DE102004046924A1 - Method for predicting surface abrasion e.g. of wafers, involves surface of body carrying out movements relative to further body - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Vorhersage des Verschleißes, der an einem physikalischen Körper aufgrund zweier Bewegungen des Körpers relativ zu einem weiteren Körper auftritt.The The invention relates to a method for automatic prediction of wear, the on a physical body due to two movements of the body relative to another body occurs.
Aus G. Knoll: „Simulationstools für strukturdynamisch/elastodydrodynamisch gekoppelte Motorkomponenten", Fachtagung „Simulation im Maschinenbau", Dresden, 24./25. 2. 2000, verfügbar unter http://www.ist-aachen.com/simulation.pdf, abgefragt am 23. 8. 2004, sowie aus G. Knoll, K. Backhaus, J. Lang, K. Wilhelm: „Berechnung von Motorengleitlagern unter Berücksichtigung der Deformation", verfügbar unter http://www.ist-aachen.com/tower1.pdf, abgefragt am 23. 8. 2004, sind Verfahren bekannt, um Vorgänge in einem Motor zu simulieren. Insbesondere werden Bewegungen, Kontaktdrücke und Reibungen in einem System, das aus einem Zylinder und einem sich im Zylinder hin- und Herbewegungen Kolben besteht, physikalisch modelliert und anschließend simuliert. Hierfür werden Verfahren der Simulation starker Mehrkörpersysteme und der Finiten Elemente verwendet.Out G. Knoll: "Simulation tools for structural dynamics / elastodydrodynamic coupled engine components ", Symposium "Simulation in mechanical engineering ", Dresden, 24./25. 2. 2000, available at http://www.ist-aachen.com/simulation.pdf, interrogated on August 23, 2004, as well as G. Knoll, K. Backhaus, J. Lang, K. Wilhelm: "Calculation of motor bearings under consideration the deformation ", available at http://www.ist-aachen.com/tower1.pdf, queried on 23. 8. 2004, methods are known to simulate operations in an engine. In particular, movements, contact pressures and friction in one System consisting of a cylinder and a cylinder in and out of the cylinder Movements piston exists, physically modeled and then simulated. Therefor become methods of simulation of strong multibody systems and finites Elements used.
In
Aus
In
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Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das den Verschleiß einer Oberfläche aufgrund wiederholter Bewegungen relativ zu einer weiteren Oberfläche vorhersagt.Of the Invention has for its object to provide a method which the wear of one surface due to repeated movements relative to another surface.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Datenverarbeitungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 26 und ein Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 27 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The The object is achieved by a method having the features of the claim 1 and a data processing system with the features of the claim 26 and a computer program product having the features of the claim 27 solved. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Durch
das Verfahren sowie die Datenverarbeitungsanlage und das Computerprogramm-Produkt
wird automatisch ein Verschleiß vorhergesagt,
der an einer Oberfläche
eines physikalischen Körpers
hervorgerufen wird. Der vorherzusagende Verschleiß wird durch
mindestens zweier Relativbewegungen der Oberfläche relativ zu einer weiteren
Oberfläche
eines weiteren physikalischen Körpers
hervorgerufen. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte:
Ermittelt
wird eine Anfangskontur, die die Oberfläche vor Beginn der ersten Relativbewegung
aufweist. Die Ermittlung wird beispielsweise durch eine Abtastung
der Oberfläche
durchgeführt.The method as well as the data processing system and the computer program product automatically predicts wear caused on a surface of a physical body. The predicted wear is caused by at least two relative movements of the surface relative to another surface of another physical body. The method comprises the following steps:
An initial contour is determined which has the surface before the beginning of the first relative movement. The determination is carried out, for example, by scanning the surface.
Für die erste Relativbewegung wird eine Abfolge durchgeführt, die folgende drei Schritte umfaßt:
- – Durch eine erste Simulation wird eine durch die jeweilige Relativbewegung hervorgerufene und ortsabhängige physikalische Belastung der Oberfläche berechnet wird, wobei für die Simulation die ermittelte Anfangskontur der Oberfläche verwendet.
- – Durch eine erste Abrieb-Berechnung wird ein ortsabhängiger Abrieb berechnet, nämlich der Abrieb, der durch die ortsabhängige Belastung, die durch die erste Relativbewegung hervorgerufen wird, von der Oberfläche abgetragen wird.
- – Durch eine erste Kontur-Berechnung wird ausgehend von der ermittelte Anfangskontur der Oberfläche eine Kontur, die die Oberfläche nach der ersten Relativbewegung aufweist, berechnet. Hierfür wird der durch die erste Relativbewegung hervorgerufene ortsabhängige Abrieb verwendet.
- By a first simulation, a physical load of the surface caused by the respective relative movement and location-dependent is calculated, whereby the determined initial contour of the surface is used for the simulation.
- By a first abrasion calculation, a location-dependent abrasion is calculated, namely the abrasion, which is caused by the location-dependent load, which is caused by the first relative movement, from the upper surface is removed.
- By means of a first contour calculation, a contour which has the surface after the first relative movement is calculated on the basis of the determined initial contour of the surface. For this purpose, the location-dependent abrasion caused by the first relative movement is used.
Für die zweite Relativbewegung wird eine zweite Abfolge durchgeführt, die folgende drei Schritte umfaßt:
- – Durch eine zweite Simulation wird eine durch die jeweilige Relativbewegung hervorgerufene und ortsabhängige physikalische Belastung der Oberfläche berechnet wird, wobei für die Simulation die berechnete Kontur der Oberfläche nach der ersten Relativbewegung verwendet.
- – Durch eine zweite Abrieb-Berechnung wird ein ortsabhängiger Abrieb berechnet, nämlich der Abrieb, der durch die ortsabhängige Belastung, die durch die zweite Relativbewe gung hervorgerufen wird, von der Oberfläche abgetragen wird.
- – Durch eine zweite Kontur-Berechnung wird eine Kontur, die die Oberfläche nach der zweiten Relativbewegung aufweist, berechnet. Hierfür wird von der berechneten Kontur der Oberfläche nach der ersten Relativbewegung ausgegangen und der durch die zweite Relativbewegung hervorgerufene ortsabhängige Abrieb verwendet.
- By a second simulation, a physical load of the surface caused by the respective relative movement and location-dependent is calculated, whereby the calculated contour of the surface after the first relative movement is used for the simulation.
- - By a second abrasion calculation, a location-dependent abrasion is calculated, namely the abrasion, which is removed by the location-dependent load caused by the second Relativbewe movement, from the surface.
- - By a second contour calculation, a contour that has the surface after the second relative movement, calculated. For this purpose, it is assumed that the calculated contour of the surface after the first relative movement and the location-dependent abrasion caused by the second relative movement used.
Nach dem Abschluß der zweiten Abfolge ist eine Kontur der Oberfläche berechnet, die diese nach der zweiten Relativbewegung hat.To the conclusion of the second sequence is a contour of the surface calculated according to this the second relative movement has.
Das Verfahren sagt den Verschleiß realitätsnah vorher. Die Realitätsnähe rührt zum einen daher, dass die physikalische Belastung und der Abrieb ortsabhängig berechnet werden und daher von Bereich zu Bereich der Oberfläche differieren können, was der Realität entspricht. Dieses Merkmal des Verfahrens vermag Abweichungen der realen von den idealen Konturen der beiden Oberflächen nachzubilden. Zum anderen wird die berechnete Veränderung der Kontur, die die erste Relativbewegung bewirkt, in die Berechnung eingespeist und als neue Ausgangskontur verwendet, um die weitere Kontur-Veränderung aufgrund der zweiten Relativbewegung zu berechnen.The Method predicts the wear realistic before. The realism comes to life one therefore that the physical load and the abrasion calculated location dependent and therefore differ from area to area of the surface can, what the reality equivalent. This feature of the method is capable of deviating reproduce the ideal contours of the two surfaces. On the other hand, the calculated change of the contour, which is the first relative motion causes, fed into the calculation and used as a new initial contour to further contour change due to the second relative motion.
