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3.2.2.2 Verschleißmesstechnik

Um eine gute Übertragbarkeit von Tribometertests auf die praktische Anwendung zu erreichen ist es wichtig, mit moderaten Energieeinträgen zu arbeiten (siehe auch Kapitel 4.3.3). Gut funktionierende geschmierten Systeme haben allerdings in der Praxis sehr kleine Verschleißraten. So beträgt beispielsweise die lineare Verschleißrate eines Kolbenrings etwa 3 bis 4 Nanometer pro Stunde (das sind grob 30 bis 40 Atomlagen!). Für die Laborprüfung bedeutet dies, dass solch kleine Beträge sauber ermittelt werden müssen. Ansonsten ist keine Onlinemessung möglich und die Versuche müssten so lange laufen, bis ein sicher bestimmbarer Wert für den Verschleiß ermittelt werden kann. Übliche digitalen Längenmesssysteme haben eine Auflösung von etwa 0,1 μm. Das bedeutet, dass am Beispiel des eben genannten Kolbenrings erst nach etwa einem Tag eine Änderung um ein Digit erfolgen würde. In der Vergangenheit hat man daher häufig die Lasten so erhöht, dass in akzeptabler Prüfzeit, ausreichend messbarer Verschleiß entsteht. Dies führt aber zu einer extremen Überbelastung des Tribosystems und zu vollkommen unrealistischen Ergebnissen. Je nachdem welche Verschleißraten ein reales System aufweist, müssen daher geeignete Sensoren und Messtechniken an den Tribometern eingesetzt werden. In diesem Kapitel sollen die gängigsten Messmethoden vorgestellt werden. Darunter ist auch eine Methode, die die zuvor genannten 3 bis 4 nm/h sicher auflösen kann.

Eine der einfachsten Methoden, um Verschleiß zu bestimmen, ist die Wägung der Proben vor und nach dem Versuch. Mit guten Wagen können hier Auflösungen von 1 μg bei Probenmassen bis 30 g und 10 μg bei Probenmassen bis 250 g erreicht werden. Für schwerere Bauteile, wie zum Beispiel die Zahnräder des FZG-Prüfstandes, werden Komparatorwaagen eingesetzt, die eine Auflösung von besser als 1 mg erreichen. Ein Nachteil ist, dass die Gewichtsmessung von zahlreichen Randbedingungen ungünstig beeinflusst werden kann:

• Fremdstoffe/Verschmutzung (Ölreste, Staub, Partikel)

• Feuchtigkeitsaufnahme (wichtig und problematisch bei Polymeren)

• adsorbierter Wasserfilm (3 nm bei 300 mm² Oberfläche ~1 μg)

• Elektrostatische und magnetische Kräfte (z.B. bei geschliffenen und nicht entmagnetisierten Proben)

• Korrosion (Oxide sind schwerer als das Grundmaterial)

• Beschädigung bei der Handhabung und Montage

Für die online-Verschleißmessung kommen üblicherweise verschiedenste Arten der Abstands- bzw. Wegmessung infrage. Die einfachsten Messysteme sind ohmsche Längenmesssysteme, bei denen ein Schleifer auf einem Widerstand läuft und je nach Position, einen entsprechenden Widerstand liefert. Diese Systeme haben eine geringe Auflösung aber sehr große Messbereiche. Sie kommen daher eher zur Bestimmung der Position als des Verschleißes zum Einsatz.

Deutlich bessere Auflösungen haben Wirbelstromsensoren. Hier enthält der Sensor eine Sende- und eine Messspule (Abbildung 36). Das elektromagnetische Spulenfeld induziert Wirbelströme im Messobjekt. Dies funktioniert nur bei leitenden Materialien und nur wenn der minimale Durchmesser des zu vermessenen Objektes mindestens 1,5-mal größer ist als der Sensordurchmesser. Moderne induktive Sensoren auf Wirbelstrombasis werden heute für vielfältige Messaufgaben in der industriellen Anwendung eingesetzt. Ein großer Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie sehr robust sind. So können spezielle Typen bei Drücke bis 4000 bar und in einem weiteren Temperaturbereich vom -40°C bis 200°C (Sondersysteme sogar bis 700°C) eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Grenzfrequenz bis 100 kHz sind sie auch für hochdynamische Prozesse geeignet. Die Auflösung geht in den Submikrometerbereich. Induktive Wirbelstromsensoren können sowohl bei ferromagnetischen Objekten wie zum Beispiel Stahl, als auch nicht ferromagnetisch Objekten wie Aluminium eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Robustheit eignen sie sich beispielsweise zur online-Vermessung von Rund- und Planlauffehlern an Maschinen, zur Schmierspaltbestimmung an Lagern oder zur Vermessung der Exzentrizität von Wellen in Kraftwerken [MIKR2020].

