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Prof.Dr.-Ing.DietmarSchorr
Steinbeis-Analysezentrum
Prof.Dr.-Ing.DietmarSchorr29.Mai2018
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EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Mikrogeometrie
Mikrogeometrie
HertzscheKontaktpressungen
Makrogeometrie Bewegungsenergie
Ventilsitzverschleiß
Ventilsitz:Kegel
Ventilkörper:Kugel
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EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Makrogeometrie
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EinflussgrößenVentilsitzverschleißMakrogeometrie
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
StarreKugel/ElastischeEbene
a=Kontaktradius
Eindringtiefed
-a
R
F
-a
p
xa
p0
HertzscheKontaktspannungen
Max.Normalspannungp0
Werkstoffversagen
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EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
-a
p
xa
p0 Max.Normalspannung
E*:effektiverE-Modul
2
22
1
21
*
111EEEνν −
+−
=
HertzscheKontaktspannungenMakrogeometrie
RdE
RFEp ⋅⋅=⋅⋅
⋅= *32
2*
0261ππ
F:Kraft
21
111RRR
+=
R:mittlererRadius
E1,E2:oberflächennaherElastizitätsmodul
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Eindringtiefeh
LastF
Elastisch-plastische-Belastung
Elastische-Entlastung
dFdh
Tangente
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
HertzscheKontaktspannungenMakrogeometrie
F
Mikrohärteprüfung
E1,E2:oberflächennaherElastizitätsmodul2
22
1
21
*
111EEEνν −
+−
=
OberflächennaherE-Modul≠
Kern-E-Modul
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Ventilsitzx
F
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
HertzscheKontaktspannungenMakrogeometrie
z
Schubspannungτ
Druckspannungp
LageSchubspannungsmaximum
0max 31.0 p⋅=τ
az ⋅= 48.0
GrößeSchubspannungsmaximum→Werkstoffversagen
Ventil-körper
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
ErmüdungRissbildungMaterialverlust
Makrogeometrie
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
UnsymmetrischesAuftreffenKörperimSitz→Kontakt:Kugel/Kugel
BelastungimgeschlossenenZustand→Kontakt:Zylinder/Ebene
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
Ventilsitz:BelastungenMakrogeometrie
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
xa-a
p0p
Druckspannungsverteilung
EntsprichtHertzschenKontaktZylinder/Ebene
F:NormalkraftE*:effektiverE-Modulb:Sitzumfang=f(RadiusKugel)R:RadiusKugel
RbEFp⋅⋅
⋅=
π
*
0
Max.Druckspannung
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
Ventilsitz:BelastungimgeschlossenenZustandMakrogeometrie
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMakrogeometrie
HVp dF ⋅=< 33.30 σ
Druckspannung
max.D
ruckspannu
ngp
0inN/m
m²
KraftinN
Ventilsitz:BelastungimgeschlossenenZustand
RbEFp⋅⋅
⋅=
π
*
0
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EntsprichtHertzschenKontaktKugel/Ebene
Druckspannungsverteilung
-a
p0p
xa E*:effektiverE-ModulF:NormalkraftR:RadiusKugel
Max.Druckspannung
32
2*
061R
FEp ⋅⋅⋅=
π
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMakrogeometrieVentilsitz:UnsymmetrischesAuftreffenKörperimSitz
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
HVp dF ⋅=< 33.30 σ
Druckspannung
max.D
ruckspannu
ngp
0inN/m
m²
KraftinN
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMakrogeometrie
32
2*
061R
FEp ⋅⋅⋅=
π
Ventilsitz:UnsymmetrischesAuftreffenKörperimSitz
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EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Bewegungsenergie
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
2
21 vmEkin ⋅⋅=
KinetischeEnergiedesVentilkörpers
UmwandlunginelastischeVerformungsenergie
ElastischeVerformungsenergie
2
21 xcEFeder ⋅⋅=
x
F
x
EinflussgrößenVentilsitzverschleißBewegungsenergieVentilsitz:UnsymmetrischesAuftreffenKörperimSitz
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
2
21 vmEkin ⋅⋅=
