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Zur Entwicklung eines Systems zur Vorhersage der restlichen Lebensdauer eines Gleitlagers ist es notwendig, den fortschreitenden Verschleiß quantitativ zu überwachen. Hierzu soll ein Datensatz über den Verlauf mehrerer Verschleißexperimente an Gleitlagern erstellt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Überwachung des Verschleißes durch Messung von Rundheits- und Oberflächenprofilen vor und nach einem Experiment. Das Oberflächenprofil kann zur Erkennung und Überwachung des Einlaufvorgangs verwendet werden. Dahingegen kann mit dem Rundheitsprofil das Verschleißvolumens über die gesamte Lebensdauer des Gleitlagers ermittelt werden. Hierzu wird ein Vorgehen zur Schätzung des Verschleißvolumens beschrieben. Die Unsicherheit des Vorgehens wird analysiert, wobei sich zeigt, dass das Vorgehen eine gute Genauigkeit besitzt und die Unsicherheit durch die manuelle Einstellung der Messpositionen induziert wird. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit können Schwellenwerte für messbares Verschleißvolumen ermittelt werden., To develop a system for predicting the remaining service life of a journal bearing, it is necessary to monitor the progressive wear quantitatively. For this purpose, a data set on the progress of several wear experiments on plain bearings is to be created. This work is concerned with monitoring wear by measuring roundness and surface profiles before and after an experiment. The surface profile can be used to detect and monitor the running-in process. On the other hand, the roundness profile can be used to determine the wear volume over the entire life of the journal bearing. For this purpose, a procedure for estimating the wear volume is described. The uncertainty of the procedure is analyzed. It is shown that the procedure has a good accuracy and that the uncertainty is induced by the manual setting of the measuring positions. Based on the results of this work, threshold values for measurable wear volume can be determined.

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.

Im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor beeinflusst die Gleitlagerung im Turbolader entscheidend die Effizienz und Leistung des gesamten Motorprozesses. Die Lagerkennwerte sind dabei wesentlich von den Betriebsparametern des Turboladers abhängig. Gleichzeitig ist die Kenntnis der thermischen Randbedingungen, insbesondere der Rotor- und Gehäusetemperatur, eine wesentliche Voraussetzung in der Modellierung des diabaten Verhaltens der Gleitlager. Diese werden maßgeblich durch den Wärmestrom von der heißen Turbine durch die Welle und das Lagergehäuse beeinflusst. Um die thermische Wechselwirkung gleitgelagerter Radial- und Axiallagerstellen im Abgasturbolader mit der Systemumgebung unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen wurden daher bestehende Gleitlagerlagerberechnungsmodule auf Basis der Reynoldsgleichung umfangreich erweitert und bidirektional mit einem numerischen Modell eines Turboladers gekoppelt. Die Auflösung der Prozesswärmeströme im Abgasturbolader ermöglichte dabei die bisher unbekannten thermischen Randbedingungen an den Lagerstellen direkt zu berechnen. Die Validierung des numerischen Gesamtmodells erfolgte durch experimentelle Untersuchungen eines umfangreich instrumentierten Abgasturboladers auf einem Heißgasprüfstand. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte eine gute Übereinstimmung gemessener und berechneter Gehäuse- und Lagertemperaturen, sowie Schwimmbuchsendrehzahlen und Verlustleistungen nachgewiesen werden. In den untersuchten Fällen dominiert dabei die Verlustleistung des Axiallagers gegenüber den Verlusten des Radiallagers. Hierzu trägt vor allem der Abfluss über die inaktive Lagerseite bei. Zudem trägt der Wärmeübergang am Lagergehäuse signifikant zur Verlustleistung bei. Die an den Lagerstellen übertragene Wärme weist sowohl eine Drehzahl-, als auch eine Lastabhängigkeit auf, wobei die Richtung der Wärmeströme lokal variiert. Dabei führen die Lagerstellen bei niedrigen Drehzahlen und geringen Lagerlasten Wärme von der Systemumgebung an das Schmiermittel ab und tragen somit zur Kühlung des Abgasturboladers bei. Die thermische Berücksichtigung der Lagerstellen induziert des Weiteren vor allem im Rotor durch Zu- und Abfuhr von Wärme einen komplexen Wärmestrompfad, was im Vergleich mit einer adiabaten Rotorbetrachtung zu erheblichen Temperaturunterschieden führt. Die Untersuchungen bestätigen die Notwendigkeit eines bidirektionalen Ansatzes bei der Wärmestromanalyse von Gleitlagern zur Bestimmung der Lagerkennwerte im Turbolader., In interaction with the internal combustion engine, the plain bearings in a turbocharger have a decisive influence on the efficiency and performance of the entire engine process. The bearing characteristics are largely dependent on the operating conditions of the turbocharger. At the same time, information of the thermal boundary conditions, in particular the rotor and housing temperature, is an essential prerequisite for modeling the diabatic behavior of the plain bearings. These are significantly influenced by the heat flow from the hot turbine through the rotor and the bearing housing. In order to investigate the thermal interaction of floating ring and thrust bearings in the turbocharger with the system environment under real operating conditions, existing plain bearing calculation modules based on the Reynolds equation were extended and coupled bidirectionally with a numerical model of a turbocharger. The calculation of heat flows in the turbocharger enable to directly calculate the previously unknown thermal boundary conditions at the bearings. Validation of the overall numerical model was performed by experimental investigations of an extensively instrumented turbocharger on a hot gas test bench. For the investigated operating points, a good agreement of measured and calculated housing and bearing temperatures, as well as floating ring speed and power loss could be proven. For the investigated operating points, the power loss of the thrust bearing dominates. This is due to the mass flow to the inactive bearing side. In addition, heat transfer at the bearing housing contributes significantly to power loss. The heat transferred at the bearings shows both a speed and a load dependence, whereby the direction of the heat flows varies locally. At low speeds and low bearing loads, the bearings transfer heat from the system environment to the lubricant and thus contribute to cooling the exhaust gas turbocharger. Furthermore, the thermal consideration of the bearings induces a complex heat flow path, especially in the rotor, through the addition and subtraction of heat, which leads to considerable temperature differences compared to an adiabatic approach. The investigations confirm the necessity of a bidirectional approach for heat flow analysis of plain bearings to determine the bearing characteristics in the turbocharger.

