Modellbasierte und experimentelle Grundsatzuntersuchungen zu tribologischen Kontakten mit minimalgefüllten Spalten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Müller; Professor Dr.-Ing. Georg-Peter Ostermeyer
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390252106

Nach wie vor existiert kein grundlegendes Verständnis zu Kontakten unter Fluideinfluss für den Fall, dass der Spalt eines tribologischen Systems nur zum Teil mit einem Fluid gefüllt ist. Dies gilt insbesondere für Systeme, bei denen das Verhältnis von Fluid-Volumen zu Spaltvolumen („Füllgrad“), deutlich kleiner als 1 ist. Im Rahmen des DFG-Vorhabens „Modellbasierte und experimentelle Grundsatzuntersuchungen zu tribologischen Kontakten mit teilgefüllten Spalten“ wurde explizit der Einfluss der Fluidmenge auf die kontaktmechanischen Eigenschaften experimentell und modellbasiert untersucht. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sind sehr vielversprechend. So zeigen sich die erwarteten sehr starken Änderungen im Reib- und Verschleißverhalten unter der Variation der Fluidmenge für Füllgrade von 0 (trocken) bis 1 (vollgefüllt). Das Fluid nimmt unter Teilfüllung ganz bestimmte Verteilungen im Spalt an und kann, je nach Lastzustand und Viskosität, die gegenüberliegenden Oberflächen trennen. Ein besonders interessantes Phänomen zeigte sich messtechnisch im Bereich einer minimalen Schmierung, also einem Füllgrad von 0.1 und kleiner. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass bereits kleinste Mengen an Fluid genügen, um den Reibwert erheblich zu reduzieren. Eine detaillierte Erforschung dieses speziellen Regimes einer Minimalschmierung erfordert weitergehende Anforderungen an die Messtechnik und Numerik, was den Kern dieses Fortsetzungsantrags bildet. Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen dieses Projektes neuartige numerische und messtechnische Untersuchungen zur Identifikation der Wirkung kleinster Fluidmengen auf die Kontaktmechanik zur Anwendung kommen.Modellseitig erfolgt die erforderliche Erweiterung zum einen über eine Kopplung der neu in das Modell zu integrierenden Strukturmechanik mit der Festkörperreibung über die Kontaktkräfte sowie die Kontaktkinematik. Zum anderen wird die Strukturmechanik über die Spalttopographie und die hydrodynamischen Kräfte mit der Fluiddynamik verknüpft. Dabei kommen NURBS zur Beschreibung der Festkörper-Strukturmechanik, auch mit Kopplung zur Fluiddynamik zum Einsatz. Um den Einfluss der Elastizität herauszustellen, werden auch Studien mit sehr elastischen Materialien durchgeführt. Die Studien werden experimentell validiert. Dafür werden einerseits Untersuchungen auf einer Makro- / Mesoskala durchgeführt. Hierbei werden systematische Experimente mit dem speziell entwickelten WDI-Prüfstand vorgenommen und insbesondere der Einfluss der Fluidmenge auf die Fluid-Transportprozesse und das damit korrelierte Reibgeschehen untersucht. Andererseits soll auf der tribologisch relevanten Mikroskala dieser Effekt an einem Stift-Scheibe-Tribometer überprüfbar gemacht werden. Dabei gilt es vor allem, definierte Kleinstmengen an Schmiermittel zu applizieren sowie die (im Mikroskopischen recht kleine) Änderung der Spalthöhen zu detektieren und eine Identifikation und Auswertung geeigneter Verschleißmaße vorzunehmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen