Transient effects on hydraulic seals
Mechanics
Final Report Abstract
In diesem Projekt ist eine Simulationsumgebung entstanden, die erfolgreich das dynamische Verhalten von Dichtungsdeformation, Kontakt- und Fluiddrücken für instationäre Prozesse bestimmen kann. Hierbei werden viskoelastische Werkstoffkennwerte, Geometriedaten und Randbedingungender Kontaktpartner, Werkstoffkennwerte des Fluids, sowie Parameter zur Beschreibung der Kontaktoberflächen vorgegeben, insbesondere Rauheiten und am Rheometer bestimmte Schlupflängen. Es konnte gezeigt werden, dass Freiheitsgradreduktion für viskoelastische Materialmodelle möglich ist und ein sehr großes Einsparpotenzial bzgl. der Größe der zu lösenden Gleichungssysteme und damit einhergehend der Rechenzeit erzielt werden kann. Die angewendeten Methoden sind auf beliebige viskoelastische Materialmodelle und Bauteilgeometrien übertragbar und ermöglichen so eine effizientere Berechnung eines geschmierten Dichtkontakts. Die effiziente Strukturmodellierung wurde mit einer instationären Fluidmodellierung gekoppelt (transiente Reynoldsgleichung) unter Berücksichtigung der Oberflächenrauheiten (Flussfaktoren nach PATIR und CHENG) und des Wandschlupfes des Fluids an den Reibpartnern. Zur Untersuchung des Einflusses von Rauheit, Benetzbarkeit und Wandschlupf untereinander wurde eine Variation von oberflächenbehandelten Stahlscheiben (Rauheitsvariation, Plasmaaktivierung, DLC-Beschichtung) mit Hilfe eines Scheibe-Scheibe-Rheometers untersucht, wobei festgestellt wurde, dass Rauheit, Benetzbarkeit und Schlupf unbeschichtet in einem Zusammenhang stehen, eine Beschichtung diese Effekte jedoch überdeckt. Es konnte gezeigt werden, dass auch im instationären Fall Oberflächenrauheiten ebenso wie Oberflächenbeschichtungen das Schlupfverhalten und damit Scherspannung und Fluiddruckaufbau im Dichtkontakt beeinflussen. Im untersuchten Reibkontakt (Thermoplastisches Urethan (TPU), Stahl, Silikonöl) treten überraschend hohe Schlupflängen auf, so dass sich selbst beim Instroke nur ein verhältnismäßig kleiner Fluiddruck aufbaut. Mess- und Simulationsergebnisse zu quasi-stationären Manövern und zu sprunghaften Anfahrvorgängen am realen, geschmierten Dichtkontakt liefern qualitativ sehr ähnliche, quantitativ leicht voneinander abweichende Reibkraftverläufe. Hauptursache hierfür sind einige Größen, die sich experimentell nur integral oder indirekt bestimmen lassen, wie die Schlupflängen an den beteiligten Kontaktpartnern oder auch reale Kontaktdruckverläufe unter Berücksichtigung von z.B. Toleranzabweichungen. Darüber hinaus ist ein Abschätzen bzw. Messen der real im Mischkontakt vorliegenden Reibcharakteristik notwendig. Insgesamt sind uns bisher nur wenige Arbeiten bekannt, in denen Simulationsergebnisse für instationäre geschmierte Kontakte realen Messungen gegenübergestellt werden. Diese Lücke konnte durch dieses Projekt etwas erhellt werden. Interessant wäre z.B. die zusätzliche Kopplung der FSI mit Methoden der Uncertainty Quantification um eine noch bessere Übereinstimmung zwischen den (z.T. stark streuenden) tribologischen Messungen und Rechnungen zu erzielen.
Publications
- Dynamic behavior of a fractional viscoelastic seal with solid contact, 74 th Annual Meeting and Exhibition (STLE 2019), Nashville, Tennessee, May 19th-23rd
Leenders, A., Wangenheim, M.
- Simulation dynamischer Kontakte mittels linearem Komplementaritätsproblem und fraktionaler Viskoelastizität, Diss., Hannover, 2019
Burgwitz, M.
- Dynamic behavior of fractional viscoelastic tread blocks on different surfaces. Tire Science and Technology, 2020
Leenders, A, Burgwitz, M, and Wangenheim, M
(See online at https://doi.org/10.2346/tire.20.190001) - Modelling the Time-Dependent Behavior of Elastomers Using Fractional Viscoelastic Material Formulations, ASME International Mechanical Engineering Congress&Exposition (IMECE 2021), Paper No. 71178
Leenders, A., Zadeh, H.V., Wangenheim, M.
- Simulation of Transient Processes of a Hydraulic Seal with Elastohydrodynamic Lubrication, 76th Annual Meeting and Exhibition (STLE 2022), Orlando, Florida
Leenders, A., Wangenheim, M.