Weil das Verfahren den Verschleiß realitätsnah vorhersagt, ermöglicht es, Versuche mit realen physikalischen Körpern einzusparen. Dadurch lassen sich Zeit und Aufwand einsparen. Eine Verschleiß-Vorhersage ist bereits frühzeitig im Produktentstehungsprozeß möglich, insbesondere bereits dann, wenn die beiden Körper noch nicht hergestellt wurden.Because the process predicts wear in a realistic manner, allows it is to save experiments with real physical bodies. Thereby Time and effort can be saved. A wear prediction is already early possible in the product development process, in particular already when the two bodies not yet produced.
Das Verfahren läßt sich dafür anwenden, die Lebensdauer des physikalischen Körpers vorherzusagen. Eine maximal zulässige Abriebtiefe vertikal zur Oberfläche wird vorgegeben. Ist die Oberfläche bis auf diese Abriebtiefe abgetragen, so ist eine Wartungsmaßnahme durchzuführen, z. B. der Körper zu erneuern. Die Abfolge Simulation – Abrieb-Berechnung – Kontur- Berechnung wird wiederholt, bis an wenigstens einer Stelle der Oberfläche die vorgegebene Abriebtiefe erreicht ist, also z. B. an einer Stelle 1 mm Material oder mehr abgetragen ist. Ermittelt wird, nach wie vielen Relativbewegungen dies der Fall ist. Diese Anzahl Relativbewegungen wird als die Lebensdauer des Körpers verwendet. Das Verfahren ermöglicht es, diese Lebensdauer vorherzusagen und somit Wartungsmaßnahmen vorab zu planen.The Procedure can be apply for to predict the life of the physical body. A maximum allowed Abriebtiefe vertical to the surface is specified. Is the surface removed to this Abriebtiefe, so a maintenance measure is carried out, for. B. the body to renew. The sequence Simulation - Abrasion calculation - Contour calculation is repeated, up to at least one point of the surface, the predetermined Abriebtiefe is achieved, ie z. B. at one point 1 mm material or more is worn away. It is determined how many relative movements this is the case. This number of relative movements is called the life of the body used. The procedure allows it to predict this lifetime and thus maintenance measures to plan in advance.
In einer Ausgestaltung wird das Verfahren angewendet, um die Konstruktion eines Bauteils zu überprüfen und ggf. abzuändern, bevor das Bauteil selber hergestellt ist. Vorgegeben werden ein Konstruktionsmodell des Bauteils mit der durch das Verfahren zu untersuchenden Oberfläche sowie ein Konstruktionsmodell eines weiteren Bauteils mit der weiteren Oberfläche. Untersucht wird die Auswirkung einer elementaren Relativbewegung zwischen den Bauteilen, die im Einsatz N-mal ausgeführt wird, was einen Verschleiß der Oberfläche bewirkt. Eine Abfolge wird pro elementarer Relativbewegung durchgeführt. Oder aber zeitraffend wird je eine Abfolge für eine vorgegebene Anzahl N1 von elementaren Relativbewegungen durchgeführt, wobei N1 kleiner als N ist.In In one embodiment, the method is applied to the construction to check a component and change if necessary before the component itself is manufactured. Be specified Construction model of the component with the by the method too examining surface and a design model of another component with the other Surface. The effect of an elementary relative movement is examined between the components that run N times in use, what a wear of surface causes. A sequence is performed per elementary relative movement. Or but time-consuming is a sequence for a given number N1 performed by elementary relative movements, where N1 is smaller than N is.
Mit Hilfe des Verfahrens wird vorhergesagt, wie große dieser Verschleiß ist, welche Kontur also die Oberfläche nach dem N-fachen Ausführen der elementaren Relativbewegung aufweist.With Help of the method is predicted how big this wear is which Contour so the surface after the N-fold To run having the elementary relative movement.
Mit Hilfe des Verfahrens läßt sich insbesondere überprüfen, ob eine vorgegebene Toleranz für die Oberfläche klein genug ist oder verringert werden muß. Die tatsächliche Lage, Form oder Position der Oberfläche im realen Bauteil weicht zwangsläufig von einer vorgegebenen Form, Lage oder Position ab, z. B. aufgrund von Fertigungs- und Montage-Ungenauigkeiten. Eine Toleranz legt fest, wie groß diese Abweichung höchstens sein darf.With Help of the method can be especially check if a given tolerance for the surface is small enough or needs to be reduced. The actual location, shape or position the surface in the real component inevitably gives way from a given shape, position or position, z. B. due of manufacturing and assembly inaccuracies. A tolerance sets how big this is Deviation at most may be.
Zur Überprüfung einer vorgegebenen Toleranz wird das Verfahren mehrmals durchgeführt. Bei jeder Durchführung wird eine andere Anfangskontur der Oberfläche vorgegeben. Jede dieser Anfangskonturen weicht von der vorgegebenen Sollkontur um nicht mehr als die Toleranz ab. Durch Anwendung des Verfahrens wird für jede Anfangskontur vorhergesagt, welche Kontur die Oberfläche nach den N elementaren Relativbewegungen haben wird und ob der Verschleiß kleiner als eine vorgegebene Schranke oder zu groß ist.To check a given tolerance, the procedure is performed several times. at every implementation a different initial contour of the surface is given. Each of these initial contours gives way from the specified target contour by no more than the tolerance. By applying the method, it is predicted for each initial contour which contour the surface After the N elemental relative movements will have and whether the wear is smaller as a given barrier or too big.
Falls das Bauteil z. B. ein Lager in Form eines Hohlzylinders ist, indem ein Zylinder gleitet, so ist die Oberfläche z. B. die Innenfläche des Lagers. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten ist die Innenfläche schon vor Beginn der Relativbewegungen in der Regel kein exakter Zylinder, sondern z. B. tonnenförmig. Vorgegeben wird eine Toleranz für die Balligkeit der zylinderförmigen Innenfläche. Die Balligkeit gibt an, um welchen Betrag der größte vom kleinsten Durchmesser der Innenfläche abweicht. Das Verfahren wird mit verschiedenen Werten für die Balligkeit der Innenfläche durchgeführt, um die vorgegebenen Toleranz für die Balligkeit zu überprüfen.If the component z. B. is a bearing in the form of a hollow cylinder by a cylinder slides, so the surface z. B. the inner surface of the Camp. Due to manufacturing inaccuracies, the inner surface is already usually no exact cylinder before starting the relative movements, but z. B. barrel-shaped. The default is a tolerance for the crown of the cylindrical Inner surface. The crown indicates by which amount the largest of the smallest diameter the inner surface differs. The method comes with different values for the crown the inner surface carried out, by the given tolerance for to check the crowning.
