Maschinenelemente und Rechnergestützte Produktentwicklung

In modernen Hubmagnetsystemen zur Abgasnachbehandlung sind Schmierstoffe extremen Randbedingungen ausgesetzt. Dies können neben dem Einsatz von chemisch aggressiven Medien unter anderem hohe Temperaturen oder Gleitgeschwindigkeiten sein. Aufgrund ihrer flexiblen Zusammensetzung aus Gittermatrix, Füllstoffgehalt und Additiven ermöglichen Gleitlacke eine Abstimmung ihrer Eigenschaften auf anspruchsvolle Anforderungsprofile. Sie finden überall dort Anwendung, wo herkömmliche Schmierstoffe wie Fette oder Öle an ihre Grenzen kommen oder aufgrund ihrer Stoffeigenschaften nicht eingesetzt werden können. Bisher ist das tribologische Verhalten von Gleitlacken in SCRSystemen zur Abgasnachbehandlung unerforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden Gleitlacke aus tribologischer Sicht bezüglich ihrer Eignung für den Einsatz in Magnetsystemen unter SCR-System spezifischen Umgebungsbedingungen untersucht. Zum Verständnis der ablaufenden Verschleißmechanismen wurde ein anschauliches Erklärungsmodell entwickelt. Die Randbedingungen der im Rahmen der Forschung durchgeführten Versuche wurden aus dem Zielsystem, der Rücksaugpumpe, abgeleitet. Auf Basis des C&C2-Ansatzes erfolgte zunächst eine umfassende Systemanalyse. Mittels eines DOE unterhalb der Fressgrenze wurde das tribologische Verhalten von PAI-PTFE Gleitlacken in Modellversuchen analysiert. Ein auf Basis multipler Regression entwickeltes Modell ermöglicht die Vorhersage von Verschleiß und Reibung mit einem Bestimmtheitsmaß R2 > 0, 81. Die Einflussparameter Temperatur, Oberflächengüte des Gegenkörpers sowie die NH3-Konzentration zeigen eine besonders ausgeprägte Signifikanz. Über eine Analyse der zugrunde liegenden Verschleißmechanismen auf mikroskopischer Ebene konnte festgestellt werden, dass Veränderungen des tribologischen Verhaltens im Wesentlichen auf die Ausbildung der Transferfilme zurückzuführen sind. Durch die Bearbeitung der Gegenkörperoberfläche wird das Adhäsionsverhalten und damit die Stabilität des Schutzfilmes maßgeblich beeinflusst. Die Vorschädigung der Gleitlackschicht mittels NH3 manipuliert die Dimension der resultierenden Transferpartikel und hat somit einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung des Transferfilmes. Temperierung führt zu mechanischen sowie rheologischen Änderungsprozessen im Gleitlackfilm. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein für transferfilmbildende Festschmierstoffbeschichtungen allgemeingültiges Erklärungsmodell entwickelt. Es stellt den Wirkungsprozess vom Initialzustand bis zum Systemausfall in neun grundlegenden Stufen dar. Charakteristische Mechanismenänderungen unter Einfluss besonders relevanter Parameter sind dabei bildlich veranschaulicht. Über, auf dem Konzept nach WÖHLER basierende, Beanspruchbarkeitskurven wurde die Zuverlässigkeit in Abhängigkeit der untersuchten Einflussparameter dargestellt. Durch eine Erhöhung der Umgebungstemperatur bis ca. 107 ◦C sowie einer Reduzierung der Oberflächenrauheit des Gegenkörpers auf Werte bis Rz2 kann die Lebensdauer signifikant erhöht werden. Auf Basis der Ergebnisse vorliegender Arbeit können die Grenzen signifikanter Einflussparameter sowie Empfehlungswerte für den Einsatz von Gleitlacken in zukünftigen Anwendungen gegeben werden.

Die Integration aller Komponenten eines Automobils zu einem Gesamtprodukt erfolgt durch den Einsatz von Verbindungstechnik. Dabei verursachen eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken sowie die hohe Anzahl einzelner Verbindungspunkte von der Entwicklung über die Beschaffung und Logistik bis hin zur Fertigung erhebliche Kosten. Das Ziel der Arbeit ist deshalb zum einen die Transparenz über die im Zusammenhang mit der Verbindungstechnik anfallenden Kosten im Automobilbau zu verbessern. Zum anderen wird darauf aufbauend eine Methode zur gezielten, frühzeitigen Beeinflussung der Verbindungstechnikkosten entwickelt und mittels eines Assistenzsystems validiert.

