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Main Title: Untersuchungen zu ungeschmiertem Schwingungsverschleiß an 100Cr6-Kugeln gegen 100Cr6-Ebenen
Translated Title: Study of unlubricated oscillation wear of 100Cr6 balls against 100Cr6 planes
Author(s): Reichelt, Manuel
Referee(s): Popov, Valentin L.
Cappella, Brunero
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Doktorarbeit handelt von der Bestimmung vom Verschleißvolumen und vom Verschleißkoeffizienten bei Modellversuchen an 100Cr6-Ebenen und -Kugeln unter Schwingungsbeanspruchung. Es wird in der Tribologie häufig beobachtet, dass der Verschleißkoeffizient, definiert vom Archard-Gesetz als der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Verschleißvolumen und dem Produkt aus Normalkraft und Gleitweg, bei ähnlichen Versuchsbedingungen stark variiert. Deshalb zielt die vorliegende breit angelegte Untersuchung auf die Überprüfung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse sowie auf die Verifizierung vom Archard-Gesetz. Die experimentelle Arbeit wurde mittels statistischer Auswertung einer sehr großen Menge von eigenen und früheren Versuchsdaten an fünf Tribometern bei umfangreicher Variation der Beanspruchungsparameter durchgeführt. Im ersten experimentellen Teil wurde die Genauigkeit der Bestimmung vom Verschleißvolumen mittels analytischer Methoden mit der durch Weißlichtinterferometrie untersucht. Es wurde festgestellt, dass die zweite Methode deutlich zuverlässigere und genauere Ergebnisse liefert. Im zweiten experimentellen Teil wurde der Zusammenhang zwischen Verschleißvolumen und Produkt aus Normalkraft und Gleitweg quantitativ charakterisiert. Zunächst wurde festgestellt, dass die Ergebnisse wiederholbar und reproduzierbar sind. Die Auswertung der Daten zeigt eindeutig und mit großer Genauigkeit, dass die Proportionalität zwischen Verschleißvolumen und Produkt aus Normalkraft und Gleitweg nur ab einer Initialpressung von ca. 1,6 GPa gültig ist. Bei kleineren Werten der initialen Flächenpressung ist der Verschleißkoeffizient selbst eine Funktion vom Produkt aus Normalkraft und Gleitweg. Außerdem kann gezeigt werden, dass eine höhere Flächenpressung den Verschleißkoeffizienten vermindert. Dieser Zusammenhang konnte durch weitere Versuche mit Kugeln mit unterschiedlichen Radien und mit einer wiederverwendeten Kugel bestätigt werden. Die Ergebnisse zeigen also, dass das Archard-Gesetz nicht allgemeingültig ist. Im dritten experimentellen Teil der Arbeit wurde der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Verschleiß untersucht. Der abermals sehr große Datensatz ermöglichte es zu bestätigen, dass die Ergebnisse von vier aus fünf Tribometern wiederholbar und reproduzierbar sind. Die Daten zeigen, dass die Luftfeuchte einen verschleißmindernden Effekt hat. Auch bei niedriger und hoher Luftfeuchtigkeit konnte festgestellt werden, dass der Verschleißkoeffizient nicht konstant ist, wenn die Initialpressung weniger als ca. 1,6 GPa beträgt. Schließlich wurde eine Map des Verschleißkoeffizienten als Funktion sowohl vom Produkt aus Normalkraft und Gleitweg als auch der relativen Feuchtigkeit erstellt, die den Verschleiß bei ungeschmierten Schwingungsversuchen mit 100Cr6 in Kugel-Ebene-Konfiguration in einem breiten Parameterbereich quantitativ beschreibt und als Grundlage für Simulationen und für weitere theoretische Untersuchungen benutzt werden kann.
The present PhD thesis deals with the determination of the wear volume and wear coefficient in model tests with 100Cr6 balls against 100Cr6 planes under oscillating conditions. It is often observed in tribology that the coefficient of wear, defined by Archard's law as the proportionality factor between the wear volume and the product of normal force and sliding distance, varies significantly, even under similar experimental conditions. Therefore, the present broad investigation aims at the testing of the repeatability and reproducibility of the experimental results and at the verification of Archard's law. The experimental work was carried out by means of statistical analysis of a very large amount of own and previous experimental data on five tribometers with extensive variation of the test parameters. In the first experimental part, the accuracy of the determination of the wear volume by analytical methods was compared with that by white light interferometry. It was found that the second method yields much more reliable and accurate results. In the second experimental part, the relationship between wear volume and the product of normal force and sliding distance was quantitatively characterized. It was found that the results are repeatable and reproducible. The analysis of the data shows clearly and with great accuracy that the proportionality between wear volume and product of normal force and sliding distance is valid only for initial pressures larger than about 1.6 GPa. For smaller values of the initial pressure, the wear coefficient itself is a function of the product of normal force and sliding distance. It could also be shown that a higher surface pressure reduces the wear coefficient. This correlation could be confirmed by further tests with balls of different radii and with a reused ball. Therefore, the results show that Archard's law is not universally valid. In the third experimental part of the work, the influence of humidity on wear was investigated, again with a very large data set. The analysis confirmed that the results on four of five tribometers are repeatable and reproducible. The data show that air humidity has a wear-reducing effect. It was found that also at low and high humidity the wear coefficient is not constant. Finally, a map of the wear coefficient as a function of both product of normal force and sliding distance and relative humidity was created, which quantitatively describes the wear in unlubricated oscillation tests with 100Cr6 in ball-plane configuration in a wide parameter range and can be used as a basis for simulations and further theoretical investigations.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11539
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10423
Exam Date: 10-Jul-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 18-Aug-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Verschleißkoeffizient
100Cr6
Gesetz von Archard
Verschleiß-Map
relative Luftfeuchtigkeit
wear coefficient
Archard's law
wear map
relative humidity
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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