RVS

• flüssig (Mieralöle, synthetische Öle, Wasser, ..)
• fest --> in Trockengleitlagern --> PTFE, Graphit, ..
• Fette --> Wälz- und Gleitlager, Zahnradgetriebe
• Gase (Luft) in Gaslagern

Bild Schmierstoffe

• konform:
  • schmiegen sich eng aneinander mit hohen Grad an geometrischer Konformität
  • Last von relativ großer KF getragen
  • lasttragende KF ~ konst., auch bei Last ++
  • Bsp: ölgeschmierte Radial- und Axialgleitlager
• kontraform
  • Last von kleiner KF getragen
  • KF 2-3 Größenordnungen kleiner als konformer Kontakt
  • geschmierte KF ++ mit Last ++ --> aber immernoch wesentlich kleiner als konforme OF
  • Bsp: Zahnradgetriebe, Nocken/Stößel-Paarungen, Wälzlager

• Trockenschmierung (Festschmierstoffe)
• Grenzschmierung
• Teilschmierung
• Vollschmierung

• Festkörperschmierstoffe bei extremen Betriebsbedingungen
• hohe Belastungen, gleichzeitig niedrige Gleitgeschwindigkeiten
• sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen
• aggressive Medien, im Vakuum
• Bedingung keine Öle oder Fette möglich
• Stoffe:
  • kristalline Feststoffe mit Schichtgitterstruktur
  • oxidisch/fluoridische Verbindungen
  • weiche Metalle
  • weiche Polymere

• unmittelbarer Kontakt Reibpartner
• hohe Verschleißraten, Fressgefahr

• wenig Schmierstoff im Schmierspalt --> füllt Rauheitstäler nicht --> OF nur mit sehr dünnen Schmierfilm überzogen --> beträchtliche Rauheitskontakte
• Geschw. und/oder Viskosität Schmierstoff so gering, dass kaum hydrodyn. Schmiereffekte
• verhindert, dass zwischen Rauheitskontakten starke adhäsive Bindungen entstehen --> starke Reduzierung Reibung und Verschleiß gegenüber Festkörperreibung
• Additive im Schmierstoff --> Bildung Adsorptions- und Reaktionsschichten auf OF

• bei hydrodyn. und EHD-Schmierung sehr geringer/kein Verschleiß, da keine Rauheitskontakte --> Verschleißrate wächst mit Last ++ stark an

Charakteristik bestimmt durch:

• Eigenschaften der am Reibungsprozess beteiligten Festkörper
• auf WS-OF bildenden Grenzschichten
• Grenzschichten hängen von Eigenschaften Schmierstoff, insbesondere Schmierstoffadditiven, aber auch von Eig. WS-OF ab

• höhere Lasten, niedrigere Geschwindigkeiten, niedrige Schmierstoffviskositäten --> Schmierfilm zu dünn --> Rauheiten der Reibkörper berühren sich an einigen Stellen
• teils durch Grenzschmierung, teils durch Vollschmierung beschreibbar = Mischreibung
• gleichzeitiges Vorliegen Grenz- und Flüssigkeitsreibung
• teilweise hydrodynamische Wirkung
• Additive im Schmierstoff --> Bildung Adsorptions- und Reaktionsschichten auf OF

• OF Reibkörper vollst. durch Schmierfilm lückenlos voneinander getrennt
• Normalkraft durch Druck des Schmierstoffs getragen = Tragdruck
• Flüssigkeitsreibung
• Reibungswiderstand aus Scherung der viskosen Flüssigkeit
• quasi verschleißfreier Betrieb

--> Teil davon ist hydrodynamische Schmierung und EHD-Schmierung

• Warum: Tribochem. Reaktionen zwischenm Bestandteilen des Schmierstoffes und metall. WS-OF --> Bildung Reaktionsschichten --> thermisch und mechanisch höher belastbar als physi- oder chemisorptiv gebildete Schichten
• Cl, P, S als Extreme-Pressure-Zustätze = EP-Additive zusetzen
• Wirksamkeit EP-A --> Abh. von Geschwindigkeit der Reaktionsschichtbildung --> Abh. von Aktivierungsenergie, OF-Temp, Add-Konz.
•  

