Tribometrie. Markus Grebe

Spannungsverteilung bei einem Walzenpaar und passend skaliertes Schliffbild mit einem Riss in der Tiefe (in Anlehnung an [BROS1982])

      Die Formeln nach Hertz basieren allerdings auf einigen idealisierten Annahmen. So gelten sie nur für isotope und rein elastische Körper mit ideal glatten Oberflächen. Daneben gelten sie ausschließlich für den statischen Fall. Betrachtet man nun eine dynamische Beanspruchung, so verschieben sich die Spannungsmaxima in Richtung der Oberfläche. Die nachfolgende Abbildung zeigt, wie mit steigendem Reibwert das Spannungsmaxima an die Oberfläche wandert (Abbildung 15).

       Abbildung 15: Spannungsmaxima mit steigendem Reibwert (in Anlehnung an [BROS1982])

2.2.5 Schmierungszustand

      In geschmierten Systemen ist die tribologische Beanspruchung stark von den hydrodynamischen Bedingungen abhängig. Eine vereinfachte, idealisierte aber sehr bekannte Darstellung ist die sogenannte Stribeckkurve. Sie zeigt, wie sich der Reibungskoeffizient eines geschmierten Gleitlagers mit steigender Drehzahl verändert. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die dynamische Viskosität und die Normalkraft während des Versuchs nicht ändern. Dies ist eine idealisierte Annahme, die in der Praxis häufig so nicht gilt.

       Abbildung 16: Idealisierte Stribeckkurve eines geschmierten Radialgleitlagers

      Der Begriff Stribeckkurve wird teilweise auch als Synonym für die Veränderung des Reibwertes in Abhängigkeit der Gleitgeschwindigkeit verwendet. Man findet diesen Begriff daher teilweise auch bei trockenen Tribosystemen.

2.2.6 Wechselwirkungen zwischen den Elementen

      Neben der exakten Beschreibung der Oberflächen stellen auch die Wechselwirkungen zwischen den Elementen des Tribosystems ein großes Problem dar. Jedes der vier Elemente agiert mit einem anderen Element. So beeinflussen sich beispielsweise Grund- und Gegenkörper durch die später noch detailliert beschriebenen Verschleißmechanismen. Zwischen Grund- und Gegenkörper und dem Umgebungsmedium kommt es zu Absorptionsprozessen, chemischen Reaktionen und Sublimation. Besonders kompliziert ist das Zusammenspiel mit dem Zwischenstoff (Abbildung 17). Neben der gewünschten Wirkung der Additive des Schmierstoffs gibt es hier auch vielfältige und teilweise negative Wechselwirkungen.

       Abbildung 17: Übersicht über die möglichen Wechselwirkungen zwischen den Elementen (nach [CZIC10])

2.3 Verschleißmechanismen und deren Verschleißerscheinungsformen

      Wie zuvor bei den Wechselwirkungen schon angedeutet, beeinflussen sich Grund- und Gegenkörper über die Verschleißmechanismen. In der Tribologie hat man vier Hauptverschleißmechanismen definiert. Adhäsion, Abrasion, Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktion (Tribooxidation) (Abbildung 18).

       Abbildung 18: Übersicht über die vier Hauptverschleißmechanismen

      Jeder dieser Verschleißmechanismen zeigt typische Verschleißerscheinungsformen. Diese sind in Abbildung 19 dargestellt. Die Verschleißerscheinungsformen sind ein wichtiges Puzzleteil bei der Schadensanalyse. Anhand der richtigen Deutung der Verschleißerscheinungsformen sowie weiterer Informationen zum Tribosystem kann eine Hypothese über mögliche Ursachen aufgestellt werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um geeignete Abhilfemaßnahmen zu finden und diese im Labor zu testen. Eine vereinfachte Übersicht über Möglichkeiten die jeweiligen Hauptverschleißmechanismen einzuschränken, findet sich in Abbildung 20. In der Praxis ist die Bewertung der Verschleißerscheinungsformen allerdings nicht so einfach. Häufig sind ursprüngliche Schäden bereits durch Folgeschäden verdeckt. So führt ein einzelner Partikel, der beispielsweise infolge von Oberflächenzerrüttung entstanden ist, sehr schnell zu einer deutlichen Riefung (Abrasion) und gegebenenfalls auch zu Adhäsionserscheinungen. Es ist daher wichtig, Bauteile zu analysieren, bei denen der Schaden gerade eben erst aufgetreten ist. Diese sind allerdings in der Praxis schwer zu finden, da es nur selten gelingt, eine Maschine zum richtigen Zeitpunkt und schnell genug abzuschalten.

       Abbildung 19: Typische Verschleißerscheinungsformen der vier Hauptverschleißmechanismen

       Abbildung 20: Mögliche Lösungsansätze zur Reduzierung von Schäden in Abhängigkeit der wirkenden Hauptverschleißmechanismen

2.4 Systemanalyse

      Bei der Systemanalyse versucht man, das vorliegende reale tribologische System möglichst genau zu beschreiben. Erst wenn man diese Informationen zusammen hat, kann man einen geeigneten tribologischen Versuch im Labor planen.

      Am Beispiel eines stirnradverzahnten Getriebes sind die zu bestimmenden Größen in Abbildung 21 dargestellt.

       Abbildung 21: Systemanalyse an einem Getriebe