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Entwicklung und Charakterisierung hochfester umweltfreundlicher Gleitlagerlegierungen auf Sn-Basis

Autor Dragomir Nesic
de Limba Germană Paperback – 31 iul 2013
Gleitlager stellen ein vielfältiges und weit verbreitetes Maschinenelement zur Übertragung von Belastungen über bewegte Funktionsflächen dar. Aus den unterschiedlichen Varianten und Funktionsweisen werden im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit lediglich hydrodynamische Lagerungen mit dem Zwischenmedium Öl betrachtet, deren Relativgeschwindigkeit der Funktionsflächen ausreichend für einen verschleißfreien Betrieb ist. Hydrodynamische Gleitlagerlegierungen für hochbelastete, schnelllaufende Maschinen zeichnen sich durch eine hohe dynamische Druckbeanspruchbarkeit und gute Dämpfungseigenschaften aus. Die Gleitschicht dieser hydrodynamischen Gleitlager besteht je nach Anforderung aus Werkstoffen der unterschiedlichsten Legierungssysteme. Weissmetalllegierungen, welche heute den Stand der Technik darstellen, sind für hohe Belastbarkeit bei gleichzeitiger Gutmütigkeit gegenüber Überlasten und Stoßbeanspruchung bei hervorragenden Notlaufeigenschaften bei Ölminimalschmierung entwickelt worden. Trotzdem sind die heute weltweit bekannten und verfügbaren Werkstoffe auf Sn-Basis für Gleitlager in einer Vielzahl von Anwendungen den gegebenen Belastungen nicht mehr gewachsen, so dass hier, der Not gehorchend, die Lagerzapfen und dadurch bedingt die gesamte Maschinenkonstruktion entsprechend groß gestaltet werden, um die spezifischen Lagerbelastungen auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Damit wird der Wirkungsgrad z.B. von Turbogetrieben vermindert, und Ressourcen werden verschwendet. Bedingt durch die erforderlichen Lagerabmessungen und Lagergeometrien kann nur in speziellen Fällen auf Alternativmaterialien ausgewichen werden. Für höhere spezifische Lagerbelastungen stehen zwar Gleitlagerwerkstoffe auf Al-Basis, z. B. aufplattierte AlSn-Gleitlagerwerkstoffe zur Verfügung, welche jedoch bzgl. ihrer technologischen Eigenschaften, insbesondere bei den tribologischen Eigenschaften, deutliche Nachteile mit sich bringen. Nach einer Lagerhavarie wird die Oberfläche des Wellenzapfens aufgrund der adhäsiven und abrasiven Eigenschaften der Werkstoffpaarung durch Kontakt im Mischreibungsgebiet beschädigt und muss ggf. aufwändig repariert werden. Zudem ist die Fertigungstechnologie für die Herstellung von AlSn- Gleitlagern wesentlich kostenintensiver als Schleuderguss. Gleitlagerlegierungen auf Weißmetallbasis versagen nicht spontan ohne Ankündigung und besitzen aufgrund ihrer mechanischen Beschaffenheit wesentlich besseres Einbettvermögen von Fremdpartikeln und günstigere Anpassungsfähigkeit in der Einlaufphase.Ein Hauptaspekt der hier vorgestellten Forschungsarbeit ist die Entwicklung einer neuen hochfesten Gleitlagerlegierung auf Basis des umweltfreundlichen Sn-Gleitlagerwerkstoffs IWK-K [Sel04], wobei auch hier die applizierte Gleitschicht weiterhin der Ausgangspunkt für das Versagen im Gesamtsystem Lagerung einnehmen soll. Das Entwicklungsziel ist eine hochfeste Weißmetalllegierung, deren Belastbarkeit eine signifikante Steigerung gegenüber heute weltweit eingesetzten Sn-basierten Gleitlagerwerkstoffen darstellen soll. Aus unterschiedlichen Legierungskonzepten wird eine Ziellegierung bestimmt, welche