Untersuchung des Einflusses der mechanischen Eigenschaften eines beschichteten und unbeschichteten Elastomers auf das Reibungsverhalten mittels FEM Simulation

In dieser Arbeit wurde ein Triboversuch mit der Finite Elemente Methode simuliert. Das Ziel war die Reproduktion von Versuchsergebnissen des realen Versuches und die Untersuchung des Einflusses der mechanischen Eigenschaften auf die Reibeigenschaften von Elastomeren. Für die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Elastomere wurde ein Materialmodell mit hyperelastischen und viskoelastischen Eigenschaften aufgestellt. Dieses Materialmodell wurde anhand von Zugversuchen und Relaxationsversuchen validiert. Bei den untersuchten Elastomeren handelte es sich um NBR Elastomere mit unterschiedlichen Schwefelgehalten. Neben der Betrachtung der mechanischen Eigenschaften wurde ein Vergleich zwischen unbeschichteten und beschichteten Materialien durchgeführt. Beider Beschichtung handelt es sich um eine Diamond-like Carbon Beschichtung, die mittels PECVD Prozess auf das Elastomer abgeschieden wird. In den Simulationen wurde die Reibung getrennt in Adhäsionsanteil und Hystereseanteil betrachtet. Der Adhäsionsteil wurde in der Simulation vorgegeben und der Hystereseanteil aus der Gesamtreibung bestimmt. Der Hystereseanteil führte zu einer Reibungserhöhung im Vergleich zur angegebenenAdhäsionsreibung um 10-35 % bei unbeschichteten Materialien. Die Reibungserhöhung zeigte sich abhängig von der Elastomerhärte mit einer geringeren Erhöhung bei härteren Elastomeren. Weiterhin zeigte sich, dass die Hysteresereibung mit steigender Adhäsionquadratisch ansteigt. Bei beschichteten Materialien ist die Reibungserhöhung bezogen auf die Adhäsionsreibung mit Werten unter 8 % deutlich geringer. Die Beschichtung führt somit nicht nur zu einer Verringerung der Adhäsion, sondern auch zu einer Verringerung der Hysteresereibung. Es wurden Eindringtiefen, Kontaktflächen, Reibkräfte und Dissipationsenergien in der Kontaktzone für unterschiedlich harte Elastomere untersucht. Mikroskopische Abbildungen der Oberfläche der Beschichtung zeigen eine Oberflächenstruktur, die von Erhebungen und Rissen durchzogen ist. Als Vereinfachung wurden die Tribosimulationen mit einer ideal glatten Oberfläche durchgeführt. Zur Berücksichtigung der Oberflächenstruktur wurde diese in einem kleinen Ausschnitt in einem zweiten Modelldargestellt. Das Modell betrachtet den Einfluss der Größe von Schollen auf der Oberfläche und wie sich diese auf den Verschleiß der Beschichtung auswirken könnten.