Zusammenspiel von Fretting-Verschleiß, Fretting-Ermüdung und Reibungsdämpfung im Kontakt von Stahl auf Stahl: Einfluss der Kontaktform und Belastungsart

• Antragsteller: Professor Dr. Valentin L. Popov
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434193846

Fretting-Verschleiß und -Ermüdung bilden ein großes Problem bei Anwendungen mit oszillierenden Reibkontakten wie z.B. in Rohrleitungen von Wärmetauschern, Gelenken in der Orthopädie oder Schaufelsitzen von Gasturbinen. Der physikalische Grund von Fretting ist partielles Gleiten aufgrund des verschwindenden Drucks an der Grenze von Kontakten mit gekrümmten Oberflächen. Dieser partielle Schlupf und der resultierende Verschleiß können durch die Verwendung eines Kontakts mit scharfen Kanten verhindert werden. In diesem Fall sind aber sowohl die normalen als auch die tangentialen Spannungen an der Grenze des Kontaktes singulär, und die hohe oszillierende Spannung führt zu Ermüdung. Beides, Verschleiß und Ermüdung, sind teilweise konkurrierende Phänomene, daher muss man zur Vermeidung der Schädigung einen Weg zwischen Skylla des Verschleißes und Charybdis der Ermüdung finden. Ein möglicher Weg, den Schaden durch Fretting zu reduzieren, könnte sein, eine Phasenverschiebung zwischen verschiedenen Schwingungsmoden einzuführen, was zu einer sich bewegenden Gleitzone führt und den Charakter von Verschleiß und Ermüdung qualitativ verändern kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Vibrationen vollständig zu unterdrücken. In vielen Strukturen ist dies jedoch nur mit durch Mikroschlupf verursachter Dämpfung zu erreichen. Eine hohe Strukturdämpfung durch Reibung (ohne Schädigung der kontaktierenden Oberflächen) kann außerdem auch ein positives Konstruktionsziel an sich darstellen (z.B. in Weltraumanwendungen). In diesem Projekt untersuchen wir die Triade „Verschleiß-Ermüdung-Dämpfung“ für den Fretting-Kontakt von Stahl auf Stahl. Wir werden dabei den Übergang von Verschleiß zu Ermüdung anhand der kontinuierlichen Änderung eines parabolischen Profils zu einer Form mit einem flachen Ende untersuchen und in diesem Zusammenhang die Überlagerung von normalen und tangentialen Schwingungen mit verschiedenen Amplituden und Phasenverschiebungen berücksichtigen. Die anvisierte Forschungsarbeit verfolgt das übergeordnete Ziel, konstruktive Ergebnisse zu formulieren, um Fretting-Schäden zu reduzieren und damit die Lebensdauer tribologischer Systeme zu erhöhen.Das Projekt wird hauptsächlich empirische Untersuchungen umfassen, beginnend mit kurzen Modellversuchen bis hin zu Langzeit-Ermüdungstests. Die experimentellen Untersuchungen werden durch physikalische Modelle und numerische Simulationen der zugrundeliegenden Kontaktmechanik und der dominanten Schädigungsmechanismen unterstützt.Das Fachgebiet „Systemdynamik und Reibungsphysik“ der Technischen Universität Berlin, an dem das Projekt durchgeführt werden soll, besitzt hervorragende Forschungserfahrungen im Bereich der Tribologie und ist eine der weltweit führenden Institutionen bei der Untersuchung dynamischer Kontaktprobleme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen