TRIBOLOGIE Das Studium interagierender Oberflächen in Bewegung

Der eigentliche Mechanismus der Gleitreibung tritt jedoch auf mikroskopischer Ebene auf, was bedeutet, dass tribologische Theorien zur Reibung auch die Topographie der Oberflächen betreffen. Der Tribologe unterscheidet zwischen der realen Kontaktfläche und der nominalen Kontaktfläche (geometrische Abmessungen), die alle Hohlräume oder berührungslosen Teile eines festen Elements berücksichtigt. Die Mechanismen, die für den Energieumwandlungsprozess in der nahen Oberfläche verantwortlich sind, umfassen:

Was ist zu tragen?

Verschleiß ist definiert als der irreversible Materialverlust wechselwirkender Oberflächen. Physikalische und chemische Elementarprozesse im Kontaktbereich einer Gleitpaarung, die anschließend zu einer Änderung von Material und Form der Reibungspartner führen, werden als Verschleißmechanismen bezeichnet. Diese Verschleißmechanismen umfassen:

Reibungs- und Verschleißmechanismen werden stark von der Struktur des tribologischen Systems sowie von der induzierten kollektiven Belastung beeinflusst:

µ=f (Tribostruktur (t), induzierter kollektiver Stress (t))

w=f (Tribostruktur (t), induzierter kollektiver Stress (t))

Reibungs- und Verschleißmechanismen treten nicht isoliert auf, sondern durch eine Überlagerung von Mechanismen, deren Quantifizierung und Kontrolle schwierig ist. Diese Überlagerung tritt in tribotechnischen Systemen in nicht nachweisbaren Anteilen und in zeitlich und örtlich variierenden Anteilen auf, was es nahezu unmöglich macht, Reibungs- und Verschleißprozesse in einem Tribokontakt zu berechnen. Aus diesem Grund sind tribologische Tests für die Abschätzung des tribologischen Verhaltens so wichtig. Wenn wir tribologisch gemessene Daten und mechanismusorientierte Forschung interpretieren und verstehen wollen, benötigen wir vollständige Kenntnisse der Wirkmechanismen in einem Tribokontakt.

Tribologen klassifizieren Reibungs-, Verschleiß- und Schmierbedingungen gemäß den folgenden Zeitplänen:

• Reibungsregime 0:Feste Reibung: Es entsteht Reibung zwischen direkt berührenden festen Oberflächen ohne Schmiermittel.

• Reibungsregime I:Grenzreibung: Feste Reibung, bei der die Oberflächen der Reibungspartner mit einem molekularen Schmierfilm bedeckt sind, der keine Tragfähigkeit aufweist. Das Schmiermittel hat Einfluss auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften.

• Reibungsregime II:Gemischte Reibung: Reibungsregime I und III existieren nebeneinander. Der Reibungswert ist eine Kombination aus fester und hydrodynamischer Reibung. Ein durch das Schmiermittel erzeugter Fluidfilm hat eine Tragfähigkeit.

• Reibungsregime III:Hydrodynamische Reibung: Der Reibungswert wird durch Scheren in der Flüssigkeit bestimmt. Die Tragfähigkeit des Fluidfilms verhindert einen direkten Kontakt zwischen den beiden festen Oberflächen.

• Tragen Sie Regime a:Hohe Verschleißraten durch feste Reibung und direkten Kontakt der Oberflächen.

• Verschleißregime b:Niedrigere Verschleißwerte aufgrund eines molekularen Flüssigkeitsfilms.

• Verschleißregime c:Leichter Verschleiß durch teilweise Trennung der Oberflächen durch einen dickeren Flüssigkeitsfilm.

• Verschleißregime d:„Null Verschleiß“ aufgrund eines hydrodynamischen oder elastohydrodynamischen Flüssigkeitsfilms, der einen direkten Kontakt der beiden Oberflächen verhindert.

WELCHE ERGEBNISSE KÖNNEN DURCH ANWENDUNG DER TRIBOLOGIE AUF DAS LAGERDESIGN ERREICHT WERDEN?

Wie kann Tribologie zu messbaren Produktverbesserungen führen?

Tribologische Tests ermöglichen es uns, Informationen über die Triboleistung von Materialien zu erhalten, um neue und bessere Materialdesigns voranzutreiben. Wir können dann auf Materialzusammensetzungen abzielen, um spezifische und bessere tribologische Eigenschaften zu erzielen.

Tribologische Testergebnisse und oberflächenanalytische Methoden helfen uns, die Triboleistung einschließlich Reibung und Verschleiß, Versagensmechanismen, Kinetik von Transferfilmen bestehender Materialien und neuer Prototypen basierend auf verschiedenen Faktoren und Einflüssen abzuschätzen. Diese Informationen helfen uns, Variablen wie die Auswirkungen verschiedener Materialzusammensetzungen zu sehen und zu verstehen, einschließlich Füllstoff, Füllstoffkonzentration, synergetische Effekte von Füllstoffen, Materialstruktur sowie die Auswirkungen anderer Elemente ihrer Systemstruktur.

Wie verbessert Tribology die Effizienz und verlängert die Lebensdauer von Lagermaterialien?

Tribologisch optimierte Kontaktflächen

• Identifizierung kritischer Faktoren, die das Tribosystem beeinflussen

• Ermittlung von Lösungen zur Verbesserung der Effizienz und Reduzierung des Verschleißes, einschließlich:

• Verwendung von reibungs- und verschleißoptimierten Materialien.

• Optimierung der Materialpaarungen, was zu geringen Reibungs- und Verschleißwerten führt.

