Senkung von Reibung und Lagerabnutzung

Wenn einander berührende Maschinenkomponenten sich bewegen, sind Reibung und Abnutzung unvermeidlich. Es bestehen jedoch Möglichkeiten, die Reibung zu reduzieren, und somit die Lebensdauer der Bauteile und Maschinen zu verlängern sowie die Wartungszeiten zu verkürzen. In den meisten Fällen werden Maschinen geschmiert, und die Last liegt auf dem Schmierstoff sowie auf Oberflächenunebenheiten.

Schmierstoffe enthalten Zusatzstoffe, die sich chemisch an Metalloberflächen binden und die Reibung reduzieren. Im Projekt "Advanced lubrication modelling" (ALM) wurde die Bildung schützender Schichten auf den Bauteiloberflächen bei unzureichender Schmierung eingehend studiert. Die Wissenschaftler untersuchten, ob es möglich ist, die chemischen Wirkungen im Nanomaßstab zusammen mit den mechanischen Wirkungen im Mikromaßstab zu modellieren.

Die Reynolds-Gleichungen wurden angewandt, um die Druckverteilung an Kontaktstellen zwischen Maschinenbauteilen bei verschiedenen Schmierbedingungen zu berechnen. Bei dünnen Filmen war es wichtig, bei der Lösung der Druckgleichungen die Oberflächenrauheit (Unebenheiten) miteinzubeziehen. Die ALM-Wissenschaftler verfolgten einen Homogenisierungsansatz, um die Wirkungen der Rauheit in charakteristischen kleinen räumlichen Maßstäben festzustellen.

Es existieren verschiedene Homogenisierungsverfahren, von denen einige recht abstrakt, andere wiederum auf industrielle Anwendungen ausgerichtet sind. Die sogenannte Mehrskalenmethode wurde ausreichend weiterentwickelt, um mit Sätzen von Gleichungen angewandt zu werden, die zwei gleitende feste Oberflächen beschreiben, die über einen dünnen Schmierfilm miteinander interagieren.

Mit einem tieferen Verständnis der Abnutzung in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Maßstäben erforschten die ALM-Wissenschaftler anschließend die Möglichkeit, die Strömungsdynamik der Schmierstoffe aktiv zu steuern. Zusammen mit industriellen Partnern wurde der Rahmen zu Mehrskalenmodellierung eingesetzt, um die reibungsbedingten Energieverluste bei einem neu entworfenen Hydraulikmotor zu senken.

Die Vielseitigkeit der zahlreichen im ALM-Projekt entwickelten Simulationstools wurde außerdem mit einem Zylinderentwurf für Schwerlast-Dieselmotoren belegt. Durch Senkung der reibungsbedingten Energieverluste als Wärme wurde dessen mechanischer Wirkungsgrad mit deutlichen Auswirkungen auf Kraftstoff- und Ölverbrauch gesteigert.

Die Aktivitäten der ALM-Wissenschaftler führten zu einem umfassenden Portfolio an Werkzeugen zur Schmiermodellierung für die Industrie, wodurch auf einzigartige, zuverlässige und kosteneffektive Weise die Schmierung optimiert werden kann. Es wird erwartet, dass dies zu einer attraktiven Ressource für Maschinenhersteller werden wird.