Reibflächendynamik in Schraubenverbindungen
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im durchgeführten Projekt wurden Kontakt- und Reibmodelle und das aus ihnen resultierende statische und dynamische Antwortverhalten bei idealisierten Kontaktpaarungen untersucht. Für das statische Last-Verformungs-Verhalten konnte durch Berücksichtigung der statistischen Eigenschaften rauer Oberflächen quantitative Verbesserungen insbesondere bei niedrigen Lasten erzielt werden. Bei Scherbelastung zeigten Reibgesetze mit viskosem Anteil bei höheren Relativgeschwindigkeiten bistabiles Verhalten: Bei sonst identischen Parametern kann sowohl ein Haft-Gleit-Zustand, als auch stationäres Gleiten stabil sein. Die konzeptionelltheoretischen Untersuchungen decken sich gut mit experimentell beobachtetem Verhalten. Für ausgedehnte Kontaktflächen wurde ein idealisiertes Modell betrachtet, welches eine große Bandbreite an multiplen Lösungen aufzeigt. Haft-Gleit-Zustände können dabei räumlich lokalisiert auftreten. Der Bereich der Haft-Gleitzustände kann dabei eine beliebige Anzahl an Kontaktelementen umfassen. Die einzelnen Lösungen hängen mathematisch über sogenannte Snaking-Bifurkationen zusammen. Am Rand des Parameterbereichs der so entstehenden stationären Haft-Gleit-Domänen zeigt das untersuchte Modell Fronten- Lösungen, bei denen sich entweder das Haft-Gleit-Gebiet in das Gebiet des gleichmäßigen Gleitens hinein ausbreitet, oder umgekehrt. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die theoretisch-konzeptionellen Modelluntersuchungen eine Vielzahl neuer Erkenntnisse und Phänomene hervorgebracht haben. Die Erkenntnisse lassen Anwendung im gezielten Design von Oberflächen und Reibflächen erwarten. Das entwickelte analytische Modell gibt einige Einblicke in die zugrunde liegenden Auswirkungen von reiberregten Schwingungen beim Anziehen von Schraubenverbindungen. Es werden drei Konstanten identifiziert, die das dynamische Verhalten eines bestimmten Anziehprozesses beschreiben. Mit Hilfe dieser Konstanten kann der Prozess bezüglich Qualität überwacht und bewertet werden. Die abgeleiteten Randbedingungen ermöglichen eine Schätzung der zu erwartenden Charakteristik der reiberregten Schwingungen. Da jeder Anziehvorgang immer ein wenig anders ist, ist es hilfreich, einen robusten Algorithmus zu haben, der den aktuellen Zustand des Systems erkennt und darauf entsprechend reagieren kann. Die entwickelte Echtzeit-Vorhersage ist in der Lage, auftretende Stick-Slip-Ereignisse zu identifizieren und die bevorstehenden Ereignisse mit einem hohen Maß an Sicherheit vorherzusagen. Auf diese Weise kann der Anwender Sollwerte für den zu erreichenden Anziehprozess definieren und den Abstand zum Ziel ‒ eine möglichst genaue Vorspannkraft ‒ minimieren. Darüber hinaus kann der vorgestellte Algorithmus den Prozess zum Schutz der eingesetzten Werkzeuge überwachen und für die vorausschauende Wartung der Maschine verwendet werden. Der Erwerb eines besseren Verständnisses von reiberregten Schwingungen beim Anziehen von Schraubenverbindungen ermöglicht die Entwicklung neuer Überwachungs- und Regelalgorithmen, die die Unsicherheit während des Anziehvorgangs deutlich reduzieren, was sich in zuverlässigeren Verbindungen, reduzierten Risiken bei Montage und Betrieb und schließlich positiv auf die Umwelt auswirkt, da die Notwendigkeit einer Überdimensionierung der Verbindungen verringert wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Influence of ultrasound on friction induced vibrations during tightening of bolted joints. PAMM 2017, 16, 259–260
Baramsky, N.; Seibel, A.; Schlattmann, J.
-
Load-separation curves for the contact of self-affine rough surfaces. Scientific Reports 7, 6900, 2017
Papangelo, A., Hoffmann, N., Ciavarella, M.
-
Schlattmann, J.: Friction-induced vibrations during tightening of bolted joints: insights from a multi-body model. In: Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE), Paper ID 71267, Tampa, Florida, USA, 2017
Baramsky, N.; Seibel, A.
-
Subcritical bifurcation in a selfexcited single-degree-of-freedom system with velocity weakening–strengthening friction law: analytical results and comparison with experiments. Nonlinear Dynamics 90, 2037-2046, 2017
Papangelo, A., Ciavarella, M., Hoffmann, N.
-
Friction-Induced Vibrations during Tightening of Bolted Joints - Analytical and Experimental Results. Vibration 2018, 1, 312–337
Baramsky, N.; Seibel, A.; Schlattmann, J.
-
Multiple spatially localized dynamical states in friction-excited oscillator chains. Journal of Sound and Vibration 417, 56-64, 2018
Papangelo, A., Hoffmann, N., Grolet, A., Stender, M., Ciavarella, M.
