Universität Stuttgart
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Item Open Access Abdichtung drallbehafteter Dichtungsgegenlaufflächen - Messung, Analyse, Bewertung und Grenzen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Baumann, Matthias; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access Abdichtung trockener Stäube mit fettgefüllten berührungsfreien Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2018) Bosch, Florian; Haas, Werner (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit erweitert, ausgehend vom Stand der Technik, bestehende Konstruktionsrichtlinien für fettgefüllte berührungsfreie Wellendichtungen (FBFWD) zur Abdichtung von trockenen Schmutzpartikeln und gibt Ratschläge für deren zuverlässigen Betrieb. Bei FBFWD gibt es keinen Kontakt zwischen relativ zueinander bewegten Teilen der Dichtung. Die Dichtung arbeitet daher verschleißfrei. Bei der Abdichtung von Schmutzpartikeln ist darauf zu achten, dass sich der fettgefüllte Spalt öffnet. In die Dichtung eindringende Schmutzpartikel werden dann vom Schmierfett an den Spaltwänden gebunden und am weiteren Vordringen in die Dichtung gehindert. Damit FBFWD dauerhaft zur Abdichtung von Schmutzpartikeln eingesetzt werden können, muss das verschmutzte Schmierfett in der Dichtung rechtzeitig durch frisches Schmierfett ersetzt werden. Dies wurde im Rahmen dieser Arbeit in Versuchen mit frischem, gealtertem und verschmutztem Schmierfett untersucht. Aus den Ergebnissen wird eine Empfehlung für die erforderliche Nachschmiermenge formuliert. Darüber hinaus wird die Bewegung der im Schmierfett gebundenen Schmutzpartikel in einem Modell erläutert. Die Bewegung der Schmutzpartikel im Schmierfett tritt bei lokalem Überschreiten der Fließgrenze im Bereich der Schmutzpartikel ein. Diese Bewegung tritt bei Rotation der Welle ein und wird alleine durch die Fliehkraft ausgelöst. Eine Fettströmung im Spalt tritt bei geöffnetem Spalt nicht auf und ist daher nicht an der Bewegung der Schmutzpartikel beteiligt. Die überschlägige Überprüfung des Modells zeigt, dass es eine fliehkraftbedingte Bewegung der Schmutzpartikel im Schmierfett bereits unterhalb der Drehzahl gibt, die für einen geöffneten Spalt notwendig ist. Im ungünstigen Fall werden dabei Schmutzpartikel an die Spaltwand gedrängt und können infolge dessen nicht mehr durch Nachschmieren aus der Dichtung gefördert werden. Das Modell ist daher Ausgangspunkt zur Reduzierung des Bauraums, da Partikel aus bestimmten Spalten (jedem zweiten Axialspalt) nicht ausreichend durch Nachschmieren entfernt werden können. Neben wichtigen Betriebsanweisungen werden in dieser Arbeit bestehende Gestaltungsregeln so erweitert, dass eine zielsichere Konstruktion von FBFWD möglich ist. Durch die geeignete Anordnung der Dichtung in ihrem Umfeld (z.B. ein fettgeschmiertes Lager) kann die Schmierfettmenge im Gesamtsystem (hier ein beidseitig berührungsfrei abgedichtetes Rillenkugellager) reguliert und das Abscheiden von überschüssigem Schmierfett gesteuert werden. Die Schmierfettverteilung in den beiden Dichtungen eines Gesamtsystems wird dabei vor allem durch die Förderrichtung der Dichtung und den Durchmesser des Spalteingangs, durch den die Dichtung mit frischem Schmierfett versorgt wird, beeinflusst. Die Förderrichtung stellt sich durch die bei Rotation der Welle auf das Schmierfett wirkende Fliehkraft radial nach außen ein und kann in das Gesamtsystem hinein oder aus ihm heraus zeigen. Die Spalthöhe hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Schmierfettverteilung. Weitere Versuchsergebnisse zeigen, dass bei einer ideal konstruierten FBFWD der für die Dichtung notwendige Bauraum auf den Eingangsbereich mit einem anschließenden Axialspalt reduziert werden kann. Bestehende Mindestbetriebsparameter zur Öffnung des Spalts konnten nicht bestätigt werden. Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die strukturviskosen Fließeigenschaften der Schmierfette und besondere Strömungsvorgänge unmittelbar vor der Spaltöffnung eine Öffnung des Spalts verursachen. Um diesen Effekt zukünftig mit einer Strömungssimulation untersuchen zu können, wird ein neues Fließgesetz formuliert. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit stehen sowohl dem Konstrukteur als auch dem Anwender von FBFWD umfassende Informationen zur zielsicheren Entwicklung von FBFWD zur Abdichtung von trockenen Schmutzpartikeln und für deren dauerhaften und zuverlässigen Betrieb zur Verfügung.Item Open Access Abdichtung von fließfettgeschmierten Getrieben mit Radialwellendichtungen - Reibungsminderung durch Makrostrukturierung der Dichtungsgegenlauffläche(2014) Narten, Michael; Haas, Werner (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)Diese Arbeit befasst sich mit Radialwellendichtungen von fließfettgeschmierten Getrieben und den Einflüssen der einzelnen Komponenten des Dichtsystems auf dessen Funktion und Verschleiß. Verglichen mit ölgeschmierten Systemen ist der Schmierstoffaustausch in fließfettgeschmierten Getrieben deutlich geringer. Hohe Dichtsystemtemperaturen bis hin zu globaler Mangelschmierung sind die Folgen. Anhand eines praxisnahen Experimentalgetriebes mit einem Wellendurchmesser von 50mm erfolgt eine systematische Variation der Komponenten Dichtelement, Dichtungsgegenlauffläche, Schmierstoff und Dichtungsumfeld. Die relevanten Einflussparameter sowie die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten werden identifiziert. Empfehlungen zur Auslegung von fließfettgeschmierten Dichtsystemen sowie ein praxisgerechtes Modell sind daraus abgeleitet. Die einflussreichste Komponente ist der Schmierstoff. Insbesondere das von ihm beeinflusste Druckniveau wirkt sich im unentlüfteten Getriebe dominant auf die radiale Anpressung der Dichtkante und die damit auf die Temperaturentstehung im Dichtkontakt aus. Die maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten für fließfettgeschmierte Dichtsysteme mit Dichtringen aus Fluor-Polymer-Kautschuk unter geringem Überdruck sollten von allgemein angenommenen 50% auf 25-30%, der für die Abdichtung von Öl geltenden Werte, verringert werden. Grund hierfür ist lokale Mangelschmierung, die schon bei vergleichsweise geringen Umfangsgeschwindigkeiten im luftseitigen Bereich des Dichtkontakts auftreten kann. Zur Minderung von Reibung und Temperatur im Dichtsystem und zur Vermeidung lokaler Mangelschmierung wird Makrostrukturierung von Dichtungsgegenlaufflächen als innovativer Ansatz vorgestellt. Anhand von Vorversuchen bei statischer Abdichtung, Reibmomentmessungen, Verschleißbetrachtungen und Langzeituntersuchungen wird dargestellt, dass achsparalleles Drehfräsen hierzu gut geeignet ist. Eine Wellenbeschichtung mit Strukturchrom wird als weiteres Verfahren vorgestellt. Um die reibungsmindernde Wirkung makrostrukturierter Wellen quantitativ zu beschreiben, werden diese anhand von 3D Oberflächenparameter charakterisiert. Zusätzlich werden die Parameter dem Funktions- und Verschleißverhalten der Dichtsysteme gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer praxisgerechten Eignung bewertet.Item Open Access Abstreifer für Werkzeugmaschinenführungen(2005) Janßen, Martin; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Abstreifer für Werkzeugmaschinen-Führungen haben die Aufgabe Fremdstoffe daran zu hindern, in den Führungsbereich einzudringen sowie den Schmierstoff der Führung im System zu halten. Fast ohne Ausnahme wird die Lebensdauer einer Linearführung durch Kontamination oder Mangelschmierung