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Vibrationen zu reduzieren, wurde ein Dämpfungsband um die Stifte gewickelt.Bei der Schwingungsdämpfung war ein deutlicher Rückgang der Emissionen zu verzeichnen, der mit dem störungsarmen Reibschichtaufbau beim Gleiten korrelierte.Es wird davon ausgegangen, dass der Einsatz dieser Methode zur Reduzierung von Emissionen die Optimierungsphase des Bremsenquietschens von Reibmaterialien begleiten und dadurch neue Designperspektiven eröffnen kann.Während eines typischen Bremsvorgangs werden 40–50 % der von den Kontaktflächen erzeugten Verschleißpartikel in luftgetragene Partikel (PM) umgewandelt und in die Atmosphäre freigesetzt1,2,3.Dies trägt zur Luftverschmutzung bei, die in der europäischen Region jedes Jahr vorzeitig über eine halbe Million Erwachsene das Leben kostet4.Der Bremsverschleiß PM wird hauptsächlich nach Größe kategorisiert.Verschiedene Fraktionen von PM haben ihre gesundheitlichen Auswirkungen.PM10 kann leicht eingeatmet werden und besteht aus Partikeln, die durch die Atmung entweder durch die Nase oder den Mund in den Körper eingebracht werden können.PM2.5 kann in die Lunge gelangen, PM1 erreicht die Lungenbläschen und ultrafeine Partikel wie PM0.1 können die Luft-Blut-Schranke in den Lungenbläschen überwinden und in innere Organe, einschließlich des Gehirns, gelangen4,5,6.Basierend auf den unterschiedlichen tribologischen Rollen können die Bestandteile von Reibmaterialformulierungen für Automobilanwendungen im Wesentlichen in Bindemittel, Verstärkungen, Füllstoffe und Reibungsmodifikatoren (Schleifmittel und Schmiermittel) eingeteilt werden7.In Bezug auf Reibung und Verschleiß hängt die Bremsleistung von den Eigenschaften der Reibungsschicht ab, die sich während des Gleitens auf den Passflächen bildet.Die Reibungsschicht wird durch primäre Plateaus gebildet, die typischerweise aus Verstärkungen (wie Stahlwolle) oder großen Schleifmitteln bestehen, gegen die Verschleißfragmente gepresst werden und die sekundären Plateaus bilden8,9.Verschleißpartikel, einschließlich der emittierten Partikel in der Luft, sind im Allgemeinen ein Ergebnis der Störung der sekundären Plateaus10,11,12,13,14.In Bezug auf die Emissionsbewertung kann durch Befolgen eines vordefinierten Protokolls13,15 ein „Modellszenario“ der PM-Emissionen durch ein Pin-on-Disc (PoD)-Tribometer erreicht werden, da es und seine „Umgebung“ vollständig eingeschlossen werden können ' kann leicht kontrolliert werden3.Es gibt viele inhärente Faktoren wie Zusammensetzung, Kopplungseigenschaften und Arbeitsbedingungen, die zur Entfernung der sekundären Plateaus beitragen könnten, wodurch die Emissionskonzentration erhöht wird.Diese Studie offenbart eine einzigartige Beziehung zwischen Emissionen und Systemvibrationen.Das Konzept von Noise, Vibration and Harshness (NVH) wird normalerweise untersucht, um die Langlebigkeit des Fahrzeugs und den Kundenkomfort zu verbessern16.Nach bestem Wissen der Autoren ist das Konzept, Emissionen mit Systemvibrationen in Beziehung zu setzen, jedoch relativ neu und bedarf weiterer Untersuchungen.Die Beziehung zwischen Emission und Vibration wird zunächst unter Verwendung von zwei „hausintern“ formulierten