Breakaway Force Reduction in Pneumatic Cylinders utilizing Ultrasound
Applied Mechanics, Statics and Dynamics
Final Report Abstract
In dem Projekt wurde die Ultraschallbeeinflussung der Kontakt- und Reibungsvorgänge in Elastomer- Metall-Kontakt untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden direkt auf die in der Praxis wichtige Anwendung bei Pneumatikaktoren übertragen. Hier war es das Ziel, die Losbrechkräfte, die das Einsatzfeld von Pneumatikaktoren einschränken, deutlich zu reduzieren bzw. ganz zu eliminieren. Im Vorfeld des Projektes war bekannt, das Ultraschall im Metall-Metall-Kontakt eine signifikante Reduktion der mittleren Reibkräfte bewirken kann. Die große Frage war, ob die Ultraschalleinwirkung auch in Metall-Elastomere-Kontakte zu einer signifikanten Reduktion der gemittelten Reibungskräfte führen würde. Besonders wichtig erschien es, dabei zu untersuchen, inwieweit die großen Steifigkeitsunterschiede der Kontaktpartner die Reduktion der mittleren Reibkräfte beeinflussen. Hier konnte gezeigt werden, dass bei größeren Steifigkeitsunterschieden deutlich größere Ultraschallamplituden notwendig sind, um eine Verringerung der mittleren Kräfte zu erreichen. Für vergleichsweise steife Dichtungsmaterialien, wie PTFE, konnten deutliche Reduzierungen der mittleren Reibkraft und vor allem der Losbrechkraft nachgewiesen werden. Eine weitere wichtige Frage, die untersucht wurde, war der Einfluss der Ultraschallfrequenz. Hier zeigen die Ergebnisse, dass eine Zunahme der Frequenz (bei konstanter Auslenkungsamplitude) zu einer geringeren Reduktion der Reibkräfte führt. Dies ist insofern ein bemerkenswertes Ergebnis, da in Metall-Metall-Kontakt die Reduktion im Wesentlichen nur von der Geschwindigkeitsamplitude der Ultraschallschwingung abhängt. Anschaulich gesprochen, kommt aufgrund der hohen Nachgiebigkeit des elastomeren Kontaktpartners nur ein Teil der Amplitude im Kontaktbereich an. Daus folgt, dass für die Anwendung im Pneumatikzylinder eher niedrige Ultraschallfrequenzen in Frage kommen. Das hat jedoch einen klaren Nachteil: die Baugröße der Ultraschallkomponenten ist entsprechend größer, denn die Wellenlänge der Ultraschallschwingungen sind umgekehrt proportional zur Betriebsfrequenz. Aufgrund der Ultraschallschwingungen, die der makroskopischen Gleitbewegung überlagert sind, ergibt sich ein insgesamt höherer Gleitweg. Deshalb wurden auch Verschleißuntersuchungen durchgeführt. Dabei zeigte sich ein signifikanter Einfluss der Ultraschallschwingungen so dass dem positiven Effekt der Reibungsreduktion ein damit verbundener höhere Verschleiß entgegensteht. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Reduktion der mittleren Reibungskräfte durch Ultraschall auch bei Metall-Elastomer-Kontakten sehr gut möglich ist. Allerdings kommt es doch zu einem hohen Verschleiß, so dass eine technische Anwendung nur in den Fällen sinnvoll erscheint, in denen ein seltenes Verschieben der Elastomerbauteile auf oder in Metallbauteilen erfolgt. Insbesondere die form- und kraftschlüssige Montage erscheint deshalb als vielversprechendes Anwendungsfeld, da durch den Ultraschall auf Schmierstoffe, die man später nicht mehr in der Verbindung haben möchte, verzichtet werden kann und die Einwirkzeit des Ultraschalls daher sehr kurz ist.
Publications
- Ultrasonic friction reduction in elastomer ‐ metal contacts utilized for pneumatic actuators ‐ process, system design, and control. In ULTRA- SONICS, 2nd international conference on ultrasonic-based applications: from analysis to synthesis, Caparica, Portugal, 6 - 8 June, 2016; pp 225-226
Pham, T.M.; Twiefel, J.
