Mehr denn je verlangt die Entwicklung geschmierter, effizienter und langlebiger Maschinenelemente die Berücksichtigung vieler verschiedener Faktoren. Dazu gehören zum Beispiel die kontinuierliche Reduzierung der Schmierfilmdicke in geschmierten Systemen und die Entwicklung neuer Materialien, aber auch neue Umweltschutzbestimmungen samt Minimierung von Energieverlusten und schonendem Umgang mit natürlichen Ressourcen. Dieses sich ständig weiterentwickelnde Umfeld führt zu einem immer besseren Verständnis der Mechanismen der Schmierfilmbildung und Reibungsdissipation, sodass letztlich zuverlässige Simulations- oder Prognosetools zur Verfügung gestellt werden können.

Der Schmierstoff und seine thermophysikalischen Eigenschaften spielen dabei eine zentrale Rolle: Es gilt, neue Probleme zu meistern, die aus den sich ändernden Betriebsbedingungen von Wälzlagern als auch aus dem Verhalten des dort jeweils eingesetzten Schmierstoffs resultieren. Diese Themenbereiche werden am LaMCoS, einem INSA Lyon-Forschungslabor, in Zusammenarbeit mit der SKF untersucht.

Mitte der 1990er-Jahre vereinbarten das SKF Forschungs- und Entwicklungszentrum (SKF ERC, heute: SKF Research & Technology Development, SKF RTD) und das Laboratoire de Mécanique des Contacts (LMC, heute: Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, LaMCoS) am Institut National des Sciences Appliquées (INSA) Lyon eine Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schmierung von Rolle/Bord-Kontakten, wie sie beispielsweise in großen Rollenlagern vorkommen. Hauptziel war die Entwicklung eines neuen Prüfstands (Tribogyr) für geschmierte Kontakte, da diese in der damaligen wissenschaftlichen Literatur kaum behandelt worden waren. Die von SKF ausgearbeiteten Spezifikationen enthielten ein paar Besonderheiten, u. a.:

• Simulation eines realen Kontakts im Maßstab 1:1 wie bei Rollenlagern mit einem Außendurchmesser von ca. 600-1000 mm
• Reproduktion der speziellen Kinematik in diesen Kontakten mit der korrekten hydrodynamisch wirksamen Geschwindigkeit, aber auch mit entsprechenden Dreh-/Bohr- (Spin) und Schiefstellungsanteilen (Skew)
• Berücksichtigung der Krümmungsradien der Wälzkörper in der Kontaktfläche
• Messung der drei Kräfte und des auf jeden der beiden Prüflinge einwirkenden Drehmoments.

Nachdem die Validierung von Tribogyr abgeschlossen und der Prüfstand in Betrieb genommen worden war, zeigte ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den Simulationen (bei denen der Untersuchungsumfang einfach „skaliert“ oder der Schmierstoff künstlich verändert werden kann) schnell die Grenzen der bis dato verfügbaren Programme auf. Deshalb wurden nach und nach weitere Fragestellungen/Ansätze in die Projekte zur Untersuchung großflächiger sich drehender geschmierter Kontakte in den Tribogyr-Versuchen aufgenommen (siehe http://evolution.skf.com/de/das-ungetum-von-lyon-ein-prufstand-fur-grosflachige-lagerkontakte/). Diese Forschung, die hauptsächlich von SKF angeregt wurde, ist Teil eines allgemeineren Forschungsrahmens geworden, der zuvor am LaMCoS unter dem Namen „Ein quantitativer multiphysikalischer, multiskaliger und multidisziplinärer Ansatz in Bezug auf Schmierung und Schmierstoffe“ eingeführt wurde.

Im Folgenden wird zunächst dieser allgemeine Forschungsrahmen vorgestellt – anhand einiger Abbildungen, die sich auf die Rollen-/Bord-Kontakte beziehen. Anschließend folgen spezifischere Aspekte im Zusammenhang mit der Schmierung von hoch belasteten elastohydrodynamischen Kontakten.

Allgemeine Beschreibung eines quantitativen multiphysikalischen, multiskaligen und multidisziplinären Ansatzes in Bezug auf Schmierung und Schmierstoffe

Einen Überblick über diesen multidisziplinären Ansatz gibt das Diagramm in Bild 1. Die Tribologie und damit auch die Schmierung sind von Natur aus multidisziplinäre Forschungsbereiche. Deshalb muss hier ein Zusammenwirken mehrerer Disziplinen berücksichtigt werden. Aber der vielleicht wichtigste Punkt ist, dass man gleichzeitig in der Lage sein sollte, experimentelle Forschung sowie numerische Modellierung und Simulation durchzuführen.

Die rechte Seite von Bild 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in zwei Bereiche unterteilt. Der erste betrifft die Tribometrie, d. h., die Messung der Größen in Bezug auf die Tribologie (Reibung, Filmdicke, Druck, Temperatur usw.) und die Messtechnik, d. h. die genaue Kalibrierung, die entsprechenden Toleranzen und die Wiederholbarkeit. Der zweite Bereich sollte ein wesentlicher Bestandteil jeglicher Forschung auf dem Gebiet der Schmierung sein: Hier geht es um die physikalischen Eigenschaften des Schmierstoffs und vor allem um seine rheologischen Eigenschaften. Schließlich sind die Viskosität und Dichte eines Schmierstoffs zwei Größen, die in der Reynolds-Gleichung explizit enthalten sind; daher sind sie wichtige Parameter, die man berücksichtigen und richtig analysieren muss. Bei der Viskosität erscheint dies trivial, aber man sollte nicht vergessen, dass die Filmdicke im Zentrum eines EHD-Kontakts auch direkt vom Einfluss des Druckes auf die Schmierstoffdichte abhängig ist. Zudem erfordert die Lösung eines thermischen Problems die Kenntnis und somit die Bestimmung der Leitfähigkeit und spezifischen Wärme des Schmierstoffs. Dabei ist hervorzuheben, dass die letztgenannten Parameter je nach Druck und Temperatur stark schwanken, und es wurde nachgewiesen, dass diese Veränderungen einen wesentlichen Einfluss auf die Reibung haben können [1]. Nach Abschluss dieser experimentellen Untersuchungen ist es erforderlich, die Veränderungen der Messgrößen in validen Modellen abzubilden, die auf einer physikalischen Grundlage und nicht auf einfachen mathematischen Formeln oder Regressionsberechnungen beruhen. Letztere können eine Interpolation, aber keine Extrapolation von Werten außerhalb der durch das Experiment abgedeckten Bereiche ermöglichen, was eventuell nicht die bei der EHD-Schmierung festgestellten Bereiche abdeckt. Dies ist nicht nur wichtig, um beurteilen zu können, ob die Schmierstoffeigenschaften unter den unterschiedlichsten Bedingungen geeignet sind, sondern es ist eine grundlegende und notwendige Voraussetzung für die Durchführung quantitativer Simulationen.

Auf der linken Seite von Bild 1 ist der numerische Ansatz dargestellt. Ganz links steht die molekulardynamische Simulation, die auf atomistischen Überlegungen basiert und zwei Arten von Ergebnissen im Nanometerbereich, der auch der Maßstab der numerischen Modelle ist, ermöglicht. Einerseits können der physikalische Zustand und die Transporteigenschaften eines Fluids unter den jeweiligen Druck- und Temperaturbedingungen computergestützt bestimmt werden. So gesehen können molekulardynamische Simulationen eine sinnvolle Ergänzung zu Experimenten zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines Schmierstoffs sein. Andererseits erlaubt es dieser Berechnungsansatz, das Verhalten von sehr dünnen Fluidfilmen und ihren Berührungsflächen mit festen Medien in räumlichen Maßstäben zu untersuchen, bei denen der Ansatz der Kontinuumsmechanik nicht mehr anwendbar ist. Dieser letzte Ansatz ist die Grundlage des multiphysikalischen Tools (Solver), das hier auf der Finite-Elemente-Methode basiert (Bild 1). Dieses Tool ermöglicht die Prognose der Filmdicke und Reibung in EHD-Kontakten bei sämtlichen Geometrien (linear, kreisförmig, elliptisch, torusförmig/eben) und jeglicher Kinematik (Rollen, Gleiten, Bohr-/Drehbewegungen, Schräglauf). Das tatsächliche Verhalten des Schmierstoffs wird berücksichtigt, und der Solver bezieht die Wärmeableitung mit ein. Als Eingangsdaten werden neben den Betriebsbedingungen auch die rheologischen und physikalischen Eigenschaften des Schmierstoffs verwendet, die mithilfe der oben genannten Modelle ermittelt werden.

