Forschung
Mechanik Reibung und Geräusche
Bei der Auslegung reibschlüssiger Bauteilverbindungen, wie z.B. Flansch- und Schraubverbindungen, spielt die genaue Kenntnis der Reibwerte eine wichtige Rolle. Zudem lassen sich mithilfe höherer Haftreibwerte größere Kräfte übertragen und dadurch die Anzahl der Verbindungselemente und deren Abmessungen reduzieren. Im Projekt wurden Haftreibwerte an standardisierten Prüfständen ermittelt und geometrische Kenngrößen abgeleitet. Die Anteile der Reibungsmechanismen und der Reibcharakteristiken für reibschlüssige Oberflächenpaarungen konnten durch Simulationen erstmals getrennt dargestellt werden. Untersuchungen zu PVD (Physical Vapour Deposition)-Beschichtungen, thermischen Spritzschichten und Laserstrukturierungen zeigten, dass mit allen drei Verfahren signifikante Reibwerterhöhungen möglich sind. Dem Nutzer stehen damit verschiedene Varianten zur Verfügung, die nach anwendungsspezifischen Kriterien ausgewählt werden können. Der Nutzer wird mit den Projektergebnissen in die Lage versetzt, reibschlüssige Bauteilverbindungen zukünftig wesentlich ressourceneffizienter auszulegen.
» Mit den Projektergebnissen haben wir einen entscheidenden Beitrag zum besseren Verständnis der Haftreibung geleistet. Das ist vor allem aufgrund der hervorragenden Zusammenarbeit der fünf wissenschaftlichen Institute und des Industriearbeitskreises gelungen. «
Dr.-Ing. Anton Stich (AUDI AG)
Mit ihrer phänomenalen Haftkraft auf glatten, senkrechten Oberflächen sind Geckos ein Lieblingsobjekt der Bionik-Fans: Seit vielen Jahren untersucht und beschreibt die Forschung den Mikroaufbau von Geckofußflächen und die Physik, die deren beeindruckende Oberflächenhaftung möglich macht.
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Reibwerterhöhende Hartstoffschichten | Dünn- und Dickschichten für reibschlussoptimierte Oberflächen: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer reibwerterhöhenden ta-C-Schicht.
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Haftreibwertermittlung an Modellprüfständen: Standardisierter Haftreibwertprüfstand.
Bildquelle: IKAT | TU Dresden
Mithilfe der Projektergebnisse ist es möglich, Elemente zur reibschlüssigen Kraftübertragung, wie z.B. Flanschverbindungen, besser und ressourceneffizienter auszulegen.
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Reibschlüssige Bauteilverbindungen, wie z.B. Flansch- und Schraubverbindungen, sind in vielen Anwendungen vorhanden. Für deren Dimensionierung ist die genaue Kenntnis der Haftreibwerte essenziell. Zudem lassen sich mithilfe höherer Haftreibwerte größere Kräfte übertragen und dadurch die Anzahl der Verbindungselemente und deren Abmessungen reduzieren. Welche Parameter die Haftreibung beeinflussen und wie sich der Haftreibwert durch Laserstrukturierungen und Beschichtungen erhöht – diese Fragen standen im Fokus des Projekts.
Den Ausgangspunkt bildete die experimentelle Haftreibwertermittlung an standardisierten Prüfständen. Daran schloss sich die Entwicklung geometrischer Kenngrößen an, die mit dem Haftreibwert korrelieren. Mithilfe eines neuentwickelten 3D-FEM-Kontakt- und Reibungsmodells für raue Oberflächen wurden Simulationen durchgeführt. Sie dienten vor allem dazu, die Anteile der wirkenden Reibungsmechanismen Deformation und Adhäsion zu ermitteln. Einen weiteren Schwerpunkt stellten die Untersuchungen reibwerterhöhender PVD-Beschichtungen und Laserstrukturierungen dar.
Mit den Ergebnissen lassen sich reibschlüssige Verbindungen zukünftig wesentlich ressourceneffizienter auslegen. Dem Anwender stehen eine Vielzahl von Haftreibwerten, Reibcharakteristiken sowie wertvolle Hinweise zur Gestaltung reibschlüssiger Oberflächen zur Verfügung. Darüber hinaus können die Prüfstände und die standardisierten Prüfverfahren für individuelle Reibwertermittlungen und für Zertifizierungen genutzt werden. Mittels der Simulationen gelang es, gezielt die Anteile der Reibungsmechanismen und die Reibcharakteristiken für reibschlüssige Oberflächenpaarungen getrennt darzustellen. Die neu entwickelten reibwerterhöhenden Schichtsysteme und Laserstrukturierungen bieten dem Anwender ein hohes Potenzial zur Haftreibwertmaximierung. Dem Nutzer stehen damit verschiedene Varianten zur Verfügung, die anwendungsspezifisch ausgewählt werden können.
GECKO (Cluster) | Gestaltung und Ermittlung charakterisierender Kennwerte von reibschlussoptimierten Oberflächen
Teilprojekt I | Kennwertanalyse und –synthese | Vorhaben-Nr. 1075 | AiF-Fördernummer 17228 BR
Teilprojekt II | Messtechnische Beschreibung der geometrischen Eigenschaften reibschlüssiger Oberflächen | Vorhaben-Nr. M3408 | DFG-Fördernummer DI 617/27-1
Teilprojekt III | Analyse der Wirkmechanismen in Reibschlussverbindungen durch Simulation | Vorhaben-Nr. M3408 | DFG-Fördernummer DE 582/13-1
Teilprojekt IV | Entwicklung reibwerterhöhender Hartstoffschichten für reibschlussoptimierte Oberflächen | Vorhaben-Nr. 1076 | AiF-Fördernummer 17230 BR
Teilprojekt V | Reibwerterhöhende Laserstrukturierung | Vorhaben-Nr. 1077 | AiF-Fördernummer 17229 BR
Status
Abgeschlossenes Projekt
Programm
Öffentlich gefördert
Fördersumme
1.144.970,00 EUR
Laufzeit
01.07.2011
bis
30.06.2014
Fördergeber
Projektkoordination
Dr.-Ing. Anton Stich
AUDI AG
Gesamtleitung des Forschungsclusters:
Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich
TP I | Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik (IKAT) | Technische Universität Chemnitz
Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Matthias Gräfensteiner, M. Eng.
TP II | Institut für Fertigungsmesstechnik (FMT) und Qualitätssicherung (IFMQ) | Technische Universität Chemnitz
Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dr.-Ing. Marko Gerlach
Dipl.-Ing. Saskia Schiefer
TP III | Institut für Maschinenkonstruktion (IMK) | Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (LMT) | Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU)
Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dirk Bartel
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Andreas Kießling
TP IV | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)
Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dr.-Ing. Otmar Zimmer
Dr. Volker Weihnacht
TP V | Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dr. Jörg Schille
Forschungsstellen
Forschungsbereich
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345