Entwicklung wartungsfreier und rein elastisch beanspruchter Gleitlager auf Basis keramischer Werkstoffe

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Einsatz von Hochleistungskeramiken im Bereich der Gleitlagertechnik. Dabei liegt der Fokus auf das keramikgerechte Design, welches die umge-bende Struktur mit einbezieht. Insbesondere die Einbettung aber auch der Bolzen sind durch konstruktive Maßnahmen zu adaptieren, sodass eine möglichst geringe Zugspannung unter Last im keramischen Werkstoff entsteht. Parameterstudien mit Hilfe der FEM erlauben die Aufstellung von Anforderungen an das Design nach dem Kriterium des Spannungsminiums und in Abhängigkeit der Lagergröße und -belastung sowie des verwendeten keramischen Werkstoffes. Eine experimentelle Validierung des keramikgerechten Designs bestätigt eine statische und dynamischer Tragfähigkeit bis mindestens 150 N/mm². Weiterhin wird ein Weg eines fluidfreien und wartungsfreien Tribologiesystems für keramische Werkstoffe aufgezeigt, das einen geringen Reibwert von kleiner 0,1 und einen nicht messbaren Verschleiß aufweist. Optimierungspotenzial besteht hinsichtlich des erreichbaren Gleitweges. Abschließend wird eine Berechnungsvorschrift zur Dimensionierung eines keramischen Gleitlagers gegeben.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 97This paper describes an application of ceramics in the plain bearing technology. The main issue is the specific ceramic design including the surrounding structure. Especially the embedding as well as the bold have to be adapted to minimize the tensile stress of the ceramic in operation. Parametric studies based on FEM allowing to define the design requirements depending on the criteria of minimum stress, size of bearing, bearing load and ceramic material. Experiments verify the ceramic design regarding to a static and dynamic load rating of 150 N/mm². Furthermore an opportunity is shown to create a fluid free and maintenance-free tribology system for ceramics which has a coefficient of friction less than 0,1 and a not measurable wear. The sliding distance limit has to be optimize. In summary it is given a calculation regula-tion to dimension a ceramic plain bearing.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 9