Bevor die Modelle (oder der Tribogyr-Prüfstand) zum Einsatz kommen konnten, mussten zunächst die am LaMCoS entwickelten Tools einer quantitativen Validierung unterzogen werden. Diese erfolgte anhand von Experimenten und numerischen Simulationen geschmierter Rolle/Bord-Kontakten, wie sie beispielsweise in großen Rollenlagern vorkommen. Bild 2 zeigt diese Validierungsschritte für zwei geschmierte Roll-, Gleit- und Spin-Kontakte für zwei Konfigurationen: links ein Kugel-Ebene-Kontakt [2] und rechts ein Torus-Ebene-Kontakt ([3] ein schmaler, ellipsenförmiger Kontakt). Die Betriebsbedingungen sind in der Legende angegeben, wobei U₀ für die hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit im Kontaktmittelpunkt steht. Dabei ist zu beachten, dass beide Ebenen in den Experimenten aus Glas waren, damit Weißlichtinterferometrie durchgeführt werden konnte. Die Eigenschaften des ebenen Materials wurden in den Simulationen entsprechend modifiziert und die Ergebnisse mithilfe der interferometrischen Kalibrierkurven farbig dargestellt.

Die sehr gute Übereinstimmung zwischen den Experimenten und dem numerischen Modell ist in Bild 2 (links) bei der Kugel-Ebene-Konfiguration deutlich zu erkennen, wobei die maximale Abweichung 1 % beträgt, und zwar unabhängig von der Stelle, an der die Filmdicke bestimmt wurde. Die Übereinstimmung ist auch beim Torus-Ebene-Kontakt sehr gut; hier wurden Abweichungen von 1,5 % auf der gekrümmten Kontaktmittellinie und von 5 % in den Bereichen mit einer minimalen Filmdicke festgestellt.

Im Folgenden werden nun einige Highlights der Forschungsarbeiten am Lehrstuhl „Lubricated Interfaces for the Future“ des INSA Lyon-Forschungslabors LaMCoS zusammengefasst vorgestellt. Der für die Zusammenarbeit mit SKF gewählte Name des Lehrstuhls weist eindeutig darauf hin, dass Schmierung das zentrale Thema ist, wobei folgende Ziele im Vordergrund stehen:

• Oberflächentrennung zur Vermeidung von Verschleiß und frühzeitigem Versagen aufgrund von Oberflächenschäden und
• Kontrolle/Verständnis der Reibung (in Verbindung mit Energieverlusten) über die Scherbeanspruchung eines bestimmten Schmierstoffs.

Oberflächentrennung und Unversehrtheit der Kontaktflächen

Wie oben erwähnt, ermöglicht der duale Ansatz aus Experiment und Modellierung eine zuverlässige Vorausberechnung der Schmierfilmdicke, wenn die rheologische Charakterisierung des Schmierstoffs mit multiphysikalischen Modellen im Kontaktmaßstab erfolgt, wobei nicht-Newton’sche und thermische Effekte mit einbezogen werden. Die Herausforderung besteht nun darin, die Filmdickenbildung im Kontakt bei realen Anwendungen unter schlechten Schmierbedingungen mit einer potenziellen Spin-/Skew-Kinematik (Bohr-/Drehbewegung, Schiefstellung) und in einigen Fällen in Abwesenheit einer hydrodynamisch wirksamen Geschwindigkeit des Schmierstoffs im Voraus zu bestimmen. Dies trifft auf vollrollige Lager zu, bei denen der Kontakt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wälzkörpern mit zwei gegenläufigen Oberflächen erfolgt. Im Fall einer nicht vorhandenen hydrodynamisch wirksamen Geschwindigkeit müssen bei der Entwicklung eines Filmdicken-Prognosemodells – hierzu gibt es kaum EHL Literatur und es wäre eine große Hilfe bei der Konstruktion solcher Lager [4] – sowohl Druck- als auch thermische Effekte (Bild 3) berücksichtigt werden.