begrenzt. In dieser Arbeit wird eine Profilform vorgestellt, welche diese Aufgaben bei Quer- bzw. Stirnabstreifern sehr gut erfüllt. Das wesentliche Merkmal dieser Profilform sind zwei kurze massive Dichtlippen mit großen Pressungsgradienten, die dem jeweiligen abzudichtenden Medium zugewandt sind. Eine gute Abstreifwirkung ist nur mit hohen Pressungsgradienten und einer ausreichenden Vorspannkraft zu erreichen. Wichtiger als die Werkstoffwahl ist die Fertigungsgenauigkeit des Profils. Hilfsmaßnahmen wie Sperrluft, Flüssigkeitsspülungen und Mehrfachanordnungen machen nur wenig Sinn. Gute Dichtergebnisse sind nur mit einem einzelnen funktionierenden Abstreiferprofil zu erreichen. Die innerhalb dieser Arbeit entwickelten Abstreiferstirnplatten haben allesamt eine wesentlich größere Wirksamkeit gegen Schmierstoffleckage und dem Eintrag von festen Fremdstoffen gezeigt als alle untersuchten handelsüblichen Abstreifer. Grundlage der Entwicklung war wieder das oben genannte Abstreiferprofil. Handelsübliche Abstreiferstirnplatten haben nur geringe Vorspannwege und damit kleine Reib- und Normalkräfte. Die für die Dichtwirkungen bekannten schädlichen Merkmale finden sich alle wieder, wie beispielsweise Keilspalte, Formaustriebe oder mangelnde Positionierung. Bei den Verschmutzungsuntersuchungen konnte gezeigt werden, wie wenig solch filigrane Dichtlippen einem massiven Verschmutzungseintrag entgegenzusetzen haben. Ein zuverlässiger Schutz vor festen Fremdstoffen ist nicht ohne den Preis erhöhter Reibkräfte zu haben. Für die geometrische Gestaltung eines Längsabstreifers gelten andere Regeln als für einen Querabstreifer. Schmierstoffleckage und Partikeleintrag konnten mit den verschiedensten Geometrien und Normalkräften verhindert werden. Die geometrische Gestaltung eines Längsabstreifers ist somit im Vergleich zur Geometrie eines Querabstreifers wesentlich unkritischer und kann hinsichtlich der Reibkräfte optimiert werden. Die als Querabstreifer bestens funktionierenden Profile lassen sich nicht als Längsabstreifer einsetzen. Die Gestaltungsregeln für Radialwellendichtringe können hier übernommen werden. Wichtige Entwicklungskriterien hierfür waren die Herstellbarkeit und eine Dichtkante, die durchgängig die abzustreifende Gegenfläche berührt.Item Open Access Adaptives Prüfstandsverhalten in der PKW-Antriebstrangerprobung(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Schenk, Maximilian; Bertsche, Bernd (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Analyse, Modellierung und Simulation von Verschleiß auf mehreren Skalen zur Betriebsdauervorhersage von Wellendichtringen aus PTFE-Compound(2014) Daubner, André; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen werden aufgrund ihrer allgemeinen Chemikalienbeständigkeit und hohen abdichtbaren Gleitgeschwindigkeiten immer dann eingesetzt wenn Wellendichtringe aus Elastomer versagen. Die Betriebsdauer wird dann allein durch abrasiven Verschleiß begrenzt. Bedingt durch die Molekülstruktur hat PTFE eine sehr niedrige Reibungszahl aber auch einen geringen Verschleißwiderstand. In der Dichtungstechnik wird PTFE daher nahezu immer gefüllt mit Partikeln, Plättchen oder Fasern eingesetzt. Diese Füllstoffe beeinflussen das tribologische Verhalten und verbessern den Verschleißwiderstand. Gefüllte PTFE Materialien werden als PTFE-Compound bezeichnet. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen Beschreibung des tribologischen Systems Wellendichtung. Es besteht aus einem PTFE-Wellendichtring, einer Stahlwelle als Gegenlauffläche und einem Schmierstoff. Das PTFE-Compound selbst, der tribologische Gegenlaufpartner, der Schmierstoff und die Betriebsbedingungen bestimmen die Reibung und den Verschleiß, sodass sie bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen. Die Betrachtung auf lediglich einer Längenskala ist zur Beschreibung und Simulation von Reibung und Verschleiß aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge im Dichtsystem nicht ausreichend. Es wurde daher ein Mehrskalenansatz formuliert. Ein Bottom-Up-Ansatz beschreibt das tribologische System von der kleinsten hin zur größten Skala: • Das Mesomodell liegt zwischen der Nano- und der Mikroskala. Es beschreibt einen analytischen Ansatz eines energetisch motivierten Verschleißgesetzes. Das Modell berücksichtigt temperaturabhängige Druck- und Scherfestigkeiten und verwendet dimensionslose Kennwerte. Die scheinbare Reibungsenergiedichte integriert den Schmierungszustand in das Modell. • Das Mikromodell berechnet die thermischen Materialkennwerte über ein repräsentatives Volumenelement. • Das Makromodell enthält das geometrische Modell der Wellendichtung und die Verschleißalgorithmen zur Volumenreduktion. Ein Finite Elemente Ansatz koppelt das Meso- und das Mikromodell. Als Basis für die Materialmodellierung wurden umfangreiche Untersuchungen des thermomechanischen Material- und tribologischen Verhaltens durchgeführt. Die Analysen der Materialzusammensetzung und der Mikrostruktur erfolgten mit einem Computertomograph. Härte- und Nanoindentermessungen wurden zur Identifikation von tribologische Kennwerten verwendet. Die temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungszusammenhänge wurden im Zug-/ Druck- und Scherversuch an einer Universalprüfmaschine ermittelt. Ein Ring-Scheibe-Tribometer wurde zusammen mit einer Thermographie Kamera zur Messung von Reibung, Verschleiß und der Temperatur nahe dem Reibkontakt verwendet. Die Validierung des vorgestellten Ansatzes erfolgte durch einen Vergleich von Wellendichtring-Dauerlaufversuch und dessen Simulation. Die simulierte Radialkraft und der Verschleiß stimmen sowohl im Trocken- als auch bei Schmierung mit den Experimenten überein. Das Potenzial der entwickelten Methode wurde an einer Auswahl handelsüblicher Wellendichtringe mit Spiralrille dargestellt. Der Multiskalensatz zur Verschleißsimulation und der Abschätzung der Betriebsdauer ist damit ein nützliches Werkzeug zur Wellendichtringoptimierung und Kostenreduktion im Produktentwicklungsprozess.Item Open Access Anforderungsgerechte Produktauslegung durch Planung effizienter beschleunigter Zuverlässigkeitstests(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2021) Herzig, Thomas; Bertsche, Bernd (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Zentraler Kernpunkt des Zielkonflikts in der heutigen Produktentwicklung sind die immer weiter steigenden Kundenanforderungen bei einer gleichzeitig geforderten Reduktion der Entwicklungskosten. Beschleunigte Lebensdauertests sind daher für die Erprobung und den Zuverlässigkeitsnachweis unverzichtbar. