from the rest of the engine and the friction force generated in the piston-liner conjunction could be measured by means of force sensors. Different tests were developed in this test rig which allowed a comprehensive analysis of the piston lubrication fundamentals as function of different parameters having an impact on the lubrication performance of this assembly. This study was complemented with the development of a piston compression ring lubrication model based on the finite differences method. A comparison of experimental and theoretical results was performed for the piston compression ring that helped to validate both the experimental tests in the floating liner and the simulation model from the point of view of input data, boundary conditions and assumptions. / Bastidas Moncayo, KS. (2021). Experimental and analytical study of the mechanical friction losses in the piston-cylinder liner tribological pair in internal combustion engines (ICE) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172188 / TESIS

High-performance materials such as stainless steels and nickel based super alloys are widely used in demanding applications where high mechanical and thermal properties are required. The applications of super alloys are mainly found in jet engines, power plants and gas turbines demanding high fatigue strength, corrosion and oxidation resistance as well as wear resistant properties. In order to use them, they go through various machining processes such as milling, turning, cutting, polishing etc. until the final product is achieved. Modern manufacturing industries employs various machining tools and technologies to improve the machining process of heat resistant super alloys. However, there are still challenges which needs to be addressed. Among them, adhesive wear of the machining tools is one of the main wear mechanism during the tribological interaction of tool and workpiece, preventing them to achieve the desired quality and surface finish of the end product. Moreover, it damages the tool reducing its lifecycle and in return, increasing the production cost. Among the cutting tools tungsten carbide (WC/Co) tools coated with TiAlN coating due to their good high temperature performance are extensively used. Nonetheless, these coatings still face issue like adhesive wear, abrasion, oxidation at higher temperature damaging the tools and subsequent machining. Therefore, it is imperative to understand the initiation mechanism of adhesive wear during the tribological interaction of super alloys and coated cutting tool material. In this research work, the tribological response of two coatings deposited by physical vapour deposition (PVD), having the composition Ti60Al40N and Ti40Al60N have been studied against two super alloys material, i.e. Inconel 718 and stainless steel 316L. A high temperature SRV (Schwingung (Oscillating), Reibung (Friction), Verschleiß (Wear)) reciprocation friction and wear test set up was employed to investigate the friction behaviour, wear rate and dominant wear mechanisms.  For Ti60Al40N coating, the experimental results revealed that generally, friction increases in case of sliding against Inconel 718 up to 400 °C and drops at 760 °C. A high wear volume at room temperature and a decrease to a minimum at 760 °C has been observed for Inconel 718. On the other side, Stainless steel 316L (SS 316L) faces a continuous rise in friction coefficient with highest value at 760 °C during sliding against Ti60Al40N coating. Wear is highest at 400 °C for SS 316L pin. The worn surfaces shows that both workpiece materials experience increase in material transfer due to adhesive wear with rise in temperature. At 400 °C, adhesion is the primary wear mechanism for both workpiece materials. A further rise in temperature to 760 °C promotes the adhesive wear through oxides formation on both material surfaces.  Similarly, Ti40Al60N coating shows the same friction behaviour with change in average steady state friction values for both material of Inconel 718 and SS 316L. Both workpiece materials responds in a similar way to wear volume loss, i.e. lowest at room temperature and highest at 760 °C. For Inconel 718, transfer of coating constituents on to the Inconel 718 pin surface was detected and associated with coating rupture and peeling, exacerbating with rise in temperature. Adhesion, abrasion, and oxidation are primary wear mechanisms at 400 °C and 760 °C. For SS 316L, coating transfer only happen at 400 °C. No damage of coating at 40 °C, a complete damage at 400 °C, and formation of dense porous oxides layers at 760 °C have been noticed. At 400 °C, adhesion, abrasion, and chipping while at 760 °C, adhesion, three body abrasion, ploughing and oxidation are the main wear mechanisms.

