RVS

• 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

• ausgehend von Stoffdaten SD (Raumtemp., Normalbed.) --> erste Näherung reibbedingte Temp. T.R
• in Iterationsschitten dann SD (T.R) --> T.R.neu
• S1-53 Diagramm

• Energieeinleitung
  • Berührung techn. OF
  • Bildung der wahren KF
  • Mikrokontaktflächenvergrößerung
  • Delamination von OF-Deckschichten
  • Grenzflächenbidnung und Grenzflächenenergie
• Energieumsetzung
  • Deformationsprozesse (mikroskopisch/atomar und markoskopisch)
  • Adhösionsprozesse (führen erst bei Relativbewegungen der Kontaktparnter zu einer Energieumsetzung durch das Trennen adhäsiver Bindungen)
  • Furchungsprozesse (Deformation)
• Energiedissipation
  • a) Thermische Prozesse (makroskopisch)
    • Erzeugung von Wärme (mechanisches Wärmeäquivalent)
  • b) Energieabsorption
    • Phononenanregungen (Abstrahlung akustischer Wellen)
    • Elektronenanregungen
    • Elastische Hysterese
    • Gitterdeformationen
    • Erzeugung und Wanderung von Punktfehlern und Versetzungen
    • Ausbildung von Eigenspannungen
    • Mikro-Bruchvorgänge
    • Phasentransformationen
    • Tribochem. Reaktionen
  • Energieemission
    • Wärmeleitung & -strahlung
    • Schwinungsrissausbreitung
    • Schallemission / Phononenemission
    • Photonenemission (Tribolumineszens)
    • Elektronen- & Ionenemission
• alle Punkte experimentell festgestellt und können na makrokopisch betrachteter Reibung beteiligt sein

1. Energieeinleitung: erfolgt aus TB
2. Energieumsetzung: durch Reibungsmechanismen verursacht
3. Energiedissipation: durch Entstehung von Reibungswärme, kann mit Energieemissionsprozessen verbunden sein

• Stufenprozess mit zwei Schritten:
  • Bildung von Mikro-Kontaktflächen = Einfluss des FOrmänderungsvermögens der Kontaktpartner
  • Bildung von Adhäsionsbindungen = Einfluss der Eleketronenstruktur, von OF-Schichten und freien OF-Energien, von Zwischenstoffen & Umgebungsmedien
• Formänderungsvermögen: hexagonale Metalle besitzen niedrige Adhäsionskomponente, Metalle die temperaturbedingt hexagonal und krz wechseln ist Umwandlung Reibungswertes reversibel
• Elektronenstruktur:
  • hohe Dichte Elektronen (Edelmetalle Cu, Ag, Au) --> neigen zur metallischen Adhäsion
  • niedrige (Übergangsmetalle Fe, Co, Ni) weniger
• OF-Schichten
  • mehr Sauerstoff = mehr Eisenoxide  --> metallische Adhäsionsbindung im Kontaktbereich erniedrigt --> Reibungszahl erheblich abgesenkt
• Zwischenstoffe & Umgebungsbedingungen:
  • Vakuum erhöht Reibungszahl massiv

• phys. Ursache : Bildung und Zerstören von Adhösionsbindungen in der wahren KF A.r
• tau.s1,2 : Schersfestigkeit im Grenzflächengebiet für Reibungskraft \(F_{R} = \tau_{s1,2}*A_{r}\)
• plastische Kontaktdeformation --> wahre Kontaktfläche über Fließdruck des weicheren Partners
• \(f_{a} = {F_{R} \over F_{N}} = {\tau_{s1,2} \over p}\) : Reibungszahl f : f~0,2 bei metallischen Werkstoffen
• zu einfaches Modell --> fehlt Berücksichtigung Überlagerung von Normal- und Scherspannung

• zur Ergänzung: Grenzflächenenergetische Theorie mit Parameter der Grenzflächenenergie gamma
• oder: bruchmech. Modell : Mikroprozess der Reibung als Bruchvorgang einer adhäsiven Grenzflächenbindung auffasst --> Parameter des kritischen Rissöffnungsfaktor und Verfestigungsparameter

• siehe 11-3

• jeder Mikrokontakt stellt elementaren Bewegungswiderstand dar --> Reibkraft F.R ~ Anzahl Mikrokontakte ~ Normalkraft F.N
• Festkörperreibung: makroskopisch-empirisches Reibungsgesetz nach Amontons/Coulomb: F.R = f * F.N (f Reibungszahl) --> Festkörperreibung F.R ist proportional zu Normalkraft F.N
• F.R unabhängig von Größe der nominellen Kontaktfläche

Reibungsmechanismen:

• Adhäsion und Scheren
• plastische Deformation
• Furchung
• elastische Hysterese und Dämpfung

--> in prakt. TTS: Überlagerung Reibmech. mit nicht erfassbaren, zetlich und örtlich im Kontaktbereich wechselnden Anteilen

