Elastohydrodynamik · Meß- und Prüfverfahren Eigenschaften von Motorenölen PDF
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Dokumentation zum Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Bundesministeriums fOr Forschung und Technologie (BMFT) TRIBOLOGIE Reibung . VerschleiB . Schmierung Band 2 Elastohydrodynamik . MeB- und Prufverfahren Eigenschaften von Motoreh61en Herausgeber: Projekttragerschaft "Metallurgie, Werkstoffentwicklung, Ruckgewinnung" des BMFT bei der DFVLR, K61n Wissenschaftliche Leitung und Redaktion: W. Bunk, J. Hansen, M. Geyer Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1982 Professor Dr. rer. nat. Wolfgang Bunk Direktor des Instituts fOr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs-und Versuchsanstalt fur luft-und Raumfahrt e.V., Koln-Porz Lehrstuhl fOr angewandte Metallkunde, RWTH Aachen Dr. rer. nat. Jorn Hansen Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fOr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs-und Versuchsanstalt fOr Luft-und Raumfahrt e.V., Koln-Porz Dipl.-Ing. Manfred Geyer Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fOr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs-und Versuchsanstalt fur Luft-und Raumfahrt e.V., Koln-Porz Mit 269 Abbildungen und 38 Tabellen CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Tribo/ogie: Reibung, VerschleiB, Schmierung; Dokumentation zu dem Forschungs-und Entwicklungsprogramm des Bundesministeriums fUr Forschung und Technologie (BMFT) 1 Hrsg.: Projekttragerschaft "Metallurgie, Werkstoffentwicklung, ROckgewinnung" des BMFT bei der DFVLR, K61n. Wissenschaftliche Leitung und Redaktion: W. Bunk ... - Berlin; Heidelberg; New York: Springer NE: Bunk, Wolfgang (Red.); Deutsche Forschungs-und Versuchsanstalt fOr Luft-und Raumfahrt (K6In} 1 Projekttragerschaft Metallurgie, Werkstoffentwicklung, ROckgewinnung Band 2: Elastohydrodynamik, MeB-und PrOfverfahren, Eigenschaften von Motoren6len. -1982. ISBN-13: 978-3-540-11298-3 e-ISBN-13: 978-3-642-46452-2 001: 10.1007/978-3-642-46452-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschUtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwendung, vorbehalten. Die VergUtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG, werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen. © Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1982 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrfen. Buch-und Offsetdruckerei Richard Thierbach, BachstraBe 24, 4330 MUlheim (Ruhr) 2362/3020 - 5 4 3 2 1 0 v 0 R W0 R TZU M 1. BAN 0 Reibung und VerschleiB verursachen an Maschinen und technischen Anlagen in der Industrie erhebliche Verluste durch Minderung der Lebensdauer und des Wirkungs grades. Weitgehend unbekannt ist der erschreckend hohe Betrag, zu dem sich hier durch die Kosten fUr Energieaufwand, Instandhaltung, fUr Ersatzteile und Aus fallzeiten in unserer deutschen Volkswirtschaft aufaddieren. Verscharft wird die Situation dadurch, daB die internationale Konkurrenz der deutschen Industrie Maschinenanlagen mit groBeren Leistungsdichten, erhohten Bauteilauslastungen und verbesserten Wirkungsgraden abverlangt. Mit dieser Entwicklung wachsen aber auch die durch Reibung und VerschleiB bedingten Schwierigkeiten erheblich an. Diese Erkenntnisse und die Einsparmoglichkeiten an Rohstoffen und Energie er fordern groBe Anstrengungen, um mit den Problemen der Reibung und des Ver schleiBes fertig zu werden. Hier kann das systematische Zusammenwirken mehrerer Wissensgebiete in dem interdisziplinaren Fach "Tribologie" einen beachtlichen Beitrag liefern. Nach Offenlegung der Situation in der Bundesrepublik Deutschland in dem BMFT Forschungsbericht "Tribologie" entschloB sich das Bundesministerium fUr Forschung und Technologie (BMFT) im Rahmen seines Rohstofforschungs-Programms zu einer schwerpunktmaBigen Forderung der Tribologie mit einer Laufzeit von zunachst 6 Jahren und einem Fordervolumen in Hohe von ca. 37 Mio OM im Rahmen der Projekttragerschaft des Instituts fUr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt fUr Luft- und Raumfahrt e. V. (DFVLR), Koln. Die Forderung begann 1978, heute werden ca. 100 Vorhaben gefordert. Ein Bericht der Deutschen Gesellschaft fUr Mineralolwissenschaft und Kohle