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Probability of Test Success als entscheidenden Parameter des erweiterten Zuverlässigkeitsziels, bei dem die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Zuverlässigkeitsnachweises durch Planung effizienter Zuverlässigkeitstests maximiert werden kann. Damit ist es möglich, die Grenzen des Zuverlässigkeitsnachweises und damit auch die Grenzen der Auslegung unter Berücksichtigung der Randbedingungen zu finden und Leichtbauanwendungen kostenoptimal auszulegen und gleichzeitig zuverlässigkeitstechnisch abzusichern. Die praxisrelevanten beschleunigten End-of-Life-Tests wurden in dieser Arbeit in das Konzept der Probability of Test Success integriert, um Handlungsempfehlungen für die Planung effizienter Zuverlässigkeitstests abzuleiten. Diese umfassen Empfehlungen zur Wahl und Verteilung der Prüflinge und der Lage der beschleunigten Lastniveaus, zur Berücksichtigung von beschleunigten Success-Run-Tests sowie zu Zensierungsstrategien und zusätzlichen beschleunigten Lastniveaus. Darüber hinaus wurde eine Einordnung des erweiterten Konzepts in die Produktauslegung vorgenommen. Für die untersuchten Anwendungen konnte gezeigt werden, dass das erweiterte Konzept der Probability of Test Success und die Vorgehensweise zur anforderungsgerechten Produktauslegung das Potenzial besitzt, die Zuverlässigkeitstestplanung bereits in der Produktauslegung zu berücksichtigen, die minimal mögliche Dimensionierung zu finden und dabei die Gesamtkosten zu reduzieren. Dieses Potenzial besteht insbesondere für Leichtbauanwendungen, bei welchen minimale Dimensionierung zentral ist, die Erfüllung der Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranforderungen jedoch gewährleistet sein muss. Die Nachweisbarkeit eines Zuverlässigkeitsziels unter Berücksichtigung der Probability of Test Success kann mit dem erweiterten Konzept nun erstmals auch für die praxisrelevanten beschleunigten End-of-Life-Erprobungsstrategien berücksichtigt und quantifiziert werden.Item Open Access Anwendungsspezifischer Zuverlässigkeitsnachweis auf Basis von Lastkollektiven und Vorwissen(2014) Romer, Achim; Bertsche, Bernd (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Eine Prognose bezüglich der Zuverlässigkeit eines Produktes während der Entwicklungsphase zu geben, ist eine der größten Herausforderungen im Maschinenbau. Dies hängt hauptsächlich damit zusammen, dass die Zuverlässigkeit nicht direkt gemessen werden kann. Obwohl die Zuverlässigkeit eine Produkteigenschaft darstellt, hat nicht nur die eigentliche Konstruktion, welche die Beanspruchbarkeit definiert, sondern auch die spezifische Anwendung, in welcher das Produkt eingesetzt wird, einen entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit. Streng genommen kann die Zuverlässigkeit eines Produktes erst exakt angegeben werden, wenn alle produzierten Einheiten ausgefallen und die Ausfallzeiten bekannt sind. Dem gegenüber steht die Tatsache, dass Kunden immer weitreichendere Zuverlässigkeitsaussagen vor dem Kauf fordern. Der Trend entwickelt sich dabei weg von einer reinen Betrachtung der Anschaffungskosten und hin zu einer Bewertung der Lebensdauerkosten (engl: total cost of ownership -TCO-). Für eine positive Positionierung auf dem Markt führt dies zu der zwingenden Forderung, möglichst belastbare Aussagen hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu treffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Fragestellung bearbeitet, wie eine belastbare Abschätzung der Zuverlässigkeit für anwendungsspezifische Belastungen unter Verwendung von Vorwissen ermittelt werden kann. Kernpunkte dieser Arbeit bilden erstens die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Berücksichtigung von Vorwissen und zweitens eine Methode zur prüftechnische Absicherung anwendungsspezifischer Zuverlässigkeitsmodelle. Zur Berücksichtigung von Vorwissen wurden zwei Methoden entwickelt: Die Methode der erweiterten Weibayesgleichung und die Methode der erweiterten Regressionsanalyse. Die Gemeinsamkeit beider Methoden besteht dabei in der ausschließlichen Berücksichtigung von zwei Eingangsparametern als Vorwissen. Berücksichtigt wird dabei der Formparameter, welcher sich aus Schadensstatistiken von Vorgängerserien, ähnlichen Produkten aus anderen Anwendungen usw. übernehmen lässt. Des Weiteren wird eine berechnete Lebensdauer auf Basis anwendungsspezifischer Lastkollektive berücksichtigt. Es wurde gezeigt, wie diese Lebensdauervorhersage unter Berücksichtigung verschiedener Kenntnisstände hinsichtlich des Schadensmechanismus durchgeführt werden kann. Die beiden vorgestellten Methoden unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihres Einflusses auf den Formparameter. So ist der als Vorwissen angenommene Formparameter innerhalb der erweiterten Weibayesgleichung konstant, während sich bei Verwendung der erweiterten Regressionsanalyse der Formparameter in Abhängigkeit des Stichprobenumfanges ändert. Zusammenfassend eignet sich daher die erweiterte Weibayesgleichung besonders für Versuche mit wenigen oder keinen realen Ausfallzeiten, während die erweiterte Regressionsanalyse bei einer steigende Anzahl von Ausfallzeiten zu bevorzugen ist. Zur statistischen Bewertung der Ergebnisse werden zwei Berechnungsmethoden zur Bestimmung eines Vertrauensbereiches unter Berücksichtigung von Vorwissen eingeführt. Beide Berechnungsmethoden berücksichtigen dabei zusätzlich Sicherheitsfaktoren zu den als Vorwissen angenommenen Parametern. Diese Sicherheitsfaktoren bestehen sowohl für den angenommenen Formparameter, als auch für die berechnete charakteristische Lebensdauer, aus den maximal anzunehmenden Abweichungen. Auf Basis dieser Eingangsgrößen wird gezeigt, wie mit Hilfe einer Monte-Carlo Simulation oder auf Basis der Dichtefunktion der Betaverteilung ein Vertrauensbereich berechnet werden kann. Die Ergebnisse beider Vorgehen weisen dabei keine signifikante Differenz auf. Hinsichtlich der Anwendbarkeit benötigt die Monte-Carlo Simulation mehr Rechenzeit, während eine Berechnung auf Basis der Dichtefunktion der Betaverteilung mathematisch aufwändiger ist. Für die prüftechnischen Absicherung anwendungsspezifischer Zuverlässigkeitsmodelle, wird mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop Simulationen eine Möglichkeit aufgezeigt, sowohl anwendungsspezifische Lastkollektive am Prüfstand zu erstellen, als auch Ausfalldaten unter nahezu realen Bedingungen am Prüfstand zu erzeugen. Dabei wird die zu prüfende Hardware real im Prüfstand installiert, während die Anwendung sowie die Umgebungsbedingungen in Echtzeit simuliert werden. Um die entstehenden Prüfungskosten zu minimieren, wird des Weiteren aufgezeigt wie iterativ innerhalb einer Hardware-in-the-Loop Simulation die Prüfzeit gerafft werden kann. Dazu wird das Lastkollektiv in Zeitschritte unterteilt und jeder Zeitschritt hinsichtlich seiner Schädigung bewertet. Durch das Entfernen von wenig schädigenden Zeitanteilen kommt es zu einer Raffung von Lebensdauertests.Item Open Access Availability of particle accelerators : requirements, prediction methods and optimization(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2020) Rey Orozco, Odei; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)From the design phase to operation, machine availability represents one of the key indicators for the performance of a particle accelerator. Availability requirements are typically set at the beginning of a project and should be kept (or demonstrated) during the operation phase. In the early design stages of an accelerator, an effective allocation method is needed to translate the overall accelerator availability goal into availability requirements for each subsystem. This is of particular value for cases in which the detailed design is not known, or where new technologies are developed and no failure data is available. In this thesis a novel method is proposed to allocate availability requirements based on accelerator subsystems complexity. During the design of complex availability-critical particle accelerators, the implementation of a detailed availability model that uses component reliability data for estimating the overall system availability, is particularly useful to demonstrate their feasibility and to identify improvements with high performance benefit. To ensure the completeness and consistency of the studies, a