B02: Wärmefluss zwischen Maschinenkomponenten

Bestimmung und Modellierung der Wärmeübergangsmechanismen zwischen den Maschinenkomponenten

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer: RWTH Aachen, Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung

Die Quantifizierung von thermischen Widerständen zwischen miteinander in Kontakt befindlichen Bauteilen ist von entscheidender Bedeutung bei der Charakterisierung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Insbesondere hängt die Aussagekraft numerischer Berechnungen des Temperatur- und Spannungsfelds in verfügten Bauteilen von der genauen Kenntnis des Kontaktwärmeübergangskoeffizienten ab, der als Randbedingung in die entsprechenden Finite-Elemente (FE)-Berechnungen einfließt. Das Teilprojekt erarbeitet die Grundlagen für die Quantifizierung des Wärmeübergangs an spezifischen Fügestellen einer typischen Werkzeugmaschine.

In der ersten Förderperiode wurden zunächst statische Kontakte zweier makroskopisch ebener Oberflächen betrachtet. Hierzu wurden experimentell validierte Modelle erarbeitet, um das elastische und plastische Kontaktverhalten rauer Oberflächen und daraus resultierende Wärmewiderstände in der Kontaktzone zu quantifizieren. Die zu Grunde liegende Zielstellung hierbei war, Kontaktwärmeübergänge für trocken miteinander verschraubte oder verpresste Bauteilverbindungen als Funktion von Kontaktdruck und Oberflächenbeschaffenheit vorherzusagen.

Im Zuge der zweiten Förderperiode sollen erarbeitete Modelle erweitert werden, um das thermische Kontaktverhalten dynamische Bauteilverbindungen vorhersagen zu können. Bei der Betrachtung bewegter Systeme müssen zusätzliche Aspekte betrachtet werden. Hierzu zählen ein zeitlich variabler Anpressdruck, sowie eine kontinuierlich veränderliche Kontaktfläche aufgrund von Relativbewegungen der Kontaktpartner. Insbesondere die Beschreibung des Wärmeeintrags in die Kontaktstelle durch Reibung ist hier von vorrangiger Bedeutung. Ebenso steht der Einfluss von fluiden Zwischenmedien auf den Kontaktwärmeübergang im Mittelpunkt der Forschungsbemühungen.