Kooperationsprojekt abgeschlossen: Tribologische Fluidmodelle für Antriebsstrang­komponenten

Unter dem Titel "Tribologische Fluidmodelle II - Tribologische Fluidmodelle für Antriebsstrangkomponenten" hat die FVV Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V. den Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben 19427 BG vorgelegt. Bei dem vom BMWi geförderten Forschungsvorhaben handelt es sich um ein Projekt, dass die DGMK als kooperierende Forschungsvereinigung begleitet hat.

Kurzfassung mit freundlicher Genehmigung der FVV

Zur Effizienzsteigerung geschmierter tribologischer Systeme werden enorme Anstrengungen unternommen, die Reibungsverluste zu minimieren. Für einen erfolgreichen Produktentwicklungsprozess sind numerische Kontakt- und Reibungssimulationen ein wichtiges Werkzeug geworden. Neben vielen Aspekten spielt die Modellierung des Schmierstoffs, insbesondere der Viskosität, für valide Berechnungsergebnisse eine zentrale Rolle. Hierfür ist es erforderlich, die teils komplexen Abhängigkeiten von Temperatur, Druck und Scherrate bei extremen Bedingungen durch geeignete Modellgleichungen zu beschreiben und die erforderlichen Kennwerte auf Basis von Messungen zu ermitteln. Das Forschungsprojekt baute auf den Erkenntnissen des Projekts "FVV 1138 Tribologische Fluidmodelle für Nebenantriebsaggregate in Hybrid- und Elektrofahrzeugen" auf und fokussierte bisher nicht betrachtete Fragestellungen. Gegenstand der Untersuchungen waren insbesondere die Auswirkungen des elastischen Verhaltens des Fluids bzw. des Gesamtsystems auf das Traktionsverhalten konzentrierter Kontakte. Hierfür wurde eine Berechnungssoftware auf Grundlage der Reynolds’schen Differentialgleichung (DGL) um ein elastisches Fluidmodell erweitert. Weiterhin wurde auf einem Rheometer eine mögliche Zeitabhängigkeit der Viskosität untersucht.
Im Projekt wurde ein Workflow erarbeitet, wie für ein gegebenes Fluid ein vollumfängliches Modell abgeleitet werden kann. Dieser wurde auf 4 Praxisöle sowie 2 Reinstsubstanzen angewendet. Grundlage bildeten hierfür Messungen der thermophysikalischen Fluideigen-schaften auf Hochdruckrheometern. Diese Messdaten wurden mit verschiedenen Inter-polationsgleichungen zur Verwendung in numerischen Berechnungsprogrammen angenähert. Da rheometrischen Fluiduntersuchungen aufgrund der in konzentrierten Kontakten auftreten-den extremen Drücke messtechnische Grenzen gesetzt sind, wurden zusätzlich auf einem Zweischeibenprüfstand und einem Ring-Wälzkörper-Ring-Tribometer Traktionsmessungen durchgeführt. Der Reibwert, als integrale Messgröße, bildete zum einen die Grundlage zur Validierung der numerischen Simulationen bzw. der Modelliergenauigkeit des Fluidverhaltens, zum anderen konnten direkt erste Abschätzungen von weiteren Parametern des Fluidmodells erfolgen. Nicht bestimmbare Modellkonstanten mussten schließlich aus einem iterativen Ab-gleich von Versuch und Simulation ermittelt werden. Um diesen Vorgang zu unterstützen, wurde eine vereinfachte Parameteridentifikationsmethode entwickelt. Insgesamt konnten für alle Fluide ganzheitliche Modelle abgeleitet werden, mit welchen für die untersuchten Betriebs-punkte sehr gute Übereinstimmungen von Versuch und Simulation erzielt werden können.
Um nachzuweisen, dass die neuen Fluidmodelle auch in kommerzieller Software angewendet werden können, wurde zudem ein CFD-Simulationsmodell mit der Software ANSYS Fluent 17.1 aufgebaut. Die Validierung des Modells erfolgte zum einen durch Vergleich mit der Lösung der Reynolds’schen DGL, zum anderen wurde die Schmierspalthöhe mit Messungen an einem EHD-Tribometer verglichen. Zwischen den beiden Berechnungsansätzen und den Messungen konnten sehr gute Übereinstimmungen erzielt werden.
Um zukunftsträchtige Validierungsmöglichkeiten von Kontaktsimulationsansätzen zu erarbeiten, wurden im Projekt weiterhin thermographische Messungen am Zweischeibenprüfstand sowie Grundlagenversuche zur direkten Viskositätsbestimmung im Kontakt durch laserinduzierte Fluoreszenzviskosimetrie durchgeführt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

Quelle:
FVV FINAL REPORT
1227 | 2020 – Frankfurt am Main
Tribologische Fluidmodelle II
Tribologische Fluidmodelle für Antriebsstrangkomponenten

Der Abschlussbericht ist erhältlich bei Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.
www.fvv-net.de

Forschungsvereinigungen

FVV Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V. (Federführung)

FVA Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.

DGMK Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V.