Energiedissipation --> 2. Phase = Energieabsorption

• Phononenanregungen (Abstrahlung akustischer Wellen)
• Elektronenanregungen
• Elastische Hysterese
• Gitterdeformationen
• Erzeugung und Wanderung von Punktfehlern und Versetzungen
• Ausbildung von Eigenspannungen
• Mikro-Bruchvorgänge
• Phasentransformationen
• Tribochem. Reaktionen

• Reibung ist ein Bewegungswiderstand
• Widerstandskraft sich berührender Körper --> äußere Reibung --> wirkt entgegen:
  • der Einleitung einer Relativbewegung (Ruhereibung, statische Reibung)
  • derer Aufrechterhaltung (Bewegungsreibung, dynamische Reibung)
• außerdem Viskosität (Rheologie) von Stoffen --> innere Reibung

• Messgrößen
  • Reibungskraft F.R : Kraft, die infolge Reibung als mech. Widerstand gegen Relativbewegung auftritt und Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist (statisch / dynamisch = ohne / mit Relativbewegung) --> parallel KF (vgl. F.N senkrecht)
  • Reibungsmoment M.R : entgegen rotatorische Relativbewegung
  • Reibungszahl f = F.R/F.N
  • Reibungsarbeit A.R : zur Aufrechterhaltung eines Bewegungsvorgangs unter Reibung zu verrichtende (Verlust-)Arbeit, bezogen auf vorliegende Kinematik
    • Gleiten \(A_{RG} = \int{F_{R}*ds_{R}}\) (Gleitweg)
    • Rollen \(A_{RR} = \int{M_{R}*dpi_{R}}\) (Rollwinkel)
    • Bohren \(A_{RB} = \int{M_{B}*dpi_{B}}\) (Bohrwinkel)
  • Reibungsleistung P.R : zur Aufrechterhaltung eines Bewegungsvorgangs unter Reibung zu verrichtende (Verlust-)Leistung \(P_{R} = {dA_{r} \over dt}\)
  • Reibungswinekl roh : Winkel zwischen Normalkraft und res. Kraft (aus Reibungskraft und Normalkraft) \(f = tan(roh)\) bzw. \(roh = arctan (f)\)
  • Ruhreibungswinkel roh.r : Betrag Reibungswinkel, bei dessen Überschreiten Gleiten eintritt

= Reibungszustände des TTS : Relativgeschwindigkeit (Reibungskoeffizient)

• Reibung in Ruhe = Festkörperreibung : Reibung beim unmittelbaren Kontakt fester Körper
• Grenzreibung : Festkörperreiobung bei der OF der Reibpartner mit molekularen Grenzschichtfilm bedeckt sind
• Mischreibung : Reibung beim Vorhandensein von Festkörper- und Flüssigkeitsreibung
• Ausklinkpunkt : Übergang Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung
• Flüssigkeitsreibung : Reibpartner lückenlos durch flüssigen Film getrennt --> hydrostatisch oder -dynamisch erzeugt
• (Gasreibung : gasförmiger Film --> aerostatisch/-dynamisch)

• Vektorsumme aus Normalkraft und Gewichtskraft außerhalb Kegelwinkel mi 2roh liegt --> roh.r bzw. f.r --> Bestimmung von f.r durch Probekörper auf Ebene --> Erhöhung Neigungswinkel Ebene bis Körper ins Gleiten gerät

• bei Kontakt zweier Körper unterschiedlicher Härte können härtere OF-Rauheitshgel in weicheren Gegenkörper eindringen
• zwei Möglichkeiten:
  • Gegenkörperfurchung : durch Rauheitshügel
  • Teilchenfurchung : durch eingebettete Verschleißpartikel
• bei Gegenkörperfurchung = einfachstes Modell = tangential bewegender konischer Rauheitshügel : Reibungszahl hängt vom Tangens der Neigung des Rauheitshügels ab (theta 5-6°, f~0,04) --> Vernachlässigung Materialanhäufung (Pile-Up) vor furchenden Rauheitshügel
• erweitert : bruchmechanisches Modell --> zusätzlich Bruchzähigkeit, Elastizitätsmodul, Härte --> so auch spröde Materialien mit Mikrobruchvorgängen berücksichtigt

• Beitrag: Verhältnis Krümmungsradius der Verschleißpartikel zur Eindringtiefe ab

• bei Kontakt und tangentialer Rel.Bew. sich berührender Körper tritt immer Kontaktdeformation auf
• somit Energieverlust durch dissipative Prozesse bei plastischen Kontaktdeformation

• Annahme Rauheitshügelkontakt mit drei Zonen plastisch deformierten Materials
• maximale Schubspannung in Hügel = Fließschubspannung im betreffenden Material
• Adhäsionsfaktor geht zusätzlich ein

• Annahme des Models: Reibungsenergie kann als Arbeit zur plastischen Deformation beim Gleichgewichtsgleiten angesehen werden

• Gleitreibung ---> Gleitlager : w1, w2=0
• Rollreibung --> Rollenlager : w1,w2,w4
• Bohrreibung (Spin) --> Spitzenlager : w1, w2=0
• Rollgleiten = Wälzen --> Wälzgetriebe : w1,w2,w3
• Gleitbohren --> Pfannenlager : w1, w2=0
• Rollbohren : Schrägkugellager

