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Kolbenverschleißprüfung

KOLBENVERSCHLEISSPRÜFUNGMIT NANOVEA TRIBOMETER

Kolbenverschleißprüfung mit dem NANOVEA Tribometer unter geschmierten Bedingungen.

Vorbereitet von

FRANK LIU

Was ist eine Kolbenverschleißprüfung?

Bei der Kolbenverschleißprüfung werden Reibung, Schmierung und Materialbeständigkeit zwischen Kolbenmantel und Zylinderlaufbuchse unter kontrollierten Laborbedingungen bewertet. Unter Verwendung eines Tribometer, können Ingenieure reale Hin- und Herbewegungen nachbilden und den Reibungskoeffizienten, die Verschleißrate und die 3D-Oberflächentopografie präzise messen. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über das tribologische Verhalten von Beschichtungen, Schmierstoffen und Legierungen, die in Motorkolben verwendet werden, und tragen zur Optimierung von Leistung, Kraftstoffeffizienz und langfristiger Zuverlässigkeit bei.

Schematische Darstellung der Schnittstelle zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse bei der Verschleißprüfung

 Schematische Darstellung des Antriebszylindersystems und der Schnittstellen Kolbenschaft-Schmiermittel-Zylinderlaufbuchse.

💡 Möchten Sie die Verschleißrate und Reibung Ihrer eigenen Proben quantifizieren? Fordern Sie einen maßgeschneiderten Tribologietest für Ihre Anwendung an.

Warum die Kolbenverschleißprüfung bei der Motorenentwicklung wichtig ist

Motoröl ist ein Schmiermittel, das speziell für seine Anwendung entwickelt wurde. Zusätzlich zum Grundöl werden Additive wie Reinigungsmittel, Dispergiermittel, Viskositätsverbesserer (VI), Verschleißschutz-/Friktionsschutzmittel und Korrosionsinhibitoren zugesetzt, um die Leistung des Öls zu verbessern. Diese Additive wirken sich darauf aus, wie sich das Öl unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält. Das Verhalten des Öls wirkt sich auf die P-L-C-Grenzflächen aus und bestimmt, ob erheblicher Verschleiß durch Metall-Metall-Kontakt oder hydrodynamische Schmierung (sehr geringer Verschleiß) auftritt.

Es ist schwierig, die P-L-C-Schnittstellen zu verstehen, ohne den Bereich von externen Variablen zu isolieren. Es ist praktischer, das Ereignis unter Bedingungen zu simulieren, die für die reale Anwendung repräsentativ sind. Die Website NANOVEA Tribometer ist dafür ideal geeignet. Ausgestattet mit mehreren Kraftsensoren, einem Tiefensensor, einem Drop-by-Drop-Schmierstoffmodul und einem linearen Wechseltisch, ist das NANOVEA T2000 ist in der Lage, die Vorgänge in einem Motorblock genau nachzuahmen und wertvolle Daten zum besseren Verständnis der P-L-C-Schnittstellen zu gewinnen.

nanovea tribometer kolbenverschleiß- und reibungstestmodulaufbau

Flüssigkeitsmodul auf dem Tribometer NANOVEA T2000

Das Drop-by-Drop-Modul ist für diese Studie von entscheidender Bedeutung. Da sich Kolben sehr schnell bewegen können (über 3000 U/min), ist es schwierig, durch Eintauchen der Probe einen dünnen Schmierstofffilm zu erzeugen. Um dieses Problem zu beheben, ist das Drop-by-Drop-Modul in der Lage, eine konstante Menge an Schmiermittel auf die Oberfläche des Kolbenschafts aufzutragen.

Die Verwendung von frischem Schmierstoff beseitigt auch die Gefahr, dass gelöste Verschleißverunreinigungen die Eigenschaften des Schmierstoffs beeinträchtigen.

Wie Tribometer simulieren
Echter Kolben-Liner-Verschleiß

In diesem Bericht werden die Schnittstellen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse untersucht. Die Schnittstellen werden durch die Durchführung einer linearen Hin- und Herbewegung nachgebildet Verschleißprüfung mit Drop-by-Drop-Schmierstoffmodul.

