Vertiefte Studie der Mikroströmung in tribologischen Systemen mit porösen Kontakten am Beispiel selbstschmierender Gleitlager

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuartiger und vollständiger Ansatz präsentiert, der unter anderem, die Beschreibung von Kavitation in hydrodynamisch laufenden Sintergleitlagern ermöglicht. Das massenerhaltende Modell koppelt die Reynoldsgleichung für den Schmierfilm mit dem Gesetz von Darcy für den Materialtransport durch den porösen Werkstoff. Das resultierende Gleichungssystem wird mittels finiter Differenzen diskretisiert und unter Ausnutzung einer künstlichen Druck-Dichte Beziehung iterativ gelöst. Weiters wird eine umfangreiche numerische Analyse durchgeführt, in der die Hauptparameter über einen großen Wertebereich variiert werden. Es wird beobachtet, dass die Fluidsättigung im Punkt der Wiederbildung des Schmierfilms eine Diskontinuität aufweist, die unabhängig von der Normallast auftritt. Um die Anwendbarkeitsgrenzen des Ansatzes auszuloten, werden auch Extremfälle von sehr niedrigen und hohen Lagerlasten sowie kurzen/langen und hochporösen/(beinahe) massiven Lagern untersucht. Konvergierte Lösungen ergeben sich für relative Exzentrizitäten von bis zu 0, 9, wobei um diesen Wert interessanterweise für den Fall eines sehr permeabeln Lagersitzes die Reibzahl ansteigt, entgegen der sonstigen Tendenz zu deren Abnahme. Schließlich werden die aus den Simulationen erhaltenen Ergebnisse mit experimentellen Messungen an industriell gefertigten Lagern verglichen. Dazu war die Implementierung eines präzisen Interpolationsschemas notwendig, mit dem aus der im Realsystem aufgebrachten Last schon im Vorhinein die relative Exzentrizität ermittelt werden kann. Die numerisch berechneten Werte für die Reibzahl spiegeln den Trend der experimentell bestimmten qualitativ sehr gut wieder, wobei erstere jedoch vorwiegend unter den gemessenen liegen.

A new and comprehensive approach for describing, amongst others, cavitation in porous journal bearings operating under the regime of hydrodynamic lubrication is presented. The mass-conservative model couples the Reynolds equation for the fluid film with the Darcy's law for flow through porous media. The resulting system of equations is discretized using finite differences and solved iteratively by introducing an advantageous artificial pressure-density relation. An extensive numerical analysis where the governing parameters are varied along a wide range of values is carried out. It is found that at the point of film reformation the fluid saturation will exhibit a discontinuity, which does not depend on the applied load. In order to determine the limits of applicability of this approach, specific investigations aim at evaluating the extreme cases of relatively low and high bearing loads and very long/short as well as highly porous/(almost) massive bearings. Converged solutions are obtained for values of the eccentricity ratio of up to 0.9, and, interestingly, for the case of a very permeable seat the friction coefficient is seen to increase around this value, in contrast with the otherwise seen decreasing trend. Finally, the results obtained by simulations are compared with measurements performed on real-life bearings. This was achieved by an accurate interpolation scheme, which was able to predict the eccentricity ratio corresponding to the experimentally imposed load. The numerically calculated values of the friction coefficient are found to reproduce the experimentally obtained ones satisfactorily well in terms of overall trends, yet the former lie predominantly below the measured ones.