Forschung

Ressourceneffizienz durch optimierte Haftreibung

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)

Motivation

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.

Methodik

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.

Ergebnis

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.

Dokumentation

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. 1075 | 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

Themis

Netzwerkpartner

Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) e. V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentlich gefördert

Fördersumme
1.144.970,00 EUR

Laufzeit
01.07.2011 bis 30.06.2014

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e. V.

Kennedyallee 40
53175 Bonn
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Anton Stich
AUDI AG

Forschungsstellen

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

Technische Universität Chemnitz

Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik (IKAT)/Professur Konstruktionslehre

Reichenhainer Str. 70
09126 Chemnitz
Deutschland

Technische Universität Chemnitz

Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP)/Professur Fertigungsmesstechnik (FMT)

Reichenhainer Str. 70
09126 Chemnitz
Deutschland

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU)

Institut für Maschinenkonstruktion (IMK)

Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg
Deutschland

Fraunhofer-Gesellschaft

Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)

Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Deutschland

Hochschule Mittweida (HSMW)

Laserinstitut (LMH)

Technikumplatz 17
09648 Mittweida
Deutschland

Stellv. Geschäftsführer

Martin Nitsche

FVV
+49 (0) 69 6603 1345
+49 (0) 69 6603 2345

Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345