Sind der Abrieb und damit der Verschleiß größer als eine vorgegebene Schranke, so wird vorzugsweise ein vorgegebenes Konstruktionsmodell des Bauteils mit der Oberfläche abgeändert, und das Verfahren wird erneut ausgeführt. Beispielsweise wird im Konstruktionsmodell ein Materialparameter oder eine Toleranz der Oberfläche verändert, und das Verfahren wird erneut mit dem neuen Materialparameter bzw. der neuen Toleranz durchgeführt.are the abrasion and thus the wear greater than a predetermined barrier, so preferably a given design model of the component with the surface modified and the process is carried out again. For example, in the Design model changes a material parameter or tolerance of the surface, and the process is repeated with the new material parameter or the new tolerance performed.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:in the The following is an embodiment the invention described in more detail with reference to the accompanying figures. Showing:
Vorzugsweise wird das Verfahren mit einer üblichen Datenverarbeitungsanlage durchgeführt, z. B. mit einem PC oder einer Workstation.Preferably the procedure is with a usual Data processing system performed, z. B. with a PC or a workstation.
Im Ausführungsbeispiel wird das Verfahren angewendet, um den Verschleiß von je zwei Kfz-Bauteilen vorherzusagen, die sich während des Betriebs des Kraftfahrzeugs relativ zueinander bewegen. Zwei Bauteile, die sich relativ zueinander bewegen, treten beispielsweise im Motor auf, z. B. ein Kolben, der sich in einem Hohlzylinder hin- und herbewegt, ein um eine Achse rotierendes Rad oder die Aufhängung einer Tür, die um eine Achse drehbar gelagert ist, oder bei einer Nockenwelle.in the embodiment the method is used to predict the wear of every two car components, which are during move the operation of the motor vehicle relative to each other. Two Components that move relative to each other, for example, occur in the engine, z. For example, a piston that extends in a hollow cylinder. and moved, a wheel rotating about an axis or the suspension of a Door that is mounted rotatably about an axis, or at a camshaft.
Im Ausführungsbeispiel wird zunächst die Oberfläche des physikalischen Körpers an mindestens einer zuvor ausgewählten Stelle ausgemessen, um eine repräsentative Topographie der Oberfläche im Mikromaßstab zu ermitteln. Die laterale Auflösung liegt dabei in der Größenordnung von 1 μm (10-6 m), die vertikale in der Größenordnung von 10 nm (10-8 m).In the exemplary embodiment, the surface of the physical body is first measured at at least one previously selected location in order to determine a representative topography of the surface on a microscale. The lateral resolution is on the order of 1 μm (10 -6 m), the vertical resolution of the order of 10 nm (10 -8 m).
In entsprechender Weise wird die weitere Oberfläche ausgemessen und eine repräsentative Topographie der weiteren Oberfläche ermittelt.In in the same way, the further surface is measured and a representative Topography of the further surface determined.
Gemessen wird eine Mikrohärte der beiden Oberflächen auf der mikrophysikalischen Detaillierungsebene, vorzugsweise in N / mm2. Hierfür wird z. B. eines der Verfahren angewendet, die in „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer-Verlag, 2001, E28, angegeben werden. Aus den Mikrohärten werden die Mikro-Elastizitätsmodule der beiden Oberflächen berechnet.A microhardness of the two surfaces is measured on the level of microphysical detailing, preferably in N / mm 2 . For this purpose z. For example, one of the methods set forth in "Dubbel - Paperback for Mechanical Engineering", 20th Edition, Springer-Verlag, 2001, E28, is used to calculate the micro-elastic moduli of the two surfaces.
Durch eine Vorab-Simulation wird ein Rauheits-Kennfeld berechnet. Dieses Kennfeld ist als solches ortsunabhängig, d. h. es ist für jeden Bereich der Oberfläche gültig, der annä hernd die gleiche Topographie und dieselben Materialeigenschaften aufweist. Das Kennfeld gilt für jede Relativbewegung der Oberfläche relativ zur weiteren Oberfläche. Die Vorab-Simulation wird daher einmal vorab durchgeführt, und das berechnete Rauheits-Kennfeld wird für jede der folgenden Reibungssimulationen verwendet, also in jeder der folgenden Abfolgen.By a pre-simulation, a roughness map is calculated. This Map is as such location independent, d. H. it is for everyone Area of the surface valid, the approaching has the same topography and material properties. The map applies to every relative movement of the surface relative to the other surface. The pre-simulation is therefore carried out once in advance, and the calculated roughness map becomes for each of the following friction simulations used, so in each of the following sequences.
Das Rauheits-Kennfeld umfaßt fünf Kennlinien. Auf der x-Achse jeder Kennlinie wird die Breite des Spalts zwischen den Oberflächen aufgetragen. Auf der y-Achse des Kennfeldes sind folgende fünf Größen aufgetragen:
- – der Druckflußfaktor in der tangentialen Richtung der Relativbewegung,
- – der Druckflußfaktor in einer Richtung, die tangential zur Oberfläche ist und senkrecht auf der tangentialen Richtung der Relativbewegung steht,
- – der Scherflußfaktor in der tangentialen Richtung der Relativbewegung und
- – der Scherflußfaktor in einer Richtung, die tangential zur Oberfläche ist und senkrecht auf der tangentialen Richtung der Relativbewegung steht, und
- – der Kontaktdruck z. B. in [N/mm2], der an den Berührungspunkten der beiden Oberflächen auftritt. Wenn die beiden Oberflächen sich nicht berühren, tritt kein Kontaktdruck auf.
- The pressure flow factor in the tangential direction of the relative movement,
- The pressure flow factor in a direction which is tangent to the surface and is perpendicular to the tangential direction of the relative movement,
- The shear flow factor in the tangential direction of the relative movement and
- The shear flow factor in a direction which is tangent to the surface and perpendicular to the tangential direction of the relative movement, and
- - The contact pressure z. In [N / mm 2 ], which occurs at the points of contact of the two surfaces. If the two surfaces do not touch, no contact pressure occurs.
Die fünf Kennlinien beschrieben also, wie die fünf Größen jeweils von der Spaltbreite abhängen.The five characteristics So describe how the five Sizes each depend on the gap width.
Der Druckflußfaktor und der Scherflußfaktor sind tribologische Kenngrößen, die den strömungsmechanischen Einfluß beschreiben, den die Topographie der Oberfläche auf die Strömung im mit einem Fluid angefüllten Spalt beschreibt. Diese beiden Kenngrößen sind z. B. in G. Knoll und V. Lagemann: „Simulationsverfahren zur Charakterisierung rauher Oberflä chen. Teil 1: Einfluß der bearbeitungsbedingten Oberfläche auf die hydrodynamische Tragfähigkeit geschmierter Kontakte", in: Tribologie und Schmierungstechnik 1, 2002, beschrieben.Of the Druckflußfaktor and the shear flow factor are tribological parameters that the fluid mechanical Describe influence the topography of the surface on the flow in the filled with a fluid Gap describes. These two parameters are z. In G. Knoll and V. Lagemann: "Simulation method for the characterization of rough surfaces. Part 1: Influence of the processing-related surface on the hydrodynamic load capacity lubricated contacts ", in: Tribology and Lubrication Technology 1, 2002, described.
In diese Vorab-Simulation fließen die Topographien, Mikrohärten und Mikro-Elastizitätsmodule sowie die Querkontraktionszahlen der beiden Oberflächen ein.In this pre-simulation will flow the topographies, microhardness and micro-elasticity modules and the transverse contraction numbers of the two surfaces.