Reibungsmaterialzusammensetzungen durch einen speziellen Geräteaufbau untersucht, der am PoD angebracht ist.Anschließend wird eine mögliche Lösung zur Verringerung der Emissionen durch Reduzierung der Vibration des Mediums durch Dämpfung mit einem dünnen Gummiband vorgeschlagen und untersucht.Der Vergleich wird in beiden Fällen auch auf den Reibungskoeffizienten (CoF), die Stiftverschleißbewertung und die Bedeckung und Eigenschaften der abgeschiedenen sekundären Kontaktplateaus ausgedehnt.Schließlich werden eine mögliche Erklärung und Lösung zur Verringerung der PM-Emissionen für neu entwickelte Reibmaterialformulierungen hervorgehoben, die für den Einsatz in Automobilbremsanwendungen vorgesehen sind.Zwei „hausintern“ formulierte Reibmaterialzusammensetzungen wurden analysiert, um die Vibrations-Emissions-Beziehung zu erhalten.Die Formulierungen wurden als Basiszusammensetzung (BC) und modifizierte Zusammensetzung (MC) bezeichnet.Die Zusammensetzungen hatten unterschiedliche Gehalte an Stahlwolle (22 Gew.-% in BC und 5 Gew.-% in MC), um unterschiedliche adhäsive Wechselwirkungen mit der Gegenfläche der gusseisernen Scheibe hervorzurufen17,18,19.Die Schwingungs-Emissions-Beziehung wurde durch Trockengleitversuche auf einem PoD-Tribometer bei einem Kontaktdruck von 1 MPa, einer Gleitgeschwindigkeit von 1,51 m/s, einer Versuchsdauer von 90 min und bei Raumtemperaturversuchsbedingungen ermittelt.Diese Parameter entsprechen milden Bremsbedingungen, die durch die vorherrschende Emission feiner Partikel gekennzeichnet sind.Die ultrafeinen Partikel leisten aufgrund der eher niedrigen Kontakttemperaturen nur einen geringen Beitrag8,14.Die Feinpartikelkonzentration (Emissionen) wurde von einem Optical Particle Sizer Spectrometer (OPS) erhalten, und die Vibrationsmessungen (RMS) wurden durch Befestigen von zwei Scherbeschleunigungsmessern an verschiedenen Stellen am Stifthalter (mit A1 und A2 bezeichnet) erhalten.Andererseits wurden die Tests mit Dämpfung an den gleichen zwei Reibmaterialzusammensetzungen und unter den gleichen Testbedingungen durchgeführt, jedoch durch Umwickeln mit einem Gummiband (Dicke: 0,75 mm, Material: Polyethylen niedriger Dichte, LDPE).Es wurde darauf geachtet, die Seiten und die obere Oberfläche des Stifts abzudecken, und die Analyse wurde unter denselben Testbedingungen durchgeführt, die zuvor erwähnt wurden.Als typisches Beispiel zeigt Abb. 1 die Trends von Partikelkonzentration, Vibration und Reibungskoeffizient (CoF) von MC.Aus Fig. 1a,b ist eine klare Beziehung zwischen den Emissions- und Vibrationskurven ersichtlich.Jeder Anstieg und Abfall der Kurven wird von beiden Spuren bis zu einem gewissen Grad an Genauigkeit nachgeahmt.Abbildung 1b zeigt die ähnliche RMS-Schwingungsgröße der Scherbeschleunigungsmesser A1 und A2.Abbildung 1c zeigt die CoF-Kurven und Trends.Ein typisches Beispiel für (a) Emissionen;(b) Vibrationen;und (c) CoF-Trends, die von MC-Proben nachgewiesen wurden.Wie zuvor erwähnt, wurde die zweite Kategorie von Tests mit den Reibungsmaterialien durchgeführt, indem die Stifte umwickelt und ihre oberen Oberflächen mit einem dünnen Gummiband bedeckt wurden.Abbildung 2 zeigt ein repräsentatives Beispiel der Analyse mit dem Gummiband mit MC.Zunächst ist