Polymere Komposite finden zunehmend Anwendung in tribologischen Systemen. Durch die spezifische Zugabe von Füll- und Verstärkungsstoffen lassen sich maßgeschneiderte Eigenschaften für ein tribologisches System erzielen. Dabei stellt die virtuelle Auslegung solcher Systeme durch die Inhomogenitäten der Materialeigenschaften auf der Mikroskala eine besondere Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Mischreibungssimulation, welche auf einem isotropen, homogenen, linear-elastischen und temperaturunabhängigen Materialverhalten für metallische Werkstoffe basiert, für polymere Komposite erweitert. In der Simulation erfolgt eine Skalentrennung. Auf der Mikroskala wird auf Rauheitsebene die Kontakt- und Fluidsimulationen durchgeführt. Deren Ergebnisse werden als effektive Eigenschaften auf der Makroskala verwendet. Auf der Makroskala erfolgt eine Mischreibungsberechnung basierend auf einer thermo-elasto-hydrodynamischen Simulation. Als Analyseobjekt dient ein Radialgleitlager mit Stahlwelle und PEEKCF30-Lagerbuchse (Hochtemperaturthermoplast mit 30 Gew.-% Kohlenstoffkurzfaserverstärkung). Auf der Mikroskala wird eine heterogene FEM-Kontaktsimulation mit rauen Oberflächen entwickelt, welche die reale Faserverteilung mit gemessenen Rauheiten überlagert. Durch die heterogene Kontaktsimulation werden signifikant geringere Kontaktsteifigkeiten gegenüber der homogenen Kontaktsimulation basierend auf PEEKCF30-Zugversuchen erreicht, da auf der Mikroskala die Matrixeigenschaften die Kontaktsteifigkeit dominieren. Es stellt sich heraus, dass durch variierende Rauheiten und Faseranteile in der Oberfläche a priori keine generische, effektive, homogene Steifigkeit für die Kontaktsimulation eines heterogenen Materials auf der Mikroskala möglich ist. Das entwickelte Kontaktmodell liefert hierfür einen Lösungsansatz. Die Makroskala wird um thermische Effekte erweitert. Temperaturabhängige Kontaktsteifigkeiten führen bei erhöhten Temperaturen auf der Makroskala zu geringeren Reibungszahlen. Die Berücksichtigung der Temperaturdehnung auf der Makroskala führt zusätzlich zu geringeren Reibungszahlen durch eine Verengung des Schmierspaltes und zu einem qualitativ unterschiedlichen Tragverhalten. Zusätzlich wird auf der Makroskala eine Verschleißsimulation nach einem energetischen Verschleißmodell entwickelt. Die Validierung der Modellerweiterungen am Gleitlagerprüfstand zeigt signifikante Verbesserungen in der Reibungsvorhersage für polymere Werkstoffe. Genauso zeigen die simulierten Verschleißgeometrien eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Geometrien, was auf der realitätsnahen Beschreibung der Kontaktverhältnisse in der Mischreibungssimulation basiert. Schlagwörter: PEEK, Polymer, Gleitlager, Mischreibung, Verschleiß, TEHD-Simulation, Polymeric composites gain increasing importance in tribological systems. By the addition of particles or fibers to a polymeric matrix, specific properties for a tribological system can be achieved. Hence, the virtual design of such materials especially on the micro scale is particularly challenging. In this work, a mixed lubrication simulation based on isotropic, homogeneous, linear elastic and temperature independent material behavior is extended for polymeric composites. The simulation holds a separation of two length scales. On the micro scale, fluid and contact simulations with real rough surfaces are performed. The results are used as effective properties on the macro scale. On the macro scale, friction is calculated based on a thermal elastohydrodynamic lubrication simulation. As a component of interest a journal bearing with a steel shaft and a PEEKCF30 bushing (high temperature thermoplastic with 30 mass-% short carbon fiber) is used. On the micro scale, a heterogeneous FEM-based contact simulation with rough surfaces is developed, in which the real fiber distribution is merged with the real roughness. This novel heterogeneous contact simulation leads to significantly less contact stiffness compared to a homogeneous contact simulation based on tensile tests of PEEKCF30. The results show that there is no generic, homogeneous stiffness for the contact simulation of heterogeneous materials due to the varying roughnesses and fiber distributions, which are not known a priori. The developed FEM contact model offers an approach to solve this problem. On the macro scale, the simulation is enhanced by additional thermal effects. The temperature dependent contact stiffness leads to decreasing friction for elevated temperatures. The consideration of thermal expansion results also in lower friction due to a global decrease of the fluid gap. Additionally the thermal expansion leads to a qualitatively different contact distribution. Furthermore, a wear simulation based on the mixed lubrication simulation and an energetic wear model is developed. The validation of the mixed lubrication simulation by a journal bearing test rig shows significant improvements for the friction prediction of polymeric composites. The simulated and measured worn geometry show a very good match because of the realistic modeling of the contact behavior by the mixed lubrication simulation. Keywords: PEEK, polymer, journal bearing, mixed lubrication, wear, TEHL simulation

