Unsteady Numerical Simulation of the Pressure Distribution in a Ball-on-Disc Tribometer = Instationäre numerische Simulation der Druckverteilung in einem Kugel-Scheibe Tribometer

Die Schmierung von Oberflächen, welche sich in Relativbewegung befinden, ist sehr wichtig, um unnötige Energieverluste wegen Reibung zu vermeiden. Das gezielte Einbringen von Oberflächentexturen ist die Verringerung des Reibungsverlusts und die Erhöhung der Belastungskapazität. Der Mangel an allgemeingültigen Aussagen und widersprüchlichen Erkenntnisse aus der Literatur sind die Hauptherausforderungen für eine weitverbreitete Nutzung von Oberflächentexturen. Kugel-Scheibe Tribometer werden benutzt, um die Eigenschaften von realen Reibkontakten in einem Labor zu voraussagen. ... mehrDiese Bachelorarbeit baut auf der Arbeit von Erik Hansen auf, die ein solches Kugel-Scheibe Tribometer in stationären Zuständen simuliert, um es für instationäre Effekte zu erweitern. Bei den Simulationen wird eine Mikrotextur in die Kugeloberfläche eingesetzt und der Algorithmus entsprechend angepasst. Das Ziel dieser Arbeit ist die Validierung der numerischen Vorhersagen durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen von Literatur. Die verwendeten Gleichungen werden hergeleitet und erläutert. Die numerischen Ansätze und die Funktionsprinzipien der verwendeten Algorithmen werden detailliert beschrieben. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und experimentellen Daten aus der Literatur gefunden. Das Gesamtverhalten des neuen Solvers wird ebenfalls untersucht. Es werden Simulationen mit unterschiedlichen räumlichen Gittergrößen mit proportional skalierten Zeitschritten und konstanten Gittergrößen mit wechselnden Zeitschrittgrößen durchgefuhrt und analysiert. Es zeigt sich, dass gröbere Gitter großen Abweichungen von den experimentellen Ergebnissen entsprechen, die untersuchten feinsten Gitter aber mit langen Rechenzeiten und großem Rechenaufwand verbunden waren, so dass je nach Anforderung ein Kompromiss getroffen werden muss.

Lubrication of surfaces in relative motion is essential to avoid unnecessary energy losses due to friction. Surface texturing is a promising way of achieving desirable properties of lubricated contacts such as decreased friction and increased load carrying capacity. The lack of general statements and contradictory findings are the main challenges for widespread use of surface texturing. Ball-on-disc tribometers are used to predict properties of real contacts in a laboratory setting. This thesis builds upon the work of Erik Hansen that simulates such a tribometer in steady conditions to extend it to include transient effects and a micro-texture on the ball surface. ... mehrThe aim of this work is to validate the numerical predictions by comparing them to experimental results. The used equations are derived and explained. The numerical approaches and the working principles of the utilized algorithms are detailed. A good agreement between the simulation results and the experimental data from the literature is found. The overall behaviour of the new solver is also investigated. Simulations with varying spatial grid sizes with proportionally scaled time steps and constant grid sizes with changing time step magnitudes are carried out and analysed. It is found that coarser grids correspond to large deviations from experimental results but the finest grids investigated were associated with long computation times, so a compromise must be made depending on the requirements.