TY - THES

T1 - Simulationsbasierte Verschleißprognose einer hydrodynamischen Gleitlagerung für stationäre Reibungszustände

AU - Maier, Michael

N1 - gesperrt bis 09-11-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Ein häufig eingesetztes Maschinenelement zur Übertragung von Kräften zwischen Bauteilen sind Gleitlager. Wichtige Anforderungen bei der Auslegung eines Gleitlagers sind geringe Reibung, geringer Verschleiß und eine hohe Ausfallsicherheit. Durch die zunehmend komplexer werdenden Anwendungen einerseits und um Kosten einsparen zu können andererseits, ist die alleinige experimentbasierte Auslegung nicht mehr zeitgemäß. Für die experimentelle Auslegung sind umfangreiche Versuchsreihen notwendig, welche kosten- und zeitintensiv sind. Die numerische Auslegung kann in Zukunft den Auslegungsprozess maßgebend beschleunigen sowie die Kosten reduzieren. In der Vergangenheit wurden diverse Ansätze zur Verschleißberechnung erarbeitet. Allerdings stellt die Nichtlinearität des Verschleißfortschrittes eine besondere Herausforderung dar. Viel Potential bietet die Kombination eines virtuellen Simulationsmodells mit einem hochwertigen physikalischen Experiment. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Berechnung des Verschleißes am Beispiel eines hydrodynamischen Gleitlagers erstellt. Das Modell basiert auf dem Verschleißmodell nach Archard und berücksichtigt dabei die Nichtlinearität des Verschleißes. Dies soll mit einem zeitabhängigen Kontaktmodell und der Anpassung der Lagergeometrie, welche durch den fortschreitenden Lagerverschleiß verursacht wird, realisiert werden. Das Simulationsmodell beinhaltet die Festkörpermechanik zur Beschreibung des elastischen Verhaltens der Bauteile sowie die Makro- und Mikrohydrodynamik, um den Druckaufbau im Schmierspalt zu berechnen. Zur Bestimmung der notwendigen Parameter für das Simulationsmodell und Validierung der Simulationsergebnisse werden physikalische Versuche an einem Rotationstribometer durchgeführt. Durch die Messung des gravimetrischen Verschleißes kann, gekoppelt mit der Simulation, der für das tribologische System spezifische Verschleißkoeffizient C bestimmt werden. Validierungsversuche am Prüfstand werden mit Hilfe der erarbeiteten Methodik nachsimuliert. Gute Übereinstimmungen zwischen experimentell und virtuell bestimmter Verschleißwerte konnten erzielt werden. Erst mit Hilfe des Verschleißkoeffizienten C und des zeitlich lokal aufgelösten Kontaktdruckes kann Verschleiß für komplexere Anwendungen wie Gleitlagerungen lokal und zeitlich detailliert berechnet werden. Es zeigte sich, dass die lokale Geometrieanpassung und der Einfluss des Kontaktmodells eine besondere Rolle spielen.

AB - Ein häufig eingesetztes Maschinenelement zur Übertragung von Kräften zwischen Bauteilen sind Gleitlager. Wichtige Anforderungen bei der Auslegung eines Gleitlagers sind geringe Reibung, geringer Verschleiß und eine hohe Ausfallsicherheit. Durch die zunehmend komplexer werdenden Anwendungen einerseits und um Kosten einsparen zu können andererseits, ist die alleinige experimentbasierte Auslegung nicht mehr zeitgemäß. Für die experimentelle Auslegung sind umfangreiche Versuchsreihen notwendig, welche kosten- und zeitintensiv sind. Die numerische Auslegung kann in Zukunft den Auslegungsprozess maßgebend beschleunigen sowie die Kosten reduzieren. In der Vergangenheit wurden diverse Ansätze zur Verschleißberechnung erarbeitet. Allerdings stellt die Nichtlinearität des Verschleißfortschrittes eine besondere Herausforderung dar. Viel Potential bietet die Kombination eines virtuellen Simulationsmodells mit einem hochwertigen physikalischen Experiment. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Berechnung des Verschleißes am Beispiel eines hydrodynamischen Gleitlagers erstellt. Das Modell basiert auf dem Verschleißmodell nach Archard und berücksichtigt dabei die Nichtlinearität des Verschleißes. Dies soll mit einem zeitabhängigen Kontaktmodell und der Anpassung der Lagergeometrie, welche durch den fortschreitenden Lagerverschleiß verursacht wird, realisiert werden. Das Simulationsmodell beinhaltet die Festkörpermechanik zur Beschreibung des elastischen Verhaltens der Bauteile sowie die Makro- und Mikrohydrodynamik, um den Druckaufbau im Schmierspalt zu berechnen. Zur Bestimmung der notwendigen Parameter für das Simulationsmodell und Validierung der Simulationsergebnisse werden physikalische Versuche an einem Rotationstribometer durchgeführt. Durch die Messung des gravimetrischen Verschleißes kann, gekoppelt mit der Simulation, der für das tribologische System spezifische Verschleißkoeffizient C bestimmt werden. Validierungsversuche am Prüfstand werden mit Hilfe der erarbeiteten Methodik nachsimuliert. Gute Übereinstimmungen zwischen experimentell und virtuell bestimmter Verschleißwerte konnten erzielt werden. Erst mit Hilfe des Verschleißkoeffizienten C und des zeitlich lokal aufgelösten Kontaktdruckes kann Verschleiß für komplexere Anwendungen wie Gleitlagerungen lokal und zeitlich detailliert berechnet werden. Es zeigte sich, dass die lokale Geometrieanpassung und der Einfluss des Kontaktmodells eine besondere Rolle spielen.

KW - Tribology

KW - simulation of wear

KW - local contact model

KW - local wear

KW - Tribologie

KW - Verschleißsimualtion

KW - lokales Kontaktmodell

KW - lokale Verschleißberechnung

M3 - Masterarbeit

ER -