Die Querkontraktionszahl, auch Poisson-Zahl genannt, ist eine Eigenschaft eines Materials und gibt an, wie sehr sich das Material in Querrichtung kontrahiert, wenn es in Längsrichtung expandiert wird. In der Regel ist die Oberfläche eine Legierung verschiedener Materialien. Vorzugsweise wird die Querkontraktionszahl durch eine gewichtete Mittelung aus den Querkontraktionszahlen der Komponenten desjenigen Materials, aus dem die Oberfläche zusammengesetzt ist, ermittelt. Falls nichts anderes bekannt ist, wird als Näherungswert für die Querkontraktionszahl der Oberfläche der Wert 0,33 verwendet.The Quercontraction number, also called Poisson number, is a property of a material and indicates how much the material is transversal when contracted in the longitudinal direction is expanded. As a rule, the surface is an alloy of different Materials. Preferably, the transverse contraction number is determined by a weighted averaging from the transverse contraction numbers of the components of the material of which the surface is composed. Unless otherwise known, the approximate value for the transverse contraction number will be the surface the value 0.33 used.
Die
Vorab-Simulation wird vorzugsweise mittels einer Finite-Elemente-Simulation
durchgeführt.
Die Methode der Finiten Elemente ist aus „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer-Verlag,
2001, C 48 bis C 50, aus B. Klein: „FEM – Grundlagen und Anwendungen
der Finite-Elemente-Methode", Vieweg-Verlag,
3. Auflage, 1999, aus T. R. Chandrupalta & A. D. Belegundu: „Introduction
to Finite Element in Engineering",
Prentice-Hall, 1991, sowie aus
Für die Vorab-Simulation werden zwei Referenz-Oberflächen vernetzt. Vorzugsweise werden als Knotenpunkte der Vernetzung die Meßpunkte wiederverwendet, an denen die Topographie gemessen wurde. Die Härte und Rauheit der einen Referenz-Oberfläche stimmt mit der berechneten mittleren Härte und Rauheit der Oberfläche überein, die der anderen Referenz-Oberfläche mit denen der weiteren Oberfläche. Bei der Vernetzung werden die Referenz-Oberflächen in Flächenelemente zerlegt, deren Kantenlängen vorzugsweise wenige 100 nm beträgt, also im Bereich von wenigen 10-7 m liegt. Der Spalt zwischen den beiden Referenz-Oberflächen wird variiert, und für verschiedene Spaltbreiten werden jeweils die fünf Werte berechnet, die oben angegeben wurden, nämlich die beiden Druckflußfaktoren, die beiden Scherflußfaktoren und der Kontaktdruck. Hierfür wird eine numerische Flußsimulation auf Basis der ermittelten dreidimensionalen Topographie der Oberfläche durchgeführt. Hierfür läßt sich beispielsweise ein Verfahren anwenden, das in G. Knoll und V. Lagemann, a.a.O., oder in G. Knoll und V. Lagemann: „Einfluß der Oberflächenstruktur auf das tribologische Verhalten geschmierter Kontakte", in: Reibung und Verschleiß von Werkstoffen, Bauteilen und Konstruktionen, TAE, Expert Verlag, Kontakt & Studium, Band 602, 2004, beschrieben ist.For pre-simulation, two reference surfaces are networked. Preferably, as nodes of the network, the measuring points are reused, at which the topography was measured. The hardness and roughness of a reference surface coincides with the calculated average hardness and roughness of the surface, that of the other reference surface with those of the other surface. In the case of crosslinking, the reference surfaces are decomposed into surface elements whose edge lengths are preferably a few 100 nm, that is to say in the range of a few 10 -7 m. The gap between the two reference surfaces is varied, and for each of the gap widths, the five values given above are calculated, namely the two pressure flow factors, the two shear flow factors, and the contact pressure. For this purpose, a numerical flow simulation based on the determined three-dimensional topography of the surface is performed. For this purpose, for example, a method can be used, which in G. Knoll and V. Lagemann, loc. Cit., Or in G. Knoll and V. Lagemann: "Influence of the surface structure on the tribological behavior of lubricated contacts", in: friction and wear of materials, Components and constructions, TAE, Expert Verlag, Contact & Studies, Volume 602, 2004, is described.
Im Ausführungsbeispiel führen die beiden Oberflächen in jeder der Relativbewegungen jeweils eine Gleitbewegung relativ zueinander aus. Die Oberfläche bewegt sich während jeder der Gleitbewegungen tangential zur weiteren Oberfläche. Zwischen den beiden Oberflächen ist ein Spalt vorhanden. Die Breite dieses Spalts kann ortsabhängig variieren, also an verschiedenen Bereichen der Oberfläche unterschiedliche Werte annehmen. Außerdem variiert dessen Geometrie an einer Stelle im Verlaufe der Zeit. Der Spalt wird nämlich aufgrund des bewirkten Abriebs breiter.in the embodiment to lead the two surfaces in each of the relative movements in each case a sliding movement relative to each other. The surface moves while each of the sliding movements tangential to the other surface. Between the two surfaces there is a gap. The width of this gap can vary depending on the location, So assume different values at different areas of the surface. Furthermore Its geometry varies at one point over time. The gap is due to the abrasion caused wider.
Die Anfangskontur der Oberfläche, die Anfangskontur der weiteren Oberfläche und die Anfangsposition der Oberfläche relativ zur weiteren Oberfläche werden ermittelt. Die Anfangsposition ist die Position, die die Oberfläche vor Beginn der ersten Relativbewegung relativ zur weiteren Oberfläche einnimmt. Die Anfangskonturen und die Anfangsposition legen die Anfangs-Geometrie des Spalts zwischen den beiden Oberflächen fest.The Initial contour of the surface, the initial contour of the further surface and the initial position the surface relative to the other surface are determined. The starting position is the position that the surface is facing Beginning of the first relative movement relative to the further surface occupies. The initial contours and the starting position define the initial geometry the gap between the two surfaces firmly.
In einer Ausführungsform sind ein Konstruktionsmodell des physikalischen Körpers sowie ein weiteres Konstruktionsmodell des weiteren Körpers vorgegeben. Aus diesen beiden Konstruktionsmodellen werden die beiden Anfangskonturen ermittelt. In dieser Ausführungsform werden keine realen physikalischen Körper benötigt. In einer anderen Ausführungsform sind die beiden physikalischen Körper vor Beginn der Simulation bereits real vorhanden. Sie werden abgetastet, um die beiden Ausgangskonturen und die Ausgangsposition zu ermitteln.In an embodiment are a design model of the physical body as well another design model of the other body specified. From these Both design models determine the two initial contours. In this embodiment No real physical bodies are needed. In another embodiment are the two physical bodies Really present before the simulation starts. They are scanned to determine the two output contours and the starting position.
Die Anfangskontur der Oberfläche sowie die Anfangskontur der weiteren Oberfläche werden hierfür vernetzt, und zwar vorzugsweise in rechteckige Flächenelemente, deren Kantenlänge zwischen 1 und 2 mm liegt.The Initial contour of the surface as well as the initial contour of the further surface are networked for this, and preferably in rectangular surface elements whose edge length between 1 and 2 mm.