This thesis aims to investigate the coefficient of friction between steel on steel contacts with the addition of solid lubricants such as h-BN, WS2, MoS2 in powder form, in dry conditions and wet conditions. More specifically, the purpose is to enhance the sliding between the piston rings and cylinder block in a modern high temperature steam engine developed by RANOTOR. The friction test was carried out as a linear sliding test with determined loads and sliding speed. Hertzian contact theory was deployed to calculate contact pressure and shear stresses to make sure the contact was elastic, alternatively plastic. It was found that WS2 and  MoS2 lowered the coefficient of friction quite heavily in dry conditions, acting as a thin protective-lubricating film. h-BN performed rather poorly, increasing the coefficient of friction. In a water slurry, none of the powders managed to decrease the COF due to the particles not interacting with the surfaces.The solid lubricants tested should be further tested as coatings since they acted like it in dry conditions. / Denna rapport syftar till att undersöka friktionskoefficienten i stålkontakter med tillsats av fasta smörjmedel som  h-BN, WS2, MoS2 i pulverform, under torra och våta förhållanden. Mer specifikt är syftet att förbättra glidningen mellan kolvringarna och insidan av cylindern i en modern högtemperatur-ångmotor utvecklad av RANOTOR. Friktionstestet genomfördes som ett linjärt glidtest med bestämda belastningar och glidhastighet. Hertzian-kontaktteorin användes för att beräkna kontakttryck och skjuvspänningar för att säkerställa att kontakten var elastisk alternativt plastisk. Det visade sig att WS2och MoS2 kraftigt sänkte friktionskoefficienten under torra förhållanden genom att agera som en tunn skyddande-smörjfilm. h-BN presterade dåligt och ökade friktionskoefficienten. I vattenblandning lyckades inget av pulverna minska friktionskoefficienten eftersom partiklarna inte interagerade med ytorna. De testade fasta smörjmedlen bör vidare testas som beläggningar eftersom de fungerade som dessa under torra förhållanden.

This Master's thesis is part of the Hydrogen Embrittlement in Rolling element bearings project (HERo) initiated at Luleå University of Technology (LTU), with the primary objective of determining critical hydrogen concentrations in bearing steel for rolling element bearings. The specific aim of this Master's thesis is to design a test rig that enables the investigation of the effects of hydrogen embrittlement on rolling element bearings under load. The design process focused on ease of manufacture and assembly. The developed test rig includes an electric motor, a pneumatic load application mechanism, and an electrochemical cell. Using the leverage principle, a thrust roller bearing is loaded vertically, while it is driven by an electric motor that is connected to the bearing with a tyre coupling. The electrochemical cell, which consists of a reference electrode, counter electrode, and the test bearing as the working electrode, is used to charge the test bearing with hydrogen. The cell was designed to be easily accessible between tests to facilitate the change of thrust roller bearings. The test bench enables the analysis of rolling element bearings that are exposed to simultaneous hydrogen embrittlement and realistic operating conditions. / Detta examensarbete är en del av Hydrogen Embrittlement in Rolling element bearings-projektet (HERo) som pågår vid Luleå tekniska universitet (LTU), med huvudmålet att bestämma de kritiska vätekoncentrationerna i lagerstål för rullningslager. Det specifika målet med detta examensarbete är att konstruera en testrigg för att direkt undersöka effekten av väteförsprödning av lager i en simulerad verklig tillämpning. Designprocessen fokuserade på enkel tillverkning och montering.  