Kitabı oku: «Tribometrie», sayfa 3
2.2.2 Aufbau metallischer Oberflächen
Jede reale Oberfläche ist in der Praxis von einer Adsorptionsschicht bedeckt, die nur wenige Nanometer dick ist, aber bereits einen signifikanten Einfluss auf das tribologische Verhalten hat.
Abbildung 6: Aufbau metallischer Oberflächen.
Ein bekannter Tribologe, der GfT-Vogelpohl-Ehrenpreisträger Werner Stehr, bezeichnet diese Schicht gerne als „Schlonz“. Dieser schwäbische Begriff verdeutlicht sehr schön, wie wenig man in der Praxis über die Zusammensetzung dieser oberflächennahen Schichten weiß.
Untersuchungen an Pressverbänden von Turboladern am Kompetenzzentrum Tribologie haben gezeigt, dass bereits das Berühren von zuvor gereinigten metallischen Bauteilen Haftreibwerte um den Faktor zwei reduzieren können. Für die praktische Anwendung bedeutet dies, dass der Reinigungszustand sehr genau beschrieben werden muss. Für anwendungsnahe tribologische Versuche muss man sich Gedanken machen, wie der Oberflächenzustand in der Praxis ist. Eine chemisch optimal gereinigte Oberfläche ist für die Wiederholbarkeit eines Laborversuchs vielleicht vorteilhaft, kann aber vollkommen andere Ergebnisse liefern als real kontaminierte Bauteile.
Unterhalb dieser Adsorptionsschicht findet man bei Metallen eine Oxid- oder Reaktionsschicht, die man heute beispielsweise im TEM oder im FIB/XB gut nachweisen kann (Abbildung 7 und Abbildung 8).
Abbildung 7 TEM-Darstellung einer Reaktionsschicht [Quelle: NMI Reutlingen]
Abbildung 8 FIB/XB-Darstellung des OF-nahen Gefüges [Quelle: NMI Reutlingen]
2.2.3 Geometrische und wahre Kontaktfläche
Die Oberfläche ist aber nicht nur chemisch schwer zu beschreiben, auch die Bestimmung der wahren Kontaktfläche ist kompliziert. Die wahre Kontaktfläche ist immer um Größenordnungen kleiner als die geometrische Kontaktfläche, die sich beim ebenen Kontakt aus Länge mal Breite berechnet. Die wahre Kontaktfläche hingegen ist die Summe aller Mikrokontakte, die sich aus der elastisch/plastischen Deformation in Abhängigkeit der Normalkraft ergibt.
Abbildung 9: Wahre Kontaktfläche
Betrachtet man einmal, wie sich die wahre Kontaktfläche in Abhängigkeit der Normalkraft ändert, so erkennt man, dass die tatsächliche Berührungsfläche annähernd im selben Maß wächst, wie die Normalkraft. Das bedeutet, dass die reale Flächenpressung quasi immer gleichbleibt (Abbildung 10). Diese Aussage basiert zwar auf einer sehr idealisierten Annahme, sie verdeutlicht allerdings das grundsätzliche Phänomen.
Abbildung 10: Tatsächliche und scheinbare Berührfläche (nach [GÄNS1960])
Wie die wahre Kontaktfläche mit der Normalkraft steigt, lässt sich schön mit einem transparentem Silikonstempel auf einer rauen Oberfläche zeigen (Abbildung 11).
Abbildung 11: Ausbildung der wahren Kontaktfläche zwischen einem Silikonstempel und einer rauen Oberfläche [PERS2009]
Um die wahre Kontaktfläche berechnen oder zumindest abschätzen zu können, ist eine genaue Beschreibung der Oberflächen notwendig. Die entsprechenden 2D- und 3D-Rauheits- und Topografiekennwerten werden im Kapitel 8 behandelt.
2.2.4 Kontaktzustand
Wie Grund- und Gegenkörper miteinander in Kontakt kommen, wird vom Kontaktzustand beschrieben. Hier unterscheidet man die geometrische Konformität, die Form der Tribokontaktfläche und das Eingriffsverhältnis (Abbildung 12).
