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Einflüsse durch Grundöl und Verdicker auf den Schmierfilmaufbau in fettgeschmierten Wälzkontakten = Effects of base oil and thickener on the film formation in grease lubricated rolling contacts
2023
Dissertation, RWTH Aachen University, 2023
Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-15
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06496
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960898/files/960898.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFD-simulation (frei) ; EHD-contact (frei) ; film thickness (frei) ; grease lubrication (frei) ; starvation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Im Bereich der Antriebstechnik wirkt sich das tribologische Verhalten einzelner Maschinenelemente entscheidend auf die Zuverlässigkeit und Effizienz von mechanischen Systemen aus. Dabei spielt die Schmierung tribologischer Kontakte, beispielsweise in Wälzlagern zwischen Wälzkörper und Laufbahn, eine besondere Rolle. Die vollständige Trennung der Kontaktoberflächen durch einen Schmierfilm minimiert Reibung und Verschleiß, sodass sich ein zuverlässiger und energieeffizienter Betrieb einstellt. Dies wird jedoch in der Anwendung, aufgrund von unzureichend genauen Berechnungsmethoden bei der Auslegung, nicht immer sichergestellt. Nach aktuellem Kenntnisstand verursacht eine unwirksame Schmierung ca. 55 % aller vorzeitigen Wälzlagerausfälle. Insbesondere bei Fettschmierung werden aufgrund fehlender Berechnungsansätze für den Schmierfilmaufbau vereinfachende Annahmen getroffen. Diese führen zu Unsicherheiten in der Auslegung und erhöhen damit das Risiko von vorzeitigen Lagerausfällen. Die Herausforderung bei der Ableitung von zuverlässigen Modellen ist die Zusammensetzung des Schmierfettes als Stoffgemisch aus Grundöl und Verdicker. Das im Verdickersystem gebundene Grundöl steht nur begrenzt zur Verfügung, sodass ein Schmierstoffmangel auftreten kann. Dieser wird als Starvation bezeichnet und kann mit derzeit bekannten Methoden nicht prognostiziert werden. Zudem sind die Einflüsse des Verdickers auf den Schmierfilmaufbau bisher kaum erforscht. In der Regel erfolgt die Abschätzung der Schmierfilmdicke lediglich auf Basis der Grundöleigenschaften. Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Modell zur Berechnung der Schmierfilmdicke in fettgeschmierten Wälzkontakten abzuleiten. Dazu werden zunächst die Einflüsse auf den Schmierfilmaufbau durch das Grundöl und den Verdicker getrennt voneinander identifiziert. Das Auftreten von Starvation wird durch eine begrenzt verfügbare Grundölmenge, die aus dem Schmierfett abgeschieden wird, berücksichtigt. Der Verdickereinfluss setzt sich zum einen aus der Verdickerschicht, die sich auf den Kontaktoberflächen bildet und zum anderen aus freien Verdickerpartikeln, die mit dem Grundöl durch den Kontakt transportiert werden, zusammen. Die gewonnenen Erkenntnisse der Arbeit ermöglichen es erstmals die Anteile am Schmierfilmaufbau durch Grundöl, Verdickerschicht und -partikel getrennt voneinander zu bestimmen. Daraus wird für die untersuchten Schmierfette ein Modell zur Berechnung der Schmierfilmdicke in fettgeschmierten Wälzkontakten abgeleitet.The tribological behaviour of machine elements, such as rolling bearings, has a significant effect on the reliability and efficiency of mechanical systems like drive trains. The lubrication of tribological contacts e.g., between rolling elements and raceways, plays a significant role in these applications. Complete separation of the contact surfaces by a lubricating film minimises friction and wear, hence ensuring reliable and efficient operation. However, this is not always realised in application due to insufficient accurate calculation methods, which are applied during the component design. According to current literature, ineffective lubrication causes approx. 55 % of all premature rolling bearing failures. Particularly for grease lubrication, simplifying assumptions are made due to the lack of accurate calculation models for the film formation. This leads to uncertainties in the component design and thus, increases the risk of bearing failure. The challenge in deriving reliable models is the composition of grease as a mixture of base oil and thickener. The base oil is bounded inside the thickener system and its amount for lubrication is limited, so that a lubricant depletion is likely to occur. This effect is known as starvation and cannot be predicted with currently existing methods. In addition, the thickener impact on the lubricant film formation has not been investigated in detail. Thus, the estimation of the lubricant film thickness is usually based solely on the base oil properties. The objective of this work is to derive a model for calculating the lubricant film thickness in grease lubricated rolling contacts. Therefore, the effects on the film formation by base oil and thickener are identified separately from each other. The onset of starvation is considered by a limited amount of available base oil, which is released from the grease. The thickener affects the film formation by both, a thickener layer that forms on the contact surfaces and by free thickener particles that are transported within the base oil through the contact. The findings of this work allow for the first time a separate determination of film formation by base oil, thickener layer and particles. This enables the development of a model for calculating the film thickness in grease lubricated rolling contacts for the investigated greases.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030070556
Interne Identnummern
RWTH-2023-06496
Datensatz-ID: 960898
Beteiligte Länder
Germany
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