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Um den Dieselmotor in Zukunft auch als Antrieb in Fahrzeugen anzuwenden, müssen die gesetzlichen Grenzwerte hinsichtlich der ausgestoßenen Schadstoffe eingehalten werden. Die zunehmende Verschärfung der gesetzten Grenzen überschreitet dabei die Wirksamkeit innermotorischer Maßnahmen und es bedarf nachgeschalteter Systeme zur Behandlung der Abgase. Bereits heute kommen hierzu hauptsächlich SCR1-Systeme zum Einsatz. Durch das Eindosieren einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas und den hervorgerufenen chemischen Reaktionen wird der Ausstoß von Stickoxiden reduziert. Grundvoraussetzung für die Verwendung solcher Systeme in Fahrzeugen ist eine zuverlässige Funktion des SCR-Systems. Dies gilt während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs und unter allen Betriebsbedingungen. Ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtsystems ist die verbaute Pumpe, welche das Reduktionsmittel vom Tank an das Dosiermodul fördert. Zukünftige SCR-Systeme sollen mit Rotationspumpen ausgestattet werden, die nach dem sogenannten COR-Prinzip arbeiten. Dieses Pumpenprinzip erlaubt es durch Richtungsumkehr das Medium wieder vom Dosiermodul zurückzusaugen, um dieses vor gefrierendem Medium zu schützen. Zudem kann Verschleiß durch ein automatisches Nachstellen der Pumpe kompensiert werden. Einen weiteren Vorteil bietet die Skalierbarkeit der Pumpe. Dadurch kann diese einfach an verschiedene Fahrzeugtypen angepasst werden. Getrieben durch die komplexe Geometrie der einzelnen Bauteile, aber auch durch den am Markt herrschenden Kostendruck, wird diese Pumpe aus Kunststoffen hergestellt. Bauartbedingt wirkt das niedrigviskose Reduktionsmittel als Zwischenmedium in den tribologischen Kontaktstellen der Pumpe, welche ausschlaggebend für eine zuverlässige Funktion sind. Hieraus ergibt sich ein neues, noch unbekanntes tribotechnisches System. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu Werkstoffpaarungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Gleitlagerkontakt zwischen der Welle und der Lagerbuchse untersucht. Durch eine Systemanalyse konnten die Lagerlasten sowie das vorherrschende Reibungsregime abgeschätzt werden. Anhand orientierender Vorversuche zeigten sich hochgefüllte Duroplaste als geeignete Werkstoffe für das betrachtete tribologische System. Für diese wurden ergänzend mechanische und physikalische Kennwerte bestimmt. In Modellversuchen der Zielpaarung wurden für die Anwendung wichtige Erkenntnisse, wie die Versagensgrenze und das stationäre Verhalten in unterschiedlichen Betriebspunkten ermittelt. Zusätzlich erfolgte eine Betrachtung der Unterschiede zwischen ungetemperten und getemperten Duroplastpaarungen. Das unterschiedliche Verhalten ungetemperter und getemperter Duroplastpaarungen konnte nicht auf die Änderung mechanischer oder physikalischer Kennwerte zurückgeführt werden. Vielmehr kommt es zu einer chemischen Änderung der Randschichten durch die Oxidation beim Tempern. Durch das Tempern verschwinden die hydrophoben CH2-Gruppen aus der Randschicht. Infolge der dadurch verbesserten Benetzbarkeit der Oberflächen kann ein tragender Schmierfilm leichter aufgebaut werden. Während den Untersuchungen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen zeigt sich eine deutlich ausgeprägte und wiederholt feststellbare Fresslastgrenze der ungetemperten Werkstoffpaarung. Im Falle der getemperten Paarung kann diese, unter den gegebenen Versuchsbedingungen, nicht definiert bzw. gefunden werden. Erweiternde Untersuchungen zeigen edoch auch hier ein Versagenverhalten in Abhängigkeit der getemperten Randschicht und machen diese Paarung für die Anwendung in einem tribologischen Kontakt weniger prognostizierbar. Als Auslöser für das Fressen wird der lokale Anstieg der Kontakttemperatur an sogenannten Hotspots ausgemacht, welche sich infolge der Ansammlung von Verschleißpartikeln ergeben. Die Verhaltensweise der Werkstoffpaarung in verschiedenen Betriebspunkten diente zur Ableitung eines Reibungs- und Verschleißmodells. Während sich für die Reibung eine Abhängigkeit zwischen Reibungszahl und den Eingangsparametern: Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit und Temperatur gezeigt hat, konnte für den Verschleiß keine ausreichende Korrelation gefunden werden. Dieser ist in großem Maße von den Füll- und Verstärkungsstoffen im Werkstoff abhängig. Weiterer Forschungsbedarf ergibt sich aus den Fragestellungen zur Modellierung der Reibung und des Verschleißes der betrachteten ungetemperten Duroplastpaarung. Das Verhalten der getemperten Werkstoffpaarung bietet darüber hinaus Bedarfe für weitere Forschungen. Insbesondere hinsichtlich der Möglichkeiten die oxidierte Randschicht in tiefere Bereiche der Werkstoffe auszudehnen oder diese verschleißfester zu gestalten, ergeben sich weitere Forschungsfragen.

Siliciumcarbid (SiC) ist ein Standardwerkstoff für Gleitlager und Gleitringdichtungen in Pumpen. In vielen Anwendungen ist jedoch das Einsatzverhalten von SiC-Werkstoffen in Hart/Hart-Paarungen nicht stabil. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung von tribologisch zuverlässigen Werkstoffpaarungen durch Grafitisierung der SiC-Oberflächen und damit die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Grafit-SiC-Werkstoffverbunden für tribologische Anwendungen in Dichtungen und Lagern. Durch eine thermische Zersetzungsreaktion kann die Oberfläche einer SiC-Komponente vergleichsweise einfach in Kohlenstoff umgewandelt werden. Abhängig von den Prozessbedingungen können die Eigenschaften der Kohlenstoffschichten beeinflusst werden. Im Rahmen der Zusammenarbeit wurde die Werkstoffentwicklung von Kohlenstoffschichten auf SiC für Gleitanwendungen in Pumpen untersucht und bewertet. Im Labormaßstab wurde das tribologische Verhalten in wässrigen Medien und im Trockenlauf eingehend untersucht. Zusätzlich wurden verschiedene Prüfläufe auf Pumpenprüfständen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wurden die Reibmechanismen diskutiert und Hinweise für die Einsatzbereiche dieser Werkstoffe für Dichtungen und Gleitlager in Pumpen gegeben.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären. In the frame of this dissertation new polymeric high performance composite materials were developed as well as different testing methods to replicate abrasive wear conditions. Initial point fort his theme was to establish composite materials as alternative slide bearing material in hermetical closed pumps for aggressive and abrasive media. State-of-art for this application are slide bearings made of ceramic materials, especially monolithic silicon carbide. Thus, the aim of this work was to investigate whether polymeric materials could be modified in such a manner that they offer comparable wear behaviour. On the basis of epoxy resin the fundamental material development was conducted by varying fillers and reinforcing components regarding type, size and quantity. Afterwards the formulation with well-balanced properties was transferred to another thermosetting material (Vinylester) and a thermoplastic (Etylentetrafluorethylen). This way it was possible to demonstrate that the wear behaviour of highly filled systems is significantly influenced by the incorporated fillers and reinforcing components and by transferring the formulation similar wear rates can be obtained. Furthermore, the effect of the curing temperature and thus the manufacturing process on the material properties was described. Through the addition of multimodal particle size distributions to the composite materials the tribological behaviour could be enhanced again. The examination of the material properties was realised by mechanical and tribological tests. However, the latter were conditionally useful to compare the newly developed high performance composite materials with the reference material, monolithic silicon carbide. Out of this reason a special media test rig was designed and built up to be able to simulate lubricated and unlubricated abrasive wear conditions. By utilising abrasive counterparts it was possible to cut down the testing time from 20 hours to 60 seconds. The following validation of the results revealed a good agreement. To draw universally valid conclusions the experimental results were reviewed with three wear models, suitable for abrasive conditions (Archard, Budinski, Ratner et al). Thereby, none of the models proved to be adequate to reproduce all experimental values. Nevertheless it could be identified that the deformation behaviour plays an important role during abrasive wear processes. Hence the deformation behaviour of three exemplary composite materials was simulated with the finite element method (FEM) while a dynamic micro hardness measurement. It was found that the calculated and the experimental data fitted in good agreement. Furthermore, the developed FEM models suit very well for explaining the wear behaviour.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären. In the frame of this dissertation new polymeric high performance composite materials were developed as well as different testing methods to replicate abrasive wear conditions. Initial point fort his theme was to establish composite materials as alternative slide bearing material in hermetical closed pumps for aggressive and abrasive media. State-of-art for this application are slide bearings made of ceramic materials, especially monolithic silicon carbide. Thus, the aim of this work was to investigate whether polymeric materials could be modified in such a manner that they offer comparable wear behaviour. On the basis of epoxy resin the fundamental material development was conducted by varying fillers and reinforcing components regarding type, size and quantity. Afterwards the formulation with well-balanced properties was transferred to another thermosetting material (Vinylester) and a thermoplastic (Etylentetrafluorethylen). This way it was possible to demonstrate that the wear behaviour of highly filled systems is significantly influenced by the incorporated fillers and reinforcing components and by transferring the formulation similar wear rates can be obtained. Furthermore, the effect of the curing temperature and thus the manufacturing process on the material properties was described. Through the addition of multimodal particle size distributions to the composite materials the tribological behaviour could be enhanced again. The examination of the material properties was realised by mechanical and tribological tests. However, the latter were conditionally useful to compare the newly developed high performance composite materials with the reference material, monolithic silicon carbide. Out of this reason a special media test rig was designed and built up to be able to simulate lubricated and unlubricated abrasive wear conditions. By utilising abrasive counterparts it was possible to cut down the testing time from 20 hours to 60 seconds. The following validation of the results revealed a good agreement. To draw universally valid conclusions the experimental results were reviewed with three wear models, suitable for abrasive conditions (Archard, Budinski, Ratner et al). Thereby, none of the models proved to be adequate to reproduce all experimental values. Nevertheless it could be identified that the deformation behaviour plays an important role during abrasive wear processes. Hence the deformation behaviour of three exemplary composite materials was simulated with the finite element method (FEM) while a dynamic micro hardness measurement. It was found that the calculated and the experimental data fitted in good agreement. Furthermore, the developed FEM models suit very well for explaining the wear behaviour.

Keramische Werkstoffe aus Siliciumcarbid werden heute standardmäßig für Gleitkomponenten in Pumpen für beliebige Medien eingesetzt. Entscheidende Vorteile dieser Keramik gegenüber anderen Werkstoffen sind die hohe Verschleißbeständigkeit auch in chemisch aggressiver Umgebung bei gleichzeitig niedrigen Reibwerten in wässriger Umgebung.

Die wesentlichen Ziele der vorliegenden Arbeit bestehen darin, das Verständnis für die Einsatzgrenzen und -möglichkeiten von thermoplastischen Massivgleitlagern radialer Ausführung unter den verschiedenartigen Betriebsbedingungen zu verbessern, die Kompliziertheit des tribologischen Systems Polymer-gleitlager / Welle zu verdeutlichen und ggf. Problemlösungen anzubieten. Es werden dafür die Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen mit Mantel- und Buchsen-lagern im Langzeitbetrieb und im Aussetzbetrieb, jeweils mit und ohne Initialschmierung, vorgestellt und bewertet. Im Vordergrund stehen das Reibungs- und Verschleißverhalten jener Gleitlager. Die falsche Auslegung des Lagerspiels ist bei Trockenlaufgleitlagern wahrscheinlich die häufigste Ausfallursache. Die Ergebnisse eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Rechengangs für die Bestimmung des notwendigen Einbaulagerspiels von Buchsenlagern werden den experimentell ermittelten Ergebnissen gegenübergestellt. Die Berechnungen ergeben nach bisherigem Wissen im Vergleich zu den Lagerspielversuchen etwas größere notwendige Einbaulagerspiele.