Reibungsreduzierung dynamischer Elastomerdichtungen durch Mikrostrukturierung der Dichtungsgleitfläche

Die zunehmende Verschärfung gesetzlicher Rahmenbedingungen in Bezug auf CO2- und Schadstoffemissionen erfordert eine beständige Steigerung der Fahrzeugeffizienz. Neben der Verringerung innermotorischer Verluste bietet die Reduzierung der Reibungsverluste im gesamten Antriebsstrang eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung. Diese kann durch eine Optimierung der Einzelkomponenten, wie den dynamischen Elastomerdichtungen, die schnell zu Reibungsverlusten in der Größenordnung von 100 Watt pro Dichtlippe führen können, genutzt werden. Dynamische Elastomerdichtungen werden hauptsächlich im Mischreibungsgebiet mit einem hohen hydrodynamischen Traganteil oder im Bereich der Flüssigkeitsreibung betrieben. An den Erhebungen des Oberflächenprofils bildet sich bei einer Relativbewegung ein hydrodynamischer Spaltdruck und infolgedessen ein tragfähiger Schmierfilm aus. Bei den gegenwärtig verwendeten Oberflächen liegt eine Schmierspalthöhe von im Mittel einem Mikrometer vor. Hierbei tritt die leichte Scherwirkung der Schmierstoffmoleküle in den Hintergrund. Die Reibung wird durch die Anhaftung und Scherung des Öls an den Oberflächen dominiert. Durch das Einbringen von Mikrostrukturen in die Dichtungsgleitfläche kann der hydrodynamische Spaltdruck und damit die Schmierspalthöhe deutlich vergrößert werden. Die Reibung beruht dann in dem dickeren Schmierfilm vermehrt auf der Scherung der Flüssigkeitsmoleküle, was insgesamt zu einer Reduzierung der Reibung führt. Ein dickerer Schmierfilm führt jedoch prinzipbedingt zu einer Erhöhung der Leckage. Zur Aufrechterhaltung der Dichtfunktion können rückfördernde Mikrostrukturen eingesetzt werden. Aufgrund der Größe der Mikrostrukturen tritt jedoch schon bei geringem Verschleiß ein funktionsschädlicher Einfluss auf. Insbesondere bei verschleißanfälligen Werkstoffen wie Elastomeren kann dies eine sinnvolle Applikation einer Mikrostrukturierung verhindern. Abhilfe können hier plasmapolymere Beschichtungen schaffen, die bereits erfolgreich zur Reibungs- und Verschleißreduzierung von dynamisch belasteten Elastomerdichtungen eingesetzt wurden und damit den Einsatz von Mikrostrukturen auf Elastomeren sinnvoll ermöglichen können. Im Rahmen dieses Beitrags werden die aktuellen Ergebnisse des vom BMWi geförderten Forschungsprojektes „Entwicklung einer Methode zur Auslegung von reibungsreduzierenden Mikrostrukturen auf dynamischen Elastomerdichtungen mit verschleißarmen Beschichtungen“ (EMAMiD) präsentiert. Zunächst wird ein Simulationsmodell zur Grobauslegung der in die Dichtungsgleitfläche einzubringenden hydrodynamisch wirksamen Mikrostruktur vorgestellt. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Mikrostrukturen in ringförmige elastomere Probenkörper mittels einer wirtschaftlichen Direktstrukturierung durch Laserablation, welche kurz dargelegt wird, eingebracht. Zur Reibungs- und Verschleißreduzierung wird eine plasmapolymere Beschichtung auf die strukturierten Probenkörper appliziert. Abschließend werden Tribometeruntersuchungen vorgestellt und die erzielbare Reibungsreduzierung aufgezeigt