Bestimmung der tatsächlichen Kontaktfläche durch den lastabhängigen elektrischen Kontaktwiderstand

Abstract

Due to a certain surface roughness, common machine parts touch only over a fraction of their nominal contact area. This considerably affects several physical and technical properties, such as thermal and electrical contact resistance, or tribological performance. In the present work a novel, combined experimental–numerical approach, to determine the real contact area from load-dependent electrical resistance data is proposed and verified. Load-dependent electrical resistance is investigated experimentally, using a self-constructed test rig. Experimental data is qualified by model description, taking measurement uncertainties into account. Subsequently, topographical analysis is carried out on surfaces of the contact partners. Two complementary numerical methods are applied to calculate real contact area ex-situ. One is based on the Boundary Element Method (BEM) and considers combined topographies from metrology. By contrast, the contact model of Greenwood and Williamson (GW–model) relies on a statistical description of the combined rough surfaces. Numerically obtained contact areas are validated by calculating the associated electrical contact resistance, which is compared with experimental data. Finally, topographical parameters of the GW–model are optimized using a self-developed chi-square minimization scheme, to describe the experimentally obtained load-dependent contact resistance. The original assumptions of Greenwood and Williamson are extended by one, namely that the nominal contact area is fully covered by asperities. Due to this, it is possible to identify the parameters of the GW–model in a unique way, and to determine the real contact area directly from electrical resistance data. Results are in good agreement with those considering experimentally determined topographical data.

Oberflächen weisen eine gewisse Rauheit auf, wodurch sich Maschinenteile gewöhnlich nur über einen Bruchteil ihrer nominellen Kontaktfläche berühren. Dies beeinflusst zahlreiche physikalische und technische Eigenschaften, wie zum Beispiel den thermischen und elektrischen Übergangswiderstand oder das tribologische Verhalten, maßgeblich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger, experimenteller–numerischer Ansatz vorgeschlagen und verifiziert, um die reale Kontaktfläche aus lastabhängigen elektrischen Widerstandsdaten zu bestimmen. Der lastabhängige elektrische Widerstand wurde experimentell mit einem eigens dafür konstruierten Prüfstand untersucht. Experimentelle Daten wurden durch Modellbeschreibung unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten beurteilt. Anschließend wurden die Oberflächen der Kontaktpartner topographisch charakterisiert. Zur ex-situ Berechnung der realen Kontaktflächen wurden zwei komplementäre numerische Methoden angewendet. Die eine basiert auf der Randelementemethode (BEM) und berücksichtigt gemessene Topographien, wogegen die zweite gemäß dem Modell von Greenwood und Williamson (GW–Modell) auf einer statistischen Beschreibung der Oberflächen beruht. Numerisch ermittelte Kontaktflächen wurden durch die Berechnung des damit verbundenen Kontaktwiderstandes und anschließendem Vergleich mit experimentellen Daten validiert. Schließlich wurden die topographiebezogenen Parameter des Greenwood–Williamson Modells in einem eigens dafür entwickelten chi-Quadrat Minimierungsverfahren so bestimmt, dass sie den experimentell ermittelten lastabhängigen Übergangswiderstand wiederspiegeln. Die ursprünglichen Annahmen von Greenwood und Williamson wurden durch eine erweitert, nämlich dass die gesamte nominelle Kontaktfläche von Rauheitsspitzen bedeckt ist. Dadurch ist es möglich die Parameter des GW–Modells eindeutig zu identifizieren und die reale Kontaktfläche direkt aus den elektrischen Widerstandsdaten zu ermitteln. Die Ergebnisse stimmen mit denen, die Topographiedaten aus Messungen berücksichtigen gut überein.