chemie e.V. (DGMK) von 1977 gibt an, daB rund 50 % der Verluste in Folge Reibung und VerschleiB durch intensive Nutzung der bekannten tribologischen Erkenntnisse einzusparen sind. 1m Kampf gegen Reibungs- und VerschleiBverluste mUssen der Forschung und Entwicklung in der Tribologie die Kommunikation, In formation und Innovation konsequent folgen. So 1st neben der Forschungs- und Entwicklungsarbeit die Wissensverbreitung eine notwendige Erganzung des Forder programms Tribologie. Diesem Ziel soll die miT dem vorliegenden ersten Band begonnene Buchreihe dienen, in der Uber die im Tribologie-Forderprogramm er arbeiteten Ergebnisse berichtet wird. Koln, im Juni 1981 W. Bunk, J. Hansen, M. Geyer v 0 R W0 R TZU M 2. U N D 3. BAN D Neben der Erarbeitung von Forschungs- und EntwicKlungsergebnissen steht gleichrangig die Wissensverbreitung. Dies gilt insbesondere fUr wissen schaftliche und technische Disziplinen, die so heterogen sind wie die Tribo logie. So ist es erklartes Ziel der BtlFT-Forderung "Tribologie", eine mo,) lichst breite Ausstrahlung zu erreichen. Hiervon hangt der "Erntefaktor" der vielen Millionen 01·1 Fordermittel ab, die aus Steuergeldern fUr das Tribolo gie-Programm bereitgestellt wurden und werden. Diesem Ziel dienen insbeson dere die offentlichen Prasentationen der Forschungsergebnisse - die erste fand im Mai 1981 in Koblenz statt, die zweite wird im Mai 1983 ebenfalls dort stattfinden - sowie die Dokumentation der Berichte in einer Buchreihe. Die erfreulich hohe Zahl der Teilnehmer an der ersten Prasentation sowie die bis herige Nachfrage zum ersten Band lassen erwarten, daR die Forderung sich als erfolgreich erweisen wird. Koln, im Januar 1982 W. Bunk, J. Hansen, M. Geyer PRO J E K T T RAG E R S C H AFT Das Forschungs- und Entwicklungsprogramm "Tribologie" ist Teil der Projekt tragerschaft Il4etallurgie-Werkstoffentwicklung-RUckgewinnung". Diese wird vom Institut fUr Werkstoff-Forschung (Prof. Bunk) der DFVLR im Auftrage des BMFT durchgefUhrt. Die administrative Betreuung liegt beim Bereich fUr Pro jekttragerschaften der DFVLR. Zur technisch-wissenschaftlichen Beratung des Projekttragers fUr den Forder bereich "Tribologie" dient ein Gutachterkreis. Dieser wird gebildet von den Herren Oberingenieur H. Boer Prof. Dr. E. Pollmann Dr.-Ing. E. GUlker Dr.rer.nat. E. Roemer Dr.-Ing. G. Heinke Dr.-Ing. K.-H. Treptow ab August 1980 Ing.(grad.) W.H. Kara Prof. Dr.-Ing. H. Uetz Dr.-Ing. O. Lang (Dipl.-Ing. P. Greis bis Marz 1980) Prof. Dr.-Ing. H. Peeken I N HAL T S V E R Z E I C H N I S O.R. Lang: 9 Oberblick Uber die im Rahmen des F+E-Programms "Tribologie" laufenden Projekte zur Elastohydrodynamik H. Bodschwinna, R. Hellwig, F. Hock, E.-G. Pal and, U. Schmidt, 21 W.-D. Winter: Ermittlung des Einflusses der Mikrogeometrie in Walzkontakten mit e 1a s tohydrodynami scher Schmi erung bei vo 11 er Fil mtrennung und im. Mischreibungsgebiet (MIKRO-EHD) (FE-Vorhaben 01 ZT 128, Universitat Hannover) W. Fuhrmann: 87 Instationare EHD, Praxisuntersuchungen (FE-Vorhaben 01 ZT 148S, Maschinenfabrik Augsburg-NUrnberg AG, NUrnberg) R. Heinz: 161 Druckmessungen am System Nocken-Rolle bei elastohydrodynamischer Schmierfilmbildung (FE-Vorhaben 01 ZT 158, Robert Bosch GmbH, Stuttgart) E. Broszeit, H.M. Gabriel, E. Kleinlein, K.H. Kloos: 189 Obertragbarkeit von LaborprUfergebnissen von Schmierstoffen auf Anwendungen in der Praxis (FE-Vorhaben 01 ZT 237, TH Darmstadt, 01 ZT 247, FAG Kugelfischer Georg Schafer &C o, Schweinfurt) R. Dhein, K.H. Hentschel: 243 Neue synthetische Schmierole (EinflUsse der chemischen Strukturen schmierwirksamer F1Ussigkeiten auf deren Reibungszahlen) (FE-Vorhaben 01 ZT 398, Bayer AG, Krefeld-Uerdingen) H. Vojacek, H. Winter: 279 EinfluB der Molekularstruktur auf das Reibungsverhalten von Schmierfluiden (FE-Vorhaben 01 ZT 388, TU MUnchen) W.J. Bartz, H. Holdack-Janssen, H. Kruse, H. Mewes: 315 Kaltstartverhalten und Pumpfahigkeit von Motorenschmierolen bei tiefen Temperaturen (FE~Vorhaben 01 ZT 307, Universitat Hannover, 01 ZT 317, Institut fUr Erdolforschung, Hannover, 01 ZT 327, Bundesanstalt fUr Material prUfung, Berl in)' W.J. Bartz, K. MUller, E. Wedepohl: 415 Untersuchung der Gebrauchseigenschaften von Motorenolen aus Reraff;naten (FE-Vorhaben 01 ZT 337, Institut fUr Erdolforschung, Hannover) H. Krause, M. Schmitz, H. Tiede: 453 Langzeitolwechselintervalle bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren (FE-Vorhaben 01 ZT 407, TH Aachen, 01 ZT 417, ,Aachener StraBenbahn und Energieversorgungs-AG, Aachen) Autorenverzeichnis 485 Deskriptorenliste zu Band 1 - 3 487 Deskriptorenliste zu Band 1 - 3 (alphabetisch) 497 Liste der Vorhaben (Faltblatt) Uberblick tiber die im Rahmen des F+E-Programms "Tribologie" laufenden Projekte zur Elastohydrodynamik von Dr.