Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen

  Aufbau des Prüfstands und zugehöriges Simulationsmodell

Dichtungen sind ein unverzichtbarer Bestandteil in der Hydraulik. Sie verschließen Volumen und ermöglichen so den Druckaufbau und verhindern Leckage. Sowohl das Leckage-, das Reibungs- als auch das Verschleißverhalten sind hochgradig nichtlinear und aktuell nur unzureichend verstanden. Daher wird im Reinhart Koselleck-Projekt "Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen" derzeit ein theoretisches, validiertes Modell der translatorisch bewegten Dichtung unter Berücksichtigung von instationären Vorgängen erforscht.

 
Nutzen Vorgehen

Detailliertes Verständnis des dynamischen Dichtungsverhaltens

Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich

Bestimmung von Einflüssen auf den Dichtvorgang

Systematische Untersuchungen am Dichtungstribometer

Simulative Vorhersage von Reibung, Leckage und Verschleiß

Aufbau einer physikalisch motivierten EHD-Simulation

Aufzeigen von Optimierungspotentialen für Dichtungen

Validierung anhand von Messungen am Prüfstand

Kontakt

Fotografie von Herr Angerhausen

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+49 241 80 47732

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Physikalisch motivierte Simulation translatorischer Hydraulikdichtungen

Dichtungen sind ein unverzichtbarer Bestandteil in der Hydraulik. Sie verschließen Volumen und ermöglichen so den Druckaufbau und verhindern Leckage. Sowohl das Leckage-, das Reibungs- als auch das Verschleißverhalten sind hochgradig nichtlinear und aktuell nur unzureichend verstanden. Die klassische Methode zur Untersuchung des Dichtungsverhaltens ist stark experimentell gestützt. Ein tiefgreifendes Verständnis kann allerdings nur aus einer engen Verzahnung zwischen numerisch analytischen sowie experimentellen Betrachtungen gewonnen werden. Daher wird im Reinhart Koselleck-Projekt "Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen" derzeit ein theoretisches, validiertes Modell der translatorisch bewegten Dichtung unter Berücksichtigung von instationären Vorgängen erforscht.

 

Experimentelle Untersuchung dynamischer Hydraulikdichtungen

Um den Reibkontakt einer Hydraulikdichtung detailliert zu untersuchen wurde am ifas ein Tribometer entwickelt, gefertigt und in Betrieb genommen. In diesem Dichtungstribometer wird eine O-Ring Schnur auf eine rotierende Stahlscheibe gepresst (siehe Titelbild).

Durch den rotatorisch gestalteten Kontakt können, anders als bei der translatorischen Bewegung eines Hydraulikzylinders, neben Beschleunigungen auch stationäre Betriebspunkte über lange Zeitspannen betrachtet werden. Eine ausführliche Beschreibung des Prüfstands kann [1] entnommen werden.

 

EHD-Simulation des Dichtkontakts

Elemente des Simulationsmodells Elemente des Simulationsmodells

FE-Simulation in ABAQUS

Mittels einer FE-Simulation können die Dichtungsvorspannung, der Einfluss fluktuierender Fluiddrücke auf die Verformung der Dichtung und der Einfluss der Reibkraft dynamisch abgebildet werden. Dabei wird nichtlineares, viskoelastisches Materialverhalten der Dichtung berücksichtigt. Die im Folgenden beschriebene Modellbildung basiert auf dem kommerziellen Programm ABAQUS.

Transiente Reynolds-Gleichung zur Schmierfilm Berechnung

Die Berechnung des Fluidverhaltens im dynamischen Dichtspalt basiert auf der transienten Reynolds-Gleichung unter Einbeziehung der Flussfaktoren nach Patir und Cheng. Über die Subroutine User-Element (UEL) wurde das Fluid in ABAQUS implementiert Aus den aktuellen Knotenpositionen und -geschwindigkeiten wird der Druckaufbau im Schmierspalt berechnet.