step-wise methodology for the definition of availability models is presented. In operating particle accelerators, availability models are also used to optimize machine performance. In both cases, the reliability of the results strongly depends on the precise knowledge of the input data. Hence, availability-tracking tools are of crucial importance to ensure reliable data capture. This thesis presents the performance evaluation of Linac4 during a Reliability Run using the Accelerator Fault Tracking system developed at CERN. The ultimate goal of accelerator availability studies is to determine the system designs and operation modes that would lead to the best performance of the accelerator at lowest cost. To this end, a sensitivity analysis method is proposed to identify the component upgrades that would lead to the best improvement of system availability for a certain investment. Moreover, the presented sensitivity analysis also helps to identify potential common cause failures (which are not considered in the availability models), and other critical components that may compromise significantly the optimal performance of the accelerator. The proposed methodologies are illustrated with examples of accelerators in the design phase and under operation both for linear accelerators: CLIC and Linac4, and circular accelerators: FCC and LHC.Item Open Access Beanspruchungsgerechte Bestimmung des Weibull-Formparameters für Zuverlässigkeitsprognosen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Juskowiak, Jochen; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)A reliability prediction is essential for developing reliable products. The manufacturer should know as early as possible if the current design of its product can achieve the reliability target in the field. If crucial changes are implemented too late, considerable unforeseen costs result. Thus a first assessment of the product´s failure behavior, which describes the reliability at a given lifetime, is necessary in early development stages. For describing the failure behavior, the Weibull distribution is often used due to its flexibility. Usually, endurance-strength calculations and expert knowledge are available to derive the distribution parameters. If lifetime data from previous products is available or prototype tests have been conducted, a credible assessment is possible. However, a reoccurring problem is that existing lifetime data is not obtained at design stress of the actual development. They are rather obtained at various higher stress levels. Analyzing these data with existing models can result in inappropriate reliability predictions, especially for the failure mechanism fatigue, where the Weibull shape parameter is known to be stress-dependent. This dissertation aims to develop a methodical approach for a systematically stress-dependent determination of the Weibull shape parameter for reliability prediction considering all available sources of information. First of all, the Weibull distribution is introduced in-depth. Known influences on the shape parameter are gathered with focus on the influence of load. Existing models which partly address the stress-dependency of the shape parameter are examined. Most of these models have an underlying two parametric extreme value, log-normal or Weibull distribution with a log-linear relationship for the spread. The fatigue mechanism is elaborated regarding the material and statistical aspects. The obtained results are combined and concisely summarized: Due to the higher scatter, the higher number of cycles as well as the stronger growth rate increase of the crack initiation period - in contrast to the crack growth period -, an increasing stress leads to a higher shape parameter. Known concepts and methods, which allow for the determination of a shape parameter, are analyzed. The optimization potential is identified, which lies in a stressdependent modelling with respect to all three Weibull parameters, a differentiated field data analysis concerning actual stress and a quantified expert judgment concerning quality. Moreover, separate concepts and methods can be combined in order to increase the overall quality of the determined failure behavior. Thus, extended and new approaches are developed which address these issues. A differentiated field data approach yields a stress-dependent derivation of the Weibull shape parameter based on field data. In order to do so, simulations of the customer behavior and additional information from the customers themselves are used. As a result, linking the occurred failure with the corresponding stress-level is possible. Unknown stress-dependencies can be identified or differentiated data can be used for stressdependent analyses. Extended Weibull lifetime models are developed as a crucial part of these stressdependent analyses. Stress-dependent models comprise all three Weibull parameters to enable an adequate reliability prediction at design stress. The models are validated by means of three data sets with different stress-dependencies. A conducted simulation study highlights the wide applicability of the developed models: In most cases the new developed models are favored. Only if the failure free time is much smaller than the scale parameter, the existing models are better assessed. The more the Weibull density is right-skewed at observed stress levels, the more favorable the performance of both developed models. One of the developed models is restricted to failure mechanisms with an increasing failure rate, as fatigue, whereas the other one is unrestricted. Furthermore, a procedure is proposed based on machine learning, which empowers to quantify the probability to be an expert. This probability depends on defined attributes, e. g. work experience or publications, and is used as a measure of confidence. Finally, a confidence interval can be assigned systematically to the expert statement. The existing and developed approaches are combined in a holistic procedure, based on a Bayesian approach. Various sources of information, such as lifetime data, calculation results or expert knowledge, are taken into account and are classified in data and experience. Different sources of lifetime data are transformed to actual design stress and then integrated in the likelihood function considering the non-identical population. Algorithms for different scenarios are illustrated. The independent prior distributions of the Weibull parameters depict the available information from experience. If no data is available the procedure simplifies to a consideration of information from experience and a subsequent Monte-Carlo simulation is needed. The pragmatically holistic procedure finally leads to a systematic and comprehensive stress-dependent reliability prediction with respect to a stress-dependent Weibull shape parameter. A synthetic example substantiates the holistic procedure. The procedure is applied to various scenarios with different conditions regarding available information. The influence of parameters such as the transformation factor and expert performance is shown. This study introduces an elementary procedure in order to take into account a stressdependency on the one hand and to integrate parameter specific pre-knowledge on the other hand. New or extended approaches can be easily implemented. Further studies can focus on the determination of customer types, to ensure the adequate assignment of field data. A practical