Gleitgelagerte, vertikale Maschinen stellen aufgrund der spezifischen Schmierfilmeigenschaften ein nichtlineares Schwingungssystem dar. Im Gegensatz zum Großteil der horizontalen Maschinen existiert in den Führungslagern vertikaler Rotoren keine definierte statische Gleichgewichtslage infolge einer Gewichtskraft. Da die durch Unwuchten oder andere Zwangsanregungen hervorgerufenen dynamischen Kräfte, gegenüber den statischen Kräften meist überwiegen, besitzt das Systemverhalten eine Abhängigkeit vom Betrag der anregenden Kraft. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Verifikation von Berechnungsmodellen und -algorithmen für die Analyse des Schwingungsverhaltens von Maschinen mit vertikalem Rotor. Hierfür werden systematisch Variationsrechnungen am nichtlinearen System mit unterschiedlicher Modelltiefe durchgeführt, um dessen Eigenschaften und Sensitivitäten besser zu verstehen. Dazu wird ein dynamisches Kippsegmentlagermodell entwickelt, in dem die Segmente als träge Körper abgebildet werden. Die Beschreibung der Schmierspaltströmung erfolgt mit der numerischen Lösung einer verallgemeinerten Reynolds’schen Differenzialgleichung unter Berücksichtigung der zeitlichen Ölmengenverteilung. Als wesentliche Einflussgrößen auf das nichtlineare Resonanzverhalten haben sich die Verhältnisse von statischer zu dynamischer Last, sowie Lagersteifigkeit zu Abstützungssteifigkeit herausgestellt. Darüber hinaus können beim Kippsegmentlager Staudruckeffekte am Segmentbeginn und mechanische Segmentaufbiegungen einen signifikanten Einfluss auf das Resonanzverhalten besitzen. In einigen Parameterbereichen kann eine lineare Beschreibung des Systems ausreichend sein. Zur quantitativen Beurteilung des Gültigkeitsbereiches linearer dynamischer Beschreibungen der Lagereigenschaften wird eine Störungsrechnung höherer Ordnung angewendet. Die Störungsrechnung führt auf ein nichtlineares Kraftgesetz für die Beschreibung der Schmierfilmrückstellkräfte. Dies ermöglicht die Verifizierung einer linearen Rotordynamikanalyse ohne die explizite Durchführung einer nichtlinearen Berechnung., Due to the specific lubricant film properties vertical machines with journal bearings represent a non-linear vibration system. In contrast to the majority of horizontal machines, no defined, static mechanical equilibrium exists as weight force acts in direction of the rotational axis. Since dynamic forces caused by imbalances or other excitations usually exceed static forces, the system behaviour depends on the magnitude of the excitation force. The aim of this thesis is the development and verification of calculation models and algorithms for the analysis of vibrational behaviour of machines with vertical rotor. Simulations with systematically varying parameters are conducted for the nonlinear system with different modeling depths to generate specialized knowledge of its properties and sensitives. For this purpose, a detailed dynamic tilting-pad bearing model considering pad mass inertia is developed. The numerical solution of an extended and generalized Reynolds equation considering the history of oil distribution describes fluid flow in the lubricant film. Results indicate that the ratios of static to dynamic load and bearing stiffness to support stiffness mainly influence the non-linear resonance behaviour. Furthermore, in case of tilting-pad bearings, fluid inertia effects at the transition between inlet and gap region at the leading edge of the pads as well as mechanical pad deflections can induce significant influence on the resonance behavior. In certain parameter ranges, a linear description of the system may be sufficient. For quantitative evaluation of the validity range of linear dynamic descriptions of the bearing properties, a higher order perturbation calculation is applied. The perturbation ansatz leads to a non-linear force equation for the description of lubricant film forces that enables a verification of linear rotor dynamic analysis without conducting a non-linear calculation.