Abbildung 12: Beschreibung des Kontaktzustandes
Die geometrische Konformität (Schmiegung) beeinflusst vorwiegend die Pressung und im Falle eines geschmierten Systems das hydrodynamische Verhalten. Hier unterscheidet man konforme und kontraforme Kontakte. Ebenfalls für die Pressung und das Schmierungsverhalten relevant ist, ob ein Flächen-, Linien- oder Punktkontakt vorliegt. Die Schmierung und die Kontaktart beeinflussen die Pressung im Bereich von mehreren Zehnerpotenzen. So liegen typische Pressungen für technische Systeme im Flächenkontakte im Bereich unter 150 N/mms2; für Linienkontakte unter 1500 N/mm2 wohingegen Punktkontakte häufig Pressungen deutlich über einem Gigapascal aufweisen.
Die Pressung in einem Punkt- oder Linienkontakt lässt sich relativ einfach mit den Formeln nach Hertz berechnen [HERT1881]. Obwohl diese nun über 140 Jahre alt sind, ergeben sich mit diesen Formeln bereits sehr gute Näherungswerte, die für Abschätzungen in aller Regel vollkommen ausreichen.
Abbildung 13: Pressungsberechnung mit den Formeln nach Hertz (in Anlehnung an [WITT1991])
Die Hertzschen Formeln wurden erst im Jahre 1971 von JOHNSON, KENDAL und ROBERTS um die Adhäsionskräfte erweitert (JKR-Theorie [JOHN1971]). Weitere Forscher entwickelten ähnliche Theorien, die sich aber nur gering in den Ergebnissen unterscheiden, sodass sich die JKR-Theorie durchgesetzt hat. Der wesentliche Unterschied zum nicht-adhäsiven Kontakt besteht darin, dass an den Rändern des Kontaktgebietes die Spannung nicht null ist, sondern einen unendlich großen negativen Wert annimmt. Die Berücksichtigung der endlichen Reichweite der Adhäsionskräfte beseitigt in der Realität diese Singularität. Dennoch erreichen die Spannungen laut POPOV an den Rändern eines adhäsiven Kontaktgebietes relativ große Werte in der Größenordnung der theoretischen Festigkeit der Van-der-Waals-Bindungen [POPO2009].
Neben den absoluten Pressungen ist auch die Spannungsverteilung für die Beanspruchung entscheidend. So tritt bei einem statisch belasteten Walzenpaar die Maximalspannung in einer Tiefe von 0,78-mal der halben Kontaktbreite auf (Abbildung 14). Das bedeutet, dass der Ort der Rissentstehung voraussichtlich unter der Oberfläche liegen wird (zum Beispiel bei Zahnrädern bei ausreichender Schmierung).
Abbildung 14: 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
3 Tribologische Prüftechnik
Die Aufgaben tribologischen Prüftechnik sind vielfältig:
• Bestimmung verschleißbedingter Einflüsse auf die Gesamtfunktion von Maschinen.
• Überwachung der verschleißabhängigen Einsatzfähigkeit von Maschinen.
• Diagnose von Betriebszuständen.
• Optimieren von Bauteilen bzw. tribotechnischen Systemen zum Erreichen einer vorgegebenen verschleißbedingten Gebrauchsdauer.
• Schaffung von Daten für die Instandhaltung.
• Vorauswahl von Werkstoffen und Schmierstoffen für praktische Anwendungsfälle.
• Qualitätskontrolle von Werkstoffen und Schmierstoffen.
• Verschleißforschung, mechanismen-orientierte Verschleißprüfung.
Um diese Aufgaben erfüllen zu können, müssen belastbare Kenngrößen aufgenommen werden. In diesem Kapitel soll daher auf die wichtigsten Messgrößen und die entsprechenden Messtechniken eingegangen werden.
3.1 Messtechnik (Theorie)
Bevor in den nächsten Kapiteln auf die Messung der wichtigsten tribologischen Kenngrößen eingegangen wird, sollen in diesem Kapitel die notwendigen theoretischen Grundlagen vermitteln werden.
Eine Messung liefert die quantitative Information über den aktuellen Zustand einer physikalischen Größe, die ansonsten nur abgeschätzt werden könnte. Messungen sind daher in allen Bereichen der Wissenschaft unerlässlich.
