Vorhersage der geometrischen Oberflächenveränderung im Wälzkontakt

Die Oberflächenrauheit und -struktur von Wälzkontakten beeinflussen maßgeblich das Einsatzverhalten in Bezug auf Reibung, Verschleiß und Ermüdung. Aufgrund von Einlaufeffekten findet eine kontinuierliche Veränderung der Oberflächenrauheit während der ersten Lastwechsel statt. In der Regel wird jedoch nur der Oberflächenzustand nach der Fertigung zur Bewertung der Leistungsfähigkeit herangezogen. Mit der Kenntnis der Oberflächeneigenschaften nach dem Einlauf wird aus wissenschaftlicher Sicht eine präzisere Analyse und ein tieferes Verständnis für die Funktion des Wälzkontaktes ermöglicht. Aus wirtschaftlicher Sicht ist eine frühzeitige Bewertung fertigungsbedingter Oberflächen bzgl. ihres Einsatzverhalten im Betrieb wünschenswert, um unnötig hohe Sicherheiten zu vermeiden und Prüfkosten zu verringern.
Aus diesem Grund bestand das Ziel dieser Arbeit in einer Berechnungsmethode zur Vorhersage der geometrischen Oberflächenveränderung im Wälzkontakt. Für den Auslegungsprozess kann auf diese Weise die Lücke zwischen der fertigungsbedingten und der für das Einsatzverhalten relevanten Oberflächentopografie nach dem Einlauf geschlossen werden. Die wissenschaftliche Originalität lag in einer großflächigen Mikrokontaktberechnung, auf deren Basis eine Verbindung von Mikro- und Makroebene hergestellt wurde. Entgegen dem Stand der Technik wurde das Hauptmodell zur Berechnung geschmierter Wälzkontakte auf Mikroebene verankert und bestehende Erkenntnisse zum Einfluss der Hydrodynamik auf Makroebene durch Kennfelder integriert. Der Einfluss des Schmierstoffdrucks wurde durch eine Schmierstoffrandbedingung für die Kontaktberechnung im elastischen Halbraum nach BOUSSINESQ, LOVE und HARTNETT umgesetzt.
Zur Erreichung des Gesamtziels wurden grundlegende Untersuchungen zur geometrischen Oberflächenveränderung während des Einlaufs im Zwei-Scheiben-Kontakt durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten sowohl Versuche mit und ohne Schmierung bei reinem Rollen als auch Versuche unter wälzender Beanspruchung. Das Versuchsprogramm bildete insbesondere die Grundlage für eine schrittweise Validierung der Berechnungsmethode. Für die untersuchten Betriebsbedingungen kann die geometrische Oberflächenveränderung während des Einlaufs primär auf den Wirkmechanismus der plastischen Verformung zurückgeführt werden. Die Veränderung einzelner Rauheitsspitzen infolge der Normalkraft konnte durch einen hochgenauen Abgleich von Oberflächentopografien vor und nach dem Experiment quantifiziert werden.