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.

Die weitere Anpassung der Stickoxidgrenzwerte führt dazu, dass die reduzierten Grenzwerte durch innermotorische Maßnahmen und der bisher eingesetzten Technik zur Abgasnachbehandlung nicht mehr erfüllt werden können. Ein Lösungsansatz stellen Systeme dar, welche unter dem Begriff Selektive Katalytische Reduktion (SCR) bekannt sind. Bei diesen Systemen wird eine wässrige Harnstofflösung in das Abgas ein dosiert. Bisher wurden solche Systeme in Nutzfahrzeugen und Personenkraftwagen eingesetzt. Damit die reduzierten Grenzwerte erreicht werden können, muss das Spray verbessert werden. Eine wichtige Komponente ist dabei das Dosiermodul. Die Integration der in Nutzfahrzeugen eingesetzten Dosiermodule ist in Personenkraftwagen ohne Zusatzkomponenten und des begrenzten Bauraums nicht möglich. Einen universellen Lösungsansatz stellt ein Dosiermodul dar, welches nach dem aus der Dieseleinspritztechnik bekannten Pumpe- Düse-Wirkprinzip arbeitet. Im Gegensatz zum Diesel ist die wässrige Harnstofflösung ein niedrig viskoses, stark korrosives Medium. Das Reduktionsmittel dient auch als Schmiermedium. Eine Möglichkeit, das Pumpe-Düse-System auf die geänderten Randbedingungen anzupassen, stellen werkstofftechnische sowie konstruktive Maßnahmen dar. Daraus ergibt sich ein neues, nicht verstandenes Tribologisches System. Im Rahmen der folgenden Arbeit wurden Werkstoffpaarungen identifiziert und auf ihre Eignung für den Einsatz in einem mit Reduktionsmittel geschmierten Kontakt untersucht. Das Ziel der konstruktiven Maßnahmen ist, die Beanspruchung des Tribologischen Systems durch Querkräfte zu reduzieren und den Schmierfilmaufbau zu verbessern. In einem ersten Arbeitsschritt wurde eine umfassende Systemanalyse auf Grundlage des Contact & Channel-Ansatzes durchgeführt, um die Beanspruchung des Tribo-Systems zu ermitteln. Anschließend wurden potentielle Werkstoff-paarungen gesucht, in Modellversuchen untersucht und bewertet. Der Schwerpunkt liegt auf Stahl-Keramik-Paarungen sowie auf Paarungen, bei denen eine der Wirkflächen eine DLC-Beschichtung aufweist. Zusätzlich wurden Auslagerungsversuche zur Bewertung der Korrosionsbeständigkeit durchgeführt. Die geforderten Reibwerte konnten nur mit beschichteten Paarungen erreicht werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die temperaturabhängige Medienalterung einen Einfluss auf das tribologische Verhalten hat. Ursache hierfür ist eine geänderte chemische Zusammensetzung des Mediums sowie eine Änderung des Benetzungs- und Adsorptionsverhaltens. Die mit einer DLC-Schicht modifizierten Zielpaarungen wurden in weiteren Versuchsreihen in Modellversuchen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Vorschädigung des Gegenkörpers sowie das Eingriffsverhältnis einen Einfluss auf das Verschleißverhalten haben. Auf Grundlage des Ergebnisses wurde ein Reibungs- und Verschleißmodell aufgestellt. Damit die Übertragbarkeit der in den Modellversuchen ermittelten Erkenntnisse auf das Erzeugnis sichergestellt werden kann, wurden zusätzlich Bauteilversuche durchgeführt. Die Übertragbarkeit der Erkenntnisse konnte nachgewiesen werden. Die konstruktiven Anpassungen wurden mithilfe der numerischen Simulation bewertet. Es konnte nachgewiesen werden, dass Mikrokonturierungen auch bei Schmierung mit niedrig viskosen Medien den Schmierfilmaufbau verbessern.