Effiziente numerische Modelle zur tribologischen Analyse texturierter Gleitlagersysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs; Professor Dr. Siegfried Müller
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511282384

Die Reduktion von Reibung und Verschleiß in Gleitlagersystemen, wie sie z.B. in Windenergieanlagen oder Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, kann signifikant zur ressourceneffizienten Auslegung von Maschinen und Anlagen beitragen und beispielsweise durch eine Bearbeitung der beteiligten Oberflächen erzielt werden. Dabei gewinnt die Oberflächentexturierung zunehmend an Bedeutung. Numerische Berechnungsmodelle sind bislang allerdings nur für die Berücksichtigung von Oberflächenrauheiten ausgelegt, sodass sich bei zusätzlicher Texturierung entweder signifikante Modellierungsfehler ergeben oder zeitaufwändige Simulationen mit hochaufgelöster Diskretisierung der Texturen nötig sind. Beides macht die Berechnung einer im Sinne der Reibungsreduktion optimalen Texturierung für eine gegebene Anwendung bislang nahezu unmöglich. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung, Implementierung und Validierung einer effizienten numerischen Methode zur optimalen Auslegung von Gleitlagersystemen mit rauen, texturierten Wellenoberflächen. Anders als in existierender Software basiert die Modellierung nicht auf der empirischen Mittelungsmethode der Flussfaktoren nach Patir und Cheng, sondern auf dem mathematischen Konzept der Homogenisierung. Die Homogenisierung geht von einer asymptotischen Multiskalenentwicklung aus und liefert im Gegensatz zur Flussfaktorenmethode für jede Konfiguration von Rauheit bzw. Texturen korrekte Ergebnisse. Außerdem können über eine einfache Hochskalierung der gemittelten Lösung lokale Effekte erfasst werden. Zusätzlich ist anhand der Reiterierten Homogenisierung eine Erweiterung derart möglich, dass Rauheit und Texturen berücksichtigt werden können, ohne Texturen in Simulationen hochaufgelöst diskretisieren zu müssen. Über die Entwicklung und Implementierung einzelner Module wird sukzessiv ein Gesamtmodell für transiente Simulationen aufgebaut. Berücksichtigt werden dabei (i) Hydrodynamik unter Einbeziehung von Kavitation, (ii) Mischreibung über die Berechnung des elastisch-plastischen Festkörperkontakts und von Strukturdeformationen und (iii) Temperatureffekte über Energiegleichungen für das Fluid und die beiden Festkörper. Das resultierende Thermoelastohydrodynamik-/ Mischreibungs-Modell wird mit Gesetzmäßigkeiten zur Verschleißmodellierung verknüpft. Letztere werden zur Berücksichtigung der während des Einlaufprozesses zwischen Welle und Lager entstehenden Mikrokonformität weiterentwickelt. Begleitende Experimente dienen der Validierung der numerischen Modellierung und der systematischen Untersuchung der entkoppelten und synergetischen Wirkung von Rauheit und Textur auf das tribologische Verhalten von Gleitlagern. Dabei wird auch der Einfluss des Lagerwerkstoffs auf die Wirksamkeit einer Texturierung untersucht. In einer experimentellen Verschleißstudie werden schließlich die Haltbarkeit von Texturierungen im Mischreibungsbetrieb sowie Einlaufeffekte wie die Veränderung des Mischreibungsübergangs analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Florian König