Berechnung transienter Dichtungsreibung in pneumatischen Komponenten

  Schnittdarstellung eines Pneumatikventils

In pneumatischen Komponenten hat die hochgradig nichtlineare Dichtungsreibung einen signifikanten Einfluss auf die Systemdynamik. Bisher ist die einzige Möglichkeit zur genauen Systemauslegung, eine mit hohem Aufwand verbundene experimentelle Bestimmung von Kennfeldern aller relevanten Betriebspunkte. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines validierten Simulationsmodells, das die Dichtungsreibung in pneumatischen Komponenten auf Basis der Geometrie-, Schmierstoff- und Materialparameter korrekt vorhersagt.

 
Nutzen Vorgehen

Simulationsgestützte Vorhersage pneumatischer Dichtungsreibung

Kooperation mit dem Institut für Maschinenelemente (IMA) Stuttgart
Genauere Systemauslegung Physikalisch motiviertes Simulationsmodell
Reduktion der Entwicklungszeit Vorhersage auf Basis von Geometrie-, Schmierstoff- und Materialparametern
Vermeidung unerwünschter Betriebszustände Generierung von Kennfeldern zur Kopplung mit 1-D Simulationsumgebungen

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Transiente Dichtungsreibung in pneumatischen Komponenten

Dichtungsreibung tritt in einer Vielzahl fluidtechnischer Komponenten auf. Während etwa der Zylinderreibung in der Hydraulik oft nur geringe Bedeutung beigemessen wird, haben Reibkräfte in der Pneumatik, aufgrund der deutlich geringeren Drücke, einen signifikanten Einfluss auf das Systemverhalten.

Dichtungsreibung ist hochgradig nichtlinear. Ein gemessener Reibkraftverlauf als Funktion der Geschwindigkeit ist in der untenstehenden Abbildung exemplarisch für einen Zylinder gezeigt. Die Reibung ist nicht nur abhängig von der Geschwindigkeit (Stribeck-Effekt) und vom anliegenden Druck p sondern auch von der Bewegungsrichtung und der aktuellen Beschleunigung. Zudem hat die Temperatur einen erheblichen Einfluss auf die Reibkraft, sowohl durch ihren Einfluss auf die Viskosität des Schmierstoffs als auch aufgrund der temperaturabhängigen Materialeigenschaften des Dichtungswerkstoffs. Weiterhin hat auch die Stillstandszeit eines pneumatischen Systems erheblichen Einfluss auf die Reibkraft. Das beschriebene Reibungsverhalten kann bisher nur unzureichend durch Simulationsmodelle abgebildet werden, was insbesondere für das transiente Verhalten gilt.

  Diagramm der Dichtungsreibung eines Pneumatikzylinders über der Zylindergeschwindigkeit Dichtungsreibung in einem Zylinder, Messwerte

In Kooperation mit dem Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart soll in diesem Forschungsprojekt ein validiertes Simulationsmodell transienter Dichtungsreibung entwickelt werden, das die Dichtungsreibung in pneumatischen Komponenten auf Basis der Geometrie-, Schmierstoff- und Materialeigenschaften korrekt vorhersagt. Zur Validierung des Modells wird am IMA die Dichtungsreibung eines Ventilschiebers vermessen und mit den berechneten Reibkräften verglichen.

 

Dynamische Dichtungssimulation am ifas (ifas-DDS)

Im Rahmen eines Reinhard-Koselleck-Projekts der DFG wurde in den vergangenen Jahren am ifas, in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, ein physikalisch motiviertes Modell zur Beschreibung des transienten Verhaltens translatorischer Hydraulikdichtungen entwickelt.

Als Eingangsgrößen werden lediglich physikalische Parameter benötigt, die entweder bekannt sind oder durch genormte Versuche ermittelt werden können. Dazu zählen etwa die Materialdaten des Dichtwerkstoffs, die Dichte und Viskosität des Fluids, Systemdrücke und Temperaturen oder die Struktur der Oberfläche des Gegenkörpers.