• viskoser Schmierstoff : Haftwirkung so, dass an stillstehenden und bewegten Reibkörper haftet
• es muss verengender Schmierspalt vorliegen mit Schmierstoffförderung in den engsten Spalt
• Relativgeschwindigkeit ist für Reibung maßgebend
• Fördergeschwindigkeit in engsten Spalt ist für Tragfähigkeit wesentlich
• Schmierspalthöhe stark durch Belastung beeinflusst

• verengender Spalt --> Überdruck --> Schleppströmung drückt Schmierung nach Kontinuitätsbedingung hinaus --> aus Überdruck resultiert Tragähigkeit der Reibstelle --> GGW mit äußerer Belastung
• Abhängig von:
  • Geometrie Reibkörper
  • Neigung OF zueinander
  • Viskosität Schmierstoff
  • Belastung und Fördergeschwindigkeit Schmierstoff in engsten Spalt

• Form der hydrodyn. Schmierung, wobei elast. Deofmrationen der geschmierten OF bedeutend sind
• Voraussetzungen wie hydrodyn.: verengender Schmierspalt, vorhandene Förderungsgeschwindigkeit in Spalt, viskoser Schmierstoff zwischen OF
• wirkt bei kontraformen Oberflächen
• zwei Formen:
  • harte OF = harte EHD
  • weiche OF = weiche EHD = Gummi

• in Kontaktstelle wird in einen Reibkörper eine Tasche eingearbeitet, in die von außen ein Fluid mit konst. Druck gepresst wird
• Schmierstoffdruck durch Pumpe außerhalb Lager
• Merkmale: Schmierstoffpumpe, Schmierstiffdruckkammer, Schmierstofftasche
• Schmierstofftasche gegenüber äußerer Belastung lokalisiert
• Tragfähigkeit eines Kontaktes mit hydrostat. Schmierung auch bei stillstehenden OF gewährleistet
• minimale Schmierspalthöhe weniger abhängig von Viskosität oder Belastung als bei hydrodyn.

Einsatz: dort wo keine Berührung sein darf, also kein Verschleiß, auch nicht beim Hoch/Herunterfahren Maschine, niedrige Geschw. oder kleine Reibungszahl bei niedrigen Drehzahlen oder zu kleine Fördergeschwindigkeiten Schmierstoff für hydrodyn.

• Stoffe, die Mineral-, Synthese- oder Pfalnzenölen entweder neue Charakteristika verleihen oder bereits bestehende positive Eigenschaften verstärken
• Mineralöle + Additive = legierte Öle
• Nicht beeinflussbar ist:
  • Wärmeabfuhrverhalten
  • Viskositäts-Dichte-Verhalten
  • Temperaturbeständigkeit
• Beeinflussbar ist:
  • Kälteverhalten
  • Alterungsstabilität
  • Viskositäts-Temperatur-Verhalten
  • Korrossionsschutz
• NUR durch Additive erreichbar:
  • gutes Reinigungsvermögen
  • günstiges Dispersionsverhalten
  • Fressschutz-Eigenschaften
  • Schaumverhütung

• Menge und Zusammensetzung auf Grundöl und andere Additive abgestimmt --> Unterschiedlich auf Grundöl ansprächen, nicht zwangsläufig verträglich
• Gegegläufige Wirkungen:
  • Viskositätsindex-Verbessern und Antischaumzusätzen
  • Detergent/Despersant-Zusätzen und Verschleiß-/Fressschutzzusätzen und Antischaumzusätzen
  • Korrossionsinbibitoren und Verschleiß-/Fressschutzzusätzen

• Oberflächenschichten bildend
  • wirken bei Mangelschmierung als Schmierfilm
  • Minderung Reibung
  • Steigerung Tragfähigkeit von Gleit-Wälz-Paarungen
  • Bsp: Verschleißschutzwirkstoffe, Fressschutzwirkstoffe, Reibungsminderer
  • Nachteile:
    • Additivierte Schmierstoffe oxidieren schneller als normale Minderalöle
    • häufige Bildung korrosiver Säuren, unlöslicher Rückstände
• Eigenschaften des Schmierstoffs selbst verändernd
  • beeinflussen: Schaum-/Korrosionsverhalten/Schlammbildung/Stockpunkt
  • BEACHTEN:
    • im Betrieb kann Wirksamekti stark abnehmen --> Reaktion mit WS oder Luftsauerstoff senkt Konzentration
    • nach Unterschreitung bestimmter Konzentration : Ölwechsel

Techn. System:

• Leitung oder Veränderung von Energie
• Beschreibung: zu erfüllende Fkt.; Wirk- & Baustruktur; Wechsel- & Rückwirkungen zwischen Systemelementen, sowie zwischen Umgebung & Systemelementen

Trib. Systeme:

• R & V treten im Inneren auf
• Abgrenzung durch Systemeinhpllende --> Trennung R & V beteiligter und unbeteiligter BT
• an R & V beteleiligte Stoffe sind Elemente des TribSys --> Beschreibung durch Stoff- & Formeig.

