Ein numerischer Ansatz zur skalenübergreifenden Übertragung von Parametern für die Beschreibung von Reibungseigenschaften in Lager- und Friktionssystemen = A numerical approach for the scale transfer of parameters for the description of friction properties in bearing and friction systems

Produktentwicklungsprozesse werden heutzutage mithilfe von virtuellen Simulationen vorangetrieben, um Konzeptbewertungen bereits frühzeitig in Entwicklungsprozessen zu unterstützen, ohne aufwändige Prototypen fertigen zu müssen. Zur virtuellen Abbildung eines Systems werden jedoch ein Berechnungsansatz und ein Modell benötigt, die ein/-e Ingenieur/-in auswählen, entwickeln und/oder aufbauen muss. Da ein Simulationsmodell grundsätzlich zu validieren ist oder Versuche zur Bereitstellung von Materialdaten notwendig sind, kann auf Experimente aber nicht vollständig verzichtet werden.
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Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung skalenübergreifender numerischer Simulatonsmethoden für den Einsatz bei der Weiterentwicklung von Axialkugellagern und Kraftfahrzeug-Scheibenbremsen. Dafür werden gekoppelte Simulationsmethoden vorgestellt und darüberhinaus die Ergebnisse der zugehörigen Versuche auf physischen Prüfumgebungen präsentiert.
Die Simulationen werden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Mehrkörpersimulation (MKS) durchgeführt. Damit werden die beiden tribologischen Systeme Axialkugellager und Scheibenbremse skalenübergreifend abgebildet, d. h. sowohl Einflüsse der Mikroebene als auch der Makroebene berücksichtigt. Eine Einflussgröße der Mikroebene ist bspw. die Oberflächenrauheit, die mit der gezeigten Methode in Finite-Elemente-Modelle übertragen wird.
Im Bereich der Lagersysteme wird Graphit als Schmiermittel für Axialkugellager untersucht und ein initialer Berechnungsansatz vorgestellt, der sich zur Übertragung der Reibungseigenschaften eines Kugel-Ring-Kontakts auf das gesamte Lager eignet. Es finden Untersuchungen auf einer systematisch weiterentwickelten Prüfumgebung statt. Die Ergebnisse zeigen die in graphitgeschmierten Axialkugellagern zu erwartenden Reibungszahlen und lassen Rückschlüsse auf die Randbedingungen für den Einsatz graphitgeschmierter Axialkugellager zu.
Eine Methode zur Übertragung realer Oberflächen in FE-Simulationen wird genutzt, um die rauen Oberflächen eines Bremssystems computergestützt abzubilden und Parameter zu bestimmen, die ein Kraftfahrzeug-Scheibenbremssystem zum Schwingen anregen und schlussendlich zu Bremsenquietschen führen können. Abschließend werden die Ergebnisse des Abgleichs zwischen Simulation und physischen Prüfstandsuntersuchungen vorgestellt.
Das erste Ergebnisse der Arbeit ist eine Methode zur Übertragung realer Oberflächen in FE-Simulationen. Ein weiteres Ergebnis sind die für graphitgeschmierte Axialkugellager zu erwartenden Reibungszahlen und ein initialer Berechnungsansatz für Graphitreibung in ebendiesen. Das Ergebnis der letzten Forschungsfrage ist ein computergestütztes Untersuchungsvorgehen zur skalenübergreifenden Analyse von Schwingungen in einem Scheibenbremssystem.

In product engineering processes virtual simulations are used to support concept evaluations in early phases without needing expensive prototypes. However, the virtual representation of a system requires a computational approach and a model, which an engineer must select, develop and/or build. Since a simulation model need to be validated or tests are required to provide material data, experiments cannot be completely dispensed with.
The aim of the work is the development of cross-scale numerical simulation methods for use in developing axial ball bearings and automotive disk brakes. ... mehrFor this purpose, coupled simulation methods are presented and the results of the associated tests on physical test environments are presented.
The simulations are carried out using the finite element method (FEM) and multi-body simulation. This means that the two tribological systems axial ball bearings and disk brakes are depicted across scales, i.e. both micro-level and macro-level influences are taken into account. One influencing variable of the micro level is, for example, the surface roughness, which is transferred to finite element models using the presented method.
In bearing systems, graphite is investigated as a lubricant for axial ball bearings and an initial computation approach is presented, which is suitable for transferring the frictional properties of a ball-ring contact to the entire bearing. Investigations are carried out in a systematically developed test environment. The results show the coefficients of friction, which can be expected in graphite-lubricated axial ball bearings and allow conclusions to be drawn about the boundary conditions for the use of graphite as a lubricant in axial ball bearings.
A method for transferring real surfaces into FE simulations is used to depict the rough surfaces of a brake system and to determine parameters that can cause a vehicle disc brake system to vibrate and ultimately lead to brake squeal. Finally, the results of the comparison between simulation and physical test bench investigations are presented.
The first result of the work is a method for transferring real surfaces into FE simulations. A further result is the friction coefficients to be expected for graphite-lubricated axial ball bearings and an initial computation approach for graphite friction in these bearings. The result of the last research question is a computer-aided investigation procedure for the cross-scale analysis of vibrations in a disc brake system.