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O+P Fluidtechnik 11/2016

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O+P Fluidtechnik 11/2016

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG DICHTUNGEN ADDITIVEINFLUSS AUF DAS REIBVERHALTEN VON HYDRAULISCHEN STANGENDICHTUNGEN M.Sc. Felix Fischer, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Dr.-Ing. Olivier Reinertz Aufgrund der hohen Leistungsdichte, der hohen Effizienz und des robusten Designs sind Hydraulikzylinder in technischen Anwendungen weit verbreitet. Energieverluste innerhalb des Hydraulikzylinders und Einbußen an Dynamik entstehen in erster Linie in den hart-weich Kontakten der Dichtungen. Insbesondere dynamische Effekte, wie der Stick-Slip-Effekt, erschweren Positionieraufgaben mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit und hängen stark mit dem Reibverhalten des Tribosystems (TS) zusammen. Maßnahmen zur Minderung oder gar zur Eliminierung dieser Phänomene erfordern zunächst eine Untersuchung, um ein besseres Verständnis des TS Dichtung- Kolbenstange zu erlangen. 76 O+P Fluidtechnik 11-12/2016

DICHTUNGEN Erste experimentelle Untersuchungen der Autoren haben gezeigt, dass die Additivierung des Öls einen großen Einfluss auf die Reibcharakteristik der Kolbendichtung hat, wobei der Einfluss der Viskosität von untergeordneter Bedeutung ist. Bei der Verwendung von Getriebeöl als Arbeitsfluid ist das dynamische Verhalten des Systems als deutlich gutmütiger einzustufen, als bei der Verwendung von herkömmlichen Hydrauliköl. Hier kommt dem Reibwertminderer (Friction Modifier, FM), als Bestandteil des Additivpakets in Getriebeölen, eine besondere Rolle zu. Mit Hilfe eines Prüfstands konnte nachgewiesen werden, dass die Zugabe eines modellhaften FM das Reibverhalten des TS ähnlich positiv beeinflussen kann. In diesem Beitrag wird der Effekt einer Variation des FM-Moleküls auf das Reibverhalten des TS experimentell untersucht. Ein definiertes Hydraulikfluid wird mit ausgewählten FM additiviert und die Auswirkungen auf das TS Dichtung-Kolbenstange werden experimentell ermittelt und diskutiert. Hierfür wird das System mit einem Aktor erregt und der Verlauf der Reibkraft analysiert. Weiterhin werden quasistationäre Stribeck-Kurven aufgezeichnet, mit den Ergebnissen aus den Anregungsversuchen verglichen und ein kausaler Zusammenhang aufgezeigt. EINLEITUNG Die Stärken hydraulischer Antriebssysteme liegen in ihrer hohen Kraftdichte, der exzellenten Steuer- und Regelbarkeit, der flexiblen Möglichkeiten der Leistungsübertragung durch Rohr- und Schlauchleitungen, sowie der trivialen Überlastabsicherung per Druckbegrenzungsventil [1]. Eine simple Lasthaltefunktion mittels Sitzventil stellt ebenfalls einen Vorteil gegenüber anderen Antriebsarten in Bezug auf die energetische Effizienz und die wirtschaftliche Realisierbarkeit dar. Aufgrund dieser Vorteile sind Hydraulikzylinder als Linearaktuator im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen als Standard anzusehen. In einen Hydraulikzylinder, wie etwa dem Differentialyzlinder in Bild 01, kann durch die Stangendichtung ein Druck im Kolbenstangenraum aufgebaut werden und das Arbeitsfluid zur Umgebung, gegen die Kolbenstange, abgedichtet werden. Die Kolbendichtung trennt die linke von der rechten Zylinderkammer und ermöglicht dort einen Druckaufbau. Bei Standardanwendungen in mobilen Arbeitsmaschinen sind diese Dichtungen häufig aus