Abbildung 36: Prinzip Wirbelstromsensor

Induktive Sensorsysteme besitzen in der Regel eine Primärspule, welche mit konstanter Wechselspannung gespeist wird und ein Signal in die Sekundärspule induziert (Abbildung 37). Je nachdem wie tief der Kern in die Spulen hineinragt, ändert sich die Induktion und damit das Ausgangssignal. Die theoretische Auflösung eines solchen induktiven Sensors liegt bei ~150 nm.

Abbildung 37: Prinzip induktiver Sensor

Das dritte hochauflösende Messprinzip basiert auf der kapazitiven Messung. Der Sensor und das Messobjekt bilden mit dem dazwischen liegenden Spalt einen Kondensator. Unter der idealisierten Annahme, dass sich der Zwischenstoff (Dielektrikum) nicht ändert, ist das Signal nur vom Abstand des Sensors vom Objekt abhängig. Das zu vermessende Objekt muss mindestens zweimal größer sein als der Sensordurchmesser, der in aller Regel mehrere Millimeter beträgt. Mit kapazitiven Sensoren sind im statischen Fall theoretische Auflösung von ~1 nm und im dynamischen Fall von ~ 20 nm (bei 8,5 kHz) möglich - bei einem Messbereich von 0,8 mm [JECH2019].

Abbildung 38: Prinzip kapazitiver Sensor [Quelle: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG]

Nach den elektrischen Messsystemen sollen nun noch einige optischer Messsysteme beschrieben werden, die zur Verschleißmessung eingesetzt werden können. Das erste ist der konfokale Abstandssensor (Abbildung 39). Bei diesem projiziert der Sensor einen ca. 10 mm großen Messfleck auf das Messobjekt. Hierzu wird üblicherweise Weißlicht verwendet. Die theoretische Auflösung dieses Sensors liegt bei ~10 nm bei einem recht kleinen Messbereich von 0,3 mm [JECH2019].

Abbildung 39: Prinzip Konfokalsensor [Quelle: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG]

Die höchste Auflösung aller Sensoren zur Abstandsmessung haben Sensoren auf Basis messender Weißlicht-Interferometrie. Das Weißlicht-interferometer nutzt einen Lichtstrahl, der von einer Hochleistungslichtquelle ausgesendet wird. Ein Teil des Lichts wird auf ein Referenzspiegel abgeleitet, während der andere Teil des Lichts direkt auf die Messoberfläche trifft. Das reflektierte Licht beider Strahlen wird zusammengeführt und auf dem Detektor in die Auswerteinheit geleitet. Aufgrund der verschiedenen Laufwege der beiden Strahlen resultiert eine Phasendifferenz, welche zur Verstärkung und zur Auslöschung der Lichtwelle führt. Dieses Interferenzmuster wird vom Spektrometer erfasst und vom Controller anhand verschiedener Auswerteverfahren in ein Abstandsignal umgerechnet. Die Auflösung dieses Verfahrens liegt unter 1 nm, die maximale Messrate beträgt bis zu 6 kHz. Der Lichtfleck hat einen Durchmesser von nur 10 μm; der Messbereich beträgt bis zu 10 mm [MIKR2020]. Der Hauptnachteil ist, dass der Sensor nur in absolut sauberer Umgebung arbeiten kann. Dadurch ist er für den Einsatz am Tribometer üblicherweise eher nicht geeignet.

Ein weiterer optischer Sensortyp sind konfokale chromatische Sensoren. Diese haben sehr hohe Messraten bis zu 70 kHz und einen sehr kleinen Lichtpunkt (< 3 μm). Die Auflösung in Messrichtung liegt bei > 3 nm. Typische Messbereiche liegen zwischen 0,3 und 1 mm bei einem Grundabstand von über 25 mm [MIKR2020]. Neben der reinen Höheninformation können durch eine Intensitätsauswertung auch optische Unterschiede auf dem Messobjekt „sichtbar“ gemacht werden. Auch diese Sensoren reagieren empfindlich auf Verschmutzung, was den Einsatzbereich am Tribometer einschränkt.

Mittlerweile sind Lasermesssysteme deutlich günstiger geworden und stellen damit eine gute Alternative zu den bisher vorgestellten Abstandsmesssystemen dar. Ein Vorteil von Laser-Messsystemen ist, dass sie in Regel eine sehr gute Auflösung bei einem großen Messbereich aufweisen. Abbildung 40 zeigt die prinzipielle Funktionsweise dieses Sensors. Das Laserlicht wird an der Oberfläche des Messobjektes reflektiert. Der Strahlengang wird durch eine Objektivlinse auf den CCD-Sensor gelenkt. Über die trigonometrischen Zusammenhänge kann der Abstand ermittelt werden. Lasersensoren stellen eine gute Kombination aus Geschwindigkeit (bis ca. 10 kHz) und Genauigkeit (bis zu 0,003% des Messbereichs) dar und sind ideal für dynamische und hochauflösende Messungen [MIKR2020]. Bei der Auswahl ist darauf zu achten, dass der Sensor eine ausreichend hohe Fremdlichtbeständigkeit hat, da es sonst im Laborumfeld zu Fehlmessungen kommen kann.

Abbildung 40: links: Funktionsweise Lasertriangulationssensor; rechts: Laserdistanzsensor der Fa. Baumer [Quelle: Baumer GmbH]

Bei all diesen vorgestellten Messsystemen muss man jeweils die vertikale und laterale Auflösung berücksichtigen. Während die vertikale Auflösung häufig in den Nanometerbereich hineinreicht, beträgt die laterale Auflösung häufig nur einige Quadratmillimeter. Das bedeutet, dass das Messignal nicht von einem einzelnen Punkt zurückgegeben wird, sondern von einem Flächenintegral. Je nach Rauigkeit und Topografie der Probe kann dies zu signifikanten Verfälschungen führen. So ignoriert ein Wirbelstromsensor die Oberflächenrauheiten, da sein Signal vorwiegend aus dem Grundmaterial kommt, wohingegen die Information eines kapazitiven Sensors vorwiegend genau aus diesen Spitzen stammt (Abbildung 41), da sich dort die Ladungen ansammeln.

Abbildung 41: Quelle des Signals bei Wirbelstrom- und kapazitivem Sensor

Gerade bei Onlinemessungen im Tribometer oder am Prüfstand werden die Ergebnisse zusätzlich von der thermischen Ausdehnung, plastischen und elastischen Verformungen, Vibrationen sowie dem Schmierstoff und möglichst Verschleißpartikel beeinflusst. In der Realität lassen sich daher deutlich schlechtere Genauigkeiten erzielen als es die theoretischen Kennwerte der Sensoren vorgaukeln.

Für hochgenaue Messungen muss man daher auf andere Verschleißmessverfahren zurückgreifen, die nicht auf einer Wegmessung basieren. Eines ist die optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES). Mittels dieses Verfahrens werden Ölanalysen beispielsweise an Gebrauchtölen durchgeführt. Das Gerät kann aber auch in einen Bypass einer Ölumlaufschmierung integriert werden und so eine kontinuierliche Bestimmung der Elementkonzentration im Öl liefern. So kann über die Art und Konzentration der Elemente das Verschleißverhalten unterschiedlicher Komponenten in einem Aggregat online beurteilt werden. Die Auflösung des Verfahrens in Öl liegt bei etwa 100 ppb.

