Auslegung und Konstruktion eines reibungsarmen Zwei-Scheiben-Tribometers für niedrige Schlupfverhältnisse

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung, Konstruktion und mit dem Aufbau eines Zwei-Scheiben-Tribometers zur Modellierung der rollend-gleitenden Kontaktsituation bei kleinen Schlupfverhältnissen. Zusätzlich wurde die Minimierung der inneren Reibung mit innovativen technischen Lösungen angestrebt. Neben der Charakterisierung des tribologischen Verhaltens wird ein besonderes Augenmerk auf die Veränderung der Oberflächenzustände infolge der Verschleißprozesse gelegt. Die Untersuchungen am Prüfstand können trocken oder bei Verwendung von Schmierstoffen durchgeführt werden, wodurch die Klassifizierung von Ölen ermöglicht wird. Die gegenständliche Arbeit bietet eine kurze Einführung in die Tribologie, wobei in die relevante Grundlagentheorie eingegangen wird. Vor Beginn der tatsächlichen Konstruktionsarbeiten wurde eine umfassende Recherche der bereits am Markt erhältlichen Ermüdungsprüfstände durchgeführt, wodurch der prinzipielle Aufbau des geplanten Tribometers und seine möglichen Alleinstellungsmerkmale bestimmt wurden. Die relevanten Bauteile und Komponenten wurden bezüglich Leistung und Festigkeit unter Berücksichtigung der zukünftigen Einsatzbedingungen ausgelegt. Um ein reibungsarmen Lauf sicherzustellen, wurde der Prüfstand mit Luftlagern aufgebaut. Am Forschungsinstitut war die Flexibilität des Prüfstandes äußerst wichtig, um auf verschiedene technische Anforderungen besser eingehen zu können. Daher wurde der Prüfstand nicht nur für eine parallellaufende Kontaktsituation konzipiert, sondern, es ist auch möglich verschiedene Winkel zwischen den Strängen einzustellen. Als weitere Herausforderung im Betrieb des Prüfstandes gilt es die Schlupfregelung hervorzuheben, da hier der Schlupf nicht nur zwischen den beiden Motoren geregelt wird, sondern hierzu die Geometrieänderungen aufgrund des Probenverschleißes mitberücksichtigt werden. Zu einer umfassenden Charakterisierung der tribologischen Prozesse wurden die geeigneten Sensoren spezifiziert, welche unter Berücksichtigung der minimalen inneren Reibungen auch kontaktlos kommunizieren können. Das im Rahmen meiner Masterarbeit konzipierte Tribometer wurde bereits für die ersten konkreten wissenschaftlichen Fragestellungen zur Untersuchungen von Kompositwerkstoffen für die Papierindustrie bzw. für die Charakterisierung von Schmierstoffen adaptiert.

This thesis deals with the design, construction and assembly of a two-disc tribometer for the modelling of rolling-sliding contact situations with small slip ratios. In addition, the minimization of internal friction with innovative technical solutions was aimed at. Moreover, apart from the characterization of the tribological behavior, special attention is paid to the change of the surface conditions as a result of the wear processes. The tests on the test bench can be carried out dry or using lubricants, enabling the classification of oils. This thesis provides a brief introduction to tribology, including the relevant basic theory. Before the start of the actual design work, a comprehensive research of the fatigue test benches already available on the market was carried out, whereby the basic structure of the planned tribometer and its possible unique selling points were determined. The relevant parts and components were designed with regard to performance and strength under consideration of the future operating conditions. In order to ensure low-friction running, the test stand was constructed with air bearings. At the research institute, the flexibility of the test stand was extremely important in order to be able to respond better to various technical requirements, the test stand was not only designed for a parallel running contact situation, but it is also possible to set different angles between the strands. A further challenge in the operation of the test stand is the slip control, since the slip is not only controlled between the two motors, but also the geometry changes due to sample wear are taken into account. For a comprehensive characterization of the tribological processes, the suitable sensors were specified, which can also communicate without being in contact under the consideration for the striving for minimal internal friction. The tribometer designed for my master thesis has already been adapted for the first specific scientific questions concerning the investigation of composite materials for the paper industry and for the characterization of lubricants.