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O+P Fluidtechnik 7-8/2022

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O+P Fluidtechnik 7-8/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED DICHTUNGEN EINLEITUNG DYNAMISCHE DICHTUNGSSIMULATION TEIL 1: MODELLIERUNG In den vergangenen fünf Jahren wurde in Zusammenarbeit zwischen dem ifas in Aachen und dem Peter Grünberg Institut (PGI) eine physikalisch motivierte Methodik entwickelt, die aktuelle kontaktmechanische Theorien mit einer effizienten Simulationsmethodik kombiniert, um Reibung und Verschleiß translatorischer Hydraulikdichtungen vorherzusagen. Im ersten Teil des Beitrags werden die theoretischen Grundlagen sowie der Aufbau des Modells vorgestellt. Dichtsysteme sind ein unverzichtbarer Bestandteil aller fluidtechnischen Systeme, da sie Volumina trennen und so den funktionsrelevanten Druckaufbau ermöglichen. Ein Versagen einer einzelnen Dichtung kann nicht nur zu Kontamination durch Leckage führen, sondern auch zu unkontrollierten Maschinenbewegungen, welche eine Gefahr für Leib und Leben bedeuten können. Zudem führt der Einsatz berührender Dichtungen zu unerwünschter Reibung, die nicht nur Verluste verursacht, sondern auch die Regelung der Komponente erschwert. Bisher waren die meisten Berechnungs- und Simulationsmethoden hauptsächlich empirisch basiert, was umfangreiche Vorversuche zur Beschreibung jedes Betriebspunkts nötig macht. Zudem ist die Übertragbarkeit des Wissens auf weitere Dichtsysteme schwierig, da den aufgestellten Korrelationen oftmals keine physikalischen Modelle, sondern auf Einzelfällen basierende Beobachtungen zugrunde liegen. Dieser Beitrag stellt eine physikalisch motivierte Simulationsmethodik vor, die weitestgehend auf empirische Korrelationen verzichtet und stattdessen auf Basis a priori bestimmter Material-, Geometrie- und Oberflächendaten Reibung und Verschleiß translatorischer Hydraulikdichtungen berechnet. Die bestehende Simulationsmethodik wurde im von der DFG finanzierten Reinhart Koselleck-Projekt „Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen“ (GZ: MU 1225/36-1 | PE 807/8-1) entwickelt. Diese Publikation liefert eine Zusammenfassung über das Vorgehen bei der Modellierung sowie die experimentelle Validierung. Die Ergebnisse und Methoden wurden im Wesentlichen bereits in den Veröffentlichungen /Ang16/, /Ang17/, /Ang19a/, /Ang19b/, /Sca17/ sowie der im Verlauf des Projekts entstandenen Dissertation /Ang20/ vorge- 30 O+P Fluidtechnik 2022/07-08 www.oup-fluidtechnik.de