Eine andere speziell im Motorentest häufig eingesetzte Messmethode basiert auf der Messung mit radioaktiven Isotopen (Radionuklidtechnik – RNT). Dieses Verfahren wird schon seit einigen Jahrzehnten erfolgreich bei Motorentests eingesetzt. Die zu beobachtenden Bauteile, wie zum Beispiel die Kolbenringe, werden hierbei radioaktiv markiert. Hierzu werden beispielsweise Eisenatome im Zyklotron in das Cobalt-Isotop ⁵⁶Co umgewandelt. Ein Sensor misst die zunehmende Radioaktivität im Öl bei zunehmendem Verschleiß des aktivierten Bauteils. Da das Handling mit radioaktiven Proben anspruchsvoll ist und relativ hohen Sicherheitsauflagen unterliegt kommt diese Methode üblicherweise nur bei Vollmotorentest zum Einsatz. Seit einigen Jahren gibt es nun eine Methode, die auf einem ähnlichen Prinzip basiert aber mit deutlich geringeren Aktivierungsraten auskommt. Die Messmethode wurde am Austrian Competence Center for Tribology (AC²T) in Wiener Neustadt (Österreich) entwickelt. Sie wurde kommerziell erstmals am SRV 4 unter dem Namen nVCT angeboten. Heute ist die gleiche Technik auch unter dem Namen Radio Isotope Concentration Methode (RIC) bekannt. Der Trick dieses Verfahrens ist, dass die Aktivierung der Reibpartner unter der gesetzlichen Freigrenze geschieht. Die Proben gelten also vor dem Gesetzgeber als nicht radioaktiv. Dadurch ist der Sicherheitsaufwand deutlich geringer und auch für den allgemeinen Laborbetrieb praktikabel. Das Standardverfahren ist zur Messung metallischer Werkstoffe geeignet und benötigt den Schmierstoffkreislauf zum Transport der Partikel. Das Verschleißvolumen oder die lineare Verschleißhöhe werden durch spezielle Algorithmen basierend auf dem Aktivierungstiefenprofil berechnet. Dieses muss für jeden Werkstoff einmal als Basis ermittelt werden. Die Aktivierung der Teile erfolgt durch Bestrahlung im Teilchenbeschleuniger (Zyklotron). Um die Probenaktivität unter der Freigrenze zu halten, kann nur ein sehr kleiner Bereich und eine sehr geringe Tiefe von wenigen Mikrometern aktiviert werden. Für Tribometertests reicht dies aber in der Regel für eine aussagefähige Messung aus. Mit diesem Verfahren sind Auflösungen unter einem Nanometer möglich (abhängig von Aktivität und Probenmaterial). Da die Aktivierung nicht günstig ist, macht das Verfahren vorwiegend für Bauteiluntersuchungen Sinn, durch die deutlich teurere Aggregate- und Komponententests eingespart werden können. Es ist mittlerweile für die Untersuchung von Kolbenring/Liner-Verschleiß etabliert und wird teilweise auch am Vollmotor eingesetzt [JECH2019].

Abbildung 42: Schema RIC-Messung im SRV-Prüfstand [CORN2009]

Abbildung 43: Exemplarisches Messergebnis für eine Kolben/Liner-Paarung im SRV-Prüfstand [Quelle: AC²T research GmbH]

3.2.3 Temperatur

Gerade bei der Temperaturmessung gilt leider der verzweifelte Spruch eines Messtechnikers: „Was mich interessiert, kann ich nicht messen und was ich messen kann, interessiert mich nicht“ [Quelle leider unbekannt].

Eigentlich würde man als Wissenschaftler gerne die Temperaturen im Reibkontakt und ggf. sogar an einzelnen Rauheitsspitzen messen aber genau da kommt man nicht hin. Deswegen muss man sich damit zufrieden geben, in der Nähe der Reibstelle zu messen. Zudem läuft man Gefahr, durch die Temperatursensoren ggf. auch das tribologische System zu verändern, indem man Wärme zu- oder abführt. Wichtig ist demnach zu wissen, wie und wo eine angegebene Temperatur aufgenommen wurde. Nur so kann man diese richtig bewerten. Im einfachsten Fall ist das die Schmierstofftemperatur im Bad oder den Leitungen oder die Temperatur des Körpers (engl. bulk). Die Blitztemperaturen an den sich kontaktierenden Rauheitsspitzen (siehe auch Bloksche Theorie [BLOK1957]) bleiben leider unbekannt und können nur nach dem Versuch z.B. durch werkstoffkundliche Gefügeumwandlungen nachgewiesen werden.

