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Contact mechanics and friction of elastic solids on hard and rough substrates = Kontaktmechanik und Reibung elastischer Körper auf harten und rauhen Oberflächen
2012
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-02-08
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40341
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63762/files/4034.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kontaktmechanik (Genormte SW) ; Leckage (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gummireibung (frei) ; contact mechanics (frei) ; rubber friction (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZL
Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung von Kontaktmechanik und Gummireibung. Diese beiden Themen sind von enormer Bedeutung sowohl in der Natur als auch in zahlreichen technischen Anwendungen. Trotz ihrer Bedeutung sowie der bisherigen theoretischen und experimentellen Anstrengungen sind Kontaktmechanik und Gummireibung bis heute nur relativ wenig verstanden. Die Motivation dieser Arbeit ist es einen neuartigen Ansatz nach Persson mit den aktuell etablierten Theorien zu vergleichen und ihre Genauigkeit zu testen. Herzu werden die Vorhersagen dieser Modelle mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Die hierzu vorgestellten Experimente behandeln dabei nicht nur die Gebiete der Kontaktmechanik und Gummireibung sondern umfassen gleichzeitig unterschiedliche Anwendungen die von großer Bedeutung in zahlreichen technologischen Systemen sind. Sehr gute Übereinstimmung wurde dabei mit dem Ansatz nach Persson gefunden während die Vorhersagen der Standartmodelle nicht nur quantitativ abweichen sondern auch qualitativ falsche Vorhersagen liefern. Dies kann damit begründet werden, dass die Standarttheorien wesentliche Vereinfachungen treffen, wie zum Beispiel die Vernachlässigung weitreichender elastischer Kopplung sowie eine nur ungenügende Beschreibung von Oberflächenrauheit. Sehr gute Übereinstimmung wurde ebenfalls gefunden bei der Anwendung des Ansatzes nach Persson auf verschiedene Probleme basierend auf dem Kontakt zweier Oberflächen. Dies beinhaltet unter anderem die Leckage von Dichtungen oder das Herauspressen einer Flüssigkeit aus der Kontaktzone. Zur Analyse der Ergebnisse wurden sämtliche benötigten Eingangsgrößen des Ansatzes bestimmt sodass keine Fit Parameter verwendet wurden. Innerhalb der Genauigkeit der Experimente konnte die Kontaktmechaniktheorie nach Persson gute Ergebnisse erzielen. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung einer Gummireibungstheorie welche auf dem Kontaktmechanikansatz basiert. Hierzu wurde ein neuartiger Reibungsprüfstand entwickelt um die Vorhersagen der Theorie zu testen. Es konnte gezeigt werden, dass die experimentellen Ergebnisse von den Theorieergebnissen, welche unterschiedliche Dissipationsmechanismen im Gummi berücksichtigt, sehr gut beschrieben wurden. Der Ansatz nach Persson stellt zurzeit das einzige physikalisch basierte Modell dar das zur Berechnung von Gummireibung auf harten und rauhen Oberflächen benutzt werden kann. Weiterführende Forschungsarbeiten werden benötigt um den Einfluss von Temperatureffekten (Blitztemperatur) auf die unterschiedlichen Dissipationsmechanismen und somit auf die Gummireibung zu klären. Dies ist unverzichtbar für technische Anwendungen wie zum Beispiel der Reibung eines Reifens oder dynamischer Dichtungen.This thesis presented an experimental study of contact mechanics and rubber friction. These are topics of huge importance in Nature and in technology. Despite its importance and the theoretical and experimental effort carried out, contact mechanics and rubber friction are still not well understood today. The motivation of this work has been to compare the approach of Persson to contact mechanics and rubber friction with state-of-the-art theories and to test its accuracy by comparing the predictions with experimental results. The experiments described here not only address the two topics contact mechanics and rubber friction but also different applications that are of great importance in many technological systems. It is the first time that experimental data has been used to test the approach of Persson in detail. Very good agreement has been found with the Persson approach, while the predictions of the standard theories disagree even qualitatively. This is due to severe approximations made in the state-of-the-art theories, such as the neglect of longrange elastic deformations and the oversimplified description of surface roughness. Very good agreement has been found when the approach of Persson was applied to different problems involving contact mechanics, including the leak rate of seals or the squeeze-out of a fluid. There are no fitting parameters used in the analysis. Within the accuracy of the experiments, the theory on contact mechanics by Persson has been shown to work very well. In the last section of the thesis, the predictions of a rubber friction theory based on the contact mechanics approach are tested using a novel instrument that has been designed. The experimental data could be explained well by the theory if different energy dissipation mechanisms are taken into account and the rubber friction theory of Persson explains the results within the accuracy of the measurements. It is the only physical model that can presently be applied to rubber friction on hard and rough substrates. More work needs to be done in order to test the influence of temperature effects (flash temperature) on rubber friction during energy dissipation. This is crucial for technical problems, such as friction of a tyre or dynamic seals.
Fulltext: 
PDF
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online, print
Sprache
English
Interne Identnummern
RWTH-CONV-125183
Datensatz-ID: 63762
Beteiligte Länder
Germany
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