Thermo-Elastohydrodynamische Schmierung beschichteter Kunststoffverzahnungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391059617

Der Klimawandel, die Erschöpfung knapper Ressourcen, strenge Emissionsauflagen und die E-Mobilität sind Herausforderungen, die zu einer stetig steigenden Nachfrage nach ressourceneffizienten Maschinen und Systemen führen. Der Leichtbau auf Basis von Kunststoffen stellt bei gleichzeitig niedrigen Produktionskosten einen vielversprechenden Ansatz dar, um diese Herausforderungen zu meistern. Die Leistungsfähigkeit von Kunststoffen in leistungsübertragenden Maschinenelementen, wie beispielsweise Verzahnungen, ist jedoch im Vergleich zu metallischen Ausführungen solcher Tribosysteme maßgeblich durch eine niedrigere Festigkeit und thermische Stabilität begrenzt.Das Verständnis von Tribosystemen auf Basis von Kunststoffen, dessen Wirkmechanismen und insbesondere dessen Wärmehaushalts, ermöglicht es, das Anwendungsgebiet von Kunststoffen stark zu erweitern. Darüber hinaus zeigen neue Erkenntnisse im Bereich der Oberflächenbeschichtung Möglichkeiten auf, die Leistungsfähigkeit von Kunststoffen zu erhöhen und somit die Leistungsdichte solcher Maschinenelemente deutlich zu steigern. Das Ziel dieses gemeinschaftlichen Forschungsvorhabens ist es, die thermo-elastohydrodynamische (TEHD) Schmierung von Wälzpaarungen auf Basis thermoplastischer Kunststoffe zu untersuchen und das Potenzial von Oberflächenbeschichtungen zu ergründen, um so die tribologische Leistungsfähigkeit zu verbessern. Dazu wird u. a. Polyamid (PA6.6) und Polyetheretherketon (PEEK), sowohl in reiner Form als auch kurzfaserverstärkt, untersucht, wobei der Schwerpunkt auf hybriden Wälzpaarungen aus Stahl und thermoplastischen Kunststoff liegt.Das Projekt untergliedert sich in drei Phasen. Zunächst werden die tribologische Leistungsfähigkeit und Lastgrenzen unbeschichteter thermoplastischer TEHD-Kontakte bestimmt. Gleichzeitig dazu werden auf die Kontaktverhältnisse angepasste, innovative Beschichtungssysteme und deren Prozesse entwickelt. Die Schichtsysteme basieren u. a. auf gradiertem Zirkonium-Karbid (ZrCg) und Chrom-Aluminium-Nitrid ((Cr,Al)N). Anschließend werden die tribologische Leistungsfähigkeit und Lastgrenzen beschichteter thermoplastischer TEHD-Kontakte untersucht, sodass Verbesserungen durch Beschichtungssysteme aufgezeigt werden können. Das Verständnis der mechanischen und thermischen Wirkmechanismen, die in beschichteten und unbeschichteten thermoplastischen TEHD-Kontakten ablaufen, wird durch umfassende Tribosimulationen erhöht. Die an Modellprüfständen erzielten Erkenntnisse werden auf Verzahnungen übertragen und hinsichtlich industrieller Anwendung bewertet.Der systematische Aufbau dieses Projekts erlaubt es, die Leistungsfähigkeit und die Grenzen unbeschichteter thermoplastischer TEHD-Kontakte zu bestimmen und das tribologische Potenzial von Beschichtungssystemen in solchen Kontakten zu bewerten. Dies ist essentiell für die Weiterentwicklung von leichtbauenden, leistungsübertragenden Maschinenelementen aus Kunststoff.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Martin Hartl