Instationäres Reibungs-und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dichtsysteme werden in hydraulischen Systemen eingesetzt, um Volumina zu verschließen und so den funktionsrelevanten Druckaufbau zu ermöglichen. Obwohl Dichtsysteme damit ein essentieller Bestandteil hydraulischer Systeme sind, ist der dynamische Dichtmechanismus aktuell nur unzureichend verstanden. Daher wurde im Reinhart Koselleck-Projekt "Instationäres Reibungs- und Leckageverhalten von translatorischen Hydraulikdichtungen" ein theoretisches, physikbasiertes Modell der translatorisch bewegten Dichtung unter Berücksichtigung von instationären Vorgängen entwickelt und validiert. In der ersten Projektphase stand die Generierung eines tiefgehenden Verständnisses des Reibverhaltens im Vordergrund. Auf einem Dichtungstribometer wurden die Einflüsse von Normalkraft, Relativgeschwindigkeit, Temperatur und Oberflächentopographie untersucht. Zur physikalischen Modellbildung der beobachteten Effekte wurden zudem einfache Modellversuche durchgeführt. Festgestellt wurde zum Beispiel, dass während einer Stillstandszeit das Fluid nur langsam, bei einer anschließenden Relativbewegung jedoch deutlich schneller aus der Kontaktzone gequetscht wird. Als mögliche Erklärung wurde die “Dynamic scrape mechanism” Hypothese aufgestellt, die den schnellen Anstieg der Losbrechkraft bei verhältnismäßig kurzem Stillstand erklärt. Die Reibung von Elastomeren auf rauen Oberflächen wird durch Energiedissipation aufgrund pulsierender Deformation an Rauheitsspitzen und durch Scherspannungen in der realen Kontaktzone erzeugt. Zweitgenanntes wird häufig als Adhäsionsanteil bezeichnet. Adhäsion tritt, bei einigen Elastomeren, auch bei Vorhandensein eines Schmierstoffs auf. Die Herkunft der Adhäsionsreibung wurde daher detailliert untersucht. Eine Theorie, wonach der Reibanteil auf Rissöffnung und -schließen in der Kontaktzone beruht, wurde überprüft, liefert jedoch nicht den entscheidenden Beitrag zur Adhäsionsreibung. Bei Elastomeren, die auch bei Schmierung Adhäsion zeigten, wurde zudem ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Fluiddruck und Leckage festgestellt, was der bisherigen Modellvorstellung widerspricht. Als mögliche Ursache wurde eine durch das Entnetzungsverhalten begünstigte Bildung von Gasblasen in den kritischen Strömungskanälen identifiziert. Schließlich wurde eine EHD Simulation entwickelt, die die makroskopische Verformung von translatorischen Hydraulikdichtungen und die Vorgänge im mikroskopischen Dichtspalt abbildet. Das Modell ist imstande, sowohl das instationäre Reibverhalten als auch die Verschleißgeometrie korrekt abzubilden. Die Validierung erfolgte anhand von Messdaten, die eine sehr gute Übereinstimmung zeigten. Insgesamt hat das Projekt damit einerseits auf theoretischer Seite das Verständnis mikroskopischer Vorgänge im Dichtkontakt erweitert und außerdem eine für reale A nwendungsfälle anwendbare Methodik aufgezeigt, um das Reib- und Verschleißverhalten von Elastomerdichtungen physikalisch motiviert vorherzusagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Soft matter dynamics: Accelerated fluid squeeze-out during slip“, The Journal of Chemical Physics 144, 124903, 2016
Hutt, W.; Persson, B.
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„Elastohydrodynamics for Soft Solids with Surface Roughness: Transient Effects”, Tribology Letters 65:95, 2017
Scaraggi, M.; Dorogin, L.; Angerhausen, J.; Persson, B.; Murrenhoff, H.
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„Rubber contact mechanics: adhesion, friction and leakage of seals”, Soft Matter 13, 2017
Tiwari, A.; Dorogin, L.; Tahir, M.; Stöckelhuber, K.W.; Heinrich, G.; Espallargas, N.; Persson, B.
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„The Influence of Temperature and Surface Structure on the Friction of Dynamic Hydraulic Seals: Numerical and Experimental Investigations”, The 10th JFPS International Symposium on Fluid Power, JFPS, 24.10. – 27.10.2017, Fukuoka, Japan, 2017
Angerhausen, J.; Murrenhoff, H.; Dorogin, L.; Persson, B.; Scaraggi, M.
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„Influence of anisotropic surface roughness on lubricated rubber friction: Extended theory and an application to hydraulic seals”, Wear 410-411, pages 43-62, 2018
Scaraggi, M.; Angerhausen, J.; Dorogin, L.; Murrenhoff, H.; Persson B.N.J.
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„Influence of transient effects on the behaviour of translational hydraulic seals”, The 11th International Fluid Power Conference, 11. IFK, 19.-21.3.2018, Aachen, Germany, 2018
Angerhausen, J.; Murrenhoff, H.; Dorogin, L.; Persson, B.; Scaraggi, M.
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„Rubber friction: The contribution from the area of real contact” Journal of Chemical Physics, 148, 224701, 2018
Tiwari, A.; Miyashita, N.; Espallargas, N.; Persson B.N.J.
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„Physically Motivated Simulation of Dynamic Hydraulic Seals“, ASME/BATH 2019 Symposium on Fluid Power and Motion Control, FPMC2019, 07.10.2019-09.10.2019, Longboat Key, USA, 2019
Angerhausen, J; Murrenhoff, H.; Persson, B; Schmitz, K.
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„Simulation and experimental validation of translational hydraulic seal wear“, Tribology International 134, 2019
Angerhausen, J; Woyciniuk, M; Murrenhoff, H.; Schmitz, K.
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„Lubricated sliding friction: Role of interfacial fluid slip and surface roughness”, The European Physical Journal E 43, 9, 2020
Rotella, C.; Persson, B.N.J.; Scaraggi, M.; Mangiagalli, P.
