Numerical representation of a pin-on-disc tribometer for the investigation of textured surfaces

Die wachsende Nachfrage nach höherer Leistung und geringerer Umweltbelastung durch tribologische Geräte hat zur Entwicklung strukturierter Oberflächen geführt, die Reibungsverluste und Verschleißphänomene reduzieren können. Ein großer Teil der tribologischen Forschung an solchen Oberflächen beruht auf experimentellen Untersuchungen, die auf Pin-on-Disc-Tribometern basieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die numerische Darstellung dieser Experimente und die Untersuchung des Einflusses von Texturen im hydrodynamischen Bereich. Bei der ersten Analyse des Pin-on-Disc-Tribometers wird besonders auf die hochauflösende Darstellung der makroskopischen Geometrie des Kontaktes geachtet. In dieser Hinsicht wird der Einfluss des Geschwindigkeitsgradienten in der Rotationsebene untersucht und mit experimentellen Studien verglichen. Die Rolle von Trägheitseffekten wird anhand der Navier-Stokes-Gleichungen analysiert und die Gültigkeit der Reynolds-Gleichung für 3D-Dimples überprüft. Die Auswirkungen der viskosen Dissipation werden ebenfalls berücksichtigt, um deren Einfluss auf die Druckverluste im Kontaktbereich zu bestimmen, die mit dem Quadrat der Sommerfeldzahl skalieren. Schließlich wird mittels einer umfangreichen Parameterstudie der Einfluss von Betriebsbedingungen auf die optimalen Formparameter einer durch Dimples strukturierten Oberfläche untersucht. Als Resultat dieser Untersuchung folgt, dass die Tiefe der Dimples einen höheren Einfluss auf die gesamte Kontaktleistung hat als der Durchmesser. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Tiefe der Dimples, die dem minimalen Reibungskoeffizienten entspricht, mit der Quadratwurzel der Sommerfeldzahl skaliert und damit in Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen am gleichen Tribometer steht.