verification of the holistic procedure may be beneficial.Item Open Access Beitrag zur Gestaltung von Leichtbau-Getriebegehäusen und deren Abdichtung(2013) Prill, Tobias; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Der bisher verfolgte Ansatz zur Gewichtseinsparung bei Getrieben ist der Materialleichtbau. Dieser stößt allerdings an seine Grenzen. Als Alternative bietet sich der Strukturleichtbau an. Grundgedanke bei Getriebegehäusen ist dabei die Trennung der Funktionen "Kräfte Aufnehmen" und "Abdichten". Nur die Lastpfade sollen als massive Streben ausgeführt werden. Das so entstehende Skelettgehäuse weist also keine geschlossene Form mehr auf, sondern die entstehenden Löcher oder Fehlstellen müssen durch geeignete Maßnahmen abgedichtet werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Abschätzung des Leichtbaupotentials zweier Getriebegehäuse in Skelettausführung sowie die Untersuchung und Entwicklung geeigneter Abdichtmaßnahmen für die sich ergebenden Gehäusefehlstellen. Die Optimierung der Gehäuse erfolgte auf zwei grundsätzlich verschiedene Arten. Einerseits wurde ein Gehäusedeckel intuitiv optimiert. Andererseits wurden derselbe Gehäusedeckel sowie ein komplettes Getriebegehäuse iterativ optimiert. Bei der intuitiven Optimierung wurden erst einzelne Gehäuse-Segmente getrennt betrachtet. Es wurden für jedes Segment mehrere Varianten entwickelt. Basierend auf diesen „Bausteinen“ wurde dann ein kompletter Gehäusedeckel aufgebaut. Es konnte eine Gewichtsersparnis von 26% erreicht werden, allerdings bei deutlich erhöhten Verschiebungen der Wellenlagerungen. Außerdem zeigte sich, dass die Vielzahl der manuellen Schritte der intuitiven Optimierung sehr zeitaufwendig ist. Daraus folgt, dass die intuitive Optimierung kein geeignetes Verfahren zur Gewichtsoptimierung von Getriebegehäuse ist. Die iterative Optimierung zeigte demgegenüber den Vorteil, dass die meisten Schritte automatisiert erfolgen können. Mit einer kommerziellen Optimierungssoftware wurden eine Vielzahl von Topologieoptimierungsrechnungen durchgeführt. Basierend auf dem besten Optimierungsergebnis wurde der Entwurf eines Skelettgehäusesdeckels erstellt. Dieser wurde im Anschluss noch einer Shapeoptimierung unterworfen. Das hierbei resultierende Skelettgehäuse wies eine um 28% reduzierte Masse auf. Die aufgetretenen Spannungen lagen alle weit unterhalb der Steckgrenze des verwendeten Werkstoffs. Die Verschiebungen der Lagerstellen der Wellen waren teilweise höher als beim Originalgehäuse, aber noch im tolerierbaren Bereich. Insgesamt zeigte sich, dass konventionelle Getriebegehäuse sehr ausgereifte Konstruktionen sind, die aufgrund der komplexen Belastungen in verschiedenen Fahrzuständen nur ein sehr begrenztes Optimierungspotential aufweisen. Unter Berücksichtigung des zusätzlichen Gewichts für die Abdichtung der Gehäusefehlstellen scheint eine Gewichtsreduktion von 10% – 20% für Skelettgehäuse im Vergleich zu konventionellen Gehäusen möglich. Zur experimentellen Absicherung der Simulationsrechnungen wurden Rapid-Prototyping-Modelle hergestellt. Diese Modelle wurden unter Last vermessen und mit simulierten Verschiebungen abgeglichen. Es zeigte sich, dass schichtweise aufgebaute Kunststoffmodelle zur experimentellen Absicherung nicht geeignet sind. Es muss auf Modelle mit orthotropen Materialeigenschaften wie z.B. gegossene Metallmodelle zurückgegriffen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Abdichtmöglichkeiten für Skelettgehäuse untersucht. Die Abdichtung der Trennstellen von Getriebegehäusen erfolgt heutzutage meist durch Flüssigdichtmittel. Dabei muss immer eine bestimmte Mindestpressung am Flansch vorhanden sein muss. Bei Space-Frame-Gehäusen stellt sich jedoch aufgrund der Fehlstellen in Flanschnähe eine sehr inhomogene Pressungsverteilung ein. Deshalb wurde versucht, die ungleiche Pressungsverteilung durch optimierte Metallsickendichtungen auszugleichen. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine lokale Anpassung der Sickengeometrie der Pressungsverlauf im Flansch deutlich verbessert werden kann. Hier sind noch weitere Untersuchungen nötig, um einen analytischen Weg von den Flanscheigenschaften zur optimalen Dichtung zu beschreiben. Bei der Konstruktion eines Space-Frame-Gehäuses stellt sich auch ein grundsätzlich neues Problem. Die bei dieser Bauweise bewusst eingebrachten Löcher bzw. Fehlstellen müssen durch geeignete Maßnahmen abgedichtet werden. Aus diesem Grund wurde als systematischer Ansatz die morphologische Methode nach Zwicky gewählt, um die am meisten Erfolg versprechenden Dichtprinzipien zu identifizieren. Unter Berücksichtigung der beiden wichtigsten Bewertungskriterien Kosten und Zuverlässigkeit zeichnen sich für eine Serienproduktion lediglich zwei Möglichkeiten ab: das Eingießen von dünnen Blechen während des Gießens des Gehäuses, sowie das Umspritzen des kompletten Bauteils mit faserverstärktem Kunststoff. Alle anderen denkbaren Abdichtungen stellen sich bei näherer Betrachtung als zu teuer bzw. zu aufwendig heraus. In weiteren Untersuchungen in Zukunft muss die Realisierbarkeit der identifizierten Abdichtmöglichkeiten für die Serienfertigung nachgewiesen werden.Item Open Access Berücksichtigung von Wechselwirkungen bei Zuverlässigkeitsanalysen(2012) Gäng, Jochen; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Heutige Produkte werden immer komplexer. Die Gründe für diese These liegen auf der Hand: zum einen fordern die Kunden bei Neuentwicklungen immer mehr Funktionalitäten, zum anderen erwarten sie hochwertige und zuverlässige Produkte. Diese Tatsachen bringen jedoch einen großen Zielkonflikt in der Konzeption neuer Produkte mit sich. Einfache Produkte, die jedoch kaum den funktionalen Ansprüchen der Kunden genügen, können meistens recht einfach getestet werden, die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten des Systems sind beherrschbar und häufig vernachlässigbar. Dadurch kann die Zuverlässigkeit zum einen einfach und recht genau ermittelt werden, zum anderen kann eine hohe Zuverlässigkeit leicht erreicht werden. Bei komplexen Produkten sieht dies jedoch anders aus. Durch die Vielzahl an Komponenten im System steigen die Wechselwirkungen immens. Die Erkennung der Wechselwirkungen ist nicht immer einfach, vor allem wenn es sich um mechatronische Systeme handelt. Um aber die vom Kunden geforderte hohe Zuverlässigkeit zu erreichen ist es erforderlich, diese Wechselwirkungen bestimmen als auch verstehen zu können. Kernpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines Verfahrens, welches die Wechselwirkungen eines Systems bestimmt und eine Zuverlässigkeitsbewertung von den ermittelten Wechselwirkungen in frühen Entwicklungsphasen ermöglicht. Darüber hinaus sollen zudem den Entwicklern des neuen Produktes Informationen über kritische Wechselwirkungen bereitgestellt werden. Dafür werden zu allererst Notationsmöglichkeiten für die Analyse von Wechselwirkungen und bestehende Zuverlässigkeitsanalysen für Wechselwirkungen bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf die Problemstellung untersucht sowie deren Vor- und Nachteile bestimmt. Hier wird offensichtlich, dass entweder ein direkter Bezug zwischen der Notation und der Zuverlässigkeit nicht vorhanden ist oder die Zuverlässigkeitsbestimmung und -bewertung in frühen Entwicklungsphasen nicht möglich ist. Deshalb wird in dieser Arbeit eine neue Methode erstellt. Diese Methode ermöglicht es, durch die Ermittlung unzulässiger Zustände und Fehlerfolgen