KIT-Industry Fellowship:
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Nachwuchsgruppe von Dr. Hartmut Hetzler
Simulation mechanischer Systeme mit tribologischen Kontakten
Einführung
Abstrakt gesehen sind technische Produkte Anordnungen von Körpern, die miteinander durch haftende, gleitende oder rollende Kontakte verbunden sind. Technische Realsierungen solcher Kontakte sind bspw. Wälzlager, Gleitlager, Gelenke, Schraubverbindungen, Dichtungen, Zahnräder, usw.
Das Verhalten des technischen Gebildes hängt nun einerseits direkt vom Verhalten der Kontakte ab - und bestimmt andererseits die Belastung der Kontakte. Hieraus wird klar, dass Kontakte und Systemdynamik nicht getrennt betrachtet werden können, sondern als Teile eines Systems zur untersuchen sind - hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, tribologischen Eigenschaften in den Dynamik mechanischer Systeme geeignet zu integrieren.
Technische Anwendungsbeispiele, die sich nur im Zusammenspiel aus mechanischem System und Kontakt verstehen lassen:
- Schwingungen
- Quietschende Fahrzeugbremsen, Türangeln, Scheibenwischer, Fensterheber, ...
- Schwingungen in Turbinen, Pumpen, Turboladern, ...
- ratternde Werkzeugmaschinen, Antriebe, ... - Systemdynamik
- Lager und Gelenke bestimmen die Systemdynamik
- Reibung verschlechtert Dynamik - Energieffizienz und Lebensdauer
- Reibung in Systemen bestimmt die Energieverluste
- Kontaktbelastungen, Reibung und Verschleiss bestimmen die Lebensdauer
Gegenstand der Forschung
Die Herausforderungen bei der Untersuchung mechanischer Systeme mit Kontakten sind vielfältig und reichen von der physikalischen Modellbildung bis hin zur mathematischen Behandlung. Eine grundlegende Eigenschaft erwächst aus der augenfälligen Mehrskaligkeit der Problemstellung: die Abmessungen von Kontaktstellen sind in der Regel vergleichsweise klein und involvieren eine Vielzahl zusätzlicher pyhsikalischer Vorgänge (Schmierstoffverhalten, Reibung und Verschleiss, Wärmeentwicklung, etc.), die im Rahmen einer Gesamtsystemsimulation kaum abbildbar sind.
Das Ziel besteht daher in der Untersuchung und Modellierung der für die Systemdynamik wesentlichen Eigenschaften und Effekte. Hierbei sind Kenntnisse sowohl der Kontakttribologie, als der der Dynamik mechanischer Systeme notwendig.
Aktuelle Forschungsthemen sind:
- Dynamische Modellierung von Sintergleitlagern
Hierbei handelt es sich um einfach aufgebaute selbstschmierende Gleitlager, die jedoch ein komplexes physikalisches Verhalten aufweisen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleitlagern ist die Lagerschale hier porös und erlaubt ebenfalls einen Schmierstoffstrom. Mathematisch liegt ein Mehrfeldproblem in Form einer Reynoldsschen Differentialgleichung gekoppelt mit einer Laplacegleichung vor, die simulatan gelöst werden müssen. - Dynamik elastohydrodynamischer Kontakte (EHD)
Bei nichtkonformen Kontaktgeometrieen (z.B. in Wälzlagern, Zahnrädern, ...) treten schon bei moderaten Lasten lokale Deformationen auf, die bei der Beschreibung des Schmierstoffeinflusses berücksichtigt werden müssen - man spricht von elastohdydrodynamischen Kontakten (EHD). Während die (statische) Tragfähigkeit und das Schmierspaltverhalten in den letzten 50 Jahren intensiv untersucht wurde, sind dynamische Untersuchungen dieser hochgradig nichtlinearen Kontakte rar. Im Zentrum steht das Dämpfungsverhalten und schließlich mögliche Bifurkationsszenarien in Systemen mit EHD-Kontakten. - Systeme bewegter deformierbarer Körper mit Kontakten
a) Sich bewegende deformierbare Körper mit Gleitreibungskontakten sind bekannt dafür, selbsterregte Schwingungen zeigen zu können - Beispiele hierfür sind quietschende Kupplungen, Fahrzeugbremsen, Türangeln oder auch "singende Weingläser".
Im Fokus steht dabei eine grundsätzliche Betrachtung, vor allem im Hinblick auf die Frage nach einer geeigneten Beschreibung zur Untersuchung des Stabilitätsverhaltens der stationären Lösung. Weiterhin von Interesse ist das nichtlineare Bifurkationsverhalten. Es zeigt sich dabei, dass die Systemdynamik maßgeblich von den mesoskopischen Eigenschaften der Kontaktschicht beeinflusst wird.
b) Neben den Gleitreibungskontakten spielen insbesondere in der Rotordynamik Kontakte in Form von Lagern (Gleitlager, Wälzlager, etc) oder auch Zahnkontakten eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Enstehung von Schwingungen. Vor allem im Zuge immer höherer Drehzahlen treten Stabilitätsaspekte immer mehr in den Vordergrund.