Eine Messkette besteht aus drei Elementen: dem Sensor, der Signalkonditionierung und der Auswertung und Aufzeichnung. Der Sensor hat die Aufgabe, die Messgröße in eine detektierbare analoge Form zu überführen. In der Signalverarbeitung wird das Signal so aufbereitet, dass es über größere Strecken sicher transportiert werden kann. Am Ende der Messkette steht die Datenaufzeichnung und Auswertung (Abbildung 22).
Abbildung 22: Aufbau der Messkette
Keine Messung ist zu 100 % perfekt und korrekt. In der Realität muss man daher immer mit einer Messunsicherheit rechnen. Das bedeutet, dass eine endliche Anzahl von Messwerten um das eigentliche Ergebnis einer Messgröße verteilt ist. In der Praxis ist es wichtig, diese Messunsicherheit zu kennen. Im üblichen Sprachgebrauch ist das Wort Unsicherheit nicht gerade vertrauensbildend. Im technisch-wissenschaftlichen Bereich sieht das aber anders aus: Hier ist es ein Qualitätsmerkmal und zeigt, dass ein angegebener Kennwert durch mehrere Messungen statistisch abgesichert ist.
Das Internationale Wörterbuch der Metrologie [VIM1993] definiert Messunsicherheit als einen Kennwert, der den Bereich der Werte charakterisiert, die der Messgröße durch die durchgeführte Messung vernünftigerweise zugeschrieben werden können. Die nach einem einheitlichen Verfahren berechnete und in einer bestimmten Weise mitgeteilte Messunsicherheit drückt so die Stärke des Vertrauens aus, mit der angenommen werden darf, dass der Wert der gemessenen Größe, unter den Bedingungen der Messung, innerhalb eines bestimmten Werteintervalls liegt [KESS1998].
Auch hier ist es zum Verständnis notwendig, bestimmte Fachbegriffe zu definieren:
Dies ist zum einen die äußere Genauigkeit (engl. accuracy). Sie gibt die Abweichung zwischen dem gemessenen Wert und dem unbekannten wahren Wert an. Bei einer schlechten äußeren Genauigkeit liegen die Messwerte zwar nah beieinander; ihr Mittelwert weicht aber stark von dem wahren Wert ab (siehe Abbildung 23, 2. Bild v. links).
Die Präzision (engl. precision) wird auch Wiederholgenauigkeit oder innere Genauigkeit genannt und gibt die Verteilung der Werte bei wiederholter Messung an. Hierbei unterscheidet man zwischen der Wiederholbarkeit (engl. repeatability) und der Vergleichbarkeit (engl. reproducability). Die Wiederholbarkeit gibt an, wie gut sich ein Versuch von derselben Person, am selben Ort, mit demselben Gerät wiederholt lässt. Die Vergleichbarkeit gibt an, wie gut sich Messungen von unterschiedlichen Personen an verschiedenen Orten vergleichen lassen. Diese beiden Größen werden in Prüfnormen durch Ringversuche bestimmt und müssen regelmäßig überprüft und aktualisiert werden.
Es ist sehr wichtig, sich diese Werte in den entsprechenden Normen genau anzuschauen, da ansonsten Unterschiede in den Messergebnissen überinterpretiert werden. Gerade bei älteren Prüfungen sind die Werte für diese beiden Kenngrößen häufig sehr schlecht (siehe zum Beispiel VKA Schweißkraft – DIN 51350 T2 und T4).
Abbildung 23: Äußere und innere Genauigkeit
Weitere wichtige Begriffe in der Messtechnik sind die Auflösung (engl. resolution) und die Empfindlichkeit (engl. sensitivity). Die Auflösung ist definiert als der kleinste messbare Unterschied am Anzeigegerät. Dies ist also die letzte Stelle, welche am Anzeigegerät dargestellt wird. Nach DIN 1319 [DIN1319] versteht man unter Empfindlichkeit die „Änderung des Wertes der Ausgangsgröße eines Messgerätes bezogen auf die sie verursachende Änderung des Wertes der Eingangsgröße“.
