TY - BOOK

T1 - Advances in contact mechanics and fluid dynamics for rolling contacts

AU - Kelley, Josephine

N1 - Therefore, my thanks is due to the Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) for the funding of "Auslegung hochbelasteter Drehverbindungen" (HBDV), to the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) for the funding of "Hartfräsen von Mikroschmiernäpfen zur Reibungs- und Verschleißreduktion in hochbelasteten Wälzkontakten" (Grant Number 407531729), and to the Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) for the funding of Project FVA 701 IV, "Erweiterung und Validierung der Wälzlager Reibungsberechnung".

PY - 2025/2/12

Y1 - 2025/2/12

N2 - Aufgrund wachsender Bedenken hinsichtlich Umweltänderungen durch den Treibhauseffekt, rücken unnötige Quellen von CO2-Emissionen immer stärker in den Fokus. Unerwünschte Reibung in Maschinenelementen stellt eine Form der Energieverschwendung dar, die unnötig zu CO2-Emissionen beiträgt. Präzise Berechnungsmodelle für die Reibung in Wälzlagern können Getriebekonstrukteure dabei unterstützen, reibungsoptimierte Entscheidungen zu treffen und somit Emissionen zu reduzieren. Darüber hinaus führt übermäßige Reibung zu erhöhtem Verschleiß und verkürzt die Gebrauchsdauer von Maschinenelementen und Maschinen. Auch Maschinen zur Erzeugungerneuerbarer Energien, wie beispielsweise Windenergieanlagen, deren Ausfallzeiten für den Umweltschutz vermieden oder reduziert werden müssen, sind betroffen. Damit leistet die Reibungsmodellierung von Maschinenelementen einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit. Um Reibungsmodelle präzise und umfassend auf Wälzlager anwenden zu können, werden verschiedene Hilfsmodelle für Einzelkontakte herangezogen. In dieser Arbeit werden mehrere solcher Einzelkontaktmodelle vorgestellt, die grob in die Kategorien Kontaktmechanik (sowohl Normal- als auch Tangentialkontakte) und Fluiddynamik unterteilt werden können. Es wird zudem die Optimierung dieserModelle zur Berechnung des Reibmoments in Wälzlagern beliebiger Geometrie vorgestellt Bei der praktischen Berechnung von Wälzlagern wird standardmä-ßig die Druckverteilung nach Hertz vereinfachend angenommen. Die Theorie der Hertz’schen Pressung ermöglicht die analytische Beschreibung der Druckverteilung, die aus einem konzentrierten Kontakt elastischer Körper mit glatten, gekrümmten Oberflächen resultiert. Diese Theorie beschreibt den normalen Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen in den meisten Wälzlagern präzise und stimmt gut mit FEM Ergebnissen überein. Eine wichtige Ausnahme bildet jedoch der Rollenstirn-Bord Kontakt von Kegelrollenlagern. Die lokale Geometrie des Rollenstirn-Bord-Kontakts kann variieren, wobeidie Geometriepaarung Torus-Kegel zu den gängigen Ausführungen gehört. Wir betrachten ein