Basis der Simulation ist ein Finite-Elemente (FE)-Modell in der Software ABAQUS. Dieses Modell wurde mittels sogenannter User-Subroutinen um eine detaillierte Beschreibung des Festkörperkontakts und des Fluidfilms erweitert. Das Simulationsmodell verwendet dabei dazu die folgenden Theorien und Gleichungen:

  • Transiente Reynoldsgleichung zur Modellierung des Fluids
  • Flussfaktoren nach Patir und Cheng zur Beschreibung der Einflüsse der Oberflächentopographie
  • Modell zur Kontaktmechanik und Gummireibung nach Persson

Das Modell wurde bereits für die Reibung und den Verschleiß translatorischer Hydraulikdichtungen erfolgreich validiert. Ziel des aktuellen Projekts ist es, das bestehende Simulationsmodell zu erweitern, sodass auch die transiente Reibkraft translatorischer Pneumatikdichtungen korrekt berechnet wird. Zur Validierung des Modells wird von den Projektpartnern am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart ein Prüfstand entwickelt.

  Struktur der dynamischen Dichtungssimulation des ifas (ifas-DDS) Struktur der dynamischen Dichtungssimulation des ifas (ifas-DDS)

 
 

Modellierung pneumatischer Dichtungsreibung

Dichtung passiert eine Gegenfläche mit Durchmessersprung

Diskontinuierliche Gegenfläche

Anders als etwa bei Zylinderstangen ist die Gegenfläche in üblichen Pneumatikventilen nicht kontinuierlich, sondern weist Durchmessersprünge auf, die von der Dichtung überfahren werden und sich deutlich auf die Reibkraft auswirken. Der Einfluss dieser Durchmessersprünge muss daher im Simulationsmodell berücksichtigt werden.

 

Nichtnewtonscher Schmierstoff

Während Hydrauliköle für viele Betriebszustände in guter Näherung als newtonsche Fluide angenommen werden können, zeigen die in der Pneumatik zur Schmierung der Kontakte eingesetzten Schnmierfette hochgradig nichtnewtonsches Verhalten. Dieses wird im Rahmen des Projekts zunächst vermessen, charakterisiert und anschließend in das Simulationsmodell implementiert.

 
Mangelschmierung zwischen Dichtung und Gegenfläche

Mangelschmierung

Anders als Ventile in der Hydraulik werden pneumatische Ventile im Betrieb nicht kontinuierlich mit neuem Schmierstoff versorgt. Daher kann es lokal zu einer Unterversorgung mit Schmierstoff kommen. Die theoretische Schmierfilmhöhe kann hier nicht erreicht werden, sodass der Anteil an Festkörperreibung steigt, was sich auf die resultierende Reibkraft auswirkt. Dies ist im Modell zu berücksichtigen um auch diesen kritischen Systemzustand abbilden zu können.

 

Validierung und Kennfelderstellung

Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird von den Projektpartnern am IMA ein Prüfstand zur Vermessung von Dichtungsreibung in Pneumatikventilen entwickelt. Bei der Durchführung der Validierung werden ein exemplarischer Dichtkontakt und ein Referenzventil auf dem Prüfstand vermessen und mithilfe des im Laufe des Projekts erstellten Simulationsmodells berechnet.

Im Anschluss an die Validierung werden mittels der validierten Simulation Kennfelder für diverse Betriebszustände generiert, die direkt zur korrekten Abbildung der dynamischen Reibkraft in 1D-Systemsimulationen eingesetzt werden können.

  Projektablauf Projektablauf: Von der Physik des Dichtungskontakts zur Einbindung der Reibkraft in 1D-Systemsimulationen
 
 

Danksagung

Das Projekt wird vom Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. - Forschungsfonds Fluidtechnik des VDMA gefördert. Das ifas bedankt sich herzlich bei allen Projektteilnehmern.