O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED
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Koordinatensystem im ebenen Spalt
Umsetzung der Flachspaltgeometrie
Zur Reduktion der Entwicklungszeit von CR-Pumpen für derartige
Einspritzsysteme werden bereits in frühen Entwicklungsphasen
verstärkt rechnergestützte Simulationsverfahren eingesetzt. Die
Simulation bietet die Möglichkeit, das Systemverständnis zu
erhöhen und so Optimierungspotentiale bzw. Schwachstellen
frühzeitig zu identifizieren. Zusätzlich erfolgt die Simulationsrechnung
von Prüfständen für Hochdruckpumpensysteme mit
dem Ziel, die verwendeten Modelle zu validieren und Verständnis
für den realen Verdichtungsprozess gewinnen zu können. Durch
diese Vorgehensweise kann die Anzahl an kostspieligen und aufwändigen
Prüfstandversuchen minimiert werden. Entscheidend
für die Aussagesicherheit der Simulationsmodelle ist hierbei, dass
die Auswirkungen konstruktiver und werkstofftechnischer
Einflüsse ebenso berücksichtigt werden, wie systembedingte
Wechselwirkungen im Lastübertragungsverhalten von Komponenten
sowie deren Auswirkung auf Beanspruchung, Lebensdauer
und Zuverlässigkeit. Die Interaktion zwischen den beteiligten
Reibpartnern muss beim simulativen Ansatz durch ein Mehrkörpermodell
mit thermoelastohydrodynamischer Wechselwirkung
(TEHD) abgebildet werden.
Die detaillierte Untersuchung des Tribokontakts zwischen
Kolben und Buchse sowie die Erstellung einer validierten
TEHD-Methodik wird im Rahmen des Projekts zunächst mit einem
abstrahierten Experiment an einem Prüfstand realisiert.
3 ANALYSE DES TRIBOSYSTEMS
Da der Tribokontakt Kolben-Buchse einer komplexen Mehrkörperwechselwirkung
unterliegt, wird im Vorfeld der Untersuchungen
festgelegt, dass der Kontakt zunächst in einer abstrahierten Form
untersucht wird. Dazu wird sich der tribologischen Prüfkette nach
Czichos bedient /Czi15/. Vorteile dieser Vorgehensweise sind zum
einen die bessere Zugänglichkeit des Tribokontakts für Messungen
von physikalischen Größen im Schmierfilm. Zum anderen kann die
Untersuchung in simplerer und schnellerer Art und Weise durchgeführt
werden. Demgegenüber kann die Qualität der Übertragbarkeit
der Ergebnisse zwischen den Abstraktionsebenen mit zunehmender
Vereinfachung sinken.
Zunächst werden zwei Möglichkeiten der Abstraktion betrachtet.
Zum einen ist die Realisierung des abstrahierten Experiments in
Form eines unbewegten Radialspalts, als Anlehnung an die reale
Anwendung, möglich, zum anderen die Abwicklung des Radialspalts
als Flachspalt. Das primäre Ziel der Abstraktion ist eine Relativbewegung
im Tribokontakt zu vermeiden. Somit wird mit einer
rein druckgetriebenen Strömung die Isolation einzelner tribologischer
Effekte begünstigt und die Interpretation der Messergebnisse
vereinfacht. Zudem ist die Herstellung eines ebenen Spalts erst
durch das Fehlen einer Relativbewegung und der sonst möglichen
Winkel- und Exzentrizitätsfehler möglich. Im Falle eines unbewegten
Radialspalts kann eine gleichmäßige Spalthöhe durch exakt konzentrische
Anordnung zweier zylindrischer Körper erreicht werden.
Die Reproduzierbarkeit ist somit nicht ausreichend sichergestellt.
Die prinzipielle Vorgehensweise zur Abstraktion im vorgestellten
Prüfstand besteht aus der Übertragung der Geometrie und der
Vermeidung von relativ zueinander bewegten Oberflächen zur Vereinfachung
der Messung tribologischer Größen. Dafür wird der für
den Kolben-Buchse-Kontakt typische Ringspalt zu einem Flachspalt
mit einer Höhe von 6 µm abgewickelt. Für den Fall eines Mikroflachspalts
stehen fertigungstechnische Möglichkeiten in Form von
Schleif- und Laserbearbeitung zur Verfügung, die sicherstellen
können, dass die geometrischen Randbedingungen eingehalten
werden. Somit kann eine gute Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse
erwartet werden und es wird eine konstruktive Lösung in
Form des abstrahierten Flachspalts gewählt. Am Eingang des Spalts
kann der zu untersuchende Parameter in Form des Raildrucks eingestellt
werden. Entlang des Mikroflachspalts entsteht somit ein Druckgefälle
bis hin zum Ausgang, an welchem Umgebungsdruck herrscht.
Da die primäre Aufgabe des Spaltprüfstands die Untersuchung
grundlegender Effekte in einer hochbelasteten Spaltdichtung ist,
müssen die zu messenden physikalischen Größen festgelegt werden.
Zur Diskussion einer Strömung, welche in einer definierten
Flachgeometrie vorherrscht, müssen die Navier-Stokes-Gleichungen
betrachtet werden. Diese Gleichungen beschreiben in ihrer allgemeinsten
Form den Zustand eines beliebigen Fluides und setzen
sich aus der Erhaltung von Impuls, Masse und Energie zusammen.
Die folgenden Gleichungen beziehen sich auf die Notation im
Kontrollvolumen, welches in Bild 02 für den ebenen Fall dargestellt
ist. Dabei wird ein Koordinatensystem eingeführt, das die
Geschwindigkeiten u, v und w in positive x-, y- und z-Richtung
definiert. Die z-Achse verläuft in Richtung der Spalthöhe. Das
charakteristische Druckgefälle wirkt in x-Richtung.
Für eine kompressible Strömung mit beliebiger Dichte- und Viskositätsfunktion
p und η sowie der Volumenkraft f m,x,
ergibt sich
nach Bartel die Differentialgleichung des Impulstransports in
x-Richtung, siehe Gl. 01 /Bar10/. Analog dazu kann der Impulstransport
in y- und z-Richtung angegeben werden, worauf an
dieser Stelle verzichtet wird.
Für die Masse wird folgende Erhaltungsgleichung herangezogen
(Gl. 02) /Bar10/:
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