Physikalisch basiertes Festkörperkontaktmodell

Die Beschreibung des Festkörperkontakts (Normalkontakt und Reibkraft) beruht auf dem am PGI entwickelten Modell. Beispielsweise kann auf Basis der gemessenen spektralen Leistungsdichte C einer Oberfläche und der bekannten Materialdaten des Elastomers ein Zusammenhang zwischen Spalthöhe h und Kontaktdruck p‘ ermittelt werden. Mit Hilfe der Subroutine User-Interaction (UINTER) erfolgt die Implementierung des physikalisch basierten Festkörperkontaktmodells.

 
 

Validierung der simulierten Reibkraft

links: simulierten Fluiddrücke und Spalthöhen; rechts: simulierte und gemessene Reibkraft links: simulierten Fluiddrücke und Spalthöhen; rechts: simulierte und gemessene Reibkraft

In nebenstehender Grafik sind links die simulierten Fluiddrücke und Spalthöhen für drei verschiedene Oberflächentopographien dargestellt. Eine orthogonal zur Bewegungsrichtung geschliffene Oberfläche führt zu einem höheren Fluiddruck, zu einer größeren Spalthöhe und, wie auch im Versuch zu beobachten, zu einer geringeren Reibkraft. Das rechte Diagramm zeigt die simulierten und gemessenen Reibkräfte für eine isotrope Oberfläche. Eine gute Übereinstimmung von Messung und Simulation wurde festgestellt. Die Einflüsse unterschiedlicher Oberflächentopographien, Normalkräfte und Relativgeschwindigkeiten wurden korrekt abgebildet.

 
 

Simulation von Verschleiß an Dichtungen

Vergleich des Verschleißprofils von simulierten und vermessenen Dichtungen Vergleich des Verschleißprofils von simulierten und vermessenen Dichtungen

Neben dem Schmierungszustand und der resultierenden Reibkraft kann mit dem dynamischen Dichtungsmodell auch der Verschleiß von Dichtungen simuliert werden. Hierzu wurde das Verschleißmodell nach Archard implementiert. In Abaqus dient die Subroutine UMESHMOTION als Schnittstelle. Das Bild zeigt einen Vergleich des Verschleißprofils von simulierten und gemessenen Proben aus dem Dichtungstribometer.

 
 

Danksagung

Diese Forschung wird im Rahmen eines Reinhart-Koselleck Projekts (MU 1225/36-1) der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) durchgeführt. Wir bedangen uns bei der DFG für die finanzielle Unterstützung.

 

Veröffentlichungen

[1] Angerhausen, et al.: Influence of anisotropic surfaces on the friction behaviour of hydraulic seals, BATH/ASME 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control, FPMC2016, 2016, Bath, UK

[2] Angerhausen, et al.: Influence of Anisotropic Surfaces on the Friction Behaviour in Hard/Soft Line Contacts, 19th International Sealing Conference, 9. ISC, 2016, Stuttgart, Germany

[3] Scaraggi, et al.: Elastohydrodynamics for Soft Solids with Surface Roughness:Transient Effects, Tribology letters, Band: 65, Springer International Publishing, 2017, DOI: 10.1007/s11249-017-0878-9

[4]Angerhausen, et al.: The Influence of Temperature and Surface Structure on the Friction of Dynamic Hydraulic Seals: Numerical and Experimental Investigations, The 10th JFPS International Symposium on Fluid Power, JFPS, 2017, Fukuoka, Japan

[5] Scaraggi, et al.: Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction : Extended theory and an application to hydraulic seals, Wear, Band 410/411, Elsevier Science, Amsterdam, 2017, DOI: 10.1016/j.wear.2018.02.023

[6] Angerhausen, et al.: Influence of transient effects on the behaviour of translational hydraulic seals, Fluid power networks : proceedings: 11th International Fluid Power Conference, 2018, Aachen, Germany