gute Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften zum optimalen Kompromiss vereint. Zudem sollen die legierungstechnischen Modifikationen keine nachteilige Auswirkung auf weitere technologische Eigenschaften mit sich bringen. Für die quantitative Beschreibung der technologischen Eigenschaften der Ziellegierung wurden die Festigkeitswerte von warmausgelagerten Proben denen von neuen Proben bei unterschiedlichen Temperaturen gegenüber gestellt. Darüber hinaus wurden die Festigkeitseigenschaften im applizierten Werkstoffverbund bei unterschiedlichen Schichtdicken untersucht. Das Zeitstandverhalten wurde anhand von Druckkriechversuchen beschrieben, und die Dauerfestigkeit der neuen Versuchslegierung wurde mit Hilfe eines geeigneten Biegewechselermüdungsversuchs im applizierten Zustand im Vergleich mit konventionellen Werkstoffen quantifiziert.Bisher erfolgte die Auslegung hydrodynamischer Lager mit einer unbegrenzten Lebensdauer auf der sicheren Seite, solange Flüssigkeitsreibung vorliegt und der zulässige Temperaturbereich eingehalten wird. Durch die stete Leistungsverdichtung im Maschinenbau steigen jedoch die zyklischen mechanischen und thermischen Belastungen, so dass bei der Auslegung von Gleitlagerungen der Ausfall der applizierten Schicht durch Ermüdungsschäden der Gleitlagerlegierung riskiert wird. Die Ausfallsicherheit eines Gleitlagers wird z. Z. über einen Vergleich der mittleren Flächenpressung mit demstatischen Druckfließgrenze s D0,2 grob abgeschätzt. Je nach Anwendung resultiert hierausdie Gefahr von Ermüdungsschäden.Ein weiterer Hauptaspekt der hier vorgestellten Arbeiten ist die vollständige Beschreibung der Beanspruchbarkeit der konventionellen Sn-Gleitlagerlegierungen TEGOSTAR (TS) und TEGONAX (TX) bei zyklischer Belastung zur Entwicklung präziser Dimensionierungswerkzeuge für hydrodynamische Gleitlagerungen. Die Kenntnis der Beanspruchbarkeit der Werkstoffe bei zyklischer Belastung, welche als Eingangsgröße für die quadratische Versagenshypothese (QVH) einer Festigkeitshypothese für allgemeine, mehrachsige zyklische Beanspruchungen QVH zur Verfügung gestellt wird und den realen Belastungen am Bauteil gegenüber gestellt wird, ist dabei die Grundvoraussetzung für die dauerfeste Auslegung hydrodynamischer Lagerungen. Zur Beschreibung der Beanspruchbarkeit im Zeit- und im Übergangsgebiet von der Zeit- zur Dauerfestigkeit wurden einachsige Ermüdungsversuche bei Normal- und Torsionsbelastung bei unterschiedlichen Temperaturen und Mittelspannungen der konventionellen Werkstoffe TS und TX durchgeführt. Die Treffsicherheit der Versagenshypothese QVH wurde anschließend durch mehrachsige Ermüdungsversuche, in denen Normal- und Torsionsbelastung ohne Phasenverschiebung gleichzeitig auf eine Probe bei Raumtemperatur einwirken, überprüft. Für den Dauerfestigkeitsnachweis wurden die ertragbaren Spannungen mit den in Gleitlagern auftretenden Spannungen durch die QVH ins Verhältnis gesetzt. Die Ermittlung der lokalen zyklischen Belastung im höchstbelasteten Bereich im Gleitlager wurde durch ein FEM-Modell, welches gleitlagerspezifische Randbedingungen berücksichtigt, durch das IME der RWTH Aachen [Lim10] in interdisziplinärer Zusammenarbeit geleistest.
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Specificații

ISBN-13: 9783844020663
ISBN-10: 3844020667
Pagini: 207
Ilustrații: 39 farbige Abbildungen
Dimensiuni: 144 x 205 x 22 mm
Greutate: 0.29 kg
Editura: Shaker Verlag