Abschlussbericht zum DFG-Projekt: Modellbasierte und experimentelle Grundsatzuntersuchungen zu tribologischen Kontakten mit teilgefüllten/minimalgefüllten Spalten

Abstract

Trotz intensiver Forschung über mehrere Jahrhunderte ist Reibung ein nach wie vor nur sehr unzureichend verstandenes Phänomen. In der Regel werden pragmatische Reibgesetze als integraIe Charakterisierung eines homogenisierten Kontaktes formuliert, ohne die dort auftre- tenden Phänomene und deren komplexe Wechselwirkung hinreichend zu kennen. Bei ge- schmierten Kontakten wird hierfür üblicherweise die Stribeck-Kurve verwendet, welche je nach äußerer Last, Spaltgeometrie, Relativgeschwindigkeit und eingesetztem Schmierstoff das Reibregime (von Trockenreibung über Grenzreibung, Mischreibung hin zu hydrodynamischer Reibung) identifiziert. Wenngleich diese Abhängigkeiten bei vielen praktischen Systemen gut charakterisierbar sind, war das in Bezug auf die Fluidmenge im Spalt nicht gegeben. Zwar ist es offensichtlich, dass bei Abwesenheit eines Schmierstoffs Trockenreibung und bei Überflu- tungsschmierung in der Regel Hydrodynamik vorliegt, aber der Zusammenhang zwischen Schmierstoffmenge und Reibregime war unbekannt. Dabei ist es aus ökonomischen und öko- logischen Gründen sehr wünschenswert, diejenige Menge an Schmierstoff einzusetzen, die für den sicheren, nachhaltigen und wirtschaftlichen Betrieb reibungsbeeinflusster Systeme op- timal ist. Hier setzte dieses Projekt an. Es machte sich zur Aufgabe, auf experimentellem und numerischem Weg den Einfluss der Fluidmenge auf die Reibzahl auf kontaktmechanischer Ebene zu erforschen. In der ersten Förderperiode wurden zu diesem Zweck spezifische Prüfstände und Messproze- duren entwickelt, mit denen es möglich wurde, eine definierte und reproduzierbare Spaltunter- versorgung zu applizieren. Die darauffolgenden Experimente zeigten das durchaus überra- schende Ergebnis, dass eine Minimierung der Reibzahl bei schon sehr geringen Füllgraden (Verhältnis aus Fluidvolumen zu vorhandenem Spaltvolumen) im Bereich von 10% auftraten. Parallel dazu wurden Modelle entwickelt, mit denen erfolgreich die Fluidverteilung im Spalt und die zugehörigen Druckverteilungen berechnet werden konnten. Aufbauend auf diesen Ergeb- nissen widmete sich die zweite Förderperiode der genaueren Beschreibung des Bereichs von der Trockenreibung bis zum Minimum. Dies erforderte auf experimenteller Seite die konstruk- tive Anpassung der Prüfstände und Entwicklung neuartiger Prozeduren und auf numerischer Seite die Implementierung einer neuartigen Modellbildungstechnik basierend auf der Isogeo- metrischen Analyse. Der Vergleich zwischen Messung und Simulation zeigt hinsichtlich der Reibzahlen über der Fluidmenge qualitativ und quantitativ gute Übereinstimmungen. Dies er- möglicht auch die Sichtweise, neben den üblichen Parametern der Stribeck-Kurve den Füll- grad als orthogonale Einflussgröße in die Identifikation des Reibregimes einfließen zu lassen. Die Ergebnisse konnten bereits auf verschiedene praktische Fragestellungen, wie beispiels- weise die Prozesse beim Nassschleifen, die Berechnung von Gleitlagern oder künstlichen Hüftgelenken angewendet werden. Despite intensive research over several centuries, friction is still a rather poorly understood phenomenon. Usually, pragmatic friction laws are formulated as an integraI characterization of a homogenized contact without sufficient knowledge of the phenomena and their complex interactions occurring there. For lubricated contacts, the Stribeck curve is commonly used for this purpose, which identifies the friction regime (from dry friction to boundary friction, mixed lubrication and hydrodynamic lubrication) depending on the external load, gap geometry, rela- tive speed and lubricant used. Although these dependencies can be well characterized in many practical systems, this was not the case with regard to the amount of fluid in the gap. Although it is obvious that dry friction is present in the absence of a lubricant and hydrodynamic friction is usually present in the case of flooding lubrication, the distinct relationship between the amount of lubricant and the friction regime was unknown. For economic and ecological rea- sons, it is highly beneficial to use the quantity of lubricant that is optimal for the safe, sustain- able and economical operation of friction-influenced systems. This is where this project started. It set itself the task of investigating the influence of the fluid quantity on the friction coefficient at the contact mechanical level by experimental and numerical methods. In the first funding period, specific test rigs and measuring procedures were developed for this purpose, which made it possible to apply a defined and reproducible fluid supply. The subse- quent experiments showed the rather surprising result that the friction coefficient was mini- mised at very low filling ratios (ratio of fluid volume to available gap volume) in the range of 10%. At the same time, models were developed with which the fluid distribution in the gap and the associated pressure distributions have been successfully calculated. Based on these re- sults, the second funding period was dedicated to a more precise description of the range from dry friction to the minimum friction. On the experimental side, this required the design adapta- tion of the test rigs and the development of new procedures and, on the numerical side, the implementation of a new modelling technique based on isogeometric analysis. The comparison between measurement and simulation shows good qualitative and quantitative agreement with regard to the friction coefficients over the fluid volume. This also makes it possible to include the filling ratio as an orthogonal influencing variable in the identification of the friction regime in addition to the usual parameters of the Stribeck curve. The results have already been applied to various practical issues, such as the processes in- volved in wet grinding, the calculation of plain bearings or artificial hip joints.