completed Doctorates & Habilitations
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Reibungsminderung an Antriebs- und Motorkomponenten durch Beschichtungen mit diamantähnlichem amorphen Kohlenstoff
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Schork, Willy
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
Abstract
In dieser Arbeit wurde untersucht, in wie weit Beschichtungen mit diamantähnlichem amorphen Kohlenstoff in Kombination mit geeigneten Schmierstoffen dazu beitragen können, die Reibung an ausgewählten Antriebs- und Motorkomponenten zu senken. Als Referenz zu den untersuchten wasserstofffreien Kohlenstoffschichten (Typ ta C) dienten kommerziell bereits in tribologischen Anwendungen genutzte wasserstoffhaltige Kohlenstoff¬schichten (Typ a C:H).rnDer Einfluss der Mikrostruktur auf die spannungs¬mechanischen Belastungen von Schichten im tribologischen Kontakt wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht. Aus den Berechnungen wurden Richtlinien für das Schichtdesign abgeleitet. rnDurch Variation der Parameter des Hintergrundgases in der Beschichtungsanlage wurden wasserstoff¬freie amorphe Kohlenstoffschichten unterschiedlicher Elastizität und Zusammen¬setzung (undotiert und stickstoff¬dotiert) mittels gepulster Hochstrombogen¬technologie reproduzierbar abgeschieden.rnAus tribologischen Untersuchungen mit oszillierenden Gleitkontakten konnten Rückschlüsse über den Einfluss abrasiv wirkender Verschleißpartikel auf den kontinuierlichen Verschleiß gezogen werden. Durch Maßnahmen hinsichtlich Härte und Topographie der Oberflächen, aber auch durch geeignete Auswahl der Oberflächenmaterialpaarung können hohe Verschleißraten vermieden werden.rnIn einer spezielle Tribologiemesszelle wurde über Ermittlung des Grenz- und Misch¬reibungsbereichs der Stribeckkurve die aus der Literatur bekannte reibungsmindernde Wirkung des Schmiermittelbeigabestoffs Glycerolmonooleat (GMO) auf Oberflächen aus wasserstoff¬freiem tetraedrisch-amorphen Kohlenstoff (ta C) bestätigt. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass dieser Effekt stark von der Zusammensetzung des Öls beeinflusst wird. So erwies sich ein synthetisches Grundöl als ungeeignet zur Reibungsminderung auf diesem Weg.rnZur gezielten Untersuchung von Schichtschädigungs¬mechanismen unter verschärften Verschlei߬bedingungen wurde eigens ein neuartiges Schwell¬last¬tribometer mit oszillierend gleitendem Kontakt und dynamischer Belastung konzipiert und aufgebaut. Für unterschiedliche ermüdungs¬bedingte Versagens¬mechanismen von Schichtsystemen im Schwell¬¬last¬¬tribometer wurden Versagens¬modelle erstellt. Im Vergleich mit den Referenzschichtsystemen bewährten sich im Schwelllast¬test besonders die superharte, eigenspannungsintensive ta C-Schicht als auch die elastische, stickstoff¬dotierte Schicht a C:N.rnAggregattests mit beschichteten Hinterachsgetrieben offenbarten, dass die konkav-konvexe Geometrie des Hypoidgetriebes mit den geringen Anforderungen der Serienproduktion an die Oberflächenqualität der Zahnflanken ungeeignet für eine Beschichtung mittels gepulsten Hochstrombogenverfahren ist. Aus Schadensanalysen der beschichteten Zahnflanken nach Testbetrieb wurden Maßnahmen für einen delaminationsfreien Betrieb ta-C-beschichteter Hinterachsgetriebe abgeleitet: die Verbesserung der Oberflächengüte der Zahnflanken sowie die Optimierung des Plasma¬einfalls¬winkels während der Beschichtung.rnBefeuerte Motortests mit ta C-beschichteten Kolbenringen erwiesen die Einsatztauglichkeit von wasserstofffreiem amorphen Kohlenstoff im Motor.rnDie Kombination von Maßnahmen am Schmierstoff (Zusammensetzung, Viskosität) mit der tribologischen Oberflächen¬veredelung durch geeignete Schichtsysteme aus wasserstofffreiem diamantähnlichen Kohlenstoff wird als technisch und wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeit zur Reibungs- und Verbrauchsminderung im Pkw angesehen. In der Großserien¬produktion könnten Kolbenringe zu Fertigungs¬mehrkosten um 10 Cent pro Stück mit einer ta C-Beschichtung versehen werden.rn
Schlagwörter
Reibungsminderung, Beschichtungen
Berichtsjahr
2009
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