Für jede Relativbewegung, die die Oberfläche relativ zur weiteren Oberfläche ausführt, wird eine Abfolge ausgeführt. Mit „jeweiliger Relativbewegung" einer Abfolge wird die Relativbewegung bezeichnet, für die die Abfolge durchgeführt wird. Diese Abfolge besteht im Ausführungsbeispiel aus den Schritten Reibungssimulation – Abrieb-Berechnung – Kontur-Berechnung – Aktualisierung der Ausgangskonturen. In jeder Abfolge werden eine Ausgangskontur der Oberfläche sowie eine Ausgangskontur der weiteren Oberfläche verwendet. In der Abfolge, die für die erste Relativbewegung durchgeführt wird, werden als Ausgangskonturen die zuvor ermittelten Anfangskonturen verwendet. In jeder nachfolgenden Abfolge wird als Ausgangskontur der Oberfläche diejenige Kontur verwendet, die in der vorhergehenden Abfolge berechnet wurde.For every relative movement, the the surface relative to the other surface executing, a sequence is executed. With "respective Relative movement "one Sequence is the relative movement for which the sequence is performed. This sequence consists in the embodiment from the steps Friction Simulation - Abrasion Calculation - Contour Calculation - Updating the output contours. Each sequence becomes an initial contour the surface and an initial contour of the other surface used. In the sequence, the for the first relative movement is performed are called output contours used the previously determined initial contours. In each subsequent Sequence is used as the initial contour of the surface that contour which was calculated in the previous sequence.
In vielen Anwendungen ist die weitere Oberfläche deutlich härter als die Oberfläche, so dass der Verschleiß der weiteren Oberfläche vernachlässigt wird und in jeder Abfolge als Kontur der weiteren Oberfläche stets deren Anfangskontur verwendet wird. Falls der Verschleiß der weiteren Oberfläche ebenfalls berücksichtigt wird, so wird auch für die weitere Oberfläche ein Rauheits-Kennfeld berechnet und analog zur im Folgenden beschriebenen Vorgehensweise eine ortsabhängige Belastung, ein ortsabhängiger Abrieb und hieraus eine durch die jeweilige Relativbewegung hervorgerufene Veränderung der Kontur der weiteren Oberfläche berechnet. Als Ausgangskontur der weiteren Oberfläche wird dann diejenige Kontur der weiteren Oberfläche verwendet, die in der vorhergehenden Abfolge berechnet wurde.In many applications, the more surface is significantly harder than the surface, so that the wear of the further surface neglected and in every sequence as a contour of the further surface always whose initial contour is used. If wear of others surface also considered becomes, so is also for the further surface a roughness map calculated and analogous to those described below Procedure a location-dependent Burden, a location-dependent Abrasion and from this a caused by the respective relative movement change the contour of the further surface calculated. As an initial contour of the other surface is then that contour of the other surface used in the previous one Sequence was calculated.
In jeder Abfolge wird zunächst eine Reibungssimulation durchgeführt, und zwar vorzugsweise ebenfalls mit einer Finite-Elemente-Simulation. Diese Finite-Elemente-Simulation verwendet die Vernetzung der Ausgangskonturen in Flächenelemente mit einer Kantenlänge, die vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm liegt. Durch diese Reibungssimulation wird eine auf die Oberfläche einwirkende physikalische Belastung bezogen auf eine vorgegebene Flächeneinheit berechnet, vorzugsweise in Form einer Reibleistungsdichte.In every sequence will be first carried out a friction simulation, and preferably also with a finite element simulation. This finite element simulation uses the networking of the output contours in surface elements with an edge length, which is preferably between 1 mm and 2 mm. Through this friction simulation one gets on the surface acting physical load related to a given unit area calculated, preferably in the form of a friction power density.
Anstelle der Reibleistungsdichte lassen sich auch andere Größen für die Belastung verwenden, z. B. ein auf die Oberfläche wirkender Kontaktdruck. Die physikalische Belastungsdichte ist ortsabhängig, d. h. sie hängt vom jeweiligen Bereich der Oberfläche ab und variiert von Bereich zu Bereich der Oberfläche und somit von Knoten zu Knoten der Vernetzung.Instead of The friction power density can be other sizes for the load use, for. B. acting on the surface contact pressure. The physical stress density is location-dependent, d. H. she depends on respective area of the surface from and varies from area to area of the surface and thus from node to node of networking.
In die Reibungssimulation fließt das Rauheits-Kennfeld ein. Dadurch, dass ein Rauheits-Kennfeld verwendet wird und nicht nur z. B. ein einzelnes Maß für die Rauheit, werden in der Simulation deutlich genauere und realitätsnähere Ergebnisse erzielt.In the friction simulation is flowing the roughness map. By using a roughness map is and not only z. B. a single measure of roughness, are in the Simulation achieved significantly more accurate and realistic results.
Verwendet wird in der Reibungssimulation weiterhin die ortsabhängige Breite des Spalts, aus der unter Verwendung des Rauheits-Kennfelds die ortsabhängigen Änderungen von Druckfluß und Scherfluß des Fluids hergeleitet werden.used continues to be the location-dependent width in the friction simulation of the gap from which, using the roughness map, the location-dependent changes of pressure flow and Shear flow of Fluids are derived.
Das Verhalten des Fluids wird mittels Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Die Temperatur des Fluids beeinflußt dessen Viskosität. Diese Viskosität wird entweder der Simulation direkt vorgegeben, oder sie wird aus der Ölsorte und der Temperatur berechnet. In einer Näherung, die oft die Realität ausreichend genau widerspiegelt, werden die Viskosität des Fluids und die Temperatur der beiden Oberflächen als zeitlich konstant angenommen. Bei einer genaueren Simulation wird die Erwärmung des Fluids im Betrieb näherungsweise in Abhängigkeit von der Relativbewegung der beiden Oberflächen zueinander und der Spaltbreite berechnet. Hieraus wird eine zeitlich veränderte Viskosität berechnet.The Behavior of the fluid is described by means of Navier-Stokes equations. The temperature of the fluid its viscosity. This viscosity is either given to the simulation directly, or it will be off the type of oil and the temperature is calculated. In an approximation, often enough the reality accurately reflects the viscosity of the fluid and the temperature the two surfaces as temporally constant assumed. For a more precise simulation will the warming of the fluid in operation approximately dependent on from the relative movement of the two surfaces to each other and the gap width calculated. From this a temporally changed viscosity is calculated.
Als Unbekannte in der Reibungssimulation fungieren die Belastungsdichten in den Knotenpunkten der Vernetzung der Ausgangskonturen der Oberflächen, vorzugsweise die Reibleistungsdichten in [W / mm2] oder der Kontaktdruck in [N / m2]. Durch die Finite-Elemente-Simulation werden Werte für die Unbekannten und somit Belastungsdichten in den Knotenpunkten berechnet. Diese Belastungsdichten variieren im allgemeinen von Knotenpunkt zu Knotenpunkt.As unknown in the friction simulation, the stress densities at the nodes act to crosslink the initial contours of the surfaces, preferably the friction power densities in [W / mm 2 ] or the contact pressure in [N / m 2 ]. The finite element simulation calculates values for the unknowns and thus load densities in the nodes. These load densities generally vary from node to node.
Jede Relativbewegung sowie die Relativposition der beiden Oberflächen zueinander sind darüber hinaus vorzugsweise auch zeitabhängig, und zwar dergestalt, dass die Breite des Spalts an einer Stelle ebenfalls über der Zeit variiert. In dieser Ausgestaltung hängen daher die Belastungsdichten in den Knotenpunkten zusätzlich von der Zeit ab und variieren mit dieser. Möglich ist aber auch, dass die Zeitabhängigkeit vernachlässigbar gering ist und die Belastungsdichten in den Knotenpunkten daher während einer Relativbewegung zeitlich konstant sind und nur von Relativbewegung zu Relativbewegung zeitlich variieren.each Relative movement and the relative position of the two surfaces to each other are over it preferably also time-dependent, in such a way that the width of the gap in one place also over the time varies. In this embodiment, therefore, the load densities depend in addition to the nodes from time to time and vary with this. It is also possible that the time dependency negligible is low and the load densities in the nodes therefore while a relative movement are constant in time and only by relative movement vary in relative motion over time.