Den utvecklade testriggen inkluderar en elmotor, en pneumatisk lastpåläggnings-mekanism och en elektrokemisk cell. Med hjälp av hävstångsprincipen belastas ett axiellt rullager vertikalt, medan det drivs av en elmotor via en däckkoppling. Den elektrokemiska cellen, som består av en referenselektrod, motelektrod och testlagret som arbetselektrod, används för att införa väte i lagret. Cellen har konstruerats på ett sätt som underlättar byte av testlager mellan testerna.  Testriggen skapar därmed möjligheten att analysera rullningslager som utsätts för väteförsprödning under realistiska driftförhållanden. / Diese Masterarbeit ist Teil des Hydrogen Embrittlement in Rolling element bearings-Projekts (HERo), das an der Technischen Universität Luleå (LTU) initiiert wurde, mit dem primären Ziel, kritische Wasserstoffkonzentrationen für Lageranwendungen zu bestimmen. Das spezifische Ziel dieser Masterarbeit ist es, einen Prüfstand zu konstruieren, um die Auswirkungen von Wasserstoffversprödung auf Rollenlager im Belastungszustand zu untersuchen. Der Schwerpunkt des Designprozesses lag darauf, eine einfache Fertigung und Montage des Prüfstandes zu gewährleisten.  Der entwickelte Prüfstand umfasst einen Motor, einen Mechanismus zur Lastaufbringung und eine elektrochemische Zelle. Mithilfe des Hebelgesetzes wird das Testlager vertikal belastet, während es mithilfe eines Elektromotors und einer Reifenkupplung angetrieben wird. Die elektrochemische Zelle, bestehend aus Referenzelektrode, Gegenelektrode, und dem Testlager als Arbeitselektrode, dient dazu, Wasserstoff in das Testlager einzubringen. In ihrem Design wurde darauf geachtet, dass sie zwischen den Tests leicht zugänglich ist, um den Austausch der Testproben zu erleichtern. Der Prüfstand ermöglicht somit die Analyse von Rollenlagern, die sowohl Wasserstoffversprödung als auch realistischen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.

In this thesis, the aim is to study possible tribo-materials for a rotating inlet valve and to find a suitable material combination for the contact. The valve is part of a modern oil-free and high temperature steam engine. Systematic material selection together with tribological tests and wear analyses are performed. The metals Nitronic 60 and Stellite 6B are tested as self-mated metals, and run against graphite. None of these combinations are found suitable. However, the tests show carbon-based materials to be promising. After further study another carbon-based material, antimony impregnated mechanical carbon is selected as valve seat. For the mating part valve distributor, the material ZrO2-MgO is selected. This tribo-pair has shown friction and wear in the same interval as oil-lubrication. The friction and wear are 50% respectively 10% of the second best tribo-pair found in this thesis. The valve seat material is realizable if supported by a valve block of a Ni-resist cast iron with thermal expansion similar to the valve seat. Lastly a redesign of the valve distributor is suggested to comply with ceramic design guidelines. / Målet med denna rapport är att studera möjliga tribo-material för en roterande inloppsventil och att hitta en lämplig materialkombination för kontakten. Ventilen är en del av en modern oljefri och högtempererad ångmotor. Ett systematiskt materialval tillsammans med tribologiska tester och nötningsanalyser utförs. Metallerna Nitronic 60 och Stellite 6B testas dels mot sig själva, och dels mot grafit. Ingen av dessa kombinationer finns lämplig. Testerna visar dock att kolbaserade material är lovande och eftervidare studier är ett annat kolbaserat material, antimonimpregnerat mekaniskt kol, väljs till ventilsätet. Till motytan till ventilsätet, ventilfördelaren, väljs materialet ZrO2-MgO. Detta tribo-par har visat friktion och nötning i samma intervall som oljesmörjning. Friktionen och nötningen är 50 % respektive 10 % av det näst bästa tribo-paret som hittats i denna avhandling. Ventilsätets material är realiserbart om det stöttas i ett ventilblock av ett ”Ni-resist” gjutjärn med en värmeexpansion som liknar ventilsätets. Slutligen föreslås en omkonstruktion av ventilfördelaren för att uppfylla riktlinjerna för keramisk konstruktion.