KinetischeEnergiederVentilnadel ElastischeVerformungsenergie2
21 xcEFeder ⋅⋅=
Verschleiß∼
Oberflächenkenngrößenausoptischer3D-Topografiemessung
EinflussgrößenVentilsitzverschleißBewegungsenergieVentilsitz:UnsymmetrischesAuftreffenKörperimSitz
Spc:mittlereSpitzenkrümmungSpd:DichtederOberflächenspitzenSpd
Spc
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EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Mikrogeometrie
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieVerschleißmechanismen
Ventilsitzverschleiß
Adhäsion PlastischeDeformation Abrasion
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
DerGeckohaftetanglattenWänden
GeckoshaftenüberatomareKräfteanderWand
BeispielEndmaß
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAdhäsion(Verkleben)
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
v
F
Verschleißerscheinungsformen:Materialübertrag,Schuppen,LöchermitsteilenFlanken
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAdhäsion(Verkleben)
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAdhäsion(Verkleben)
TechnischeOberfläche Modell:Oberflächenspitzen
Oxidschicht:entstehtdurchdieReaktionmitWasserstoffundSauerstoff
Oberflächenkenngrößen
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAdhäsion(Verkleben)
SteileOberflächenspitzeNormalkraft
NormalkraftFlacheOberflächenspitze
BeisteilenOberflächendurchbrichtdieOxidschichtleichterundlegtdie
„nackte“Oberflächefrei→Adhäsion
Oberflächenkenngrößenausoptischer3D-
Topografiemessung
Rdq:Oberflächenspitzengradient
Oberflächenkenngrößen
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
PlastischeVerformung
Normalkraft
Tangentialkraft
AbbrechenvonOberflächenspitzen
Abrasionsverschleiß
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometriePlastischeDeformation
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Normalkraft
Tangentialkraft
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometriePlastischeDeformation
Oberflächenkenngrößenausoptischer3D-
Topografiemessung
Rdq:Oberflächenspitzengradient
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Fv
VerschleißerscheinungsformenKratzer,Riefen,Mulden,Wellen
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAbrasion
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAbrasion
spitzkämmigrundkämmig
elastischeDeformation plastischeDeformation
Oberflächenkenngrößen
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAbrasion
z z AnzahlSpitzeproKlasseKlasse1Klasse2Klasse3
x
zAnzahlSpitzen
AmplitudendichtekurveADKz
z
Oberflächenkenngrößen
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
EinflussgrößenVentilsitzverschleißMikrogeometrieAbrasion
DieSchiefeRskbeschreibtdieAusprägungvonTälernundSpitzen,bzw.dieSymmetriederHöhenverteilung.
Rsk<0:OberflächebestehtüberwiegendauseinerEbenemittiefen,schmalenTälern→elastischeDeformationderSpitzen
Rsk=0
Rsk>0:OberflächeweistausgeprägteSpitzenauf→PlastischeDeformationderSpitzen
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
Zusammenfassung
EinflussgrößenVentilsitzverschleiß
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EinflussgrößenVentilsitzverschleißZusammenfassung
OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
UnsymmetrischesAuftreffenderKugel
Makrogeometrie
! RadiusKugel! OberflächennaherE-Modul
! MassederKugel! Oberfläche
Bewegungsenergie
! MassederKugel! Spc:mittlereSpitzenkrümmung! Spd:DichteOberflächenspitzen
! Adhäsion! PlastischeDeformation! Abrasion
Mikrogeometrie
! Sdq:Oberflächenspitzengradient
! Rsk:Schiefe
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OptimierungvonOberflächenamBeispieldesVentilsitzverschleißes
SteinbeisTransferzentrumTribologieinAnwendungundPraxis
Leiter:Prof.Dr.-Ing.DietmarSchorrE-Mail:[email protected]:+497219735831Mobil:+491729057349Erzbergerstr.12176133Karlsruhewww.steinbeis-analysezentrum.com