Für die Reibungssimulation läßt sich z. B. eines der aus G. Knoll, a.a.O., oder aus G. Knoll und V. Lagemann, a.a.O., bekannte Verfahren anwenden.For the friction simulation let yourself z. B. one of G. Knoll, a.a.O., or from G. Knoll and V. Lagemann, supra, apply known methods.
Vorzugsweise werden die berechneten Belastungsdichten in den Knotenpunkten an einen Postprozessor ausgegeben und durch diesen Postprozessor so aufbereitet, dass ein nachfolgendes Programm zur Abriebs-Berechnung die aufbereiteten Belastungsdichten auslesen kann. Beispielsweise erzeugt der Postprozessor eine Textdatei mit einer Tabelle, die das nachfolgende Programm einliest. Möglich ist auch, dass die Tabelle graphisch aufbereitet und ausgegeben wird, z. B. in Form einer dreidimensionalen Graphik. Vorzugsweise umfaßt die Tabelle eine Zeile pro Knotenpunkt. Jede Zeile enthält eine Kennung, die Position und die berechnete Belastungsdichte des Knotenpunkts.Preferably become the calculated load densities in the nodes issued a post-processor and so through this post-processor prepared that a subsequent program for abrasion calculation read the processed load densities. For example The postprocessor generates a text file with a table that read in the following program. It is also possible that the table is graphically processed and output, z. B. in the form of a three-dimensional Graphic. Preferably comprises the table one row per node. Each line contains one Identifier, the position and calculated load density of the node.
In der nachfolgenden Abrieb-Berechnung der Abfolge wird der ortsabhängige Abrieb berechnet, der durch die zuvor berechnete ortsabhängige Belastungsdichte im Verlaufe der jeweiligen Relativbewegung von der Oberfläche abgetragen wird.In the subsequent abrasion calculation of the sequence becomes the location-dependent abrasion calculated by the previously calculated location-dependent load density removed in the course of the respective relative movement of the surface becomes.
Zunächst wird der differentielle Abrieb berechnet. Der differentielle Abrieb wird vorzugsweise in einer Längeneinheit und bezogen auf eine Zeiteinheit berechnet, z. B. in [10-6 m / sec]. Berechnet wird der differentielle Abrieb senkrecht zur Oberfläche. Abgerieben wird ein bestimmtes Volumen des Materials, z. B. ausgedrückt in mm3. Dieses Volumen variiert von Bereich zu Bereich der Oberfläche. Dieses Volumen wird pro Flächeneinheit und pro Zeiteinheit berechnet, z. B. pro mm2 und pro sec. Dies führt zur Einheit [10-6 m / sec] für den differentiellen Abrieb.First, the differential abrasion is calculated. The differential abrasion is preferably calculated in a unit length and based on a time unit, e.g. In [10-6 m / sec]. The differential abrasion perpendicular to the surface is calculated. Worn off a certain volume of the material, for. B. expressed in mm 3 . This volume varies from area to area of the surface. This volume is calculated per unit area and per unit time, e.g. Per mm 2 and per sec. This leads to the unit [10-6 m / sec] for the differential abrasion.
Vorzugsweise wird der differentielle Abrieb mit Hilfe eines zuvor ermittelten funktionalen Zusammenhangs berechnet. Dieser funktionale Zusammenhang wird vor Beginn der ersten Abfolge ermittelt. Er gibt den differentiellen Abrieb als Funktion der Belastungsdichte an und ist ortsunabhängig, gilt also für den gesamten Verlauf jeder Relativbewegung. Er ist weiterhin zeitunabhängig, gilt also für den gesamten Verlauf jeder Relativbewegung. Der vorzugsweise ortsunabhängige funktionale Zusammenhang wird auf die ortsabhängige Belastungsdichte angewendet. Diese Anwendung liefert einen ortsabhängigen differentiellen Abrieb. Für jeden Knotenpunkt der Vernetzung der Ausgangskontur wird ein differentieller Abrieb berechnet.Preferably is the differential abrasion with the help of a previously determined functional relationship calculated. This functional connection is determined before the beginning of the first sequence. He gives the differential Abrasion as a function of load density and is location independent, applies So for the entire course of each relative movement. He is still time independent, applies So for the entire course of each relative movement. The preferably location-independent functional Relation is applied to the location-dependent load density. This application provides a location-dependent differential abrasion. For every node the meshing of the initial contour becomes a differential abrasion calculated.
Im einfachsten Fall besteht der funktionale Zusammenhang daraus, dass der differentielle Abrieb stets proportional zur Belastungsdichte ist, also der differentielle Abrieb gleich dem Produkt aus einem Abriebfaktor als dem Proportionalitätsfaktor und der Belastungsdichte ist. Vorzugsweise wird die Belastungsdichte als Reibleistungsdichte in [ W / mm2 ] oder als Kontaktdruck in [ N / mm2 ] und der differentielle Abrieb in [10-6 m / sec] angegeben. Die Einheit des Abriebfaktors ist dann [10-9 m3 / J] = [mm3 / J]. Der Abriebfaktor wird vorab ermittelt, was weiter unten beschrieben wird.In the simplest case, the functional relationship is that the differential wear is always proportional to the load density, ie the differential wear is equal to the product of an attrition factor as the proportionality factor and the load density. The loading density is preferably specified as the friction power density in [W / mm 2 ] or as the contact pressure in [N / mm 2 ] and the differential abrasion in [10-6 m / sec]. The unit of the abrasion factor is then [10-9 m 3 / J] = [mm 3 / J]. The abrasion factor is determined in advance, which will be described later.
In einer Ausgestaltung bleibt die Belastungsdichte während der gesamten Relativbewegung zeitlich konstant und variiert nur von Knotenpunkt zu Knotenpunkt. In diesem Fall ist auch der differentielle Abrieb zeitlich konstant. Der Abrieb jedes Knotenpunkts wird dann als Produkt des differentiellen Abriebs im Knotenpunkt und der Zeitdauer der jeweiligen Relativbewegung berechnet. Falls die Belastungsdichte zeitlich veränderlich ist, so variiert im allgemeinen auch der differentielle Abrieb in einem Knotenpunkt über der Zeit. Der differentielle Abrieb in einem Knotenpunkt wird über der Zeit integriert, was den Abrieb in dem Knotenpunkt liefert.In In one embodiment, the load density remains during the Total relative movement is constant over time and varies only by Node to node. In this case, too, is the differential Abrasion constant over time. The abrasion of each node then becomes as a product of the differential abrasion in the node and the time duration calculated the respective relative movement. If the load density is temporally changeable, In general, the differential abrasion in one also varies Node over currently. The differential abrasion in a node is over the Integrated time, which provides the abrasion in the node.
Durch die Abrieb-Berechnung wurde für jeden Knotenpunkt der Ausgangskontur ein Abrieb berechnet, vorzugsweise in [10-6 m]. Dies ist der Abrieb, der aufgrund der Relativbewegung im Knotenpunkt vertikal zur Oberfläche von der Ausgangskontur abgetragen wird. Dadurch wird die Ausgangskontur dergestalt verändert, dass der physikalische Körper verkleinert wird.The abrasion calculation calculated an abrasion for each node of the initial contour, preferably in [10-6 m]. This is the abrasion that is removed from the starting contour due to the relative movement in the node vertically to the surface. As a result, the initial contour is changed in such a way that the physical body is downsized.