alternatives Koordinatensystem, das genaue Kontaktberechnungen nach Hertz für Torus-Ebene Kontakte ermöglicht und somit die Grundlage für die Analyse komplexerer geometrischer Paarungen des Torus bildet. Zwischen den Einzelkontakten von Wälzkörpern und Laufbahnenin Wälzlagern kann Oberflächenverschleiß auftreten, der mit der Reibungsleistung resultierend aus einer geometrisch bedingten Gleitbewegung zusammenhängt. Unter idealen Betriebsbedingungen erolgt diese leitbewegung mit geringer Reibung. Bei unzureichender Schmierung und somit erhöhten Reibungsbedingungen wird die geometrisch bedingte Gleitbewegung durch Reibung teilweise verhindert. Es können lokale Haftzonen entstehen, in denen die Kontaktflächen anstelle der lokalen Gleitbewegung eine tangentiale elastische Verformung erfahren. Eine vereinfachte Theorie zur Modellierung der Haft- und Gleitzonen in verschleißkritischen Kontakten wurde vorgestelltund mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) validiert. Die Anwendung dieser Theorie auf die Modellierung von Verschleißmarken wurde untersucht. In der Schmierungstheorie stellt die Elastohydrodynamik (EHD) einen Bereich der hydrodynamischen Schmierung dar, bei dem die elastische Verformung der Oberflächen signifikant ist. EHD Kontakte sind durch multiphysikalische Wechselwirkungen zwischen Fluiddynamik und Kontaktmechanik gekennzeichnet. EHD-Kontakte weisen typischerweise hohe Drücke und kleine Kontaktflächen auf, was auf die nicht-konformen Geometrien der Kontaktflächen zurückzuführen ist. Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die üblicherweise über 100 MPa liegen, werden die Verformung der Oberflächen unddas Druckviskositätsverhalten des Schmiermittels zu entscheidendenEinflussfaktoren. Die numerischen Details, die zur Analyse von EHD-Kontakten notwendig sind, wurden aufgeführt. Anschließend wurde der Einfluss von texturierten Oberflächen auf die Schmierungszustände untersucht. Zur Abschätzung der Reibung in einem gesamten Lager, das üblicherweise mehr als zehn EHD-Kontakte aufweist, werden die EHD-Bedingungen typischerweise durch vereinfachte, analytische Modelle berücksichtigt. Ein Berechnungsmodell für die Oberflächengeschwindigkeiten im Lager wurde vorgestellt, das ein Gleichgewicht der Gleitreibungskräfte betrachtet, wie sie von vereinfachten EHD-Modellen und rheologischen Fluidmodellen abgeschätzt werden können. Die Methodik wurde mithilfe der FEM am Beispiel eines Schrägkugellagersvalidiert und auf verschiedene Wälzlagergeometrien angewandt. Eineumfangreiche experimentelle Vergleichsstudie zum Wälzlagerreibmoment konnte durchgeführt werden, die nicht nur die Genauigkeit der Reibmomentberechnung unter einer Vielzahl von experimentellenBedingungen nachgewiesen hat, sondern auch die Bestimmung eineroptimierten Modellierungsstrategie ermöglicht hat.

AB - Aufgrund wachsender Bedenken hinsichtlich Umweltänderungen durch den Treibhauseffekt, rücken unnötige Quellen von CO2-Emissionen immer stärker in den Fokus. Unerwünschte Reibung in Maschinenelementen stellt eine Form der Energieverschwendung dar, die unnötig zu CO2-Emissionen beiträgt. Präzise Berechnungsmodelle für die Reibung in Wälzlagern können Getriebekonstrukteure dabei unterstützen, reibungsoptimierte Entscheidungen zu treffen und somit Emissionen zu reduzieren. Darüber hinaus führt übermäßige Reibung zu erhöhtem Verschleiß und verkürzt die Gebrauchsdauer von Maschinenelementen und Maschinen. Auch Maschinen zur Erzeugungerneuerbarer Energien, wie beispielsweise Windenergieanlagen, deren Ausfallzeiten für den Umweltschutz vermieden oder reduziert werden müssen, sind betroffen. Damit leistet die Reibungsmodellierung von Maschinenelementen einen bedeutenden Beitrag zur Nachhaltigkeit. Um Reibungsmodelle präzise und umfassend auf Wälzlager anwenden zu können, werden verschiedene Hilfsmodelle für Einzelkontakte herangezogen. In dieser Arbeit werden mehrere solcher Einzelkontaktmodelle vorgestellt, die grob in die Kategorien Kontaktmechanik (sowohl Normal- als auch Tangentialkontakte) und Fluiddynamik unterteilt werden können. Es wird zudem die Optimierung dieserModelle zur Berechnung des Reibmoments in Wälzlagern beliebiger Geometrie vorgestellt Bei der praktischen Berechnung von Wälzlagern wird standardmä-ßig die Druckverteilung nach Hertz vereinfachend angenommen. Die Theorie der Hertz’schen Pressung ermöglicht die analytische Beschreibung der Druckverteilung, die aus einem konzentrierten Kontakt elastischer Körper mit glatten, gekrümmten Oberflächen resultiert. Diese Theorie beschreibt den normalen Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen in den meisten Wälzlagern präzise und stimmt gut mit FEM Ergebnissen überein. Eine wichtige Ausnahme bildet jedoch der Rollenstirn-Bord Kontakt von Kegelrollenlagern. Die lokale Geometrie des Rollenstirn-Bord-Kontakts kann variieren, wobeidie Geometriepaarung Torus-Kegel zu den gängigen Ausführungen gehört. Wir betrachten ein alternatives Koordinatensystem, das genaue Kontaktberechnungen nach Hertz für Torus-Ebene Kontakte ermöglicht und somit die Grundlage für die Analyse komplexerer geometrischer Paarungen des Torus bildet. Zwischen den Einzelkontakten von Wälzkörpern und Laufbahnenin Wälzlagern kann Oberflächenverschleiß auftreten, der mit der Reibungsleistung resultierend aus einer geometrisch bedingten Gleitbewegung zusammenhängt. Unter idealen Betriebsbedingungen erolgt diese leitbewegung mit geringer Reibung. Bei unzureichender Schmierung und somit erhöhten Reibungsbedingungen wird die geometrisch bedingte Gleitbewegung durch Reibung teilweise verhindert. Es können lokale Haftzonen entstehen, in denen die Kontaktflächen anstelle der lokalen Gleitbewegung eine tangentiale elastische Verformung erfahren. Eine vereinfachte Theorie zur Modellierung der Haft- und Gleitzonen in verschleißkritischen Kontakten wurde vorgestelltund mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) validiert. Die Anwendung dieser Theorie auf die Modellierung von Verschleißmarken wurde untersucht. In der Schmierungstheorie stellt die Elastohydrodynamik (EHD) einen Bereich der hydrodynamischen Schmierung dar, bei dem die elastische Verformung der Oberflächen signifikant ist. EHD Kontakte sind durch multiphysikalische Wechselwirkungen zwischen Fluiddynamik und Kontaktmechanik gekennzeichnet. EHD-Kontakte weisen typischerweise hohe Drücke und kleine Kontaktflächen auf, was auf die nicht-konformen Geometrien der Kontaktflächen zurückzuführen ist. Aufgrund der hohen Kontaktdrücke, die üblicherweise über 100 MPa liegen, werden die Verformung der Oberflächen unddas Druckviskositätsverhalten des Schmiermittels zu entscheidendenEinflussfaktoren. Die numerischen Details, die zur Analyse von EHD-Kontakten notwendig sind, wurden aufgeführt. Anschließend wurde der Einfluss von texturierten Oberflächen auf die Schmierungszustände untersucht. Zur Abschätzung der Reibung in einem gesamten Lager, das üblicherweise mehr als zehn EHD-Kontakte aufweist, werden die EHD-Bedingungen typischerweise durch vereinfachte, analytische Modelle berücksichtigt. Ein Berechnungsmodell für die Oberflächengeschwindigkeiten im Lager wurde vorgestellt, das ein Gleichgewicht der Gleitreibungskräfte betrachtet, wie sie von vereinfachten EHD-Modellen und rheologischen Fluidmodellen abgeschätzt werden können. Die Methodik wurde mithilfe der FEM am Beispiel eines Schrägkugellagersvalidiert und auf verschiedene Wälzlagergeometrien angewandt. Eineumfangreiche experimentelle Vergleichsstudie zum Wälzlagerreibmoment konnte durchgeführt werden, die nicht nur die Genauigkeit der Reibmomentberechnung unter einer Vielzahl von experimentellenBedingungen nachgewiesen hat, sondern auch die Bestimmung eineroptimierten Modellierungsstrategie ermöglicht hat.

U2 - 10.15488/18504

DO - 10.15488/18504

M3 - Doctoral thesis

CY - Hannover

ER -