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MU 1225/36-1

Kontext

Dichtungen sind ein unverzichtbares Maschinenelement in hydraulischen Komponenten. Sie verschließen Volumen, ermöglichen so den Druckaufbau und verhindern Leckage. Dichtungen zählen zu den günstigsten Bestandteilen einer Anlage, ihr Versagen hat aber häufig enorme Auswirkungen - bis hin zum Totalausfall des Systems. Das Leckage-, das Reibungs- und auch das Verschleißverhalten sind hochgradig nichtlinear und aktuell nur unzureichend verstanden. Die Entwicklung und Auslegung von Dichtungssystemen basiert größtenteils auf Expertenwissen, Konstruktionsrichtlinien und experimentellen Versuchen. Bisherige elastohydrodynamische Betrachtungen beschränken sich auf stationäre, nicht beschleunigte Zustände. Ein zuverlässiger dynamischer Ansatz, der die starken Wechselwirkungen zwischen einer Vielzahl relevanter Einflussgrößen berücksichtigt, existiert noch nicht.

Ziel

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll ein theoretisches und anhand von experimentellen Untersuchungen validiertes Modell der translatorisch bewegten Dichtung unter Berücksichtigung von instationären Vorgängen entwickelt werden. Das Modell soll ohne eine Einschränkung der Größenskalen von der makroskopischen Dichtung bis hin zu den mikroskopischen Oberflächenstrukturen der Gegenfläche, welche die Kontaktmechanik, Reibungsphysik sowie den Flüssigkeitstransport in der Kontaktzone maßgeblich beeinflussen, aufgebaut sein und eine physikalisch basierte Beschreibung liefern. Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich ermöglicht die Kombination ingenieurs- und naturwissenschaftlicher Methoden.

Simulation

Für eine physikalisch basierte Simulation translatorischer Hydraulikdichtungen müssen sowohl Festkörper-, als auch Fluidkontakt berücksichtigt werden (Bild 1).

Fig. 1: Struktur der elastohydrodynamischen Simulation

Zur Berechnung des Fluidfilms wird die transiente Reynolds-Gleichung angewandt. Die Berechnung des Festkörperkontakts und die Berücksichtig mikroskopischer Effekte basiert auf Persson’s Theorie der Kontaktmechanik [1], [2]. Die Kalkulationen werden direkt in eine dynamische Finite-Elemente-Analyse im kommerziellen Programm ABAQUS implementiert. Ein simulierter Fluiddruckverlauf und die korrespondierende Deformation sind exemplarisch in der folgenden Animation gezeigt.

Experimentelle Validierung

Zur experimentellen Untersuchung eines geschmierten Dichtkontakts wurde am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) ein Prüfstand entwickelt und aufgebaut [3], [4]. Eine Dichtungsprobe wird auf einen rotierenden Testzylinder gedrückt (Bild 2). Mit dem Aufbau sind sowohl dynamische, also auch quasi-stationäre Messungen möglich. Ein exemplarischer Vergleich zwischen Simulation und Messung ist in Bild 3 dargestellt.

Fig. 2: CAD Bild des Prüfstands. Eine detaillierte Ansicht der Kontaktzone und das zugehörige FE-Modell sind unten dargestellt


Fig. 3: Exemplary comparison of simulation and measurement

Danksagung

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

Literatur

[1] - Persson, B. N. J., "Theory of rubber friction and contact mechanics," The Journal of Chemical Physics, Bd. 115, Nr. 8, p. 3840, 2001.
[2] - M. Scaraggi und Persson, B. N. J., "General contact mechanics theory for randomly rough surfaces with application to rubber friction," The Journal of chemical physics, Bd. 143, Nr. 22, p. 224111, 2015.
[3] - J. Angerhausen, H. Murrenhoff, L. Dorogin, M. Scaraggi, B. Lorenz und Persson, B. N. J., "Influence of anisotropic surfaces on the friction behaviour of hydraulic seals," Proceeding of the 2016 Bath/ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control, 2016.
[4] - J. Angerhausen und H. Murrenhoff, "Influence of anisotropic surfaces on the friction behaviour in hard/soft line contacts," 19th International Sealing Conference, 2016.

Sachbearbeiter

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