Analyse der Wirkmechanisen in Reibschlussverbindungen durch Simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nach Abschluss des DFG-Vorhabens kann folgender Sachstand gegeben werden. Es wurde ein 3D FEM-Kontakt- und Reibungsmodell zur Vorhersage der Festkörperreibung von rauen Oberflächen entwickelt. Berücksichtigt werden beliebige raue Oberflächen, tiefenabhängige elastisch-plastische Materialeigenschaften und die Reibungsmechanismen Deformation und Adhäsion. Die Wirksamkeit der Adhäsion kann im Modell deaktiviert werden und ermöglicht so die Bestimmung der reinen Deformationsreibung, welche aus der elastischen und plastischen Verformung der kontaktierenden Rauheiten resultiert. Somit besteht die Möglichkeit die Festkörperreibung nach ihren Mechanismen zu differenzieren und zu bewerten. Dieses neue Modell ermöglicht in Zukunft die gezielte Entwicklung von Oberflächenstrukturen, um eine gewünschte Reibungs- oder Rutschcharakteristik in Reibschlussverbindungen einzustellen. In Abhängigkeit vom Gleitweg kann man drei unterschiedliche Bereiche (Haften, Losreißen und Gleiten) im Reibungsverlauf unterscheiden. Die Form des Übergangbereichs ist dabei von der Belastung, der Werkstoffpaarung (Adhäsion) und der Oberflächentopographie der Kontaktpartner abhängig. Die Ausprägung des Gleitbereichs hängt, wie in Versuchen und Vergleichsrechnungen beobachtet werden konnte, von der momentanen Eingriffssituation der Rauheiten und vom örtlichen Deformationsvermögen (wie viel „Interaktionsvolumen“ steht an den diskreten Kontaktstellen zur Verfügung) ab. Die aktuellen Möglichkeiten des FEM-Modells wurden anhand ausgewählter Berechnungsbeispiele aufgezeigt. Hierbei wurden u. a. geschliffene und gedrehte Stahl/Stahl-Paarungen unter verschiedenen Anordnungen der Riefen zur Bewegungsrichtung simuliert. In weiteren Analysen wurden Vergleichsrechnungen zu Versuchen mit ta-C beschichteten und laserstrukturierten Stahloberflächen durchgeführt und diskutiert. Die gewonnenen Ergebnisse sind neben den Reibungskräften vor allem die abgeleiteten Reibungszahlen, welche hier in einem Größenbereich liegen, wie er auch in Versuchen ermittelt wird. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Deformationsanteil der Reibung abhängig von den Topografien und deren Anordnung unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Ebenso konnte gezeigt werden, dass das Übergangsverhalten vom Haft- zum Gleitgebiet analog zum Versuch simuliert werden kann. Das deutet darauf hin, dass der gewählte Weg der Modellbildung sehr zielführend ist und eine sehr gute Grundlage für weiterführende Untersuchungen zur Vorhersage der Festkörperreibung zwischen rauen Oberflächen bietet. Es bleibt allerdings festzuhalten, dass die Rechenzeiten noch sehr hoch sind und in Zukunft zu optimieren sind. Hier können die Implementierung von Element-Reduktionstechniken und die Erarbeitung von lokalen Nachvernetzungsstrategien an Stellen mit hohen Verformungsgradienten zielführend sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation der Festkörperreibung mittels FEM. 54. Tribologie-Fachtagung 2013, Göttingen, Bd. I, 2/1 - 2/14
Kießling, A.; Bartel D.; Deters L.
- Abschlussbericht zum AiF/DFG Cluster „GECKO“. FVA-Infotagung, Würzburg, 02.-03.12.2014
Leidich, E.; Gräfensteiner, M.; Bartel, D.; Kießling, A.; Gerlach, M.; Schiefer, S.; Exner, H.; Schille, Zimmer, O.; Weihnacht, V.
- FEM-basierter Ansatz zur besseren Abschätzung von Reibwerten bei der Auslegung von Reibschlussverbindungen. VDI-Berichte Nr. 2238, Düsseldorf: VDI Verlag, 2014, 37-51
Kießling, A.; Bartel D.; Deters L.
- Abschlussbericht zum AiF/DFG Cluster „GECKO“. FVV-Frühjahrstagung, Bad Neuenahr, 26.-27.03.2015
Leidich, E.; Gräfensteiner, M,; Bartel, D.; Kießling, A.; Gerlach, M.; Schiefer, S.; Exner, H.; Schille, Zimmer, O.; Weihnacht, V.:
