Numerische Auslegung von Oberflächenmikrotexturen für geschmierte tribologische Kontakte Translated title: Numerical design of surface micro-textures for lubricated tribological contacts

Abstract

Trotz einer Vielzahl an experimentellen und theoretischen Untersuchungen in der Literatur befindet sich der Ansatz der Oberflächenmikrotexturierung zur Steuerung von Reibung und Verschleiß in Tribo-Kontakten noch immer in der Trial-and-error-Phase. Ein ausbleibender Einzug in die industrielle Serienanwendung liegt insbesondere daran, dass der Einfluss auf das tribologische Verhalten und vorteilhafte Mikrotexturgeometrien und -anordnungen von der jeweiligen Kontaktart und den Betriebsbedingungen bedingt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Vorgehensweise zur Gestaltung von Oberflächenmikrotexturen erarbeitet. Den zentralen Kern bildeten dabei Simulationsmodelle zur numerischen Vorhersage des tribologischen Verhaltens von Mikrotexturen in geschmierten Kontakten basierend auf der Finite Elemente Methode. Die Möglichkeit zur maßgeschneiderten Auslegung der Mikrotexturgeometrie wurde durch ein Meta-Modell of Optimal Prognosis in Verbindung mit evolutionären Optimierungsalgorithmen geschaffen. Die Eignung und Validität wurde durch Anwendung für verschiedene hydrodynamische sowie harte und weiche elastohydrodynamische Kontakte von der Modell- bis hin zur Komponentenebene sowie durch begleitende experimentelle Untersuchungen aufgezeigt. Die Implementierung in kommerzieller Software sowie die Ableitung verallgemeinerter Gestaltungsrichtlinien erlauben zukünftig insbesondere die breite Nutzbarkeit durch Forschende und Entwicklungsingenieur*innen für verschiedene Anwendungen.

Translated abstract

Despite the large numbers of experimental and theoretical investigations in literature, the approach of surface micro-texturing to control friction and wear of tribological contacts is still in a trial-and-error phase. The main reason for the lack of industrial scale implementation is that the tribological behavior and advantageous micro-texture geometries and arrangements largely depend on the contact type and the operating conditions. Within the scope of this thesis, a methodology for designing micro-textures was developed. The main focus was on simulation models for the numerical prediction of the tribological behavior of micro-textures in lubricated contacts based on the Finite Element Method. The possibility of tailor-made micro-texture designs was provided by a meta-model of optimal prognosis in combination with evolutionary optimization algorithms. The suitability and validity of these approaches have been demonstrated by application to various hydrodynamic, hard and soft elastohydrodynamic contacts from the model to the component level, as well as by accompanying experimental investigations. In the future, the implementation in commercially available software as well as the development of generalized design guidelines will allow the broad usability by researchers and engineers for various applications.