wie in Abb. 1a,b ein konkreter Zusammenhang zwischen Emissionen und Schwingungen zu erkennen.Zweitens sind aus Abb. 2a, b ein drastischer Abfall der Partikelkonzentration und Vibrationen zu erkennen, die nach einer Einlaufphase von ca.2000er.Ein typisches Beispiel für (a) Emissionen;(b) Vibrationen;und (c) CoF-Trends, die von MC-Proben mit dem Dämpfungsband gezeigt wurden.Abbildung 3 zeigt den Vergleich von Emissionen, Vibrationen, CoF und Stiftverschleißgröße von BC und MC mit und ohne Dämpfungsband (es werden Durchschnittswerte betrachtet, die nach der Einlaufphase erhalten wurden).Als allgemeiner Trend, unabhängig vom Vorhandensein des Dämpfungsbandes, nehmen Emissionen, Vibrationen, CoF und Pin-Verschleiß ab, wenn von BC zu MC gewechselt wird.Unter Verwendung des Dämpfungsbandes, unabhängig von der Zusammensetzung, wird beobachtet, dass die durchschnittliche Partikelkonzentration, die mit beiden Beschleunigungsmessern aufgezeichneten Vibrationen und der Stiftverschleiß im Vergleich zu den Versuchen ohne das Dämpfungsband signifikant reduziert werden.Alternativ wird bei Vorhandensein von Dämpfungsband sowohl für BC als auch für MC nur ein leichter Abfall der CoF-Größe im stationären Zustand beobachtet.Vergleich von (a) Emission;(b) Vibration (A1 und A2);(c) CoF-Trends;und (d) Stiftverschleiß mit und ohne Dämpfungsband für die BC- und MC-Proben.Abbildung 4 zeigt die verschlissenen Oberflächen eines BC-Pins ohne (Abb. 4a) und mit Dämpfungsband (Abb. 4b).In Abb. 4a ist die verschlissene Oberfläche von weißen Stahlfasern bedeckt.In ihrer Nähe befinden sich verdichtete hellgraue Inseln aus Fe-Oxiden, die sogenannten sekundären Kontaktplateaus.Die Ausdehnung der sekundären Plateaus ist ziemlich begrenzt und umgibt die Stahlfasern.Im Gegensatz dazu zeigt Abb. 4b ein stark ausgedehntes, extrem verdichtetes und glattes sekundäres Plateau.Hier ist das Vorhandensein von Stahlfasern an der Oberfläche recht gering und wird teilweise von den sekundären Kontaktplateaus bedeckt, die überwiegend aus Fe-Oxiden bestehen.Typische Beispiele für verschlissene Stiftoberflächen (a) Ohne Dämpfungsband;und (b) mit Dämpfungsband in den BC-Proben.Um die Ausdehnung der sekundären Plateaus, die sich mit und ohne Dämpfungsband auf verschlissenen Stiftoberflächen ablagern, besser zu verstehen, wurde eine grundlegende Schätzung der Flächenabdeckung der sekundären Plateaus unter Verwendung der Open-Source-Software ImageJ durchgeführt.Abbildung 5 zeigt die sekundäre Plateauabdeckung für BC und MC mit und ohne Dämpfungsband.In beiden Fällen (BC und MC) wird beobachtet, dass die Flächenabdeckung der sekundären Plateaus mit dem Vorhandensein des Dämpfungsbands signifikant zunimmt.Der höchste Anstieg wird bei den BC-Proben beobachtet.Dennoch haben die BC- und MC-Proben mit Dämpfung eine ähnliche Abdeckung (71 bzw. 73 %).Vergleich der Schätzung der sekundären Plateauflächenabdeckung ohne und mit Dämpfungsband für die BC- und MC-Proben.Wie aus Fig. 4a ersichtlich ist, weist der BC eine beträchtliche Anwesenheit von Stahlfasern auf der verschlissenen Stiftoberfläche auf.Maatta et al.20 haben erklärt, dass die Fe-Fe-Wechselwirkung (in diesem Fall Stahlfasern – gusseiserne Scheibengegenfläche) zu einer starken