DICHTUNGEN stellt und werden hier im Gesamtkontext des Projekts diskutiert und aufgearbeitet. 01 Aufbau des Simulationsmodells ifas-DDS STAND DER TECHNIK Die Forschung beschäftigt sich seit Mitte des letzten Jahrhunderts mit dem tribologischen Verhalten translatorischer Dichtungen. Ziel der meisten Untersuchungen sind die Minimierung von Leckage, Verschleiß und Reibung. Auch heute noch kommt experimentellen Untersuchungen dabei ein hoher Stellenwert zu. Dazu wurden verschiedene Prüfstände entwickelt, anhand derer z.B. das Reibverhalten untersucht wurde /Mül62/, /Mes85/, /Ols72/, /Tam07/. Die Messungen wurden meist vereinfachend für quasistationäre Zustände durchgeführt. Dies bietet den Vorteil, Deformation Finite-Elemente- Analyse Festkörper Kontaktmechanik einzelne Effekte gezielter untersuchen zu können, da transiente Effekte, wie das Anfahren und Abbremsen, vernachlässigt werden können. Neben experimentellen Untersuchungen haben sich in den letzten Jahren Simulationen als Werkzeug zur Untersuchung translatorischer Dichtungen etabliert, um den gestiegenen Anforderungen an erhöhte Dichtwirkung und verkürzte Entwicklungszeit gerecht werden zu können. Ein solches Simulationsmodell muss das mechanische Verhalten des verwendeten Dichtungswerkstoffs, die Kontaktmechanik und das Fluidverhalten abbilden. Für das Materialverhalten des Dichtungswerkstoffs ist die vereinfachte Annahme linearelastischen Materialverhaltens in der Regel nicht ausreichend. Vielmehr muss die Abhängigkeit des komplexen Elastizitätsmoduls von der Belastungsfrequenz, die für viele Elastomere wie beispielsweise NBR, typisch ist, berücksichtigt werden. Des Weiteren ist es notwendig, die kontaktmechanischen Vorgänge sowie das Verhalten des Fluids im Dichtkontakt zu erfassen, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf das Reibverhalten haben. Zur Berechnung der Fluiddruckverteilung im Dichtspalt hat sich vor allem die Reynoldsgleichung etabliert, die die Druckverteilung in laminar durchströmten Spalten beschreibt. Zur Lösung dieser partiellen Differentialgleichung haben sich in der Praxis vor allem zwei Methoden mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen bewährt. Die indirekte Methode, auch als Inverse Hydrodynamic Lubrication (IHL) bekannt, geht von einer bekannten Fluiddruckverteilung aus und berechnet ausgehend davon die Deformation des Schmierspalts. Während sich diese Methode durch vergleichsweise geringen Rechenaufwand auszeichnet, stellt es eine Schwierigkeit dar, die Berechnung von Fluid- und Festkörperkontakt zu kombinieren. /Mül98/, /Woh13/ Bei der direkten Methode, Elastohydrodynamic Lubrication (EHL), wird die Reynoldsgleichung verwendet, um die Druckverteilung im Schmierspalt anhand der Schmierspaltgeometrie zu berechnen. Dabei können neben der Wechselwirkung von Fluid und Festkörperkontakt unterschiedliche Effekte, wie z. B. nichtnewtonsches Fluidverhalten oder Kavitation, in die Berechnung integriert werden. Da die Druckverteilung die Deformation der Kontaktpartner und damit die Schmierspaltgeometrie beeinflusst, ist es notwendig, die Berechnung von Fluiddruck und Deformation zu koppeln. Eine Möglichkeit zur Berechnung der Deformation ist ein elastisches Halbraummodell. Dieser Ansatz ist vor allem in der Grundlagenforschung zur Beschreibung einfacher Geometrien verbreitet und wurde beispielsweise von Tribologie Reibkraft Mischreibung Fluid-Struktur-Interaktion Fluid Reynoldsgleichung Scaraggi verwendet /Sca17/. Der Vorteil dieses Ansatzes ist der für die direkte Methode vergleichsweise niedrige Rechenaufwand. Allerdings ist dieser hauptsächlich für geringe Verformungen geeignet, da beispielsweise ein einseitig anliegender statischer Druck nicht berücksichtigt wird. Außerdem ist die Implementierung komplexer und realitätsnaher Dichtungsgeometrien schwierig umsetzbar. Eine Alternative zum Halbraummodell zur Beschreibung des Dichtkontakts stellt die Finite-Elemente-Methode (FEM) dar. Dazu wird die Berechnung der Druckverteilung im Spalt an die Festkörperverformung aus der FEM gekoppelt. Die Kopplung kann entweder innerhalb des FEM-Programms selbst erfolgen oder mithilfe eines externen Programms. Die Kopplung von FEM und Reynoldsgleichung wurde z. B. von Dakov /Dak/ und Thielen /Thi20/ zur Beschreibung des Dichtverhaltens von Radialwellendichtringen verwendet. Das Ziel der Untersuchung war die Beschreibung des Rückförderverhaltens und der Temperaturverteilung. Die Berechnung des Reibungs- und Verschleißverhaltens translatorischer Hydraulikdichtungen wurde von Öngün /Öng10/ und Schmidt /Sch11/ mit direkter Kopplung von Reynoldsgleichung und FEM durchgeführt. Es zeigte sich eine hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment. Die Berechnung von Festkörperreibung und Kontaktpressung basierte auf experimentell bestimmten Kennwerten. Eine Alternative zur experimentellen Bestimmung von Kennwerten zur Beschreibung der Kontaktmechanik ist die Verwendung eines Kontaktmodells. Dieses muss einerseits die Verteilung der Kontaktpressung und andererseits die Berechnung der realen Kontaktfläche korrekt vorhersagen. Die reale Kontaktfläche gibt an, welcher Anteil der Rauhigkeitsspitzen der Kontaktpartner in direktem Kontakt zueinandersteht. Dazu wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene Modelle entwickelt. Die klassischen Ansätze basieren auf der Kontaktmechanik von Hertz /Her81/, der die Spannungsverteilung und Deformation beim Kontakt sphärischer, elastischer Körper beschrieb. Die darauf aufbauenden Theorien, wie zum Beispiel Greenwood-Williamson /Gre66/ oder Bush-Gibson-Thomas /Bus75/ gehen zumeist von einer bestimmten Verteilung sphärischer Asperiten mit gleicher oder variabler Krümmung aus und vernachlässigen die elastische Interaktion der einzelnen Asperiten im Kontakt. Die Vernachlässigung der Interaktion ist jedoch bei hinreichend feiner Auflösung der Rauheit unabhängig von der vorliegenden Normalspannung nicht zulässig /Per06/. Neben diesen klassischen Ansätzen hat in den letzten Jahren das Kontaktmodell nach Persson www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2022/07-08 31

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