der Wechselwirkungen einen sogenannten Wechselwirkungsfaktor zu berechnen. Des Weiteren können unterschiedliche Importanzen von Komponentenpaarungen für den Entwickler aufgezeigt werden. Neben dem Aufzeigen aller Schritte wird auch erläutert, wie die Methode sich in bestehende Entwicklungsmethoden eingliedern kann. Darüber hinaus wird ein Software-Tool vorgestellt, welches die Vorgehensweise aus Sicht der Automatisierung und der Anwendbarkeit unterstützt. Zuletzt wird ein Fallbeispiel vorgestellt um aufzuzeigen, dass die Methode die Zuverlässigkeit von Wechselwirkungen für den Einsatz geeignet ist und den Entwickler bei der Konzipierung des neuen Produkts unterstützt.Item Open Access Berührungsfreie Dichtsysteme für Anwendungen im Fahrzeug- und Maschinenbau(2005) Stiegler, Bernd; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel der Arbeit war, die Funktionsweise Berührungsfreier Wellendichtungen (BFWD) unter den besonderen Betriebsbedingungen in Aggregaten des allgemeinen Maschinenbaus zu erforschen. Dabei stand die Verifizierung, der für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für höherviskose Fluide im Vordergrund. Dazu wurden einzelne Funktionselemente von BFWD methodisch experimentell untersucht. Zur praxisorientierten Durchführung der Arbeit, fand im Vorfeld eine Industrieumfrage statt, in der die Randbedingungen für die Versuche ermittelt wurde. Als Versuchsöl wurde ein FVA-Referenzöl mit der Viskositätsklasse ISO VG 320 gewählt. Die Untersuchungen an einzelnen Funktionselementen mit zähen Ölen bewiesen ein analoges Funktionsverhalten, wie bei der Abdichtung wasserdünner Flüssigkeiten. Aufgrund der bis zu 500 mal höheren Viskosität konnte jedoch bei gleichen geometrischen Abmessungen ein bis zu 100 mal geringerer Durchfluss ermittelt werden. Vergleichende Berechnungen ergaben, dass bei entsprechenden im Dichtsystem zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen, die Spalthöhen bei der Abdichtung so zäher Fluide vier bis fünf mal so hoch sein dürfen als bei der Abdichtung von niederviskosen Flüssigkeiten. Ein günstig gestalteter Eingangsbereich reduziert den eindringenden Flüssigkeitsstrom um bis 95% gegenüber einem ungünstig gestalteten. Dafür muss der radiale Eingangsspalt überdeckt und eine stationäre Fangrinne angebracht werden. Die für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für Fangkammern gelten auch bei der Abdichtung zäher Öle. Um das schlechtere Fließverhalten zu berücksichtigen, ist das Volumen der Fangkammer größer auszuführen. Wird der Übergang der Fangkammer zum Rücklauf trichterförmig ausgeführt, zeigen auch höherviskose Flüssigkeiten ein strömungstechnisch günstigeres Ablaufverhalten. Die Ablaufkanäle sind größtmöglich auszuführen. Um die betrieblichen Einflüsse auf BFWD zu erfassen, wurde für sechs gängige Lagerarten der Durchfluss bei Öleinspritzschmierung ermittelt. Je nach Lagerart und -anordnung beträgt der Durchfluss zwischen 5 und 95% des Einspritzstroms. Die Ergebnisse dienten u.a. der Verifizierung der Dichtungsbeaufschlagung im Laborbetrieb. Mit Hilfe der Finiten-Element-Analyse (FEA) und experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass berührungsfreie Wellendichtsysteme aktiv Luft und damit auch Öldunst oder Ölnebel fördern können. Als Abhilfemaßnahme wurde ein bezüglich Luftdurchsatz optimiertes Dichtsystem entwickelt. Die erstmals hierzu eingesetzte FEA hat sich als nützliches Werkzeug bei der Auslegung Berührungsfreier Dichtsysteme erwiesen. Die aufgrund von Wärmeausdehnung, Fertigungstoleranzen und Lagerluft erzeugten axialen Wellenverlagerungen bewirken bei BFWD einen erhöhten Eindringstrom. Mittels einer Verschiebevorrichtung konnten diese erhöhten Eindringströme im Versuch quantitativ ermittelt werden. Zur einfacheren Montage des komplexen berührungsfreien Dichtsystems wurden Gestaltungsvarianten entwickelt, die als axial steckbare Systeme in der Praxis eingesetzt werden können.Item Open Access Berührungsfreies Abdichten schnelllaufender Spindeln gegen feine Stäube(2007) Orso, Jochen; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Seit einigen Jahren geht der Trend in der Werkzeugmaschinenindustrie weg von umweltbelastenden Kühlschmierstoffen hin zur Trockenbearbeitung. Um dieser Entwicklung auch von konstruktiver Seite aus Rechnung zu tragen, wurden berührungsfreie Dichtsysteme auf ihre Eignung zur Abdichtung gegen feine Stäube untersucht. Im Rahmen eines vierjährigen Forschungsprojektes am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart wurden Erkenntnisse über das Abdichtverhalten feiner Stäube gesammelt und diese in praxisgerechte Konstruktionsrichtlinien umgesetzt. Die Leistungsfähigkeit derartiger Dichtsysteme wurde experimentell mit Hilfe eines Partikelzählers quantitativ nachgewiesen. Richtig gestaltete berührungsfreie Dichtsysteme mit Sperrluftunterstützung sind dazu geeignet schnelllaufende Spindeln sicher, zuverlässig und dauerhaft gegen feine Stäube und Partikel abzudichten.Item Open Access Betriebs- und Benetzungseigenschaften im Dichtsystem Radial-Wellendichtung am Beispiel von additivierten synthetischen Schmierölen(2013) Klaiber, Mathias; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ein Dichtsystem Radialwellendichtung umfasst drei Komponenten: Gegenlauffläche, Radial-Wellendichtring und abzudichtendes Fluid. Auf dem Gebiet der Schmieröle ist die Entwicklung rasant. Die Leistungsfähigkeit der Fluide wird durch den Einsatz von synthetischen Grundölen und gezielt durch die Zugabe von Additiven gesteigert. Wie diese neuartigen Fluide die Funktionalität der Dichtsysteme beeinflussen ist unklar. Zielsetzung der Arbeit: In einem ersten Schritt wurde geklärt, wie sich synthetische, additivierte Fluide auf die Betriebs- und Benetzungseigenschaften des Dichtsystems Radial-Wellendichtung auswirken. Die Betriebseigenschaften sind hierbei das Reibmoment, der Förderwert und der Verschleiß. Die Benetzungseigenschaften wurden durch den Kontaktwinkel und den Benetzungsfaktor erfasst. Der zweite Schritt war die Klärung der Zusammenhänge zwischen den insgesamt fünf genannten Eigenschaften. Der Benetzungsfaktor ist eine Eigenschaft, welche eingeführt wurde, um die Migrationswilligkeit eines Fluids auf einer metallischen Oberflächenprobe zu beschreiben. Es bietet sich der Vorteil, die Verweildauer des Fluids in der Größenordnung von mehreren Stunden zu wählen. Der gravitationsbedingte Einfluss auf die Ausbreitung eines Fluids wird dadurch deutlich reduziert und die fluidspezifischen Benetzungseigenschaften kommen besser zum Tragen. Die Einlagerungstemperatur kann ebenfalls variiert werden und es ist nicht notwendig die Messung auf der gekrümmten Oberfläche einer Gegenlauffläche durchzuführen. Der Benetzungsfaktor beschreibt somit die Veränderung der durch ein Fluid benetzten Fläche, nach einer definierten Verweildauer und Einlagerungstemperatur. Eine Steigerung der Verweildauer oder der Einlagerungstemperatur bewirkt tendenziell eine Erhöhung des Benetzungsfaktors. Der Reinigungszustand vor der Bestimmung des Benetzungsfaktors beeinflusst diesen. Oberflächen, welche zusätzlich mit einem Oberflächenreinigungsgerät (Plasmatechnik) gereinigt wurden, werden besser benetzt. Ein Einfluss des Fluids ist in sämtlichen Untersuchungen festzustellen. Es wirkt sich die Art des Grundöls und das einzelne gelöste Additiv auf das Ergebnis aus. Grundsätzlich wurde in den Untersuchungen festgestellt, dass die Ergebnisse mit Fluiden in welchen ein Additiv gelöst