Dissertation Staeves, Anforderungen an die Topografie

5.3 Anforderungen an die Topografie

Um die hohen hydrostatischen Drücke in abgeschlossenen Schmiertaschen zu nutzen, muß die Topografie geschlossen und leer sein. Die Abgeschlossenheit ist erforderlich, damit die Schmiertaschen bereits bei geringer Einglättung abgeschlossen werden und die Topografie muß leer sein, um große Schmiertaschen zu erreichen. Für hydrodynamisch wirkende Mikro-Flanken und Mikro-Stufen sind große Kuppen mit niedrigen Flankenwinkeln günstig. Je größer und flacher die Kuppen sind, desto mehr Fläche steht zur Verfügung, auf der dünne Schmierfilme hohe hydrodynamische Drücke bewirken können. Für große flache Kuppen werden volle Topografien benötigt.
Leere Topografien begünstigen dagegen Makro-Quetschströmungen, da sie nach dem Aufsetzen des Niederhalters leichter einglätten als volle Topografien, wodurch mehr Schmierstoff verdrängt werden muß. Günstig wirkt sich zusätzlich aus, wenn die Topografie geschlossen ist, der Schmierstoff nicht durch tiefliegende Kanäle entweichen kann und wenn die Topografie fein ist, so daß viele kleine Spitzen das Entweichen des Schmierstoffs bremsen.
Für die Makro-Effekte sind Topografien mit hoher Dichtwirkung günstig. Geschlossene und feine Topografien verhindern, daß der Schmierstoff zu schnell seitlich entweichen kann, ohne hydrostatisch oder hydrodynamisch Druck aufzubauen.

Bei mehreren Mechanismen führen geschlossene und feine Topografien zu niedriger Reibung. In keinem Fall verbessern offene oder grobe Strukturen das tribologische Verhalten. Die Topografien sollten deshalb fein und geschlossen sein.
Die Anforderungen an die Leere der Topografie widersprechen sich. Zugunsten hydrostatisch wirkender Schmiertaschen und makroskopischer Quetschströmungen sind leere Topografien anzustreben, da diese einen großen Leerflächeanteil aufweisen und leicht eingeglättet werden können. Für hydrodynamisch wirkende Flanken, Stufen und Quetschströmungen sollte die Topografie voll sein, um bereits bei geringer Einglättung hohe Flächenanteile mit dünnen Schmierfilmen zu erreichen. Diese widersprüchlichen Anforderungen können die Ursache dafür sein, daß in der Literatur von einigen Autoren leicht einglättende Topografien [60, 89, 125, 130] und von anderen Topografien ohne Feinspitzenbereich [94, 186] als günstig beurteilt werden.
Einen Kompromiß könnte eine Topografie mit hohen und gleichzeitig leicht einglättenden Spitzen bei einem flachen Kernbereich darstellen. Der Materialanteil der Spitzen im oberen Bereich sollte so hoch sein, daß die Topografie durch das Aufsetzen des Niederhalters kaum einglättet. Im unteren Bereich (im Übergang zum Kernprofil) müssen die Spitzen einen geringen Materialanteil haben, damit die Topografie bei zusätzlichen Zugspannungen in Blechebene bis auf das Kernprofil einglättet. Ein flaches Kernprofil wirkt sich reibungssenkend aus, da es durch flache Winkel und Plateaus hydrodynamische Effekte unterstützen kann.
Eine aus tribologischer Sicht optimierte Topografie muß nach diesen Überlegungen die folgenden Eigenschaften aufweisen:

Anforderungen an die Leere:

Hohe Spitzen, um Drücke durch Quetschströmungen nutzen zu können
Schmale Spitzen mit niedrigen Materialanteilen, um der Topografie das Einglätten bis zum Kernprofil zu ermöglichen
Einen flachen Kernbereich, um flache Winkel und Stufen für hydrodynamische Effekte zur Verfügung zu stellen
Im unteren Bereich der Topografie sollte ein größeres Leervolumen vorhanden sein, aus dem auch bei stärkerer Einglättung eine "Schmierstoffreserve" in die Kontaktzone gedrückt werden kann.

Anforderungen an die Abgeschlossenheit:

Hohe Anteile abgeschlossener Leerflächen, um große Flächenanteile mit hydrostatisch wirkenden Schmiertaschen zu erreichen
Topografie hoch abgeschlossen, um bereits bei geringer Einglättung hydrostatische Anteile nutzen zu können
Anforderungen an die Feinheit:
Feine Spitzen sind bei Quetschströmungen günstig, da sie das Herausfließen des Schmierstoffs mit vielen schmalen Kanälen stärker bremsen als grobe Topografien mit wenigen größeren Kanälen.
In einer feinen Topografie mit vielen Tälern sind mehr Stufen vorhanden als in einer groben Topografie mit wenigen Tälern. Die Oberfläche sollte, um hydrodynamische Effekte an Stufen nutzen zu können, eine hohe Anzahl von Tälern aufweisen.

Anforderungen an die Richtung:

Bei gerichteten Topografien können die tribologischen Eigenschaften von der Ziehrichtung abhängen. Ungerichtete Strukturen sind vorzuziehen, um in allen Gleitrichtungen gleiche tribologische Eigenschaften zu erreichen.

Anforderungen an die Gleichmäßigkeit:

Alle bisher zur Verfügung stehenden deterministischen (gleichmäßigen) Blechstrukturen sind gerichtet. Wenn die Anforderungen an Abgeschlossenheit, Leere und Feinheit von deterministischen und stochastischen Strukturen in gleicher Weise erfüllt werden können, dann sollten stochastische Strukturen vorgezogen werden, um in allen Raumrichtungen gleiche tribologische Eigenschaften zu erreichen.

Aus Sicht der Blechherstellung sind zwei Anforderungen besonders schwierig zu erfüllen.

Hohe Spitzen sind mit den bekannten Fertigungsverfahren im allgemeinen nur bei gleichzeitig relativ hohen Materialanteilen der Spitzen zu realisieren.
Hohe Spitzen und gleichzeitig hohe Abgeschlossenheit sind nur dann möglich, wenn die Spitzen nicht isoliert stehen, sondern durch hohe "Grate" miteinander verbunden sind. Diese Grate lassen sich mit den zur Zeit zur Verfügung stehenden Fertigungsverfahren nicht herstellen.