Das Ergebnis einer Messung stellt eine Annäherung oder Schätzung aufgrund der gemessenen Werte der Messgröße (Stichproben) an den „wahren“ und unbekannten Wert der Grundgesamtheit (unendliche Population) dar. Ein Messergebnis ist nur dann vollständig, wenn eine Angabe der Messunsicherheit erfolgt. Die Angabe einer Messunsicherheit verdeutlicht, dass der „wahre“ Wert einer Messgröße nicht bekannt sein kann.
Messungen sind Unzulänglichkeiten und Unvollkommenheiten unterworfen, die nicht exakt quantifiziert werden können. Einige von ihnen haben ihre Ursache in zufälligen Effekten (Typ A), wie kurzzeitigen Schwankungen der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit der Umgebung. Auch die nicht gleichmäßige Leistungsfähigkeit des Beobachters, der die Messung ausführt, kann Ursache zufälliger Effekte sein. Ein gutes Beispiel sind Ablese- oder Einstellfehler bei analogen Messgeräten. Messungen, die unter den gleichen Bedingungen wiederholt werden, zeigen auf Grund dieser zufälligen Einflüsse unterschiedliche Ergebnisse.
Andere Unzulänglichkeiten und Unvollkommenheiten haben ihre Ursache darin, dass gewisse systematische Effekte nicht exakt korrigiert werden können (sog. Bias-Fehler, Typ B) oder auch nur näherungsweise bekannt sind. Systematische Fehler liefern einen konstanten Unterschied zwischen dem gemessenen Wert und den wahren Wert und können daher nicht mit statistischen Mitteln behandelt werden. Hierzu gehören u. a. die Nullpunktsabweichung eines Messinstrumentes (Tara-Fehler), die Veränderung der charakteristischen Werte eines Normals zwischen zwei Kalibrierungen (Drift), die Voreingenommenheit des Beobachters (Erwartungshaltung) einen zuvor erhaltenen Wert bei der Ablesung wiederzufinden, oder auch die Unsicherheit, mit der der Wert eines Referenznormales oder Referenzmaterials angegeben wird. Systematische Fehler lassen sich nur durch den Einsatz unterschiedlicher Messinstrumente und unterschiedlicher Personen analysieren. Zufällige Fehler lassen sich dahingegen statistisch in den Griff bekommen. Ihre Ursache ist zum Beispiel das Rauschen eines Messsignals, die ungenügende Genauigkeit der Messinstrumente und Fluktuationen.
Abbildung 24: Summe aller Fehler
Rechnet man mit Messwerten, so muss man beachten, dass sich dabei auch die Unsicherheiten der Messungen verändern (Fehlerfortpflanzungsgesetz). Bei Addition und Subtraktion addieren sich die absoluten Fehler; bei Multiplikation und Division addieren sich die relativen Fehler; bei Potenzen vervielfachen sich die relativen Fehler um den Exponenten. Zur Abschätzung der Fehlerfortpflanzung gibt es verschiedene mathematische Modelle, die hier aber nicht näher betrachtet werden sollen (Gauß‘sches Fehlerfortpflanzungsgesetz, Taylor Polynom, …).
Weitere Informationen insbesondere zur Auswertung mittels statistischer Methoden werden im Kapitel „7.3 - Statistik“ behandelt.
3.2 Tribologische Messgrößen
Die beiden wichtigsten Messgrößen in der Tribologie sind die Reibung und der Verschleiß. In der modernen Tribometrie versucht man aber, möglichst viele Messgrößen aufzunehmen. Zum einen helfen einige von ihnen, andere Größen zu bestätigen oder besser interpretieren zu können; zum anderen liefern zusätzliche Größen wie Beschleunigung (Schwingungen, Geräusch), Kontaktstrom oder Übergangswiderstand sowie Schmierfilmhöhe und –druck weitere wichtige Informationen über den Zustand des Tribosystems.
Ein gutes Beispiel wie eine weitere Messgröße zur Interpretation herangezogen werden kann, ist die Temperaturmessung zur Analyse eines Reibungssignals. Beispiele, wie dies praktisch genutzt werden kann, finden sich im Kapitel 4.4. Ebenso wird dort gezeigt, wie beispielsweise das Kontaktstromsignal hilft, Schmierfilmversagen festzustellen.