Schema:

• In: Eingangsgrößen, Störgrößen
• Out: Ausgangsgrößen, Verlustgrößen
• TTS: Funktion, Struktur, Wechselwirkungen
• Darstellung: Zusammen mit Struktur beeinflussen die Störgrößen die Ausgangs- & Verlustgrößen des TTS

[IN] Eingangsgrößen: Bewegungsart, -ablauf, Belastung, Geschwindigkeiten, Temperaturen, Beanspruchungsdauer

[OUT] Ausgangsgrößen: Kraft, Drehmoment, Drehzahl, Bewegung, mech. Energie, Stoffgrößen, Signalgrößen

[OUT] Verlustgrößen: Reibung (Wärme, Schwingungen, Emissionen), Verschleiß (Materialabtrag)

[IN] Störgrößen

TTS: Elemente --> Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenstoff (Trib. Beanspruchung, trib. Prozesse), Umgebungsmedium, WS- & Geometrieeigenschaften, Wechselwirk. zwischen Elementen

• Energieuzmsetzende Sys.:
  • Bew.übertragung: Führungen, Gelenke, Lager
  • Bew.hemmung: Bremsen
  • Kraftübertragung: Kupplungen
  • Energieübertragung: Getriebe
• Informationsumsetzende Systeme
• Stoffumsetzende Systeme:
  • Fertigungsprozesse, Stoffabdichtung, Stofftransport, Gütertransport

• Grundkörper und Gegenkörper: je ein Beispiel
  • Geometrie = Oberflächen-Rauheit
  • Grundmaterial = Festigkeit
  • Oberflächennaher Bereich = Dicke, Aufbau Grenzschicht
  • Phys. Eig. = Wärmeleitfähigkeit
• Zwischenstoff
  • Aggregatszustand
  • fest --> Korngröße
  • flüssig --> Viskosität, Benetzungsfähigkeit
• Umgebungsmedium:
  • Aggregatszustand
  • Feuchtigkeit, chem. Zusammensetzung

Grundstruktur: 4 Elemente --> Grund-, Gegenkörper, Zwischenstoff (optional), Umgebungsmedium (optional)

geschl. System: beanspruchte Bereiche von Grund- und Gegenkörper wiederholt im Kontakt --> Fkt.fähigkeit hängt vom Verschleiß beider Körper ab

offenes System: Grundkörper ständig von neuen Stoffbereichen des Gegenkörpers beansprucht --> Fkt.fähigkeit hängt vom Verschleiß des Grundkörpers ab --> Gegenkörper erzeugt Beanspruchung = Verschleiß uninteressant

Beispiel geschlossen: Zahnradgetriebe

• Grundkörper = Ritzel
• Gegenkörper = Rad
• Zwischenstoff = Getriebeöl
• Umgebungsmedium = Luft

Beispiel offen: Rad/Schiene

• Grundkörper = Rad
• Gegenkörper = Schiene
• Zwischenstoff = Feuchtigkeit, Staub, Fett
• Umgebungsb. = Luft

• Tribologische Beanspruchung.
  • Beanspruchung der OF eines festen Körpers durch Kontakt- und Relativbewegung eines festen/flüssigen/gasförmigen Gegenkörpers
  • Erwünschte Eigenschaft: TB ist erforderlich zur technisch nutzbaren Umsetzung von Energie-/Stoff-/Signalgrößen über Wirkflächen in TTS
  • Unerwünscht: TB ist immer mit Reibung und damit Verschleiß verbunden
• Aufgaben:
  • Analyse Aufbau technischer OF, ihrer Physik, Chemie
  • Analyse geom.,kin.,kräftemäßigen, energetischen, thermischen Verhältnissen in Kontaktgrenzfläche
• Überbeanspruchung.
  • Beanspruchung, die zum Durchbrechnen des Schmierfilms führt