-rng. Otto R. Lang Daimler-Benz AG, Stuttgart vorgetragen anlaBlich der 1.Prasentation des F+E-Programms "Tribologie" des BMFT am 12. Mai 1981 in Koblenz 9 Ein wesentliches Merkmal der Tribologie ist der interdis ziplinare Charakter bei gleichzeitiger Notwendigkeit einer gesamtheitlichen System- und Problembehandlung. Das bedeutet, daB zur Losung tribologischer Probleme eine intensive Koopera tion der Ingenieurwissenschaften mit der Mathematik, der Phy sik und der Chemie in einer koordinierten Gemeinschaftsfor schung notwendig ist. Zusatzlich mussen die AnstoBe zu den Problemen aus der Praxis kommen und die Ergebnisse fur die Praxis anwendbar sein. Wenn auch die einzelnen Projekte des F+E-Programms "Tribologie" als eigenstandige und in sich ge schlossene Aufgaben erscheinen, so stehen sie jedoch meistens in einem engen Zusammenhang mit anderen, sich zu einer um fassenderen Losung und Anwendungsbreite erganzenden Projekten. Dies zeichnet auch die Projekte im Bereich der Elastohydro dynamik aus. Im Folgenden solI dargelegt werden, wie die ver schiedenen Projekte zur Elastohydrodynamik in einem wechsel seitigen und sich erganzenden Zusammenhang stehen. Die orga nisatorische Zusammenfassung erfolgt in begleitenden Koordi nationskreisen. Ihr Ziel ist die wechselseitige Information und der Erfahrungsaustausch zwischen den Projektnehmern; er ganzt durch fachliche Anregungen qualifizierter Gaste. Die Elastohydrodynamik beschaftigt sich mit den Problemen ge schmierter Hertz-Kontakte, die in einer Reihe von Maschinen elementen zu finden sind. Diese Maschinenelemente - wie Walz lager, Zahnrader oder Nocken - sind mitbestimmend fur die Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer zahlreicher Maschinen und Anlagen und somit fur die Wettbewerbsfahigkeit der Industrie. Im Gegensatz zu anderen Problemen der Tribologie stehen die Moglichkeiten zu groBeren Einsparungen an Energie und Roh stoffen bei der E~astohydrodynamik nicht im Vordergrund. Definition: Elastohydrodynamik (EHD) befaBt sich mit der Beschreibung der technisch-physikalischen Vorgange - in hydrodynamisch geschmierten Hertz-Kontakten - mit elastischen Verformungen in der GroBenordnung der Film- dicke - mit hoher Energie-Konzentration 10 - mit nicht zu vernachlassigenden Zustandsanderungen des Schmierstoffs - mit dem Ziel der Optimierung technischer Anwendungen. Bild 1. 1 Grundkorper 2 Gegenkorper Eigenschaften 3 Zwischenstoff { Wechselwirkungen der Elemente Systemanalyse 4 Umgebungsmedium des Belastungsverhiiltnisse Tribosystems Bewegungsverhaltnisse '---------v--" Beanspruchungskollektiv ,----I.,;;;;;;;;-.;.~l 2 3 , 41 -~ Technisch-physlkalische Technisch-physikalische Beanspruchung Erscheinungsforrn }{ Druck Adhasion Temperatur Abrasion Reibung Oberflachenzerriittung Spannung Tribochemische Reaktionen Auch flir EHD-Kontakte ist die systemanalytische Betrachtungs weise nach Bild 1 gliltig. Der Kontaktbereich aus Grund- und Gegenkorper ist mehr oder weniger getrennt durch einen Zwi schenstoff, in der Regel ein Schmierstoff, und das System un terliegt den Einfllissen seiner Umgebung. Alle diese Systemele mente haben bestimmte, teilweise noch ungeklarte Eigenschaften, die sich wechselweise beeinflussen und haufig nur im realen Kontakt zu beobachten sind. Das auBere Belastungskollektiv wird durch Belastungs- und Bewegungsverhaltnisse beschrieben, die auch zeitlich nach GroBe und Richtung veranderlich sein konnen. Man unterscheidet deshalb zwischen stationaren und instatio naren Bedingungen. 1m Kontakt werden technisch-physikalische Beanspruchungen erzeugt, die als ortlich und zeitlich ver anderliche Drlicke, Temperaturen, Reibungsbeanspruchungen und 11
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