Haftung führt, was zu einem vergleichsweise höheren CoF und reibungsinduzierten Vibrationen führt17.Im Wesentlichen wird aus der Fe-Fe-Haftung und der Relativbewegung zwischen Stift und Scheibe die Schwingung des Stifthalters beobachtet (Abb. 3b).Die Stifthaltervibration erzeugt eine kontinuierliche Störung zwischen der Stift-Scheiben-Grenzfläche, was zu der routinemäßigen Störung der sekundären Kontaktplateaus führt, die in Abb. 4a dargestellt ist, wobei die begrenzte Ausdehnung der sekundären Kontaktplateaus beobachtet werden kann.Zahlreiche Studien13,14,15 haben gezeigt, dass die vorherrschenden PM-Bestandteile abgelöste sekundäre Plateaus sind.Mit der hohen Entfernung der sekundären Plateaus in den BC-Proben wurde eine natürlich hohe Emissionsstärke von feinen Partikeln (Abb. 3a) beobachtet.Darüber hinaus schützen die sekundären Kontaktplateaus den Stift auch vor hohem Verschleiß.In ihrer Abwesenheit beobachtete der BC einen erhöhten Stiftverschleiß (Abb. 3d).Das MC hat von Natur aus einen geringen Stahlfasergehalt (5 %, Tabelle 1), und das Fe-Pulver (5 %, Tabelle 1) ist in der Masse dispergiert, was die Adhäsion und die anschließende harte Wirkung der Scherwirkung auf das System verringert, was dazu führt um CoF und Vibrationen zu senken (Abb. 3b,c).Die reduzierten Vibrationen führten im Vergleich zu den BC-Proben auch zu geringeren Emissionen (Abb. 3a) und Bolzenverschleiß (Abb. 3d).Das Vorhandensein eines dünnen Gummibandes leitete die mit der erzeugten Vibration verbundene Energie effektiv ab21.Dies zeigt die Reduktion der RMS-Messungen in Abb. 3b für beide Zusammensetzungen.Mit der Reduzierung der Stifthaltervibration war die Situation ideal für die Bildung und Aufrechterhaltung von glatten, kompaktierten und ausgedehnten sekundären Kontaktplateaus, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt.4b und 5. Mit dem Vorhandensein eines hochwertigen sekundären Plateaus (wie durch die vergleichsweise hohe Ausdehnung in Abb. 5 gezeigt), beobachteten sowohl BC als auch MC signifikant geringere Emissionen und Stiftabnutzung (Abb. 3b, d).In früheren Studien22,23 wurde gezeigt, dass der CoF eines Systems von den Bestandteilen der wechselwirkenden Oberflächen abhängt.Das Dämpfungsband und die anschließende Bildung eines stark ausgedehnten und dicken sekundären Kontaktplateaus vermieden die Fe-Fe-Wechselwirkung, was zu einem etwas niedrigeren CoF führte (Abb. 3c).An dieser Stelle ist eine interessante Beobachtung die ähnliche durchschnittliche Partikelkonzentration (Abb. 3a), Vibrationen (Abb. 3b) und sekundäre Plateauausdehnung (Abb. 5) für BC und MC mit dem Dämpfungsband.Daraus folgt, dass unabhängig von der Zusammensetzung bei effektiver Dämpfung jede Art von Formulierung niedrige PM-Emissionen erreichen könnte.Die Zukunft dieser Studie wird sich auf die Bewertung von kommerziellen Reibmaterialformulierungen für Automobilbremsanwendungen konzentrieren.Es wurden zwei Arten von hausintern formulierten Reibmaterialzusammensetzungen bewertet.Diese Zusammensetzungen bestanden nur aus wesentlichen Bestandteilen und wurden zur Bewertung der Eigenschaften von Additiven (wie neu entwickelte Schleifmittel, Schmiermittel oder Füllstoffe) verwendet.Die Zusammensetzungen