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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

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