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Untersuchungen zum transiente Verhalten von Hydraulikdichtungen

Untersuchungen zum transiente Verhalten von Hydraulikdichtungen

Led by:  Dipl.-Ing. Stephanie Kahms
E-Mail:  leenders@ids.uni-hannover.de
Team:  M. Sc. Arne Leenders (Kontaktmechanik von Elastomeren)
Year:  2019

Die simulative Untersuchung der dynamischen Vorgänge im Dichtkontakt wird mithilfe einer Simulationsumgebung ermöglicht. Diese unterteilt sich in die Modellierung des Schmierfilms, der Dichtung und der Wechselwirkung beider Teilmodelle. Viskose Schmiermittel im Dichtkontakt können zumeist durch fluiddynamische Gesetzmäßigkeiten wie die Navier-Stokes-Gleichungen oder die Reynoldsgleichung angenähert werden. Die Dichtung wird auf die Welle gedrückt, wobei Anpressung, Materialeigenschaften und Maschinenanregungen eine transiente Druckverteilung im Schmierfilm hervorrufen, die auf die deformierbare Dichtung rückwirkt.

Die zumeist aus Elastomerwerkstoffen bestehende Hydraulikdichtung kann als viskoelastisch angesehen werden und wird durch entsprechende Materialgesetze wie das Prony-Modell oder fraktionale Ansätze modelliert. Die Deformation der Dichtung bewirkt eine sich ändernde Geometrie des Dichtspalts, was wiederum die Druckverteilung im Schmierfilm beeinflusst. Diese Wechselwirkungen von Schmiermittel und Dichtung müssen bei der simulationsgestützten Modellierung transienter Effekte im geschmierten Hydraulikkontakt von Stangendichtungen berücksichtigt werden. Dabei kommen ALE-Ansätze (Arbitrary Lagrangian Eulerian) zum Einsatz, die eine Kopplung der verschiedenen Diskretisierungen (Gitter) von Schmiermittel und Dichtung schaffen. Bei Deformation der Dichtung und sich ändernder Gestalt des Gitters muss diese Kopplung ggf. dynamisch angepasst werden. Dabei muss durch einen Iterationsprozess sichergestellt werden, dass eine konvergente und numerisch stabile Lösung berechnet wird.

Zu diesen transienten Effekten gehören beispielsweise das transiente Verhalten von Schlupfeigenschaften und der gegenseitige Einfluss von Rauheit und Oberflächenbeschaffenheit auf den Schlupf. Mithilfe des Simulationstools soll es möglich sein, Dichtungen hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens zu untersuchen.

Um den numerischen Aufwand zu reduzieren, der durch den Iterationsprozess und die vielschichtigen Simulationsbausteine hervorgerufen wird, werden zudem Methoden der Freiheitsgradreduktion angewendet. Auf diese Weise können nahezu identische Resultate mit einem Bruchteil der Rechendauer erzielt werden.