Wirtschaftliche und ökologische Rahmenbedingungen zwingen die Forschung immer weiter, die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen zu verbessern. Für hydrodynamische Gleitlager wird die Abweichung der zylindrischen Form untersucht, um gezielt Betriebsparameter zu begünstigen. Untersuchungen mit ALP3T dienen der Ermittlung lastfallabhängiger Vorzugsgeometrien. Weiterführende Simulationsuntersuchungen mit Creo Simulate ermöglichen im Anschluss die praxisnahe Formgenerierung. Eine Überführung der Ergebnisse zwischen den beiden Programmen liefert die lastfall- und formabhängigen Betriebsparameter des Gleitlagers. Mit Hilfe der Kopplung können in iterativen Simulationsschritten Fehler reduziert und somit lastfallspezifische Lagergeometrien präsentiert werden. Ferner lässt sich für das Gleitlager ein Demonstrator konzipieren, der diese Lagergeometrien aufbringt.

Die Betriebseigenschaften von Gleitlagern werden im Wesentlichen durch die Schmierspaltgeometrie bestimmt. Eine starre Geometrie kann von daher nur für einen Betriebspunkt optimal sein. Der Betrieb außerhalb dieses Punktes führt zu negativen Auswirkungen wie z.B. Verschleiß und Instabilitäten. Der mögliche Betriebsbereich kann durch eine geeignete Formänderung des Gleitlagers während des Betriebs erheblich vergrößert werden. Zu diesem Zweck ist das Gleitlager als Mechanismus mit selektiver Nachgiebigkeit ausgelegt, der es ermöglicht, die Form der Gleitflächen mit einer bestimmten Kinematik zu verändern.

Zur Realisierung des neuartigen und keramischen Gleitlagers unter den Einsatzbedingungen hoher und stoßartiger Belastungen wird auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) zurückgegriffen, um ein keramikgerechtes Design abzuleiten. Unter Einbeziehung der umgebenden Strukturen, wie der Einbettung und dem Bolzen, werden mit Hilfe der FEM konstruktive und werkstoffliche Parameterstudien durchgeführt. Als Basis der Untersuchungen dienen typische Arm- und Koppelstangenverbindungen aus dem Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen. Oberstes Ziel der Studien ist die Minimierung der Zugbeanspruchungen im keramischen Werkstoff unter Last nach dem Kriterium des „Spannungsminimums“. Daneben werden optimierte Einbettungsbauformen untersucht, die eine geringe Zugbeanspruchung garantieren und gleichzeitig einen geringen Massebedarf aufweisen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Parameterstudien ist eine analytische Berechnungsvorschrift abgeleitet sowie die statische und dynamische Tragfähigkeit des keramischen Gleitlagers experimentell nachgewiesen worden. Im Ergebnis der Forschungsarbeit steht die mechanische Einsatzfähigkeit des keramischen Gleitlagers auf Basis von Siliziumnitrid (Si3N4). Sowohl die statische als auch die dynamische Tragfähigkeit konnte bis zu einer Flächenpressung von mindestens 150 N/mm² und bei einer Lastfrequenz von 12,5 Hz nachgewiesen werden.

Die quantitative Abschätzung des Einflusses geometrischer Abweichungen auf die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen stellt für die Produktentwicklung einen wesentlichen Bestandteil zur Sicherung der Funktionalität dar. An einem radialen zylindrischen Gleitlager wird gezeigt, wie der Einfluss der Rundheit in Form eines Gleichdickes die Betriebsparameter verändert. Durch die Simulation mit ALP3T und die Auswertung der Ergebnisse mit MATLAB kann eine mögliche Vorgehensweise für den Umgang mit Formabweichungen bei der Entwicklung und der Qualitätssicherung aufgezeigt werden. Ferner gilt es andere geometrische Abweichungen (Position, Richtung) zu untersuchen, um die Funktionalität des Gesamtsystems sicherzustellen.

Increasing ecological and economic pressures, as well as increased technical requirements, have given rise to the need for research into alternative wear layers for hydrodynamic plain bearings. Previous investigations have tested and researched the bonded coating GL92. It has been possible to demonstrate that the bonded coating (plastic base) is a viable alternative to a conventional white metal alloy. However, this coating was not able to address all the issues experienced by industrial users, for example the behaviour of the system (changes to operating properties) during penetration of particles, or behaviour in a mixed friction area. The literature has not – or not sufficiently – answered the questions relating to damage patterns and damage tolerance. Therefore, regardless of the proven benefits, industrial use of this coating is currently not possible or is connected with significant risks. In the study, tests were carried out in the mixed friction area (start-stop testing, emergency testing without oil, insufficient lubrication tests) as well as in the hydrodynamic area. The comparative tests were performed on different wear layer materials. This paper demonstrates and discusses the results for both a conventional white metal alloy bearing and for the bearing with bonded coating (GL92). Depending on the operating point, the bearing systems exhibit significant differences at the maximum bearing load, lubricating film pressure distribution and maximum bearing temperature. The investigation has proven that GL92 is a technically useful alternative to conventional wear layers.

Hydrodynamic plain bearings are important machine elements. They are used in many areas of mechanical engineering, such as turbomachines, crankshaft bearings and gears. The geometry of the lubrication gap elemen-tarily influences the function as shown in several examples of abrupt failures in turbochargers. Due to toleranc-ing, the manufacturing requirements are very high. However, the question remains how large these deviations can be. ISO 12129-2 gives recommendations on form deviations depending on the minimum of plain bear-ing clearance (hmin). Nevertheless, there is no direct reference on the size or the strain on bearing. In DIN 31652-3, the tolerance of the bearing clearance is divided into -1/3 and +2/3 of itself. However, this tolerance merely has an indirect correlation with the size of the bearing and strain on the bearing. If these tolerance recommenda-tions are applied, the function of the plain bearing will not be completely fulfilled. Nonetheless, tolerances pro-vided by standards are used in geometric specifications. If these tolerances are used for in-company manufacturing, this is unproblematic in most cases. But if technical drawings are sent to an external manufacturer, toler-ance limits may be exhausted and the function cannot be ensured. Within the framework of the research project presented here, a tolerance evaluation matrix has been developed. For this, the existing standards were analyzed. In this case, the ignorance of size (diameter and width) and signif-icant operating properties (speed, load, temperature, etc.) are insufficient. The project examined and simulated various possible deviations. Selected form deviations were manufactured. The validation of the simulation results were carried out on 30mm.

submitted by Dipl.-Ing. Lukas Bernhauser, B.Sc. Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Arbeit gesperrt bis Universität Linz, Dissertation, 2017

Wachsende Anforderungen an die Ausbringungsleistung von Pressen und die steigende Teilekomplexität machen den effizienteren Einsatz der Servopressentechnologie nötig. Dabei erweist sich insbesondere die Nutzung diskontinuierlicher Umformtechnologien (beispielsweise Pendelhub) als vorteilhaft. Das resultierende Belastungskollektiv bei wechselnden Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten wirkt sich negativ auf das Tragverhalten von Gleitlagern mechanischer Pressen aus. Daher spielt diese Antriebstechnologie trotz bekannter Vorteile wie hohe Steifigkeit und Energieeffizienz bislang für derartige Anwendungen eine untergeordnete Rolle. Um hier einen effizienten Einsatz mechanischer Pressen zu ermöglichen, müssen die eingesetzten Gleitlager weiter qualifiziert werden. Innerhalb des Forschungsvorhabens wird dafür der Einsatz einer kontinuierlichen Überwachung der Schmierspaltverhältnisse innerhalb des Gleitlagers adressiert, um kritische Betriebszustände aufzuspüren. Außerdem soll parallel ein Schutzsystem integriert werden, das flexibel auf kritische Betriebszustände einwirken kann. Diese Kombination soll zu einem intelligenten Hybridgleitlager mit aktivem Überlastschutz führen.

