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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87100 |
| Date | 14 September 2023 |
| Creators | Groetzki, Sascha |
| Contributors | Leyens, Christoph, Leson, Andreas, Wetzel, Franz-Josef, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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