ist, sich von denen mit dem reinen Grundöl unterscheiden. Additive beeinflussen also das Funktionsverhalten des Dichtsystems. Weiterhin haben einzelne Additive einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse der Untersuchungen. Dieser zeigt sich unabhängig davon, in welchem Grundöl die Additive gelöst sind. Auch ist der Einfluss unabhängig davon, aus welchem Werkstoff die Radial-Wellendichtringe gefertigt sind. Das Additiv Aminphosphat führt stets zu den größten gemessenen Reibmomenten. Dieses Additiv zeigt unabhängig von der Verweildauer und der Einlagerungstemperatur auch immer den kleinsten Benetzungsfaktor. Hinsichtlich des Kontaktwinkels hebt sich das Additiv Ca-Sulfonat dadurch hervor, dass mit Fluiden, in welchen es gelöst ist immer die kleinsten Werte gemessen werden. Die Zusammenhänge zwischen den fünf genannten Betriebs- und Benetzungseigenschaften wurden jeweils getrennt für die beiden Werkstoffe der Radial-Wellendichtringe bewertet. Die Korrelation von jeweils zwei Eigenschaften wurde durch eine Gerade abgebildet. Verhalten sich die zwei Eigenschaften gegensätzlich zueinander, hat die Gerade eine negative Steigung. Dies ist beispielsweise der Fall, bei einer Zunahme des Reibmoments, welches mit einer Abnahme des Benetzungsfaktors in Verbindung steht. Verhalten sich die Eigenschaften gleich zueinander, hat die Gerade eine positive Steigung. Bei jeglichen Kombinationen von zwei Eigenschaften ist die Orientierung der Geraden für Ergebnisse mit Radial-Wellendichtringen aus NBR und aus FPM gleich. Die grundsätzlichen Zusammenhänge innerhalb eines Dichtsystems sind damit unabhängig vom Werkstoff des Radial-Wellendichtrings. Die Eigenschaften Reibmoment, Förderwert, Verschleiß und Kontaktwinkel verhalten sich alle gleich. Die Zunahme einer Eigenschaft geht einher mit der Zunahme der anderen. Jeweils gegensätzlich zu diesen vier Eigenschaften, verhält sich der Benetzungsfaktor. Damit verhält sich dessen Wert auch gegensätzlich zu dem des Kontaktwinkels. Diese Werte repräsentieren die Migrationswilligkeit eines Fluids auf einer metallischen Oberfläche beziehungsweise auf der Oberfläche aus Elastomer. Dass sich die Werte der Eigenschaften gegensätzlich verhalten, beschreibt ein gleiches Verhalten der Migrationswilligkeit der Fluide auf unterschiedlichen Oberflächen. Insgesamt wird eine Zunahme der Migrationswilligkeit eines Fluids in Verbindung gebracht, mit einer Abnahme des Reibmoments, des Förderwerts und des Verschleißes. Auf Grundlage der Untersuchungen wird die Annahme formuliert, dass in diesen Untersuchungen die Migrationswilligkeit der Fluide einen maßgeblichen Einfluss auf die Fluidfilmhöhe im Dichtkontakt hat. Die Migrationswilligkeit eines Fluids beschreibt dessen Bestreben sich auszubreiten. Dies tritt im Dichtspalt in axialer Richtung von der Öl- zur Luftseite auf. Somit steht die Migrationswilligkeit im Wechselspiel mit dem Förderwert. Das Reibmoment und der Verschleiß werden durch die Fluidfilmhöhe bestimmt und sind damit das Ergebnis aus genanntem Wechselspiel und ebenfalls von der Migrationswilligkeit des Fluids abhängig.Item Open Access CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung(2002) Ruppert, Heiko; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Zuverlässigkeit beschreibt unmittelbar die Funktionsfähigkeit eines Produkts. Sie ist als zeitabhängige, d.h. dynamische Komponente der Qualität anzusehen und daher ein entscheidendes Verkaufsargument im Wettbewerb. Um zuverlässige Produkte auch unter sich verschärfenden Randbedingungen, wie z.B. größerer Komplexität und höherer Funktionalität entwickeln zu können, müssen vermehrt Methoden der Zuverlässigkeitstechnik eingesetzt werden. Die funktionalen Eigenschaften eines Produkts werden, ausgehend von den Kundenforderungen, weitgehend durch die konstruktive Entwicklung bestimmt. Selbst eine ausgereifte Konstruktionsmethodik führt nur durch den Einsatz von Zuverlässigkeitsmethoden zu einer hohen Produktzuverlässigkeit. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen meist spät im Produktentstehungsprozeß sowie isoliert vom rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß. Im Sinne einer CAD-integrierten, frühen und konstruktionsphasenübergreifenden Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung soll die vorliegende Arbeit einen Beitrag leisten. Basierend auf dem Stand der Konstruktionsmethodik und dessen Abbildung im CAD-System wurde die Anwendung von qualitativen und berechnenden Zuverlässigkeitsmethoden entlang des Produktentstehungsprozesses untersucht. Beginnend mit der Abbildung der Konzeptphase im CAD-System können mittels des Lebensdauermanagers zuverlässigkeitsrelevante Daten zu den geometrischen Objekten in einer Datenbank abgelegt werden. Darauf aufbauend können gängige Zuverlässigkeitsmethoden, wie z.B. Fehlerbaumanalyse und Boolesche Methode, ausgeführt werden. Eine inter-aktive Zuverlässigkeitsanalyse mit dem CAD-System, bereits in der frühen Phase, kann in der weiteren Entwicklung fortgeschrieben und verfeinert werden. Dadurch soll der Konstrukteur die geforderte hohe Produktzuverlässigkeit früher und genauer erreichen können, verglichen mit einem „CAD-isolierten“ Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden. Das Software-Werkzeug KOSYMA wurde hinsichtlich einer konstruktionsphasenbezogenen Datenablage weiterentwickelt. Bereits das Konzept in der Entwicklungsphase kann im Skizzenmodus des CAD-Systems abgebildet und mit dem Lebensdauermana-ger gekoppelt werden. Den erstellten geometrischen Objekten können somit Zuverlässigkeitsdaten zugewiesen werden, auf deren Basis die Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt. Die Ergebnisse werden phasenbezogen und strukturiert in einer Datenbank abgelegt. In späteren Phasen der konstruktiven Entwicklung werden die Resultate als Basis für die weitere Zuverlässigkeitsanalyse verwendet und kontinuierlich verbessert und ergänzt. Diese Durchgängigkeit einer CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalyse wurde anhand der Fehlerbaumanalyse und anhand der Booleschen Methode gezeigt. Die Kopplung des CAD-Systems mit qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden wurde am Beispiel der FMEA vorgestellt. Anhand des Beispiels Stellglied des elektromechanischen Kupplungssystems wurde die praktische Anwendung der Vorgehensweise durchgeführt. Abschließend wurde die Möglichkeit einer Kostenreduzierung eines Systems basierend auf der Weibullanalyse am Beispiel der Komponente Lager gezeigt. In einer Fortsetzung dieser Arbeit soll die Unsicherheit der Zuverlässigkeitsdaten, die sich beispielsweise in den Vertrauensbereichen ausdrückt, berücksichtigt werden. Da-bei ist zu prüfen, wie die Datenunsicherheit der einzelnen Komponenten die Zuverlässigkeitsermittlung des Systems beeinflußt. Dabei ist auch auf die Durchgängigkeit der Zuverlässigkeitsinformationen zu achten. Weitergehende Untersuchungen sollen, aufbauend auf der vorgestellten weibullbasierten Kostenanalyse, hinsichtlich einer früheren Berücksichtigung des Kostenaspekts erfolgen. Mit dem Aufwand der Zuverlässigkeitstechnik kann ein Kosteneinsparpotential einhergehen, so daß ein Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden direkt gewinnbringend ist.Item Open Access Dependable system development methodology and case study for the LHC beam loss monitoring system at CERN(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2021) Schramm, Volker; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Dichtheit