Oszilierende Tangentialkontakte : reibinduzierte Bewegung und Kontrolle von Reibung

Sowohl Reibung als auch Schwingungen sind Bestandteil vieler technischer Systeme. Das Auftreten von Schwingungen in reibbehafteten Systemen resultiert in einer Oszillation der Kontaktgebiete. Diese Oszillationen können unerwünschte Nebeneffekte produzieren, wie beispielsweise Quietschen, sie können jedoch auch gezielt genutzt werden. Eine gesteuerte Anregung wird beispielsweise zum Transport von Objekten oder aber zur Kontrolle von Reibeigenschaften genutzt. In beiden Fällen werden die gleichen physikalischen Methoden verwendet, um die Reibung zu beschreiben und zu charakterisieren. Handelt es sich um trockene Reibung wird oft das einfache Coulombsche Gesetz oder detaillierte zustandsbezogene Reibgesetze verwendet. Eine solche Beschreibung von Reibinteraktion vernachlässigt jedoch die Geometrie des Kontakts unter dem Einfluss alternierender Belastung. Eine numerische Untersuchung der Reibkontakte im dynamischen System mittels der Finiten Elemente Methode oder der Randelemente Methode erfordert eine enorme Rechenleistung und ist daher nicht praktikabel. Die Beschreibung dynamischer, oszillierender Reibkontakte mit fundamentalen Gesetzen, aber auch mit der Methode der Dimensionsreduktion (MDR) ist daher genauso Aufgabe dieser Arbeit wie umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Zwei Klassen von Kontakten werden in dieser Arbeit detailliert betrachtet. Zunächst wird die krafterzeugende Achse des Nanoroboters RaMoNa untersucht. Aufgrund von asymmetrischen Schwingungen von Kontaktkugeln wird ein Läufer in eine Stick-Slip Bewegung versetzt, um Kraft zu erzeugen. Der Kontakt zwischen Kugeln und Läufer wird durch die MDR numerisch beschrieben. Die Ergebnisse für Kontaktgeometrieen unterschiedlicher Größe werden mit experimentellen Daten verglichen. Trotz unterschiedlicher geometrischer Skalen der Kontakte kann die Methode die generierte Kraft gut nachbilden. Sie weist somit eine exzellente Universalität auf. Zusätzlich wird durch ein vereinfachtes Modell der MDR der Bewegungsablauf des Läufers beschrieben. Dies ermöglicht ein detailliertes Verständnis der Bewegungsabläufe des Läufers und resultiert in der Entwicklung eines neuen Ansteuersignals der Kontakte zur Verbesserung der Läufereigenschaften. Die zweite Klasse oszillierender Kontakte untersucht die Kontrolle von Reibeigenschaften und die Reduktion von Reibung. An einem Stift-Scheibe-Tribometer werden Proben in drei verschiedenen Richtungen zu Ultraschallschwingungen unterschiedlicher Amplituden angeregt. Für alle drei Richtungen kann ein reibreduzierender Effekt experimentell nachgewiesen werden. Außerdem wird mit Hilfe des einfachen Coulombschen Gesetzes das qualitative Verhalten der Reibreduktion physikalisch nachgebildet. Für die Schwingungen normal zur Kontaktebene wird ein physikalisches Modell mit Hilfe der MDR untersucht. Es zeigt sich, dass auch für dieses makroskopische System für die einfachst anzunehmende Kontaktgeometrie, die experimentellen Daten gut beschrieben werden können.Friction as well as vibrations are integral parts of many technological applications. Their simultaneous appearance results in oscillating frictional contacts. While these are often a side effect of technical systems and result in troublesome effects like squeal, it may as well be a desired effect. Among others, the interaction of friction and vibration is used to transport objects or to control friction. In both cases the same methods apply to describe the frictional behaviour of the dynamic system. In case of dry friction, mostly the Coulomb friction law or more sophisticated so-called single state friction laws are used. Those laws do not consider the contact geometry. Therefore, its dynamical behaviour under alternate loadings is neglected and the contact properties are significantly simplified. Contrariwise, a numerical description of the entire contact area in a dynamic system using the finite element method or the boundary element method is very time consuming and thus not practical. Consequently, in this work, the possibility of describing dynamic frictional oscillating contacts by the means of simple models as well as with the Method of Dimensionality Reduction (MDR) are explored. In addition systematic experimental investigations have been performed. Two classes of oscillating contacts will be examined. First the forcegenerating axis of the mobile nano robot RaMoNa is investigated. Due to asymmetric vibrations of contact spheres, a stick-slip motion is induced onto a force-generating runner. The contact interaction is described numerically. The results are compared to experimental data. For contact spheres of different dimensions the force-generation can be described by the chosen method, proving the method’s universal character. In addition a simplified model of the MDR gives a detailed insight into the principle of movement of the runner. This is used to invent and test a new, more efficient input signal to control the motion of the runner. The second class of oscillating contacts addresses the control and reduction of sliding friction. Due to ultrasonic oscillations of the contact partners in different vibration directions the characteristic of the sliding friction is changed. Experiments on a pin-ondisc type test stand are systematically performed. The friction reducing influence of the vibrations for three vibration directions and a wide amplitude range is experimentally established. Furthermore, for all vibration directions, the overall tendencies observed in the experiments can be described using analytical models based only on Coulomb’s law. For the vibration direction normal to the contact plane, the MDR is applied. Moreover for this macroscopic technical example the MDR exhibits a good comparability with the measured data, even for the simplest possible contact geometry