Aus experimenteller Sicht wurden bei der „In-situ“-Messung von Druck- und Temperaturfeldern im Kontakt und bei der Validierung von Modellprognosen große Fortschritte erzielt. Es wurde ein neues Verfahren entwickelt, das auf der Fluoreszenzemissionsempfindlichkeit von Nanosensoren gegenüber Temperatur- und Druckschwankungen basiert. Diese Nanosensoren werden im Schmierstoff verteilt, und ihre Emissionsenergieabhängigkeit von Temperatur und Druck wird unter statischen Bedingungen in Diamant-Stempel-Zellen angepasst. Das Potenzial dieser Nanosensoren wurde durch Anwendung des In-situ-Verfahrens bei dünnen Schmierfilmen, wie sie in EHD-Kontakten vorkommen, nachgewiesen [5]. Zur Veranschaulichung werden die unter verschiedenen Betriebsbedingungen gemessenen Drücke mit numerischen Vorausberechnungen in Bild 4 verglichen. Das In-situ-Verfahren kann auch zur Quantifizierung und zum Vergleich der Wärmeentwicklung in allen Stahl- und Hybridkontakten herangezogen werden, um nur ein Beispiel von vielen zu nennen.

Es kommt auch zu einer nicht idealen Oberflächentrennung, wenn harte Partikel in geschmierten Kontakten eingeschlossen sind. Um die Risiken von Oberflächenschäden bereits im Voraus abschätzen zu können, wurde das Fließverhalten dieser Partikel am Eingang des geschmierten Kontakts auf vielfältige Weise untersucht. Das „Micro-Particle Image Velocimetry“ (µ-PIV)-Verfahren wurde mit numerischen Vorausberechnungen kombiniert und mit der Untersuchung von Eindrückungen auf Rollenoberflächen aus Zweischeiben-Versuchen verglichen. Das Phänomen der Partikeleinschlüsse wurde mit der auf einem Kugel-Scheibe-Tribometer installierten µ-PIV-Technologie untersucht [6]. Dies ermöglichte die Auswertung von Geschwindigkeitsprofilen im Kontakteingang und die Verfolgung von Partikeln in EHD-Kontakten (Bild 5). Es wurde eine numerische Modellierung des Eingangsdurchflusses in EHD-Kontakten einschließlich der Partikelverfolgung entwickelt. Schließlich wurden Tests an einem Zweischeiben-Prüfstand mit kontrollierter Partikelverunreinigung durchgeführt, um vorherige Schlussfolgerungen zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, in welchem Maße die Partikelansammlungen vom Geschwindigkeitsprofil des Schmierstoffs, der Kontaktgeometrie und des Materials der Kontaktflächen abhängig sind, z. B. Siliziumnitrid anstelle von Lagerstahl [7].

Reibung in EHD-Kontakten

Eine genaue Voraussage der Reibung in hoch belasteten geschmierten Kontakten ist auch im 21. Jahrhundert eine Herausforderung für die Tribologie. Das Reibungsverhalten wird durch viele physikalische Faktoren bestimmt, so wird die Viskosität des Schmierstoffs (Newton’sches oder nicht-Newton’sches Verhalten aufgrund von Scherverdünnungseffekten) auch durch thermische Effekte bei hoher Scherung beeinflusst und kann sogar durch eine Art von plastischem Verhalten (gekennzeichnet durch eine Grenzschubspannung) unter hohem Druck ersetzt werden. Die Forschungskooperation hat in vielerlei Hinsicht einen Beitrag zu diesem überaus wichtigen Thema geleistet.