• Wirkung Reibmechanismen wird makroskopisch deutlich durch Reibungskraft oder Reibungsenergie
• dabei "Energiedissipation" = Umwandlung mech. Bew.energie in andere Energieformen
• Hauptprozess: "Reibungsenergie geht als Wärme verloren"
• Bilanzierung als mechanisches Wärmeäquivalent (1cal = 4,19 J)

• Phys. Prozesse:
  • Weiterleitung Reibungswärme und reibbedingter mech. Schwingungen über Bautelemente und Stoffe, die unmittelbar mit Reibkörpern verbunden sind
  • Energieadsorption, Energieemission

• Reibungsmechanismen führen zur Erzeugung von Gitterschwingungen
• elast. Kontaktdeformation --> Auf- und Abbau von Spannungs- und damit Schwingungsfeldern
• plast. Kontaktdeformation --> in Berührungsgebieten Gitterfehler --> Gitter bewegt
• dabei auch Trennen von Adhäsionsbindungen der mikroskopischen Kontaktflächen --> Verformung --> Wellen und atomare Bewegungen von Gitterbausteinen
• Mechanismen Energieverlust:
  • Versetzungsbewegungen erfordern kin. Energie --> wird frei, wenn Versetzung blockiert wird
  • Versetzungen dissipieren kontinuierlich Energie durch thermoelastische Dämpfung und Streuung von akustischen Wellen
  • Punktfehlern und Versetzungslinien während Deformation erzeugt und vernichtet

• Reibbedingte Schallemission/Phononenemission, Photonenemission (Tribolumineszenz), Ionen- und Elektroemission

• Abstrahlung akustischer Wellen = Phononen --> Geräuschentwicklung bei vielen Reibungsvorgängen
• Schallabstrahlung aus erzwungenen und elastischen Schwingungen bei Bewegungen einzelner Komponenten eines Tribokontaktes
• somit Körperschall --> Körperschwingungen induzieren Schwingungen in Luftteilchen = hörbarer Luftschall

• Überwachung: kontinuierliche Schwingungs-Überwachung
  • unbeschädigtes Lager = annähernd kons. Amplitude
  • geschödigte Rollkontaktfläche = Erzeugung Stoßimpuls bei Überrollen --> Abklingen bis zur nächsten Überrollung --> Stoßimpulsfrequenz

• Emission optischer Strahlung infolge Reibungsprozesse --> Temp. weit unterhalb Einsetzen therm. bedingter Emission
• durch reibungsinduzierte mech. Aktivierung erfolgt anregung von Elektronen der OF-Atome
• durch Rekombinationsprozesse können Elektronen wieder in Grundzustand überführt werden --> dabei opt. Strahlung emittiert
• aus Spektren der Tribolumineszenzstrahlung --> Informationen über LT m Reibungskontakt

• Austritt von Elektronen aus mech. durch Reibung beanspruchter OF --> Reibungsenergie regt E zur Emission aus Reibungspartner an
• Arten:
  • mech. induzierte Emission
  • mech.-opt. induzierte Emission
  • Chemo-Emission (Adsorptionsprozesse)
  • Thermische Emission (Blitztemperaturen)
  • Feldemission --> LT-Trennung bei Riss-/Spaltprozessen --> Erreichen entsprechender Feldstärken

• Translatorische Relativbewegung zweier Körper mit unterschiedlichen Einzelgeschwindigkeiten (Größe, Richtung)
• Gleitbewegung ist im allgemeinen mit Gleitreibung verbunden
• Gleitlager : typ. ME mit Gleitbewegung und -reibung

• Rotatorische Bewegung eines Drehkörpers
• Drehachse parallel zur KF
• Bewegungsrichtung senkrecht zur Drehachse
• oftmals Mikroschlupf --> Wälzen
• somit Roll- oder Wälzreibung
• Rolllager --> typ. ME : Kugellager
• Wälzlager --> typ. ME : Wälzlager

• Rotatorische Bewegung Drehkörper
• Drehachse und Drehung senkrecht zur KF
• entspricht einer Gleitreibung mit einem Geschwindigkeitsgradienten der kontaktierenden Flächenelemente vom Mittelpunkt der Drehachse in radialer Richtung bis an den Rand des Kontaktbereiches
• typ. Anwendung: Spitzenlager mit Bohrbewegung und -reibung

• Aggregatzustand im Kontaktbereich: fest/flüssig/gasförmig
• ohne Zwischenmedium (Festkörperreibung) bzw. mit Zwischenmedium (Fl.-/Gasreibung)

• besonders niedriger Reibwert --> Zwischenmedien --> Schmierung bei Lagern, Verzahnungen
• besonders hoher Reibwert --> ohne Zwischenmedien --> Rad/Schiene-Kontakt, Bremsbelag/Bremse

1. Gleitreibung
   1. Festkörperreibung : 0,1-1
   2. Grenzreibung
   3. Mischreibung
   4. Flüssigkeitsreibung
   5. Gasreibung
2. Rollreibung
   1. Mischreibung