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.

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. 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

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