Today, lead is used in various engineering applications due to its desirable tribological properties. However, the negative health and environmental impacts associated with lead have raised concerns and resulted in regulatory restrictions on its use. It is therefore nessessary to fnd lead-free materials that can provide similar or even better performance than the commonly used lead-containing alloys. Scania, currently uses leaded alloys for a number of gearbox components where sliding wear can be an issue. This study aims to evaluate the tribological properties of fve lead-free alternative materials and assess their suitability as replacement for the currently used material, Leaded Brass. The tests were conducted in a pin-on-disk setup under similar conditions of those found in Scania’s gearbox. The results showed that the friction and wear was similar between Copper Beryllium and Leaded Brass, which indicates that Copper Beryllium is a potential replacement. Additionally, Nedox and Aluminum Bronze (APS) demonstrated signifcantly superior wear resistance, exhibiting 97% less wear compared to Leaded Brass while maintaining similar friction levels. These results underscore the potential for implementing lead-free materials to enhance sustainability and performance in critical applications like gearbox components. / Idag används bly i olika tekniska tillämpningar på grund av dess önskvärda tribologiska egenskaper. Men de negativa hälso- och miljöeffekterna associerade med bly har väckt oro och resulterat i reglerande begränsningar för dess användning. Det är därför nödvändigt att hitta blyfria material som kan erbjuda liknande eller till och med bättre prestanda än de vanligt förekommande blyhaltiga legeringarna. Scania använder för närvarande blyhaltiga legeringar för ett antal växellådskomponenter där glidande slitage kan vara ett problem. Denna studie syftar till att utvärdera de tribologiska egenskaperna hos fem blyfria alternativa material och bedöma deras lämplighet som ersättning för det nuvarande materialet, blyhaltig mässing. Testerna utfördes i en pin-on-disk konfiguration under liknande förhållanden som de som återfinns i Scanias växellåda. Resultaten visade att friktionen och slitage var liknande mellan kopparberyllium och blyhaltig mässing, vilket tyder på att kopparberyllium är en potentiell ersättare. Dessutom visade Nedox och aluminiumbrons (APS) betydligt överlägsen slitagebeständighet, med 97% mindre slitage jämfört med blyhaltig mässing, samtidigt som båda materialen hade liknande friktionsnivåer. Dessa resultat visar potentialen som finns med att implementera blyfria material för att förbättra hållbarheten och prestandan i kritiska tillämpningar som växellådskomponenter. / Heutzutage wird Blei aufgrund seiner wünschenswerten tribologischen Eigenschaften in verschiedenen technischen Anwendungen verwendet. Jedoch haben die negativen gesundheitlichen und Umweltauswirkungen, die mit Blei verbunden sind, Bedenken hervorgerufen und zu regulatorischen Beschränkungen seiner Verwendung geführt. Daher ist es notwendig, bleifreie Materialien zu finden, die ähnliche oder sogar bessere Leistungen als die üblicherweise verwendeten bleihaltigen Legierungen bieten können. Scania verwendet derzeit bleihaltige Legierungen für eine Reihe von Getriebekomponenten, bei denen Gleitverschleiß auftreten kann. Das Ziel dieser Studie ist es, die tribologischen Eigenschaften von fünf bleifreien Alternativmaterialien zu bewerten und ihre Eignung als Ersatz für das derzeit verwendete Material, Bleihaltiges Messing, zu prüfen. Die Tests wurden in einem Pin-on-Disk-Aufbau unter ähnlichen Bedingungen wie in den Getrieben von Scania durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass Reibung und Verschleiß zwischen Kupferberyllium und Bleihaltigem Messing ähnlich waren, was darauf hinweist, dass Kupferberyllium ein potenzieller Ersatz sein könnte. Darüber hinaus wiesen Nedox und Aluminiumbronze (APS) eine signifikant überlegene Verschleißfestigkeit auf und zeigten 97 % weniger Verschleiß im Vergleich zu Bleihaltigem Messing bei gleichbleibendem Reibungsniveau. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial zur Implementierung von bleifreien Materialien, um die Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit in kritischen Anwendungen wie Getriebekomponenten zu verbessern.