3.2.3.1 Temperaturmesstechnik

In der industriellen elektrischen Temperaturmesstechnik werden hauptsächlich zwei Gruppen von Sensoren verwendet:

• Widerstandsthermometer (RTD) wie z.B. PT100 oder PT1000

• Thermoelemente (TC) unterschiedlicher Typen

Wie immer haben beide Sensorarten ihre Vor- und Nachteile. So liegen die Stärken der PT100-Messwiderstände im unteren bis mittleren Temperaturbereich (-200 … +60 °C). Thermoelemente hingegen haben (von wenigen Ausnahmen abgesehen) ihre Vorzüge bei höheren Temperaturen (bis 1700 °C, Sondermaterialien sogar höher). Ein weiteres Kriterium, das ggf. für den Einsatz eines Thermoelements spricht, ist der kleinstmögliche Durchmesser, der bei Mantel-Thermoelementen bis auf 0,25 mm heruntergeht.

In Europa werden für den moderaten Temperaturbereich häufig PT100-Sensoren eingesetzt wohingegen in Nordamerika ein deutliches Übergewicht in Richtung Thermoelement festzustellen ist [WIKA2016].

3.2.3.1.1 PT100 / PT1000 (PTC-Sensoren) und NTC-Sensoren

Widerstandstemperaturfühler mit PT100-Sensoren sind Temperaturfühler, die auf der Widerstandsänderung von Platin unter Temperatureinfluss basieren. Diese werden auch als Kaltleiter (PTC) bezeichnet und bei Temperaturmessung im Bereich –200 °C bis 850 °C eingesetzt. Jeder Sensor hat eine eindeutige Widerstandskennlinie. Der PT100- bzw. PT1000-Sensor wird durch seine Charakteristik bei einer Temperatur von 0 °C bezeichnet, bei der dieser einen Nennwiderstand von 100 bzw. 1000 Ohm besitzt. Die Widerstandsänderung ist in der DIN IEC 60751 festgelegt.

Ein umgekehrtes Temperaturverhalten zeigen Heißleiter (NTC-Thermistor), die ihren Widerstand bei steigender Temperatur verringern. Sie bestehen aus einer Mischung von Halbleiterwerkstoffen, Eisenoxid (Fe₂O₃), ZnTiO₄ und Magnesiumdichromat (MgCr₂O₄). Temperatursensoren aus NTC-Widerständen werden im Temperaturbereich von –80°C bis +250°C eingesetzt und in der Gebäudeautomatisierung, Medizintechnik, Biotechnologie, Lebensmittelindustrie etc. verwendet.

3.2.3.1.2 Thermoelemente

Thermoelemente dienen der Temperaturmessung in industriellen Prozessen, um auch bei hohen Temperaturen sowie rauen Umgebungsbedingungen einen genauen Messwert zu erhalten. Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metalldrähten (z.B. Eisen und Konstantan), die an beiden Enden miteinander verbunden sind. Durch den sogenannten Seebeck-Effekt wird bei einer Temperaturdifferenz zwischen dem einen Ende des Leiters (Sensorspitze) und dem Referenzende (üblicherweise im Messgerät) eine Thermospannung erzeugt, welche als Messgröße dient.

Es gibt zahlreiche Materialkombinationen für unterschiedliche Temperaturbereiche und Anforderungen. Jede dieser Materialkombinationen ist ein spezieller Typ und wird mit einem Buchstaben bezeichnet. Am bekanntesten und weit verbreitetsten sind Thermoelemente des Typs K. Diese findet man auch bei üblichen Handmessgeräten. Die anderen Typen werden eher im industriellen Umfeld eingesetzt.

Es besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, Grund- und Gegenkörper aus Materialien zu wählen, die direkt im Reibkontakt eine Thermospannung erzeugen (sog. dynamisches Thermoelement). Allerdings ist eine exakte Kalibrierung der Thermospannung aufgrund verschiedener verfälschender Einflüsse, wie Oxidfilme, Verunreinigungen oder Reaktionsschichten, sehr schwierig. Außerdem muss man dazu Werkstoffe verwenden, die in der Praxis nicht für Reibpaarungen eingesetzt würden, was wieder dem Systemgedanken der Tribologie widerspricht.