Für jeden Knotenpunkt der Ausgangskontur wird ein verschobener Knotenpunkt dergestalt berechnet, dass der Abstand zwischen dem verschobenen Knotenpunkt und dem Knotenpunkt der Ausgangskontur gleich dem berechneten vertikalen Abrieb im Knotenpunkt ist. Der Vektor vom Knotenpunkt der Ausgangskontur zum verschobenen Knotenpunkt steht senkrecht auf der Ausgangskontur, und der verschobene Knotenpunkt liegt im physikalischen Körper vor der jeweiligen Relativbewegung.For each The node of the output contour becomes a shifted node calculated such that the distance between the shifted Node and the node of the output contour equal to the calculated vertical abrasion in the node is. The vector from the node the output contour to the shifted node is vertical on the initial contour, and the shifted node is in physical body before the respective relative movement.
Für jeden Knotenpunkt wird auf diese Weise ein verschobener Knotenpunkt berechnet. Die Menge der verschobenen Knotenpunkte definieren die Kontur der Oberfläche nach der jeweiligen Relativbewegung und zugleich eine Vernetzung dieser Kontur. Die Vernetzung mit den verschobenen Knotenpunkten wird in der nachfolgenden Abfolge als Ausgangskontur verwendet.For each Node is calculated in this way a shifted node. The set of shifted nodes define the contour of the surface after the respective relative movement and at the same time a networking this contour. The networking with the shifted nodes is used as initial contour in the following sequence.
Vorzugsweise wird die Kontur der Oberfläche nach der jeweiligen Relativbewegung ebenfalls von einem Postprozessor eingelesen und in Form einer Tabelle ausgegeben. Diese Tabelle hat eine Zeile pro verschobenen Knotenpunkt, die eine Kennung und die Position des verschobenen Knotenpunkts sowie den Abrieb, der zu diesem Knotenpunkt führte, angibt. Diese Tabelle wird graphisch ausgegeben, z. B. um eine Darstellung zu erzeugen, die die Ausgangskontur und die Kontur der Oberfläche nach der ersten Relativbewegung zeigt.Preferably becomes the contour of the surface after each relative movement also from a post-processor read in and output in the form of a table. This table has One line per moved node, containing an identifier and the Position of the displaced node as well as the abrasion to led this node, indicates. This table is displayed graphically, e.g. B. is a representation to create the initial contour and contour of the surface the first relative movement shows.
Weiterhin wird die Relativposition, die die Oberfläche relativ zur weiteren Oberfläche nach der jeweiligen Relativbewegung aufweist, berechnet. Diese kann mit der Relativposition vor Beginn der jeweiligen Relativposition übereinstimmen.Farther is the relative position, the surface relative to the other surface after the respective relative movement has calculated. This can with match the relative position before the beginning of the respective relative position.
Die Abrieb-Simulation wird z. B. mit Hilfe des Simulations-Werkzeug TOWER durchgeführt. Dieses setzt die Verfahren um, die in G. Knoll, a.a.O., beschrieben werden. Die Abrieb-Berechnung und die Kontur-Berechnung werden z. B. mit Hilfe des Berechnungsprogramms MATLAB durchgeführt.The Abrasion simulation is z. B. performed using the simulation tool TOWER. This sets the methods described in G. Knoll, supra. The Abrasion calculation and the contour calculation are z. B. with the help of the calculation program MATLAB performed.
Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte einer Abfolge durch ein zentrales Steuerprogramm gesteuert. Dieses Steuerprogramm ruft den Simulator, der die Simulation durchführt, sowie das Berechnungsprogramm für die Abrieb-Berechnung und das für die Kontur-Berechnung auf. Das Steuerprogramm löst außerdem die Durchführung der Abfolgen aus. Möglich ist es, ein Werkzeug für einen Verfahrensschritt durch ein anderes Werkzeug für denselben Verfahrensschritt zu ersetzen, ohne Werkzeuge ändern zu müssen, die in anderen Verfahrensschritten verwendet werden.Preferably become the steps of a sequence by a central Control program controlled. This control program calls the simulator, who performs the simulation, as well as the calculation program for the abrasion calculation and that for the contour calculation. The control program also triggers the execution of the Sequences out. Possible is it a tool for a step by another tool for the same Replace method step, without having to change tools, in other process steps be used.
Wie gerade beschrieben, wird – ausgehend von der Ausgangskontur der Oberfläche – die Abfolge erste Reibungssimulation – erste Abrieb-Berechnung – erste Kontur-Berechnung durchgeführt. Diese Berechnung liefert die Kontur der Oberfläche nach der ersten Relativbewegung. Diese Abfolge wird in analoger Weise erneut durchgeführt. Ausgehend von der zuvor berechneten Kontur, die die Oberfläche nach der ersten Relativbewegung aufweist, wird die Abfolge zweite Reibungssimulation – zweite Abrieb-Berechnung – zweite Kontur-Berechnung durchgeführt. Diese Abfolge läßt sich ein drittes Mal durchführen, wobei nunmehr von der Kontur nach der zweiten Relativbewegung ausgegangen wird.As just described, is - starting from the initial contour of the surface - the sequence first friction simulation - first Abrasion calculation - first Contour calculation performed. This calculation provides the contour of the surface after the first relative movement. This sequence is carried out again in an analogous manner. outgoing from the previously calculated contour representing the surface after the first relative movement the sequence becomes second friction simulation - second Abrasion calculation - second Contour calculation performed. This sequence can be perform a third time, now starting from the contour after the second relative movement becomes.
Vor der ersten Abfolge werden der Schritte E1, E2 und S1 durchgeführt. Für jede Relativbewegung wird die Abfolge einmal durchlaufen. Die Abfolge umfaßt die einmalige Durchführung der Schritte S2, S3 und S4.Prior to the first sequence, steps E1, E2 and S1 are performed. For each relative movement, the sequence is traversed once. The sequence includes the one-time execution of the steps S2, S3 and S4.
In
einem Schritt S1 werden die gemessenen Topographien
Im
Schritt S2 wird eine Reibungssimulation durchgeführt, wofür das Rauheits-Kennfeld
Im
Schritt S3 wird die Tabelle 8 eingelesen, und für jeden Knotenpunkt wird der
vertikale Abrieb im Knotenpunkt berech net. Hierfür wird der ortsunabhängige funktionale
Zusammenhang
In
Schritt S4 wird der Datensatz
Bei
einer erneuten Durchführung
der Abfolge wird die Ausgangskontur
Die Abfolge wird in einer Ausgestaltung so oft wiederholt, wie Relativbewegungen in der Vorhersage zu berücksichtigen sind.The Sequence is repeated in one embodiment as often as relative movements to be considered in the prediction are.
In einer oben beschriebenen Ausgestaltung ist der differentielle Abrieb proportional zur Belastungsdichte. Der Abriebfaktor, der als Proportionalitätsfaktor fungiert, wird vorzugsweise experimentell bestimmt. Zwei physikalische Körper werden hergestellt. Zwei Referenz-Oberflächen dieser beiden Körper werden durch eine zureichend lange Referenz-Relativbewegung relativ zueinander bewegt. Die Referenz-Oberfläche des einen Körpers weist dieselbe Rauheit und Mikrohärte wie die zu untersuchende Oberfläche auf, die Referenz-Oberfläche des zweiten Körpers dieselbe Rauheit und Mikrohärte wie die der weiteren Oberfläche. Die ortsabhängige Belastungsdichte, die auf die erste Referenz-Oberfläche einwirkt, wird gemessen oder durch eine Finite-Elemente-Simulation berechnet.In An embodiment described above is the differential abrasion proportional to the load density. The abrasion factor, as a proportionality factor is preferably determined experimentally. Two physical body are produced. Two reference surfaces of these two bodies will be moved relative to each other by a sufficiently long reference relative movement. The reference surface of the a body has the same roughness and microhardness as the one under investigation surface on, the reference surface of the second body same roughness and microhardness like the other surface. The location-dependent Loading density acting on the first reference surface is measured or calculated by a finite element simulation.
