Simulation von Stick-Slip-Effekten an einem elastischen Dichtringmodell im Mehrkörpersystem

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Stick-Slip-Neigung eines Radialwellendichtrings in der Bauart der Doppellippendichtung am Anwendungsbeispiel der Abdichtung der Kühlmittelpumpe im Fahrzeug untersucht. Luftschallmessungen an einem Rheometer und am Fahrzeug, sowie Highspeed-Messungen der Stick-Slip-Schwingung mit nachgeschalteter Auswertung der Schwingamplituden mittels Kreuzkorrelation zeigen komplexe Schwingphänomene am Dichtring, welche sich teilweise nicht mit bestehenden Grundaussagen und Beobachtungen zu Stick-Slip erklären lassen. Um die Stick-Slip-Neigung an der Originalgeometrie bei gleichzeitig großer Bandbreite von dynamischen Einflussfaktoren untersuchen zu können, wird im Rahmen der Arbeit ein Ansatz zur Simulation von Stick-Slip-Effekten untersucht, wonach ein Mehrkörpersimulations-Modell mit einem modal reduzierten 3D-FE-Modell des gesamten Dichtrings vorgestellt wird. Durch geeignete Wahl der Hauptfreiheitsgrade und die Anwendung analytischer Kontaktberechnung anhand einfacher Geometrien im MKS-Programm ADAMS/Engine, können recheneffizient umfangreiche Parameterstudien zu Einflüssen aus Drehzahl, Beschleunigung, Wellenschwingung, Kühlmitteldruck und Reibverhältnissen in unterschiedlichen Bereichen des Dichtrings durchgeführt werden. Die Simulationen am Modell zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Messungen und können zudem die Abweichungen der gemessenen Stick-Slip-Phänomene zu den aus der Literatur bekannten Beobachtungen erklären. So wird das MKS-Modell dazu genutzt, sinkende oder konstante Stick-Slip-Frequenzen mit steigender Drehzahl, gleichzeitig auftretende, lokal unterschiedliche Stick-Slip-Schwingformen an ein und demselben Bauteil, sowie stark variierende Stick-Slip-Frequenzen mit Frequenzsprüngen in aufeinanderfolgenden Prüfläufen bei augenscheinlich gleichen Randbedingungen zu erklären. Auch werden Sprünge im Antriebsmoment gemessen und simuliert, wenn eine Stick-Slip-Schwingung am Dichtring ein- oder aussetzt, oder es zu einem Frequenzsprung kommt. Anhand des Modells wird verdeutlicht, dass die beschriebenen Phänomene aus einer Kombination aus Struktur- und Reibungseinflüssen, sowie dynamischen Einflussgrößen resultieren, welche ohne Einbeziehung der Geometrie, der linear-elastischen Materialeigenschaften und der kinematischen Randbedingungen im Modell nicht simuliert werden könnten.

In the present paper the stick-slip effects of a radial shaft seal, which is mounted in a cooling pump, are observed. The cooling pump, in which the double lip seal is located, is mounted in a vehicle. Airborne acoustic measurements at a rheometer and at a vehicle as well as analysis of oscillation amplitudes of the sealing lip utilizing the cross-correlation lead to the conclusion that complex vibrations occur, which cannot be explained with existing observations on stick-slip. In order to observe stick-slip effects at the original geometry and at the presence of influencing dynamic factors, a multi-body simulation model is being presented, which contains a reduced 3D finite elements model of the entire seal. By suitable selection of degrees of freedom and the usage of contact calculations of simple geometries as provided in the software ADAMS/Engine, various parametric studies according influences from rotational speed, acceleration, coolant pressure, shaft vibrations and frictional conditions in different locations of the sealing lip are carried out. The simulation results are in good agreement with the measurements and help understand the differences in comparison with existing observations. Therefore the model is being used to explain decreasing or constant stick-slip frequencies with increasing sliding speed. Also locally different deflection shaped in the sealing lip, jumps in stick-slip frequency and differences in test runs under obvious same testing conditions can be explained by the simulations. Additionally jumps in the frictional torque are being measured and simulated when stick-slip starts, ends or a jump in the stick-slip-frequency occurs. The simulation results clearly indicate that measured phenomena result from a combination of structural influences of the sealing geometry, dynamic influences of the shaft and frictional conditions at the sealing lip. It appears that the mentioned stick-slip effects could not be simulated without the consideration of these influence factors. Therefore the modelling approach as a multi body system with a reduced linear-elastic structure of the seal is an effective potential solution.