Aktive Beeinflussung des Rad-Schiene-Kontakts

• Antragsteller: Professor Dr. Valentin L. Popov; Professor Dr.-Ing. Utz von Wagner
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 201129242

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es, die Möglichkeit eines Einsatzes von Ultraschallschwingungen zur Minderung der Kontaktkräfte in einem Rad-Schiene-Kontakt zu prüfen und damit möglicherweise zur Reduzierung von Verschleiß und Geräuschentwicklung z.B. bei Fahrten im Bogen beizutragen. Das Vorhaben wurde mit einer Reihe experimenteller Ergebnisse motiviert, bei denen in den meisten Metall-Metall-Paarungen bereits eine Schwingungsamplitude von ca. 50nm einen wesentlichen Einfluss auf die Reibkraft hatte. Dieses Verhalten ließ zunächst eine Wechselwirkung auf der Mikrometerebene vermuten, so dass wir von der Existenz einer charakteristischen materialabhängigen Amplitude unabhängig von der Systemgröße ausgegangen sind. In der Anfangsphase des Projektes wurde das Kontaktproblem jedoch als ein makroskopisches Tangentialkontaktproblem erkannt, was dazu führt, dass die charakteristische Reiblänge nach Mindlin somit zum Richtwert für die charakteristische Schwingungsamplitude für den Effekt der Reibkraftminderung wird. Im Zuge dieser Einsicht identifizierte das FSR die Relevanz der Parameter wie die Oszillationsamplitude, relative Geschwindigkeit im Kontakt, die Normalkraft und den Kontaktradius und untersuchte sie im Hinblick auf die Schwingungsbeeinflussbarkeit in einem Reibkontakt, während am Fachgebiet MMD eingehende experimentelle Untersuchungen u.a. an einem Rollenprüfstand bei Reibkontakten mit hohen Normalkräften stattfanden. Durch die Untersuchung von Normalbelastungen in einem breiten Belastungsintervall (von 0,5N bis 2500N) wurde festgestellt, dass der Reduktionseffekt im Wesentlichen von der Eindringtiefe bestimmt wird. Zum anderen wurde grundsätzlich die entscheidende Bedeutung des Verhältnisses der Gleitgeschwindigkeit zu der Oszillationsgeschwindigkeit bei der Beeinflussung der dynamischen Reibung festgestellt. Je kleiner dieses ist, umso höher ist der Effekt der Reibkraftreduktion. Die daraus abgeleiteten Skalierungsvorschriften lassen aber auch die Schwierigkeit der Anwendung dieser Methode auf größere Systeme wie im Rad-Schienekontakt erkennen. Dieses wurde auch mit experimentellen Ergebnissen am MMD belegt. An dem am MMD entsprechend dimensionierten und konstruierten Rollenprüfstand wurden applizierte Piezoaktoren zur Schwingungsanregung angewendet. Aufgrund der deutlich größeren Systemgröße konnten die notwendigen hohen Wegamplituden nur bei Frequenzen angeregt werden, die nicht mehr im Ultraschallbereich liegen. Nichtsdestotrotz konnte bei der Beeinflussung des Losbrechmomentes ein Effekt des abfallenden effektiven Reibungskoeffizienten, ähnlich zu den kleinskaligen Experimenten am FSR nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zur Beeinflussung von Schlupf ergaben eine Wirksamkeit der Schwingungsanregung bis hin zu einer maximalen in diesem Versuch zu realisierenden Normalkraft von 2500 N. Damit konnte gezeigt werden, dass eine Beeinflussung von Reibkontakten auch bei deutlich größeren Normalkräften möglich ist. Jedoch erfordern die dafür entsprechend notwendigen hohen Amplituden einen hohen apparativen Aufwand, zum anderen führen sie zu erheblichen Verschleißerscheinungen im Kontakt. Die abgeleiteten Skalierungsregeln und die am FSR und MMD umfangreich durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass das ursprünglich beabsichtigte Ziel der Beeinflussung von Rad-Schiene- Kontakt mit Ultraschallschwingungen hinsichtlich der Geräusch- und Verschleißminimierung mit derzeit vorhandenen Mitteln nicht zu erreichen ist. Gleichzeitig aber eröffnen die Ergebnisse zur Ultraschallbeeinflussung z.B. normal zur Bewegungsebene neue systemspezifische Anwendungsmöglichkeiten für kleinere Mikrosysteme wie Nanopositionierer in den Mikroskopen oder auch in den Mikroantrieben, die wesentlichsten Einflussparameter dafür sind im Projekt bestimmt worden. Bei größeren Systemen ist eine Verwendung z.B. zum Lösen von Haften in Bremsen denkbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of ultrasonic in-plane oscillations on dry friction accounting of stick and creep, Physical Mesomechanics, 15, N. 5-6, 330-332 (2012)
  Starcevic J., Filippov A.E.
  
• Modeling of the dynamic contact in stickslip microdrives using the method of reduction of dimensionality, Physical Mesomechanics, 2012, Springer
  Teidelt E., Willert E., Filippov A.E., Popov V.L.
  
• Numerische Simulation von Nano-Stick- Slip Positionierungsantrieben mittels der Methode der Dimensionsreduktion, Symposium Nanotribologie, 2013
  Teidelt E., H.X. Nguyen, Fatikow S., Popov V.L.
  
• 2014, Influence of the normal force and contact geometry on the static force of friction of an oscillating sample, Physical Mesomechanics, 17(3), pp. 228-231
  Milahin N., Starcevic J.
  
• Oscillating Contact. Friction induced motion and control of friction, 2014
  Teidelt E.
  
• 2015, Influence of the normal force on sliding friction of an oscillating sample, Vol.: Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering, Vol. 13, No 11, 2015, pp. 27 – 32
  Milahin, N., Li Q., Starcevic, J.