Physikalisch motivierte, transiente Modellierung translatorischer Hydraulikdichtungen

Von:

Julian Benedikt Angerhausen

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Dichtungen sind entscheidende Maschinenelemente in hydraulischen Geräten. Ein Versagen der Dichtung kann zu teuren Produktionsausfällen oder sogar umweltge-fährdenden Leckagen führen. Insbesondere im Hinblick auf dynamische Dichtun-gen - zum Beispiel bei Zylinderanwendungen - ist das physikalische Verständnis des Dichtungsmechanismus immer noch unzureichend. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine physikalisch motivierte und experimentell validierte Modellierung des tribologischen Kontakts translatorischer Hydraulik-dichtungen unter Berücksichtigung transienter Effekte entwickelt. Das Modell beschreibt die physikalischen Größen im Dichtspalt, wie Spalthöhe, Kontakt- und Fluiddruck, die resultierende Reibungskraft sowie den Verschließ des Dichtungs-materials während des Betriebs. Ein solches Modell dient zum tiefergehenden Verständnis des Dichtmechanismus und kann zukünftige Optimierungspotentiale aufdecken. Zunächst werden an einem eigens entwickelten Dichtungstribometer Versuche durchgeführt. Diese dienen zur detaillierten und exakt definierten Untersuchung des Dichtkontakts. Der Fokus liegt auf der Quantifizierung verschiedenster Ein-flüsse auf die stationäre und die transiente Reibkraft sowie auf der Ermittlung des sich einstellenden Dichtungsverschleißes. Anschließend erfolgt der Aufbau und die Durchführung einer elasto-hydrodynamischen Simulation der Dichtung. Die makroskopische Verformung sowie ihr Einfluss auf den mikroskopischen Dichtspalt werden berücksichtigt. Hierzu wird in das Finite-Elemente-Programm ABAQUS über Subroutinen der Festkörperkontakt, nach dem physikalisch basierten Ansatz von Persson, der Fluidkontakt, auf Basis der Reynolds-Gleichung, sowie der Verschleiß der Dich-tung, beschrieben durch das Modell von Archard, implementiert. Der anschließen-de detaillierte Vergleich zwischen Modell und Versuch zeigt über weite Bereiche eine gute Übereinstimmung. Abschließend wird das validierte Modell genutzt um das transiente Verhalten einer hydraulischen Stangendichtung zu simulieren und den Einfluss transienter Effekte detailliert zu diskutieren.