Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen

 

Dichtungen sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Hydraulik. Sie schließen Volumina ab und ermöglichen so den Druckaufbau und verhindern Leckagen. Sowohl das Leckage- als auch das Reibungs- und Verschleißverhalten sind hochgradig nichtlinear und derzeit nur unzureichend verstanden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Reinhart Koselleck-Projekts "Transientes Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen" ein theoretisch fundiertes und validiertes Modell von translatorischen Dichtungen entwickelt.

 

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

 

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- und 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 wurde im Reinhart Koselleck-Projekt "Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen" ein theoretisches, validiertes Modell der translatorisch bewegten Dichtung unter Berücksichtigung von instationären Vorgängen entwickelt.

 

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

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

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

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.

 

Projektergebnisse

In dem Projekt wurde ein physikalisch motivierter Ansatz zur Simulation des instationären Verhaltens translatorischer Hydraulikdichtungen entwickelt. Das Simulationsmodell wurde zudem mithilfe eines Tribometerprüfstands validiert. Das Modell ist imstande, die stationäre und die transiente Reibkraft auf verschiedenen Oberflächen zu berechnen und die Verschleißgeometrie auf Basis des Verschleißbetrags zu bestimmen. Im Anschlussprojekt sollen nun die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Anwendungsfelder, wie z.B. Dichtungen in pneumatischen Ventilen übertragen werden.

 

Danksagung

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

 

Veröffentlichungen

Titel	Autor(en)
Strategies for Implementing the Jakobsson-Floberg-Olsson Cavitation Model in EHL Simulations of Translational Seals Fachzeitschriftenartikel (2021)	Bauer, Niklas (Corresponding author) Rambaks, Andris Müller, Corinna Murrenhoff, Hubertus Schmitz, Katharina
Influence of transient effects on the behaviour of translational hydraulic seals Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2018)	Angerhausen, Julian Benedikt (Corresponding author) Murrenhoff, Hubertus Dorogin, Leonid Persson, Bo N. J. Scaraggi, Michele
Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction : Extended theory and an application to hydraulic seals Fachzeitschriftenartikel (2018)	Scaraggi, Michele (Corresponding author) Angerhausen, Julian Benedikt Dorogin, L. Murrenhoff, Hubertus Persson, B. N. J.
The Influence of Temperature and Surface Structure on the Friction of Dynamic Hydraulic Seals: Numerical and Experimental Investigations Beitrag zu einem Tagungsband (2017)	Angerhausen, Julian Benedikt (Corresponding author) Murrenhoff, Hubertus Dorogin, Leonid Persson, Bo N. J. Scaraggi, Michele
Elastohydrodynamics for Soft Solids with Surface Roughness:Transient Effects Fachzeitschriftenartikel (2017)	Scaraggi, Michele (Corresponding author) Dorogin, L. Angerhausen, Julian Benedikt Persson, B. N. J. Murrenhoff, Hubertus
Influence of Anisotropic Surfaces on the Friction Behaviour in Hard/Soft Line Contacts Beitrag zu einem Tagungsband (2016)	Angerhausen, Julian Benedikt (Corresponding author) Murrenhoff, Hubertus
Influence of anisotropic surfaces on the friction behaviour of hydraulic seals Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2016)	Angerhausen, Julian Benedikt (Corresponding author) Murrenhoff, Hubertus Dorogin, Leonid Scaraggi, Michele Lorenz, Boris Persson, Bo N. J.