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Heterogenes Kontaktmodell zur Mischreibungssimulation an Radialgleitlagern aus kurzfaserverstärkten Polymeren

In der vorliegenden Arbeit wird eine Mischreibungssimulation, welche auf einem isotropen, homogenen, linear-elastischen und temperaturunabhängigen Materialverhalten für metallische Werkstoffe basiert, für polymere Komposite erweitert. In der Simulation erfolgt eine Skalentrennung. Auf der Mikroskala wird auf Rauheitsebene die Kontakt- und Fluidsimulationen durchgeführt. Deren Ergebnisse werden als effektive Eigenschaften auf der Makroskala verwendet. Auf der Makroskala erfolgt eine Mischreibungsberechnung basierend auf einer thermo-elasto-hydrodynamischen Simulation. Als Analyseobjekt dient ein Radialgleitlager mit Stahlwelle und PEEKCF30-Lagerbuchse. Auf der Mikroskala wird eine heterogene FEM-Kontaktsimulation mit rauen Oberflächen entwickelt, welche die reale Faserverteilung mit gemessenen Rauheiten überlagert. Durch die heterogene Kontaktsimulation werden signifikant geringere Kontaktsteifigkeiten gegenüber der homogenen Kontaktsimulation basierend auf PEEKCF30-Zugversuchen erreicht, da auf der Mikroskala die Matrixeigenschaften die Kontaktsteifigkeit dominieren. Es stellt sich heraus, dass durch variierende Rauheiten und Faseranteile in der Oberfläche a priori keine generische, effektive, homogene Steifigkeit für die Kontaktsimulation eines heterogenen Materials auf der Mikroskala möglich ist. Das entwickelte Kontaktmodell liefert hierfür einen Lösungsansatz. Die Makroskala wird um thermische Effekte erweitert. Temperaraturabhängige Kontaktsteifigkeiten sowie die Berücksichtigung der Temperaturdehnung führen bei erhöhten Temperaturen zu geringeren Reibungszahlen. Die Validierung der Modellerweiterungen am Gleitlagerprüfstand zeigt signifikante Verbesserungen in der Reibungsvorhersage für kurzfaserverstärkte polymere Werkstoffe.