• bei Grund- & Gegenkörper: Unterscheidung in Grundmaterial und oberflächennahen Bereich (OFNB)
• Gefügeaufbau, Härte, chem. ZS des OFNB sind für TP besonders wichtig, sowie OF-Rauheiten
• Schichten innen nach außen: unbeanspruchter GrundWS, innere Grenzschicht, äußere Grenzschicht
  • innere Grenzschicht: durch mech. Bearbeitung bzw. Reibprozess plastisch verformte Schicht
  • äußere Grenzschicht: chem. Reaktionsschicht und Adsorptionsschicht (äußerste)
• durch Laufzeit/Einlaufprozess Änderung der chem. Zusammensetzung
  • erheblich mehr Sauerstoff
  • erheblich weniger Silicium
  • mehr Kohlenstoff
  • mehr Calcium

• Kontakt zweier Bauteile --> tatsächliche Mikrogeometrie techn. OF --> nur Berührung von diskreten Mikrokontakten --> Verformen sich unter Wirkung der Normalkraft
• wahre KF = zentrale Bedeutung für TTS --> hier R- & V-Prozesse = reale KF "A.r" = Flächensumme der Mikrokontaktflächen
• nominelle KF "A.0" =  makroskopische Betrachtung

• Kontaktvorgänge sind wesentliches Kennzeichen TB
• Kontaktform "konform", Flächenberührung:
  • Ebene (1), Ebene (2), Geradeführungen
  • Hohlzylinder (1), Vollzylinder (2), Gleitlager, Rundpassungen, Zyl.laufbahnen
• Kontaktform "kontraform", Linienberührung:
  • Ebene (1), Zylinder (2), Rollenausführung
  • Zylinder (1), Zylinder (2), Walzstühle, Rollenlager
  • Ritzel-Zahn (1), Rad-Zahn (2), Zahnräder
• Kontaktform "kontraform", Punktberührung
  • Ebene (1), Kugel (2), Kugelführungen
  • Innenring (1), Kugel (2), Wälzlager
• Makroskopisch nach Hertz --> Elast. Kontaktdeformation gekrümmeter Körper --> nur Normalkräfte
• Mikroskopische nach Archard --> Erweiterung auf elast. Kontaktdeformation von Festkörpern mit Oberflächenrauheiten --> Annährerung durch kugelförmige Rauheitshügel unterschiedlicher Radien
• --> reale Kontaktfläche bei elast. Kontaktdeformation näherungsweise mit Normalkraft proportional
• --> Mittlere Größe eines Mikrokontaktes nahezu unabhängig von Normalkraft

• Gleiten: Translation in der Kontaktfläche (KF)
• Rollen: Rotation um Momentenachse in KF (ggf. auch Wälzen bei Rollvorgängen mit mikro- oder makroskopischen Gleitanteilen)
• Bohren (Spinbewegung): Rotation senkrecht zur KF
• Stoßen: Translation senkrecht zur KF mit intermittierendem Kontakt (Prallen)
• bei Flüssigkeiten = Strömen, Stoß- oder Prallvorgänge --> Strömungsverschleiß, Erosion

• Reines Gleiten: u2 = -u1 & s = unendlich & v.s = 0 & v.r = 2u1
  • reibbedingte Temperaturerhöhung maximal
  • EHD-Filmdicke mit minimaler Dicke
• Reines Rollen: u2 = u1 & s = 0 & v.r = 0 & v.s = 2u1
  • reibbedingte Temperaturerhöhung minimal
  • EHD-Filmdicke mit maximaler Dicke

• Umfangsgeschwindigkeiten von (1) und (2) = u --> Relativgeschw. v.r = abs(u1-u2)
  • für reibbedingte Energiedissipation und reibbedingte Temperaturerhöhung maßgebend
  • beeinflusst in geschmierten Systemen die wirksame Ölviskosität im Kontaktbereich --> Schmierfilmdicke
• Summengeschwindigkeit v.s = u1+u2
  • bei geschmierten TS für Ölzuufluss in Kontaktstelle von Bedeutung
  • beeinflusst z.B. elastohydrodynamischen Film (EHD Film) --> v.s + = EHD-Filmdicke +
• Schlupf "Soll-Roll-Ratio" s = 2*abs(u1-u2)/abs(u1+u2)
  • kennzeichnet Translations- und Rotationsanteile in Tribokontakt zweier bewegender Körper