Der Abrieb, der aufgrund der Referenz-Relativbewegung von der ersten Referenz-Oberfläche abgetragen wird, wird gemessen. Vorzugsweise geschieht dies, indem die erste Referenz-Oberfläche vor der Referenz-Relativbewegung schwach radioaktiv gemacht wird, z. B. durch Beschuß mit Neutronen. Die Re ferenz-Relativbewegung wird durchgeführt, wobei ein Fluid zwischen den beiden Referenz-Oberflächen vorhanden ist. Nach Abschluß der Referenz-Relativbewegung wird die Radioaktivität des im Fluid vorhandenen Abriebs gemessen und in einen differentiellen Abrieb bezogen auf eine Zeiteinheit umgerechnet. Hierbei wird vorzugsweise zunächst die Masse des Abriebs pro Zeiteinheit z. B. in [g / h] berechnet und hieraus mit Hilfe der Fläche der ersten Referenz-Oberfläche und der Wichte des Abriebs der differentielle Abrieb in [10-6 m / sec] berechnet.Of the Abrasion, due to the reference relative movement of the first Reference surface is removed, is measured. Preferably, this is done by the first reference surface before the reference relative movement is rendered weakly radioactive, z. B. by bombardment with Neutrons. The reference relative movement is carried out, wherein a fluid is present between the two reference surfaces. After completion of the reference relative movement becomes the radioactivity measured in the fluid abrasion and measured in a differential Abrasion based on a time unit converted. This is preferably first the mass of abrasion per unit time z. Calculated in [g / h] and from this with the help of the surface the first reference surface and the weight of the abrasion, the differential abrasion in [10-6 m / sec].
In allen oben angeführten Beispielen wird eine elementare Relativbewegung zwischen den Bauteilen sehr oft wiederholt ausgeführt. Diese elementare Relativbewegung ist z. B. ein vollständiger Arbeitszyklus des Kolbens im Zylinder mit vier Takten oder eine Umdrehung des Rades oder ein Öffnen und Schließen der Tür. Möglich ist es, für jede elementare Relativbewegung den Ablauf erneut durchzuführen. Um Rechenzeit einzusparen, wird aber vorzugsweise eine feste Anzahl N1 von elementaren Relativbewegungen zur ersten Relativbewegung zusammengefaßt und die Kontur-Veränderung aufgrund dieser N1 elementaren Relativbewegungen durch eine einzige Abfolge vorhergesagt. Die nächsten N2 Relativbewegungen werden ebenfalls zusammengefaßt, und eine einzige Abfolge wird durchgeführt. Die nächsten N3 elementaren Relativbewegungen werden ebenfalls zusammengefaßt, und wiederum wird eine einzige Abfolge durchgeführt. Möglich ist, dass N1 gleich N2 gleich N3 gilt. Möglich ist auch, dass die N1 elementaren Relativbewegungen in einer Einschwingphase liegen und die nächsten N2 in einer eingeschwungenen Phase. In diesem Falle wird vorzugsweise N1 kleiner als N2 gewählt.In all the examples given above, an elementary relative movement between the components is very often carried out repeatedly. This elementary relative movement is z. B. a complete cycle of operation of the piston in the cylinder with four strokes or one revolution of the wheel or an opening and closing of the door. It is possible to carry out the process again for each elementary relative movement. In order to save computing time, however, a fixed number N1 of elementary relative movements for the first relative movement is preferably combined and the contour change due to these N1 elementary relative movements is predicted by a single sequence. The next N2 relative motions are also summarized and a single sequence is performed. The next N3 elementary relative movements are also summarized, and again a single sequence is performed. It is possible that N1 is equal to N2 equal to N3. It is also possible that the N1 elementary relative movements in one swing phase and the next N2 in a steady phase. In this case, N1 is preferably chosen to be smaller than N2.
Eine oben beschriebene Ausführungsform sieht vor, den ortsabhängigen Abrieb zu berechnen, indem ein ortsunabhängiger funktionaler Zusammenhang zwischen differentiellem Abrieb und Belastungsdichte auf die zuvor berechnete Belastungsdichte angewendet wird. Beispielsweise wird der differentielle Ab rieb als Produkt aus einem konstanten Abriebfaktor und der zuvor berechneten ortsabhängigen Belastungsdichte berechnet. In einer zeitraffenden Fortbildung dieser Ausführungsform wird die Kontur-Veränderung, die durch je N elementare Relativbewegungen bewirkt wird, durch eine einzige Abfolge vorhergesagt. Die Reibungssimulation bezieht sich auf eine einzige elementare Relativbewegung. In der Abrieb-Berechnung wird zunächst der differentielle Abrieb, der durch eine einzige elementare Relativbewegung hervorgerufen wird, berechnet. Der differentielle Abrieb durch N elementare Relativbewegungen ist im wesentlichen gleich dem N-fachen des differentiellen Abriebs durch eine einzige elementare Relativbewegung. Falls wie gerade beschrieben der differentielle Abrieb als Produkt aus einem konstanten Abriebfaktor und der Belastungsdichte berechnet wird, so wird der Abriebfaktor vorab für eine einzige elementare Relativbewegung ermittelt und in der Abfolge das N-fache dieses Abriebfaktors verwendet. Für metallische Oberflächen wurde festgestellt, dass N höchstens in der Größenordnung von 1000 sein darf.A embodiment described above provides the location-dependent To calculate abrasion by a location-independent functional relationship between differential abrasion and stress density on the previously calculated load density is applied. For example the differential rubbed off as a product of a constant abrasion factor and the previously calculated location-dependent loading density. In a time-consuming development of this embodiment, the contour change, which is caused by each N elementary relative movements through a single sequence predicted. The friction simulation relates on a single elementary relative movement. In the abrasion calculation will be first the differential abrasion caused by a single elementary relative movement caused, calculated. The differential abrasion by N elementary relative movements is essentially equal to N times the differential abrasion by a single elementary relative movement. If, as just described, the differential abrasion as a product calculated from a constant abrasion factor and the load density becomes, then the abrasion factor in advance for a single elementary relative movement determined and used in sequence N times this abrasion factor. For metallic surfaces it was found that N at most in the order of magnitude of 1000 may be.
Bezugszeichenliste 
Claims (27)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102004046924A DE102004046924A1 (en) | 2004-09-28 | 2004-09-28 | Method for predicting surface abrasion e.g. of wafers, involves surface of body carrying out movements relative to further body |
| PCT/EP2005/010197 WO2006034808A2 (en) | 2004-09-28 | 2005-09-21 | Method and device for predicting surface abrasion |
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| DE102007032915A1 (en) | 2007-07-14 | 2009-01-15 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | For the production of an internal combustion motor, a mathematical model is prepared to give the lowest possible piston/cylinder friction at maximum working temperatures |
| CN112218738A (en) * | 2018-06-01 | 2021-01-12 | 巴斯夫欧洲公司 | Method for determining the geometry of a blank part shaped in a hydraulic erosion grinding process to form a finished part |
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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