Advances in contact mechanics and fluid dynamics for rolling contacts

verfasst von

Josephine Kelley

betreut von

Gerhard Poll

Abstract

Aufgrund wachsender Bedenken hinsichtlich Umweltänderungen durch den Treibhauseffekt, rücken unnötige Quellen von CO2-Emissionen immer stärker in den Fokus. Unerwünschte Reibung in Maschinenelementen stellt eine Form der Energieverschwendung dar, die unnötig zu CO2-Emissionen beiträgt. Präzise Berechnungsmodelle für die Reibung in Wälzlagern können Getriebekonstrukteure dabei unterstützen, reibungsoptimierte Entscheidungen zu treffen und somit Emissionen zu reduzieren. Darüber hinaus führt übermäßige Reibung zu erhöhtem Verschleiß und verkürzt die Gebrauchsdauer von Maschinenelementen und Maschinen. Auch Maschinen zur Erzeugung
erneuerbarer Energien, wie beispielsweise Windenergieanlagen, deren Ausfallzeiten für den Umweltschutz vermieden oder reduziert werden müssen, sind betroffen. Damit leistet die Reibungsmodellierung von Maschinenelementen einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit. Um Reibungsmodelle präzise und umfassend auf Wälzlager anwenden zu können, werden verschiedene Hilfsmodelle für Einzelkontakte herangezogen. In dieser Arbeit werden mehrere solcher Einzelkontaktmodelle vorgestellt, die grob in die Kategorien Kontaktmechanik (sowohl Normal- als auch Tangentialkontakte) und Fluiddynamik unterteilt werden können. Es wird zudem die Optimierung dieser
Modelle zur Berechnung des Reibmoments in Wälzlagern beliebiger Geometrie vorgestellt Bei der praktischen Berechnung von Wälzlagern wird standardmä-
ßig die Druckverteilung nach Hertz vereinfachend angenommen. Die Theorie der Hertz’schen Pressung ermöglicht die analytische Beschreibung der Druckverteilung, die aus einem konzentrierten Kontakt elastischer Körper mit glatten, gekrümmten Oberflächen resultiert. Diese Theorie beschreibt den normalen Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen in den meisten Wälzlagern präzise und stimmt gut mit FEM Ergebnissen überein. Eine wichtige Ausnahme bildet jedoch der Rollenstirn-Bord Kontakt von Kegelrollenlagern. Die lokale Geometrie des Rollenstirn-Bord-Kontakts kann variieren, wobei
die Geometriepaarung Torus-Kegel zu den gängigen Ausführungen gehört. Wir betrachten ein alternatives Koordinatensystem, das genaue Kontaktberechnungen nach Hertz für Torus-Ebene Kontakte ermöglicht und somit die Grundlage für die Analyse komplexerer geometrischer Paarungen des Torus bildet. Zwischen den Einzelkontakten von Wälzkörpern und Laufbahnen
in Wälzlagern kann Oberflächenverschleiß auftreten, der mit der Reibungsleistung resultierend aus einer geometrisch bedingten Gleitbewegung zusammenhängt. Unter idealen Betriebsbedingungen erolgt diese leitbewegung mit geringer Reibung. Bei unzureichender Schmierung und somit erhöhten Reibungsbedingungen wird die geometrisch bedingte Gleitbewegung durch Reibung teilweise verhindert. Es können lokale Haftzonen entstehen, in denen die Kontaktflächen anstelle der lokalen Gleitbewegung eine tangentiale elastische Verformung erfahren. Eine vereinfachte Theorie zur Modellierung der Haft- und Gleitzonen in verschleißkritischen Kontakten wurde vorgestellt
und mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) validiert. Die Anwendung dieser Theorie auf die Modellierung von Verschleißmarken wurde untersucht. In der Schmierungstheorie stellt die Elastohydrodynamik (EHD) einen Bereich der hydrodynamischen Schmierung dar, bei dem die elastische Verformung der Oberflächen signifikant ist. EHD Kontakte sind durch multiphysikalische Wechselwirkungen zwischen Fluiddynamik und Kontaktmechanik gekennzeichnet. EHD-Kontakte weisen typischerweise hohe Drücke und kleine Kontaktflächen auf, was auf die nicht-konformen Geometrien der Kontaktflächen zurückzuführen ist. Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die üblicherweise über 100 MPa liegen, werden die Verformung der Oberflächen und
das Druckviskositätsverhalten des Schmiermittels zu entscheidenden
Einflussfaktoren. Die numerischen Details, die zur Analyse von EHD-Kontakten notwendig sind, wurden aufgeführt. Anschließend wurde der Einfluss von texturierten Oberflächen auf die Schmierungszustände untersucht. Zur Abschätzung der Reibung in einem gesamten Lager, das üblicherweise mehr als zehn EHD-Kontakte aufweist, werden die EHD-Bedingungen typischerweise durch vereinfachte, analytische Modelle berücksichtigt. Ein Berechnungsmodell für die Oberflächengeschwindigkeiten im Lager wurde vorgestellt, das ein Gleichgewicht der Gleitreibungskräfte betrachtet, wie sie von vereinfachten EHD-Modellen und rheologischen Fluidmodellen abgeschätzt werden können. Die Methodik wurde mithilfe der FEM am Beispiel eines Schrägkugellagers
validiert und auf verschiedene Wälzlagergeometrien angewandt. Eine
umfangreiche experimentelle Vergleichsstudie zum Wälzlagerreibmoment konnte durchgeführt werden, die nicht nur die Genauigkeit der Reibmomentberechnung unter einer Vielzahl von experimentellen
Bedingungen nachgewiesen hat, sondern auch die Bestimmung einer
optimierten Modellierungsstrategie ermöglicht hat.

Organisationseinheit(en)

Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

249

Publikationsdatum

12.02.2025

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/18504 (Zugang: Offen)