• Relativbewegungen --> unterschiedlich große OF-Bereiche bei Kontaktvorgang
• Eingriffsverhältnis \(\epsilon = {Tribokontaktfläche \over Gesamtlauffläche}\)
• Stift (1) mit e = 1 --> e1 = A0/al1
• Scheibe (2) mit e << 1 --> e2 = A0/Al2

• e=1
  • permamnenter Kontakt und permanente Reibungswärmeaufnahme
  • stationsäre mech. Beanspruchung (makroskopisch)
  • eingeschränkte Möglichkeit tribochemischer Reaktionen mit dem Umgebungsmedium durch Adsorptionsprozesse und Wachstum von Reaktionsschichten
• e<1
  • intermittierender Kontakt und intermittierende Reibungswärmeaufnahme
  • zyklische mechanische Beanspruchung
  • Möglichkeit von Adsorptionsprozessen und tribochem. Reaktionen mit Umgebungsmedium sowie Wachstum von Reaktionsschichten in Verschleißspur

• Mikrokontaktstellen gedanklich zu resultierender Kontaktfläche vereinigt --> dort Reibungsenergie in Wärme --> ebene Wärmequelle
• entwickelte Wärme wird durch beide Kontaktparnter abgeleitet
• Oberfläche beider Körper an Kontaktstelle identische Temperatur
• berechnete Temperatur = Abschätzung Temp.erhöhung über mittleren Temperatur der OF

• Linienkontakt Blok
  • max. Kontakt-Grenzflächentemp. T.K aus Summation Volumentemperatur T.V und reibbedingten Blitztemp. T.R 
  • Beanspruchungsparameter
    • Normalkraft F.N
    • v = Rel. Geschw. in m/s
    • f = Reibungszahl
  • Kontaktparameter
    • l = Kontaktlänge senkrecht zur Bewegungsrichtung
    • w = Kontaktbreite
  • Stoffparameter:
    • b = therm. Kontaktkoeffizient der Kontaktpartner
    • sqrt(Wärmeleitf. * Dichte * Spez. Wärme)
• Punktkontakt Archard S1-49
  • Kontakt eines Rauheitshügels von (1) mit einem ebenen (2)
  • Kreisförmige Kontaktfläche mit 2r
  • Kontaktgeschwindigkeit v
    • (1) erhält reibbedingte Wärme von stationärer Wärmequelle
    • (2) erhält reibbedingte Wärme aus bewegter Wärmequelle
  • Drei Fälle:
    • L < 0,1 : kleine Geschw. = gleichmäßige Verteilung reibbungsbedingter Wärme auf Kontaktpartner
    • 0,1 < L < 5 : mittlere Geschw. = weniger als Hälfte der reib. W. von (1) aufgenommen
    • 5 < L < 100 : große Geschw. = überwiegend von (2) aufgenommen

• Auftreten Energiedissipation --> Veränderung thermischer Verhältnisse im Kontaktbereich
• Energieumsatz: \(E_{R} = {F_{R}*s_{R}} = f*{F_{N}*s_{R}}\)
• Leistungsumsatz:\(P_{R} = {E_{R} \over t} = F_{R} *v = f*F_{N}*v\)
  • s.R = Gleitweg
  • f = Reibungsbeiwert
  • v = Gleitgeschwindigkeit
• flächenbezogene Reibleistung = spezif. Wärmebelastung/-dichte: \(Q_{R} = {f*F_{N}*v \over A_{0}}\)
• so Temperaturerhöhungen und Änderung temperaturabh. Eigenschaften der Kontaktpartner
  • Erhöhung mittlerer (volumenbezogener Temp. beider Kontaktparnter)
  • Temperaturerhöhungen in zeitlich und örtlich statisch verteilten Mikrokontakten = Blitztemperaturen

• Ermittlung/Berechnung reibbedingter Temp. erhöhungen sehr schwierig
  • Unzugänglichkeit Kontaktgrenzfläche
  • Stochastische Natur der Energiedissipationsmechanismen
  • Temperaturabhängigkeit relevanter Eigenschaften der Kontaktpartner
  • Komlexheit der elastisch-plastischen kontaktdeformationsprozesse
• vor allem bei Gleitvorgängen auftretend