einem thermoplastischen Elastomer gefertigt. Hier ist insbesondere thermoplastisches Polyurethan (TPU) als Werkstoff weit verbreitet und wird daher in dieser Arbeit als Dichtungsmaterial verwendet. Aufgrund des stark zeit- und frequenzabhängigen elastoplastischen Materialverhaltens und dessen Auswirkungen auf das Reibverhalten des TS hat die Dichtung einen großen Einfluss auf das dynamische Betriebsverhalten des Hydraulikzylinders. Innerhalb bestimmter Betriebspunkte tritt der sogenannte Stick- Slip-Effekt auf. Hierbei stellt sich ein wiederkehrendes Haften und Gleiten der Kolbenstange ein, was sich in Schwingungen äußert. Je nach Anbindung des Hydraulikzylinders und angegliederter Struktur werden diese Schwingungen zunächst als störendes Geräusch wahrgenommen und senken die Anwenderakzeptanz des Systems stark. Weiterhin wird die Steuer- und Regelbarkeit in den kritischen Betriebspunkten eingeschränkt. In vorherigen Arbeiten der Autoren wurde festgestellt, dass der Stick-Slip-Effekt ebenfalls stark vom verwendeten Betriebsfluid, meistens ein Hydrauliköl, und insbesondere von der Additivierung abhängt [3]. Dieser Beitrag zeigt auf, inwiefern die Variation der funktionellen Gruppe eines Additivs die Reibkraftcharakteristik und das Auftreten des Stick-Slip-Effekts beeinflusst. REIBUNG IN GESCHMIERTEN HART-WEICH- DICHTKONTAKTEN UND SYSTEMVERHALTEN Eine mögliche Darstellungsart der Reibung von geschmierten TS ist die Stribeck-Kurve. Bild 02 zeigt eine solche Stribeck-Kurve schematisch, welche in ihrer klassischen Form den Reibkoeffizienten über dem Verhältnis vom Produkt aus Viskosität und Relativgeschwindigkeit zur Normalkraft, auch Gümbel-Hersey-Zahl genannt, darstellt [4]. Die Schmierungszustände im TS Dichtung-Kolbenstange ähneln denen in Gleitlagern und erstrecken sich, je nach Relativgeschwindigkeit, von der Grenzreibung bis hin zur Hydrodynamik (Bild 02). Gebiete, in denen das System instabil werden kann, sind insbesondere die Grenz- und Mischreibung, da hier eine fallende Reibkraftcharakteristik auftritt. Anschaulich kann in diesen Schmierungszuständen von einer „negativen Dämpfung“ gesprochen werden, also einem negativen geschwindigkeitsproportionalen Dämpfungsterm, welcher die Instabilität verursacht. In Bild 02 entspricht dies dem linken Teil der Stribeck-Kurve. Dort kann das Instabilitätsphänomen Stick-Slip auftreten. Allgemein setzt sich die Reibung in geschmierten Kontakten aus einem Festkörperreibungsanteil und einem Flüssigkeitsreibungsanteil, in Form der Scherung des newtonschen Fluids, zusammen. Der Festkörperreibungsanteil setzt sich aus einem Deformationsanteil und einem Adhäsionsanteil zusammen. Dieser Sachverhalt wird in Gleichung 1 zusammengefasst [10]. FR = FFestk. + FHyd. = FDef . + FAdh. + FHyd. Gl. 1 In Bild 03 ist ein Ausschnitt des geschmierten Kontakts zwischen hartverchromter Kolbenstange und Dichtung aus TPU abgebildet, wobei die einzelnen Reibungsanteile am Ort ihrer Entstehung ebenfalls dargestellt sind. Der Beitrag der einzelnen Anteile an der Dichtungsreibung variiert je nach Betriebsparameter und Oberflächenbeschaffenheit. Aufgrund des viskoelastischen Verhaltens der Dichtungen, hervorgerufen durch die Beiträge der Festkörperreibung (Bild 03), 01 Hydraulikzylinder [2] 02 Stribeck-Kurve (beispielhaft) und Schmierungszustände in geschmierten hart-weich-Kontakten O+P Fluidtechnik 11-12/2016 77

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