• Auswahl und Verwendung der richtigen Schmiermittel.

• Erreichen von Designänderungen, die sich positiv auf die Gesamtleistung des Tribosystems auswirken.

Was sind einige Beispiele für Fortschritte in der Lagertechnologie, die die tribologische Forschung erbracht hat?

Einen Überblick über die historischen Fortschritte in der Lagertechnologie, die von der Tribo-Forschung angetrieben werden, finden Sie unterDieser Artikel im Eureka Magazine. Es behandelt rudimentäre Rollenlager, die von den alten Ägyptern verwendet wurden, Kugellager, die von den Römern 40 v. Chr. Verwendet wurden, die Rolle der Wärmebehandlung von gehärtetem Stahl und Keramik auf Oxidbasis. Es umfasst auch die Entwicklung des ersten selbstschmierenden Gleitmetall-Polymer-Lagers von GGB.

In welchen Branchen und Anwendungen ist Tribologie nützlich?

Die Tribologie spielt eine zentrale Rolle bei Anwendungen, bei denen sich zwei Kontaktflächen relativ zueinander bewegen. Einige Branchen stellen aufgrund ihrer Missionskritikalität, der Anforderungen an den Dauerbetrieb oder der extremen Bedingungen höhere Anforderungen an tribologische Systeme.

WAS MUSS EIN INGENIEUR BEIM ENTWURF VON PRODUKTEN ODER REIBUNGS- / TRAGEXPERIMENTEN DENKEN?

Dies hängt stark von der Anwendung ab. Einige Anwendungen erfordern eine geringe Reibung (z. B. Lagermaterialien), während andere eine hohe Reibung erfordern (z. B. Bremssysteme). Bei den meisten Anwendungen ist ein minimaler Verschleiß der Materialien ein vorrangiges Ziel. Für viele Anwendungen wird häufig ein definierter Sweet Spot zwischen niedrigen Reibungswerten und guter Verschleißleistung angestrebt.

Bei der Gestaltung von Experimenten zur Beschreibung von Reibung und Verschleiß können tribologische Tests in eine von sechs Hauptkategorien eingeteilt werden, von Feldtests in Kategorie I bis zu einfachsten Labormodelltests der Kategorie VI.

Kategorie I:Ein Feldversuch wird unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt, zu denen auch erweiterte Betriebsbedingungen gehören können. Dies führt zu einer schlechten Wiederholbarkeit, liegt jedoch nahe an den Anforderungen der realen Welt, denen das tribologische System ausgesetzt sein wird.

Kategorie II:Experimente werden mit einem kompletten Gerät in einer Anlagenumgebung durchgeführt. Diese Experimente können Ergebnisse nahe an normalen Betriebsbedingungen erzielen und können über einen bestimmten Zeitraum durchgeführt werden, um erweiterte Betriebsbedingungen zu replizieren und gleichzeitig die Umweltbelastung zu begrenzen.

Kategorie III:Komponenten, Subsysteme oder Baugruppen werden in einem Labor getestet, das sich den normalen erweiterten Betriebsbedingungen annähert und eine mittlere Wiederholgenauigkeit ergibt

Kategorie IV:Labortests werden an seriellen Standardkomponenten unter Verwendung verkleinerter Testanlagen durchgeführt.

Kategorie V:Experimente werden an einer Probe mit Testgeräten durchgeführt, um nahezu normale Betriebsbedingungen mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit zu liefern.

Kategorie VI: Ein Prüfstandstest wird mit einfachen Labortestgeräten durchgeführt.

Es ist wichtig zu bedenken, dass in den Kategorien I bis III die Systemstruktur des ursprünglichen Triboaggregats konsistent bleibt und nur der kollektive Stress vereinfacht wird. Die Kategorien II und III bieten mehr reproduzierbare kollektive Spannungen als die Kategorie I. Im Gegensatz dazu wird in den Kategorien IV bis VI die Systemstruktur vereinfacht, mit dem Nachteil, dass die Vorhersagbarkeit der Übertragbarkeit von Testergebnissen auf vergleichbare praktische tribotechnische Systeme abnimmt. Die Kategorien IV bis VI bieten eine bessere Messtechnik des Sub-Tribo-Kontakts, geringere Kosten und einen engeren Testzeitraum.1Mit aufsteigender Reihenfolge der Testkategorien steigen also die Testzeit sowie die Testkosten erheblich, aber auch die Übertragbarkeit des Testergebnisses.

Wie können wir die Testkategorien auf das Sub-Tribo-System-Lager anwenden?

Die tribologische Prüfung von Lagermaterialien kann in vier Hauptkategorien unterteilt werden:

• Produktleistungsbeschreibungen, die die Kategorien IV und III umfassen würden, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.

• Produktions- / Fertigungsüberwachung, einschließlich der Kategorien VI bis IV, wobei auch Kategorie III möglich ist.

• Kundenbezogene Prüfungen von Lagern können die Kategorien III bis V umfassen, wobei zu berücksichtigen ist, dass Kategorie V nur relevant ist, wenn die Prüfung so nah wie möglich an der Anwendung angepasst werden kann.

• Alle Kategorien können zur Unterstützung von Materialdesignern verwendet werden, wobei niedrigere Kategorien in den frühen Entwicklungsstadien für die Vorauswahl und höher nummerierte Kategorien ins Spiel kommen, wenn die Unterkomponenten und das Endprodukt verfügbar sind.

1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010

WAS IST GGB'S ANSATZ FÜR DIE ENTWICKLUNG VON LAGERLÖSUNGEN DURCH TRIBOLOGISCHE KOMPETENZ?