Der Schmierstoff wird bei Raumtemperatur und unter erwärmten Bedingungen aufgetragen, um Kaltstart- und optimale Betriebsbedingungen zu vergleichen. Die COF und die Verschleißrate werden beobachtet, um besser zu verstehen, wie sich die Schnittstellen in realen Anwendungen verhalten.

NANOVEA T2000
Tribometer für hohe Belastungen

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NANOVEA T2000 Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

Kolbenverschleißtest Parameter & Aufbau

LOAD ............................ 100 N

TESTDAUER ............................ 30 min

SPEED ............................ 2000 Umdrehungen pro Minute

AMPLITUDE ............................ 10 mm

GESAMTE ENTFERNUNG ............................ 1200 m

SKIRT-BESCHICHTUNG ............................ Molybdän-Graphit

PIN-MATERIAL ............................ Aluminiumlegierung 5052

PIN-DIAMETER ............................ 10 mm

SCHMIERMITTEL ............................ Motoröl (10W-30)

ANSCHLUSS. DURCHFLUSSRATE ............................ 60 mL/min

TEMPERATUR ............................ Raumtemperatur & 90°C

Relevanz in der realen Welt von
Kolbenverschleißprüfung

Tribometergestützte Kolbenverschleißtests liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich Materialauswahl und Schmierungsstrategien auf die Zuverlässigkeit von Motoren auswirken. Anstatt sich auf kostspielige Volltriebwerkstests zu verlassen, können Labore Beschichtungen, Öle und Legierungsoberflächen unter realistischen mechanischen Belastungs- und Temperaturbedingungen bewerten. NANOVEAs 3D-Profilometrie und Tribologie-Module ermöglichen eine präzise Abbildung von Verschleißtiefe und Reibungsstabilität und helfen F&E-Teams, die Leistung zu optimieren und Entwicklungszyklen zu verkürzen.

Ergebnisse und Analyse der Kolbenverschleißprüfung

Vergleich von Kolbenverschleißnarben aus Tribometer-geschmierten Verschleißtests

In diesem Versuch wurde A5052 als Gegenmaterial verwendet. Während Motorblöcke normalerweise aus gegossenem Aluminium wie A356 hergestellt werden, hat A5052 für diese simulative Prüfung ähnliche mechanische Eigenschaften wie A356 [1].

Unter den Testbedingungen wurde bei Raumtemperatur ein erheblicher Verschleiß am Kolbenschaft im Vergleich zu 90°C festgestellt. Die tiefen Kratzer auf den Proben deuten darauf hin, dass es während des Tests häufig zu einem Kontakt zwischen dem statischen Material und dem Kolbenschaft kommt. Die hohe Viskosität bei Raumtemperatur könnte das Öl daran hindern, die Zwischenräume an den Grenzflächen vollständig zu füllen und einen Metall-Metall-Kontakt herzustellen. Bei höherer Temperatur wird das Öl dünner und kann zwischen Bolzen und Kolben fließen. Infolgedessen ist der Verschleiß bei höherer Temperatur deutlich geringer. ABBILDUNG 5 zeigt, dass eine Seite der Verschleißnarbe deutlich weniger abgenutzt ist als die andere Seite. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Lage des Ölaustritts zurückzuführen. Die Dicke des Schmierfilms war auf einer Seite dicker als auf der anderen, was zu ungleichmäßigem Verschleiß führte.

[1] “5052-Aluminium vs. 356.0-Aluminium”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminium/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminium

Der COF von linearen Tribologietests mit Hin- und Herbewegung kann in einen hohen und einen niedrigen Durchgang unterteilt werden. Der hohe Durchlauf bezieht sich auf die Bewegung der Probe in Vorwärts- oder positiver Richtung und der niedrige Durchlauf auf die Bewegung der Probe in Rückwärts- oder negativer Richtung. Der durchschnittliche COF für das RT-Öl lag in beiden Richtungen unter 0,1. Der durchschnittliche COF zwischen den Durchgängen betrug 0,072 und 0,080. Der durchschnittliche COF des 90°C-Öls wurde zwischen den Durchgängen unterschiedlich festgestellt. Es wurden durchschnittliche COF-Werte von 0,167 und 0,09 festgestellt. Der Unterschied im COF ist ein weiterer Beweis dafür, dass das Öl nur eine Seite des Stifts richtig benetzen konnte. Ein hoher COF-Wert wurde erreicht, wenn sich aufgrund der hydrodynamischen Schmierung ein dicker Film zwischen dem Bolzen und dem Kolbenschaft bildete. Ein niedrigerer COF wird in der anderen Richtung beobachtet, wenn eine Mischschmierung auftritt. Weitere Informationen über hydrodynamische Schmierung und Mischschmierung finden Sie in unserem Anwendungshinweis auf Stribeck-Kurven.
Reibungskoeffizient und Verschleißrate: Ergebnisse eines Verschleißtests mit geschmierten Kolben