wurden als "Grundzusammensetzung" (BC) und "modifizierte Zusammensetzung" (MC) bezeichnet, und die Bestandteile sind in Tabelle 1 angegeben.Die zwei Formulierungen (BC und MC) wurden in Form von Stiften getestet.Die Stifte wurden durch ein vordefiniertes Produktionsverfahren erhalten24,25.Alle Bestandteile in Tabelle 1 wurden sorgfältig abgewogen und mit Ausnahme der Stahlwolle 20 Minuten lang kontinuierlich in einem TURBULA®-Mischer gemischt.Nach dem anfänglichen Mischen wurde dann die Stahlwolle zu der Mischung gegeben und weitere 10 min lang gemischt.Der zusätzliche Schritt der getrennten Stahlwollezugabe und des anschließenden Mischens wurde eingebaut, da er jegliches Verklumpen und Agglomerieren von Stahlwolle vermeiden würde, das bei längerer Mischdauer auftritt.Die gut gemischten Pulver wurden dem Heißpressverfahren unterzogen, um Stifte zu erhalten.Die erforderliche Pulvermenge wurde entnommen und in eine zylindrische Form aus Werkzeugstahl einer Heißpressvorrichtung (BUEHLER®-Heißeinbettpresse) bei einem Druck von 100 MPa, einer Temperatur von 150 °C und einer Haltezeit von 10 min klopfgepresst.Abschließend wurde der hergestellte Grünkörper einem Nachhärtungsprozess bei 200 °C für 4 h unterzogen.Alle Stiftzusammensetzungen hatten eine durchschnittliche Höhe und einen Durchmesser von 10 mm.Die von 10 Stiften erhaltene durchschnittliche Dichte war: BC: 2,75 g/cm³ und MC: 2,50 g/cm³.Die Stifte wurden mit einer Gegenlauffläche aus perlitischem Grauguss in Form von Scheiben (Durchmesser: 60 mm; Dicke: 6 mm) gepaart.Die Trockengleitversuche und die dazugehörigen Emissions- und Schwingungsanalysen wurden an einem Pin-on-a-Disc (PoD) Tribometer durchgeführt.Abbildung 6 zeigt den experimentellen Aufbau der Analyse.Abbildung 6a zeigt die PoD-Ausrüstung, wobei Abbildung 6b die Platzierung der Scherbeschleunigungssensoren auf dem Stifthalterarm an zwei verschiedenen Stellen mit der Bezeichnung A1 und A2 zeigt.Die nominelle Empfindlichkeit von A1 und A2 betrug 9,89 bzw. 9,77 mVm/s2.Der Reibungskoeffizient wurde direkt von der mit der PoD-Ausrüstung verbundenen Software erhalten.Die Scherbeschleunigungsmesser wurden an ein DEWESoft-SIRIUSm-Datenerfassungssystem angeschlossen, wie in Abb. 6c gezeigt.Das Datenerfassungssystem zeichnete hauptsächlich RMS der Beschleunigung mit einer Abtastrate von 20.000 Abtastungen/s auf.Abbildung 6c zeigt auch die Schemata für die Einrichtung der Partikelsammlungsbefestigung.Die Luft aus dem Labor (A) wird mit einem Ventilator (B) angesaugt, der in einem High-Efficiency Particulate Air (HEPA)-Filter (C) zirkuliert, um Staubpartikel und Verunreinigungen zu entfernen, wodurch gereinigte Luft entsteht ( Partikelkonzentration, die unter 10 #/cm3 gehalten wird) in die PoD-Kammer (D) eingeführt wird.Die Luftgeschwindigkeit wurde bei 11,5 m/s13 gehalten.Um die Partikelkonzentration zu erhalten, wurde ein optisches Partikelgrößenspektrometer (OPS, Modell 3330) von TSI® (TSI Incorporated, Shoreview, USA) mit dem PoD-Tribometer an Standort F in Fig. 6c verbunden.Das OPS misst typischerweise die Partikelkonzentration im Größenbereich von 0,3 bis 10 μm, aufgeteilt in 16 Kanäle und mit einer Abtastfrequenz von 1 Hz.Das OPS arbeitet mit einem selbstgesteuerten Probenahmedurchfluss von 1 l/min.Wie der CoF wurde die Partikelkonzentration direkt von der mit dem OPS verbundenen Software erhalten.Der spezifische Verschleißkoeffizient (Stiftverschleiß) wurde durch Wiegen der Stifte vor und nach jedem Versuch berechnet und aus der Gleichung berechnet:wobei: V: Verschleißvolumenverlust;F: angelegte Last;d: Gleitstrecke (~ 8150 m).