Molekulardynamik und Kontinuumsbeschreibung von stark gescherten Schmierfilmen in der Grenzreibung

Projektbeschreibung

Marktbedarf und gesellschaftliche Herausforderung

Reibung und Verschleiß verursachen schätzungsweise 20–30 % des weltweiten Energieverbrauchs in der Industrie. Schmierstoffe sind dabei das zentrale Mittel, um tribologische Verluste zu minimieren. Mit dem industriellen Trend zu höheren Leistungsdichten, kleineren Bauteilen (Downsizing) und umweltfreundlicheren Schmierstoffen mit niedriger Viskosität werden Maschinenbauteile wie Wälzlager, Getrieberäder oder Nockenfolger zunehmend im sogenannten Grenzreibungsregime (boundary lubrication, BL) betrieben. In diesem Regime ist der Schmierfilm nur noch wenige Nanometer – oder sogar nur eine einzige Moleküllage – dünn. Drücke von mehreren Gigapascal und Scherraten von über 10⁶ s⁻¹ treiben den Schmierstoff in extreme Nichtgleichgewichtszustände, in denen klassische hydrodynamische Modelle und Viskositätsgesetze versagen. Die Folge: Konstrukteure können Schmierspalte in diesem Regime nicht zuverlässig auslegen, was zu konservativer Überdimensionierung, ungeplanten Ausfällen oder suboptimaler Schmierstoffauswahl führt.

Lösungsansatz des Projekts

Projekt ReCon entwickelt eine physikalisch fundierte Kontinuumsbeschreibung für den gesamten Übergangsbereich von der Dünnfilmschmierung bis zum trockenen Kontakt und zurück. Der Ansatz kombiniert drei methodische Ebenen: (1) Großskalige atomistische Molekulardynamik (MD)-Simulationen tribologischer Modellkontakte liefern Referenzdaten; (2) Parametrische MD-Studien kleiner repräsentativer Volumenelemente liefern Konstitutivgesetze für die Schmierfilmdynamik in extrem engen Spalten (z.B. Viskosität, Wandgleiten und 2D-Transporteigenschaften als Funktion von Druck, Temperatur, Scherrate und Spaltgröße); (3) Ein klassischer Reynolds-Solver für die Kontinuumsmechanik des Schmierfilms   wird um diese Konstitutivgesetzte erweitert und gegen die Großskalensimulationen validiert. Zwei Forschungsrichtungen werden verfolgt: der „Starvation-Pfad" (kontinuierliche Verringerung des Schmierspalts bis zur Monolage) und der „Re-lubrication-Pfad" (Wiederbefüllung eines trockenen Kontakts aus einem Schmierstoffreservoir).

Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen

Am Ende des Projekts steht ein Reynolds-Solver der anwendungstauglich alle Schmierungsregime – von dicken Flüssigkeitsfilmen bis zum partial trocken Kontakt– quantitativ beschreiben kann.  Die Ergebnisse schaffen die wissenschaftliche Grundlage für energieeffizientere, verschleißärmere Maschinenbauteile, die mit niedrigviskosen, umweltfreundlichen Schmierstoffen betrieben werden können – ein unmittelbarer Beitrag zu industrieller Nachhaltigkeit und zur Reduktion des globalen Energieverbrauchs durch Reibung.

Arbeitspakete des Fraunhofer IWM im Projekt

• Großskalige Molekulardynamiksimulationen tribologischer Modellkontakte mit konvergierend-divergierenden Kanalgeometrien, Oberflächenrauheit und Spaltweiten bis in den Monolagenbereich
• Formulierung von Konstitutivgesetzen für die nichtlineare Schmierstoffviskosität η(P, T, γ̇, h) und die Wandgleitgeschwindigkeit v_slip(τ, P, T, h) als Funktion von Druck, Temperatur, Scherrate und Spaltgröße
• Erstellung eines erweiterten Reynolds-Schmierungsgleichungslöser (RLE-Code), der nichtlineare Viskositätsgesetze, Wandgleiten, Kompressibilität und Monolagentransport integriert – und damit den Gültigkeitsbereich klassischer EHD-Codes deutlich übertrifft
• Ableitung mikroskopisch begründeter Parameter für das Eyring-MKT-Gleitgesetz aus molekularen Trajektorien und damit die bislang empirischen Konstitutivrelationen auf eine solide physikalische Grundlage stellen

Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:

1. Simulationsbasierte Schmierstoffqualifizierung unter Extrembedingungen

Das Fraunhofer IWM charakterisiert Schmierstoffformulierungen unter Hochdruck- und Hochscherratenbedingungen auf Basis validierter Molekulardynamik-Simulationen – ohne den Einsatz kostenintensiver Hochdruckrheometer.

• Bestimmung von Viskosität, Scherverdünnungsverhalten und Wandgleiteigenschaften bei Drücken bis in den GPa-Bereich
• Analyse des Schmierstoffverhaltens bei Scherraten > 10⁶ s⁻¹
• Charakterisierung von PAO-Ölen, synthetischen Kohlenwasserstoffen und weiteren Schmierstoffklassen

2. Auslegung von Schmierspalten im Grenzreibungsbereich

Mit einem neu entwickelten erweiterten Reynolds-Löser simuliert das Fraunhofer IWM tribologische Kontakte in Betriebszuständen, in denen klassische EHD-Codes versagen.

• Simulation von Lagern, Nocken und Getriebeverzahnungen im Grenz- und Mischreibungsbereich
• Quantitative Vorhersage von Reibkraft, Druckverteilung und Filmdicke bis in den Nanometerbereich
• Analyse von Betriebszuständen jenseits der Gültigkeit konventioneller Simulationsmethoden

3. Analyse und Prävention von Schmierfilmabriss (Starvation)

Das Fraunhofer IWM identifiziert kritische Betriebsbedingungen, unter denen der Übergang von vollständiger Schmierung zu Trockenreibung droht – und liefert die Grundlage für eine gezielte Prävention.

• Simulation und Identifikation kritischer Betriebspunkte mit erhöhtem Starvation-Risiko
• Datengestützte Analyse des Einflusses von Schmierstoffmenge, Viskosität und Betriebsparametern
• Ableitung konkreter Optimierungsempfehlungen zur Vermeidung von Schmierfilmabriss

4. Entwicklung und Validierung von Konstitutivgesetzen für neue Schmierstoffklassen

Das Fraunhofer IWM entwickelt maßgeschneiderte Viskositäts- und Gleitgesetze für neue und innovative Schmierstoffklassen, die direkt in gängige Engineering-Simulationstools integriert werden können.

• Entwicklung angepasster Konstitutivgesetze für bio-basierte Öle, Ionische Flüssigkeiten, niederviskose Synthetiköle und weitere Schmierstoffklassen
• Validierung der Modelle anhand experimenteller oder simulativer Referenzdaten
• Bereitstellung implementierungsfertig aufbereiteter Modelle für COMSOL, OpenFOAM, kommerzielle EHD-Solver u. a.