In dieser Arbeit wird ein neuartiger und vollst��ndiger Ansatz pr��sentiert, der unter anderem, die Beschreibung von Kavitation in hydrodynamisch laufenden Sintergleitlagern erm��glicht. Das massenerhaltende Modell koppelt die Reynoldsgleichung f��r den Schmierfilm mit dem Gesetz von Darcy f��r den Materialtransport durch den por��sen Werkstoff. Das resultierende Gleichungssystem wird mittels finiter Differenzen diskretisiert und unter Ausnutzung einer k��nstlichen Druck-Dichte Beziehung iterativ gel��st. Weiters wird eine umfangreiche numerische Analyse durchgef��hrt, in der die Hauptparameter ��ber einen gro��en Wertebereich variiert werden. Es wird beobachtet, dass die Fluids��ttigung im Punkt der Wiederbildung des Schmierfilms eine Diskontinuit��t aufweist, die unabh��ngig von der Normallast auftritt. Um die Anwendbarkeitsgrenzen des Ansatzes auszuloten, werden auch Extremf��lle von sehr niedrigen und hohen Lagerlasten sowie kurzen/langen und hochpor��sen/(beinahe) massiven Lagern untersucht. Konvergierte L��sungen ergeben sich f��r relative Exzentrizit��ten von bis zu 0, 9, wobei um diesen Wert interessanterweise f��r den Fall eines sehr permeabeln Lagersitzes die Reibzahl ansteigt, entgegen der sonstigen Tendenz zu deren Abnahme. Schlie��lich werden die aus den Simulationen erhaltenen Ergebnisse mit experimentellen Messungen an industriell gefertigten Lagern verglichen. Dazu war die Implementierung eines pr��zisen Interpolationsschemas notwendig, mit dem aus der im Realsystem aufgebrachten Last schon im Vorhinein die relative Exzentrizit��t ermittelt werden kann. Die numerisch berechneten Werte f��r die Reibzahl spiegeln den Trend der experimentell bestimmten qualitativ sehr gut wieder, wobei erstere jedoch vorwiegend unter den gemessenen liegen., A new and comprehensive approach for describing, amongst others, cavitation in porous journal bearings operating under the regime of hydrodynamic lubrication is presented. The mass-conservative model couples the Reynolds equation for the fluid film with the Darcy's law for flow through porous media. The resulting system of equations is discretized using finite differences and solved iteratively by introducing an advantageous artificial pressure-density relation. An extensive numerical analysis where the governing parameters are varied along a wide range of values is carried out. It is found that at the point of film reformation the fluid saturation will exhibit a discontinuity, which does not depend on the applied load. In order to determine the limits of applicability of this approach, specific investigations aim at evaluating the extreme cases of relatively low and high bearing loads and very long/short as well as highly porous/(almost) massive bearings. Converged solutions are obtained for values of the eccentricity ratio of up to 0.9, and, interestingly, for the case of a very permeable seat the friction coefficient is seen to increase around this value, in contrast with the otherwise seen decreasing trend. Finally, the results obtained by simulations are compared with measurements performed on real-life bearings. This was achieved by an accurate interpolation scheme, which was able to predict the eccentricity ratio corresponding to the experimentally imposed load. The numerically calculated values of the friction coefficient are found to reproduce the experimentally obtained ones satisfactorily well in terms of overall trends, yet the former lie predominantly below the measured ones.

eingereicht von Lukas Brückl, Dipl.-Ing. Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016 OeBB