Die Thermospannungen sind sehr klein, weswegen sie relativ früh in der Messkette verstärkt werden müssen. Außerdem dürfen die Leitungen nur mit den zum Typ passenden Kabeln verlängert werden.

Abbildung 44: PT100 und Thermolemente [Quelle: W. Stehr]

3.2.3.1.3 Infrarot-Thermometer / Thermografie

Infrarot-Thermometer (Pyrometer) nutzen den physikalischen Effekt, dass jedes Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15°C (0 Kelvin) liegt, eine Infrarotstrahlung (auch Wärmestrahlung) aussendet. Infrarot-Messgeräte können diese Strahlung, auch von vermeintlich kalten Körpern, aufnehmen und verarbeiten.

Der Hauptvorteil ist die schnelle, berührungslose Messung der Oberflächentemperatur selbst bei dynamischen Prozessen oder an schwer erreichbaren Stellen. Infrarotkameras zeigen zudem auch die Temperaturverteilung und bieten somit einen deutlichen Informationsgewinn. Hauptnachteil ist, dass IR-Messungen relativ ungenau sind und von vielen Effekten negativ beeinflusst werden.

Abbildung 45: IR-Messung an einer mit dem Finger gezogenen Reibspur auf einer Tür [Quelle: W. Stehr]

Abbildung 46: Thermographiebild eines Pin-on-disc-Versuchs

Vorteile

• Gefahrlos

Es spielt keine Rolle, wie heiß oder gefährlich das Messobjekt ist - mit Hilfe eines Infrarot-Thermometers kann ausreichend Sicherheitsabstand eingehalten werden. Typische Beispiele sind heiße und/oder rotierende Maschinenteile, Gegenstände, die unter Strom stehen, oder auch aggressive Chemikalien.

• Schnell

Bei professionellen Geräten dauert die Temperaturmessung nur wenige Mikrosekunden, bei einfachen Infrarot-Thermometern maximal eine Sekunde.

• Sehr große Messbereiche

Zwar kommt es hierbei sehr stark auf das jeweilige Gerät an, jedoch kann man mit einem Infrarot-Thermometer grundsätzlich Temperaturen von -50 bis hin zu +4.000 Grad Celsius messen.

• Verschleißfrei

Beim Einsatz von Infrarot-Thermometern kommt es aufgrund des mangelnden physischen Kontakts zu keinerlei Verschleißerscheinungen – weder beim Messgerät selbst noch beim Gegenstand, dessen Temperatur gemessen werden soll.

• Bestimmte Messfehler sind ausgeschlossen

Es gibt keinerlei Messfehler aufgrund von mangelndem Kontakt zwischen Sensor und Objekt. Dafür entstehen allerdings an anderen Stellen zum Teil relativ große Messfehler (siehe Nachteile).

• Messung bewegter Objekte möglich

Eine Temperaturmessung kann aufgrund der berührungslosen und sehr schnellen Messung auch bei bewegten Objekten problemlos durchgeführt werden.

Nachteile

• Bestimmte Parameter des Messobjekts müssen bekannt sein

Wenn eine wirklich präzise Temperaturmessung benötigt wird, müssen der Emissionsgrad des Materials, die Temperatur und die Wellenlänge bekannt sein.

• Variation des Emissionsgrades

Die Temperaturmessung wird ungenau, wenn der Emissionsgrad variiert. Das ist insbesondere bei Metallen ein Problem, die sich beispielsweise im unbehandelten und im polierten Zustand extrem voneinander unterscheiden, obwohl es sich um ein und dasselbe Material handelt und lediglich anders bearbeitet wurde.

• Hochglänzende Oberflächen

Wenn die Oberfläche eines Gegenstandes hochglänzend ist, ist eine präzise Temperaturmessung nicht möglich. Für solche Fälle gibt es allerdings spezielle Infrarot-Aufkleber, die man an den Gegenstand anbringen kann, um eine präzisere Temperaturmessung durchführen zu können. Alternativ empfiehlt sich das Auftragen von Farbe – sofern es das Objekt erlaubt.