von Hydraulikstangendichtringen aus Polyurethan : Einfluss von Geometrieveränderungen an PU-Nutringen auf deren Dichtverhalten und Vergleich verschiedener Dichtheitsbewertungen(2015) Nißler, Ulrich; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing.)Hydraulikzylinder sind ein wichtiger Bestandteil moderner Maschinen, die eine große Kraftentfaltung bei kleinem Bauraum bieten. Diese werden schon seit Jahrzehnten eingesetzt und es wurde schon viel geforscht um sie zu verbessern. Trotzdem ist es auch heute noch eine Herausforderung, Leckage zu minimieren bzw. ganz zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Veränderung der Leckage und die Veränderung der Dichtringgeometrie von PU-Nutringen in Langzeitexperimenten untersucht. Mittels FEM wurden verschiedene Querschnittsprofile von PU-Nutringen betrachtet, variiert wurde der Radius an der Dichtkante und eine zweite, flache Kante auf der Luftseite der Dichtlippe. Teilweise wurden reale Dichtringe mit diesen Profilen über große Distanzen getestet. Dabei wurde die Dichtgüte mit Leckagemessungen und Förderwertbestimmungen überwacht und die absolute Schmierfilmdicke wurde am gesamten Umfang mittels Ellipsometrie gemessen. Dichtringe mit anfänglich scharfer Dichtkante bildeten im Laufe des Versuchs einen kleinen Radius an der Dichtkante, Leckage trat bis ca. 300 km Laufstrecke auf, danach nicht mehr. FEM-Betrachtungen zeigten ebenfalls eine bessere Dichtwirkung bei Dichtringen mit einem Radius an der Dichtkante. Dagegen leckten Dichtringe, die vor Versuchsbeginn mit einem Radius an der Dichtkante versehen wurden. Bei den Dichtringen mit zweiter, flacher Kante auf der Luftseite der Dichtlippe konnte ein druckgesteuerter „Kippeffekt“ erzielt werden. Dadurch sollte vor allem im Differentialbetrieb eine hohe Dichtgüte möglich sein. Im Spritzguss hergestellte Dichtringe mit auf der Luftseite der Dichtlippe abgestochenen flache Fase, zeigten eine deutlich verbesserte Dichtwirkung im Differentialbetrieb, gedrehte Dichtringe nicht. Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Methoden zur Beurteilung der Dichtgüte, ergaben teilweise sehr unterschiedliche Ergebnisse. Letztlich muss sich im konkreten Aufbau mit Abstreifer, Dichtringen und Führungen sowie entsprechender Betriebsbedingungen zeigen, ob ein Dichtsystem leckagefrei abdichtet. Bei den Langzeitversuchen trat zeitlich partiell Leckage auf. Zu Beginn des Versuchs wurde leckagefrei abgedichtet, danach folgte ein Bereich in dem die Dichtungen leckten um dann über lange Zeit hinweg wieder dicht zu sein. Neben den zeitlichen Unterschieden ergaben sich auch große Unterschiede am Umfang der Dichtung. Schmierfilmdickemessungen mit dem Ellipsometer zeigten, dass die Schmierfilmdicke am Stangenumfang teilweise sehr große Unterscheide aufweist. Beide Phänomene sind bisher nicht durch theoretische oder simulative Betrachtungen zu erklären. Die Dichtringe mit flacher Kante auf der Luftseite der Dichtlippe sind eine Möglichkeit, durch druckgesteuerte Pressungsverläufe optimierte Dichtungen für Differentialbetrieb zu erhalten. Die mit dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse können allerdings nur als Anfang gesehen werden. Hier sollte durch weitere Forschung eine praxistaugliche Dichtringauslegung erarbeitet werden. Die experimentellen Ergebnisse, insbesondere die Schmierfilmdickenmessung am Stangenumfang, werfen Fragen zu den tatsächlichen Vorgängen im Dichtspalt und zur simulativen Abbildung dieser Vorgänge auf. Daher werden auch weiterhin Versuche und Experimente für die Auslegung von Dichtungen unerlässlich sein.Item Open Access Einfluss alternativ gefertigter Dichtungsgegenlaufflächen auf die Funktionsmechanismen von Radial-Wellendichtungen(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Schulz, Markus; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen(2005) Kunstfeld, Thomas; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für ein zuverlässig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberfläche von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberfläche direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenförderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringförderung für die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Ausprägung der Wellenoberfläche in den gültigen Normen Rechnung getragen. Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren für Wellenoberflächen härten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflächen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden können. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der berührungslos optisch vermessenen 3D-Oberflächentopografie werden dabei für die vorliegende Wellenoberfläche anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflächenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden. Im zweiten Schritt wird der Förderwert der Wellenoberflächen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberfläche weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgeführt. Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalität des Dichtsystems über einen längeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemförderwerts in regelmäßigen Abständen, kann dessen Veränderung und somit die Veränderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberfläche, aber auch alle übrigen Systemkomponenten können so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind künftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, möglich. Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien für längsgedrehte Wellenoberflächen unter Verwendung von ungehärteten und gehärteten Werkstoffen durchgeführt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleiß. Zusätzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht. Grundsätzlich sind die längsgedrehten Wellenoberflächen, hart oder weich, als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die längs-hartgedrehten Wellenoberflächen zeigen kein drehrichtungsabhängiges Förderverhalten und geringe Förderwerte. Die längs-weichgedrehten Wellenoberflächen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhängiges Förderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte. Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflächen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflächen zu geringen Förderwerten der Wellenoberfläche und des Dichtrings führen. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schräg zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind äußerst förderintensiv. Sie können zu großer Leckage oder ungünstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem führen. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative. Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fördereigenschaft der Wellenoberfläche, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fördereigenschaften der Wellenoberfläche fast ausschließlich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die größenordnungsmäßig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt. Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise können beliebige Wellenoberflächen dichtungstechnisch geprüft und beurteilt werden. Künftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemöglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflächenstrukturen, Ausprägungen (z.B. Breiten-Längenverhältnis) etc. nötig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemförderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmöglichkeiten.