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Elastohydrodynamik pneumatischer Dichtsysteme = Elastohydrodynamics of pneumatic sealing systems
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-07
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01191
DOI: 10.2370/9783844098778
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1003655/files/1003655.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dichtung (frei) ; Elastohydrodynamik (frei) ; Pneumatik (frei) ; Reibung (frei) ; Simulation (frei) ; Tribologie (frei) ; elastohydrodynamics (frei) ; friction (frei) ; pneumatics (frei) ; seal (frei) ; simulation (frei) ; tribology (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Dichtungen sind unverzichtbarer Bestandteil fluidtechnischer Komponenten, da sie den funktionsrelevanten Druckaufbau sicherstellen. Bei dynamischen Dichtungen tritt während des Betriebs Reibung auf, die sich negativ auf das Systemverhalten auswirken kann. Insbesondere in Ventilen können bereits geringe Reibkräfte einen starken Einfluss auf die Dynamik des Ventils und somit der nachgeschalteten Komponenten nehmen. Obwohl Pneumatiksysteme bereits seit vielen Jahrzehnten industriell eingesetzt werden, ist das Reibverhalten pneumatischer Dichtkontakte bis heute noch nicht vollständig verstanden. Für hydraulische Dichtkontakte hat sich bereits seit dem Beginn des einundzwanzigsten Jahrhunderts die Modellierung mittels Elastohydrodynamik-Simulationen (EHD) etabliert. Jedoch ist keines der existierenden EHD-Simulationsmodelle für translatorische Dichtkontakte imstande, die in Pneumatikventilen auftretenden Effekte zu modellieren. Ziel dieser Arbeit ist die Beantwortung der Forschungsfrage, inwieweit sich das Reibungsverhalten translatorischer pneumatischer Dichtkontakte mittels elastohydrodynamischer Simulationen beschreiben lässt. Zur Beantwortung der Forschungsfrage wurde ein EHD-Simulationsmodell zur Beschreibung pneumatischer Dichtkontakte aufgebaut und zur Modellierung eines exemplarischen Dichtkontakts in einem Pneumatikventil verwendet. Aus der gemessenen Oberflächentopographie sind Kennfelder zur Beschreibung des Festkörperkontakts sowie des Einflusses der Oberfläche auf die Hydrodynamik abgeleitet. Basierend auf gemessenen Eigenschaften des Schmierfettes sind zwei nicht newtonsche Schmierstoffmodelle parametriert und in das Simulationsmodell integriert. Zur Erfassung der endlichen Schmierfilmhöhe in pneumatischen Dichtkontakten dient ein Mangelschmierungsmodell auf Basis des Jakobsson- Floberg-Olsson-Kavitationsmodells. Der Druckaufbau an beiden Seiten der Dichtung ist mithilfe eines vereinfachten konzentriert parametrischen Systemmodells abgebildet und mit der EHD-Berechnung gekoppelt. Zur Evaluierung des Modells wurden die Simulationsergebnisse mit an einem Partnerinstitut experimentell gemessenen Reibkräften verglichen. Der in dieser Arbeit entwickelte Simulationsansatz ist imstande, das komplexe transiente Reibkraftverhalten in pneumatischen Dichtkontakten zu beschreiben. Da keine Messdaten zur Parametrierung oder Validierung des Mangelschmierungsmodells vorliegen, besteht hier weiterer Forschungsbedarf. Dennoch lässt sich zur Beantwortung der Forschungsfrage festhalten, dass EHDSimulationen ein grundsätzlich geeignetes Werkzeug zur Beschreibung pneumatischer Dichtkontakte sind.Seals are an indispensable part of fluid power components, as they ensure the pressure build-up relevant to their function. With dynamic seals, friction occurs during operation, which can have a negative effect on the system behavior. In valves in particular, even small friction forces can have a strong influence on the dynamics of the valve and therefore the downstream components. Although pneumatic systems have been used industrially for many decades, the frictiol behavior of pneumatic sealing contacts is still not fully understood. For hydraulic sealing contacts, modeling using elastohydrodynamic lubrication (EHL) simulations has been established since the beginning of the twenty-first century. However, none of the existing EHL simulation models for reciprocating sealing contacts is capable of modeling the effects that occur in pneumatic valves. The aim of this work is to answer the research question to what extent the friction behavior of reciprocating pneumatic sealing contacts can be described using elastohydrodynamic simulations? To answer the research question, an EHL simulation model was set up to describe pneumatic sealing contacts. It was used to model an exemplary sealing contact in a pneumatic valve. From the measured surface topography, maps were derived to describe the solid contact and the influence of the surface on the hydrodynamics. Based on measured grease properties, two non-Newtonian lubricant models are parameterized and integrated into the simulation model. A starved lubrication model based on the Jakobsson-Floberg-Olsson model is used to determine the finite lubricant film height in pneumatic sealing contacts. The pressure build-up on both sides of the seal is accounted for using a simplified lumped parameter system model and coupled with the EHL calculation. To evaluate the model, the simulation results were compared with friction forces measured experimentally at a partner institute. The simulation approach developed in this work is capable of describing the complex transient friction behavior in pneumatic sealing contacts. Since no measurement data is available for parameterizing or validating the starved lubrication model, further research is required in this area. Nevertheless, to answer the research question, it can be stated that EHL simulations are a suitable tool for describing pneumatic sealing contacts.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030965107
Interne Identnummern
RWTH-2025-01191
Datensatz-ID: 1003655
Beteiligte Länder
Germany
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