Tabelle 1: Ergebnisse der geschmierten Verschleißprüfung an Kolben.

Reibungskoeffizientendiagramme für den Kolbenverschleißtest bei Raumtemperatur mit rohen Hoch- und Tiefpassprofilen

ABBILDUNG 1: COF-Diagramme für den Ölverschleißtest bei Raumtemperatur A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

Reibungskoeffizientendiagramme für den Kolbenverschleißtest bei 90 Grad Celsius mit rohen Hoch- und Tiefpassprofilen

ABBILDUNG 2: COF-Diagramme für den 90°C-Verschleißöltest A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

Lichtmikroskopische Aufnahme einer Kolbenverschleißnarbe aus einem Motorölverschleißtest bei Raumtemperatur

ABBILDUNG 3: Optisches Bild der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

Kolbenoberfläche mit lokalisierter Verschleißnarbe für die tribologische Analyse hervorgehoben
Volumen- und Tiefenanalyse der Kolbenverschleißnarbe aus dem Tribometertest

ABBILDUNG 4: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

3D-Oberflächenprofilometrie-Scan einer Kolbenverschleißnarbe mit Angabe von Verschleißtiefe und Rauheit

ABBILDUNG 5: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

Lichtmikroskopische Aufnahme einer Kolbenverschleißnarbe aus einem 90-Grad-Motorölverschleißtest

ABBILDUNG 6: Optisches Bild einer Verschleißnarbe aus einem 90°C-Motorölverschleißtest

Kolbenschaft mit der bei der Tribometer-Kolbenverschleißprüfung analysierten Verschleißzone
Volumen- und Tiefenmessung der Kolbenverschleißnarbe beim 90-Grad-Motoröl-Tribometertest

ABBILDUNG 7: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

3D-Oberflächenprofilometrie-Scan einer Kolbenverschleißnarbe aus einem 90-Grad-Motorölverschleißtest, der Verschleißtiefe und -textur zeigt

ABBILDUNG 8: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

Schlussfolgerung: Motorverschleißbewertung mit NANOVEA Tribometern

An einem Kolben mit geschmierter linearer Hin- und Herbewegung wurde ein Verschleißtest durchgeführt, um die Vorgänge in einem realen, in Betrieb befindlichen Motor zu simulieren. Die Schnittstelle zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse ist für den Betrieb eines Motors von entscheidender Bedeutung. Die Schmierstoffdicke an der Schnittstelle ist für den Energieverlust durch Reibung oder Verschleiß zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse verantwortlich. Um den Motor zu optimieren, muss die Schichtdicke so dünn wie möglich sein, ohne dass sich Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse berühren. Die Herausforderung besteht jedoch darin, wie sich Temperatur-, Geschwindigkeits- und Kraftänderungen auf die P-L-C-Grenzflächen auswirken.

Mit seinem breiten Belastungs- (bis zu 2000 N) und Drehzahlbereich (bis zu 15000 U/min) ist das NANOVEA T2000 Tribometer in der Lage, verschiedene in einem Motor mögliche Bedingungen zu simulieren. Mögliche zukünftige Studien zu diesem Thema beinhalten, wie sich die P-L-C-Grenzflächen unter verschiedenen konstanten Lasten, oszillierenden Lasten, Schmiermitteltemperaturen, Drehzahlen und Schmiermittelauftragsmethoden verhalten. Diese Parameter können mit dem NANOVEA T2000 Tribometer leicht eingestellt werden, um ein vollständiges Verständnis der Mechanismen der Grenzflächen zwischen Kolbenschaft, Schmierstoff und Zylinderlaufbuchse zu erhalten.

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