Erstens wurden experimentelle Reibungsstudien an Modellflüssigkeiten parallel zur physikalischen Charakterisierung der Schmierstoffe unter verschiedenen Druckbedingungen durchgeführt. Es wurden BLS (Brillouin Light Scattering)-Messungen an Modellschmierstoffen im Ruhezustand in Hochdruckzellen in einem großen Druck- und Temperaturbereich, wie dies auch in EHD-Kontakten der Fall ist, vorgenommen. Sie wiesen auf eine Veränderung des rheologischen Verhaltens im Zusammenhang mit dem Glasübergang des Schmierstoffs hin [8]. Zudem wurde dieser Übergang mit Reibungsmessungen in einem Roll-/Gleitkontakt korreliert (Bild 6) [9]. Im gleichen Bild zeigen die Breite der BLS-Spektren (Halbwertsbreite, FWHM, blau) und die scheinbare Viskosität des Schmierstoffs im Kontakt (orange) den gleichen Verhaltensübergang bei einem mittleren Kontaktdruck im Bereich des Glasübergangs des Schmierstoffs. Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Mal, dass eine solche Korrelation durch experimentelle Ergebnisse bestätigt wurde. Schließlich konnte nachgewiesen werden, dass das Reibungsplateau die Grenzscherspannung auslöst, sobald der Maximaldruck im Kontakt (der Hertz’sche Druck) den Glasübergangsdruck des Schmierstoffs erreicht [8].

Zweitens ermöglichten molekulardynamische (MD) Simulationen verschiedener Schmierstoffmoleküle im Gleichgewichtszustand oder unter Druck und Scherung [10], dass verschiedene Fließarten – Wandschlupf, Scherbandbildung und zentrale Lokalization sind Folgen der Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit – von der Reibung unterschieden werden können abhängig vom thermodynamischen Zustand eines bestimmten Schmierstoffs unter Temperatur und Druck (Bild 6). Dies ist in Bild 7 dargestellt, wo Reibungstests und molekulare Simulationen, die mit Squalen durchgeführt wurden, in beiden Fällen ein Grenzscherspannungsregime bei 313 K und 1,2 GPa zeigen; dies sind Bedingungen, unter denen der Schmierstoff nicht mehr im flüssigen Zustand betrachtet wird. Die MD-Simulationen wiesen auch darauf hin, dass die molekulare Mobilität jedes Moleküls im Mittelpunkt des Reibungsverhaltens steht; dies ist ein Ausgangspunkt für die Erstellung eines rheologischen Modells auf der Grundlage physikalischer Konzepte. Dieses Verhalten könnte idealerweise in kontinuierliche (beispielsweise multiphysikalische FEM-) Modelle eingebaut werden, die wiederum mit experimentellen Messungen verglichen werden könnten. Dieser Ansatz sollte es den Anwendern ermöglichen, erstens die Reibung in einem fortlaufenden Maßstab über einen großen Druck- und Scherbereich zu simulieren, und zweitens die Reibung in industriellen Kontakten und Systemen vorauszuberechnen.

Zusammenfassung und Fazit

1. SKF hat eine langjährige Kooperation mit dem LaMCoS, einem INSA Lyon-Labor zur Erforschung der Schmierung von großflächigen sich drehenden geschmierten Kontakten. Die gemeinsamen Forschungsaktivitäten begannen Mitte der 1990er-Jahre und wurden ab 2000 auf weitere Bereiche ausgedehnt, die das Thema Schmierung im Allgemeinen behandeln.
2. Im Mai 2013 wurde am INSA Lyon-Forschungslabor LaMCoS mit Unterstützung der INSA Lyon-Stiftung und Insavalor, einer Tochtergesellschaft des INSA Lyon für Forschung und Entwicklung, Technologietransfer und Berufsausbildung, ein von SKF finanzierter Forschungslehrstuhl mit dem Namen „Lubricated Interfaces for the Future“ eingerichtet. Der Lehrstuhl ist eine Schnittstelle zwischen einer angewandten Forschung, wie sie hauptsächlich bei SKF betrieben wird, und einer Grundlagenforschung, die es den an der Universität tätigen Forschern ermöglicht, neue Konzepte oder Werkzeuge zu entwickeln und ihr Wissen zu vertiefen, was wiederum den Entwicklungsingenieuren und Wissenschaftlern des Unternehmens zugutekommt.
3. Es wurde ein repräsentativer Querschnitt der in diesem spezifischen Rahmen betriebenen Forschung zwischen 2013 und 2019 vorgestellt. Alle diese Projekte sind Teil eines quantitativen multiphysikalischen, multiskaligen und multidisziplinären Ansatzes in Bezug auf Schmierung und Schmierstoffe.
4. Der im Mai 2013 zunächst für sechs Jahre eingerichtete Lehrstuhl wurde im März 2019 um die gleiche Laufzeit verlängert.