(a) PoD-Tribometer;(b) Positionen des Scherbeschleunigungsmessers;(c) Aufbau des Prüfgeräts (A) Umgebungsluft, (B) Lüfter, (C) HEPA-Filter, (D) Luft, die in die Kammer eingeführt wird, (E) Scheibe/Gegenfläche, (F) Luftauslass zum OPS, (G ) Gewichte, (H) & (I) Scherbeschleunigungsmesser, die am Stifthalter befestigt sind;(d) Ein typisches Beispiel für Stifte mit und ohne Gummiband.Die Versuche wurden bei einem Anpressdruck von 1 MPa (79 N), einer Gleitstrecke von 1,51 m/s (bei einer Verschleißspur von 48 mm entsprach 600 U/min), einer Prüfdauer von 90 min und einer Prüfbedingung bei Raumtemperatur durchgeführt (23–25 °C).Vor Beginn jeglicher Tests wurden alle Kombinationen von Stiften und Scheiben einem 30-minütigen "Einlauf"-Verfahren (unter den oben erwähnten Testbedingungen) unterzogen, um eine Übereinstimmung zwischen den zusammenpassenden Oberflächen der Stifte und der Scheiben zu erreichen.Die Luftfeuchtigkeit des Labors wurde nicht kontrolliert, aber regelmäßig überwacht und variierte im Bereich von 40–45 %.Um den Einfluss von Feuchtigkeitsschwankungen zu reduzieren, wurden alle Versuche und entsprechenden Wiederholungen innerhalb von 10 Tagen durchgeführt.Für jede Zusammensetzung wurden vier Versuche bei unterschiedlichen Testbedingungen (mit und ohne Dämpfung) durchgeführt.Ein Beispiel für Stifte mit und ohne Gummiband ist in Fig. 6d gezeigt.Die verschlissenen Oberflächen der Stifte wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, Fabrikat: JEOL IT300) bewertet.Eine grundlegende Schätzung des Bereichs der sekundären Plateauabdeckung auf den verschlissenen Stiftoberflächen von BC- und MC-Proben mit und ohne Dämpfung wurde mit der Open-Source-Software ImageJ ausgewertet.Die Bewertung wurde an zehn verschiedenen Stellen von mehreren Proben bei 50-facher Vergrößerung durchgeführt.Die während der Studie generierten und/oder analysierten Daten sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.Wei, L., Choy, YS, Cheung, CS & Jin, D. 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Eine neuartige Studie zur Reduzierung von Partikelemissionen, die keine Abgase sind, durch Systemvibrationskontrolle.Sci Rep. 12, 7478 (2022).https://doi.org/10.1038/s41598-022-11703-wDOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11703-wJeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItDurch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich mit unseren Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einverstanden.Wenn Sie etwas missbräuchlich finden oder unseren Bedingungen oder Richtlinien nicht entsprechen, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.Wissenschaftliche Berichte (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (online)Melden Sie sich für den Nature Briefing-Newsletter an – was in der Wissenschaft wichtig ist, täglich kostenlos in Ihrem Posteingang.