Derzeitige Ansätze zum sicheren Betrieb von Gleitlagern bestehen in der Überversorgung des Lagers mit Schmiermittel. Dies führt zu erheblichen Energieverlusten. Ziel dieser Arbeit ist es die durch Reibung verursachte Verlustleistung, zu reduzieren. Dazu wird ein Referenzprozess zur Steigerung der Energieeffizienz durch Reduzierung von ?parasitärer? Reibung mittels Optimierung des Schmiermitteldurchflusses am Beispiel von hydrodynamischen Gleitlagerungen vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit verfolgte die Zielstellung der Substitution des etablierten Weißmetalls als Laufschicht von hydrodynamischen Mehrflächengleitlagern durch neuartige Kunststoffschichten. Dazu wurden vergleichende Bauteilversuche an Mehrflächengleitlagern mit verschiedenen Laufschichten und Bohrungsformen vorgenommen. Eine Zinnbasislegierung als Laufflächenbeschichtung diente dabei als Referenzwerkstoff. Zur Durchführung des Versuchsprogrammes kam ein vorhandener, messtechnisch neu konditionierter Turbinenlagerprüfstand zum Einsatz. Die Versuchsreihen haben durchweg positive Beurteilungen der Lagerkennwerte im untersuchten Betriebsbereich der neuen Lagervarianten ergeben. Die neuartigen Laufschichtvarianten erfüllten die hohen tribologischen und thermischen Anforderungen. Einzelne Abweichungen der ermittelten Kennwerte wurden zahlenmäßig dokumentiert und können mit bereits verfügbaren physikalischen Modellen beschrieben werden. Die Ergebnisse erwiesen sich als unabhängig von der Lagerbauform aber abhängig von der gewählten Schichtvariante. Die Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter hydrodynamischer Dauerbelastung sowie im Mischreibungsgebiet und im Notlaufbetrieb führten zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Mischreibungsgebiet wiesen die untersuchten Lager kaum Unterschiede im Betriebsverhalten auf. Im Dauerversuch zeigten die Lager mit Weißmetall, Gleitlack und Keramikschicht hervorragende Eigenschaften. Die Variante Klüberplast besaß eine ungenügende Bindefestigkeit und führte zu plastischen Verformungen der Schicht infolge der hydrodynamischen Drücke. Im Notlaufbetrieb übertrafen die untersuchten Kunststoffvarianten die Standzeiten des Referenzwerkstoffs Weißmetall. The aim of this study was to identify and test an alternative liner material instead of common liner materials such as white alloy for multi-lobe radial bearings. For this purpose comparative tests with different radial bearings were carried out. The white alloy material was taken as a reference. In preparation for these test series, the measurement system of the turbine bearing test rig was upgraded. Experiments showed beneficial performances of the bearings with a plastic liner by evaluating the static and dynamic properties of different bearing geometries and liner thicknesses under a wide range of operating conditions. The new bearings fulfilled the high tribological and thermal requirements. Observed deviations of the determined parameters were documented in number and can be described with available physical models. The results were independent of the bearing type and depending on the selected liner material variant. The studies on operating performance in continuous operation in the mixed friction area and in dry running operation led to partially different results. The mixed friction tests showed little difference in the examined stock performance. The bearings with white alloy, ceramic layer and bonded coating showed excellent fatigue properties of long-term experiment. On Klüberplast insufficient bonding strength and plastic deformation of the layer due to the hydrodynamic pressure was found. In the dry running operation the investigated polymers exceeded the lifetime of the referencematerial white alloy.

In der vorliegenden Arbeit wird ein detaillierter Überblick über das Stabilitäts- und Bifurkationsverhalten hochtouriger Rotoren in hydrodynamischen Gleitlagern gegeben. Bei den durchgeführten nichtlinearen Untersuchungen wird neben kreiszylindrischen Gleitlagern mit einem Schmierfilm insbesondere das nichtlineare Verhalten von Rotoren in Schwimmbuchsenlagern betrachtet. Dafür werden die Methoden der numerischen Pfadverfolgung bei verschiedenen Rotormodellen angewandt.

With the aid of Chalmers specimens according to DIN ISO 4368, part 2, the bonding strength between Babbit sliding bearing materials and steel support members was investigated. The experimental results proved that the bonding strength of the newly developed alloy Sn-12Sb-6Cu-1.8Bi remained insufficient, when the supporting shell of steel grade C 10 was dipped in a pure Sn bath, even with variations of Sn bath temperature or casting and cooling modifications. With Bi containing melts an oxide layer forms between steel and bearing metal when the alloy is poured into the tin coated cups requested for Chalmers specimens. This oxide layer prevents a proper Fe/Sn bonding. The reason for the formation of the oxide layer when using Bi containing melts is not understood. A possible solution to the bonding problem is the in situ formation of a new bond coating directly from a modified tin bath. To this end, the bath of pure tin is alloyed with an element which has a higher affinity to iron than tin does. One possible alloying element is Zn, which can form intermetallic Fe-Zn layers on the steel shell enabling higher bonding strengths than layers formed in pure tin baths. By modifying the tinning of steel support shells this way, the originally low bonding strength of the newly developed bearing alloy could be increased to the level of conventional tin based sliding bearing alloys. In addition, the bonding strength of conventional Babbit metals on tin base could be considerably increased. The modified Sn Zn bath yields high bonding strengths with the investigated new alloys Sn-12Sb-6Cu-1.8Bi, Sn-12Sb-6Cu-1.8B+Te5, Sn-12Sb-6Cu-1.8B+Ni5, Sn-12Sb-6Cu-1.8Bi+Zn50 as well as with the conventional Babbit alloys TEGO V738, TEGOSTAR and TEGOTENAX. With the lead based alloy LM-THERMIT an improvement is not achieved, yet, the bonding strength surpasses under all testing conditions a value of 50 N/mm2. This proves that the new bath is universally applicable. To test the alloy dependence of the bonding strength the Zn content was varied from 9 over 24, 50 and 60 to 70 weight - %. Depending on ZN content the bath temperature was raised from 280 to 380°C. On an average, the Zn content of 50% gave the most favorable strength values. As a bath temperature, 360°C turned out to deliver the best results.

Knietotalendoprothesen (KTEPs) mit mobilen Polyethylen (PE) -gleitlagern wurden entwickelt, um eine physiologischere Bewegung des Kniegelenks zu gewährleisten und den PE-Abrieb zu verringern. Die theoretische Überlegenheit gegenüber KTEPs mit fixierten Gleitlagern konnte bislang noch nicht in klinischen Studien bewiesen werden. Das Ziel der vorliegenden Studie war die prospektive, klinische und funktionelle Analyse von Patienten mit einer „fixed“- oder „mobile-bearing“ Knietotalendoprothese. Methode: In einer prospektiven, randomisierten, Patienten- und Untersucher-geblindeten, klinischen Studie erhielten 33 Patienten mit einer primären Gonarthrose eine kreuzbanderhaltende Genesis-II-KTEP. 16 Patienten erhielten randomisiert eine „mobile-bearing“- und 17 Patienten eine „fixed-bearing“-KTEP. Am Tag vor der Operation und durchschnittlich 24 Monate postoperativ wurden etablierte klinische Scores (VAS, HSS, KSS), Aktivitätsscores (Tegner, UCLA) und Lebensqualitätsfragebogen (SF-36, WOMAC) angewendet, um beide Patientengruppen zu vergleichen. Die Ganganalyse wurde mit einem 6-Kamera-Bewegungsanalysesystem und Kraftmessplatten durchgeführt. Standardisierte, elektromyografische Ableitungen wurden mit dem MyoSystem 2000 aufgezeichnet und mit der Myoresearch Software ausgewertet. Ergebnisse: Beide Gruppen zeigten eine signifikante Verbesserung zwischen der prä- und postoperativen Ganganalyse und Elektromyografie, aber weder die Ganganalyse noch die Elektromyografie zeigten einen Unterschied zwischen beiden Gruppen bei der Nachuntersuchung. Die klinischen Ergebnisse und die Lebensqualität verbesserten sich signifikant durch die Operation, aber ausschließlich der Knee Society Score zeigte eine signifikante Überlegenheit der „mobile-bearing“-Gruppe (Durchschnitt 159,0; SA 27,7; min. 105; max. 196) gegenüber der “fixed-bearing“-Gruppe (Durchschnitt 134,4; SA 41; min. 56; max. 198) (p=0,0022). Schlussfolgerung: Die Ergebnisse der vorliegenden Studie können keinen funktionellen Vorteil der mobilen Gleitlager für die Kniegelenkskinematik nach Totalendoprothese belegen. Die besseren klinischen Ergebnisse der „mobile-bearing“-Gruppe müssen unter Berücksichtigung der geringen Fallzahlen und des kurzen Nachuntersuchungszeitraums vorsichtig interpretiert werden., Mobile bearing total knee arthroplasty (TKA) has been developed to theoretically provide better, more physiological function of the knee and produce less PE wear. The theoretical superiority of mobile bearing TKA´s over fixed bearing devices has not yet been proven in clinical studies. The objective of the present study was to prospectively analyze clinical and functional outcomes of randomized fixed and mobile bearing total knee arthroplasty patients by means of gait analysis, electromyography and established clinical scores. Methods: In a prospective, randomized, patient- and observer-blinded, clinical study, 33 patients (mean age 63 years) received a cruciate retaining Genesis II TKA for primary osteoarthritis. 16 patients received a mobile bearing and 17 patients a fixed bearing device. The day before surgery and 24 months postoperatively, established clinical (KSS, HSS, WOMAC, UCLA, VAS) and quality of life (SF-36) scores were used to compare both patient groups. Electromyography of standardized locations was measured with the MyoSystem 2000 and analyzed with Myoresearch software. Gait analysis was performed with a six camera motion analysis system and force platforms. Results: Both groups showed significant improvements between pre- and postoperative evaluation in gait analysis and electromyography, but gait analysis results as well electromyography did not show any difference between both groups at follow-up. Clinical and quality of life results significantly improved from pre- to postoperative evaluation, but only the Knee Society Score showed a significant superiority of the mobile bearing group (mean 159,0; SD 27,7; range, 105-196) over the fixed bearing group (mean 134,4; SD 41; range, 56-198) (p=0,0022). Conclusions: In the present study, no functional advantage of mobile bearing TKA over fixed bearing devices could be found, although the mobile bearing group had better clinical results. Thus, long-term clinical results and in-vivo wear analyses have to be followed, and more subtle functional analyses (e.g. fluoroscopy) have to be employed to finally judge over the theoretical advantage of mobile bearing TKA´s.

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.

ill., graphs

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.