Einfluss von Mikrostrukturen auf das Verschleiß- und Betriebsverhalten eines Nocken-Tassenstößel-Ventiltriebs

Der Einfluss von technischen Oberflächenstrukturen auf den elastohydrodynamischen Reibkontakt ist Thema vieler Forschungsprojekte. Die Frage der Übertragbarkeit der oftmals an vereinfachten Kontaktsystemen ermittelten Erkenntnisse auf reale technische Anwendungen bleibt in vielen Fällen unbeantwortet. Diese Arbeit greift diese Frage auf und befasst sich mit dem Einfluss einer definierten Nockenoberflächenstruktur auf das Betriebs- und Verschleißverhalten eines realen Nocken-Tassenstößel-Ventiltriebs. Zur Definition einer verbesserten Nockenoberflächentopographie erfolgt eine fluidmechanische Beurteilung der Mikrostruktur im Schmierfilm anhand eines numerischen Kontaktmodells auf Basis einer modifizierten Reynolds’schen Differenzialgleichung. Die dafür erforderliche numerische Modellierung des Ventiltriebs berücksichtigt die Kinematik und die dynamische Bewegung der Komponenten. Auf Basis der theoretischen Voruntersuchungen erfolgt die Definition einer verbesserten Nockenoberflächenstruktur, welche über experimentelle Untersuchungen auf ihre Wirksamkeit geprüft wird. Zur Fertigung der Nockenoberflächen kommen ein Laserablationsverfahren und ein spezialisierter Mikrospanprozess zum Einsatz. Der eingesetzte Komponentenprüfstand ermöglicht die praxisnahe Belastung einzelner Nocken-Stößel-Paarungen und die sensorische Erfassung des Betriebs- und Reibverhaltens. Die durchgeführten Studien zeigen auf, dass die Verwendung der mittels Mikrospanen gefertigten Nockenoberflächenstruktur zu einer deutlichen Minderung des Gesamtverschleißes im System führt. Die divergierenden theoretischen und experimentellen Ergebnisse unter Verwendung der lasergenerierten Struktur verdeutlichen darüber hinaus die Komplexität der Thematik und die Grenzen der numerischen Kontaktmodellierung.