1 Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung

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1 1 Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung 1.1 Einführung Der Begriff TRIBOLOGIE wurde erstmals 1966 geprägt, als man einen technisch klingenden Ausdruck für den Zusammenhang zwischen Reibung, Verschleiß und Schmierung suchte. Basis war der griechische Wortstamm tribos, der etwas mit Reibung zu tun hat. Der im deutschen Sprachgebrauch häufig verwendete Begriff Schmiertechnik oder kennzeichnet dieses Fachgebiet zu einseitig, weil er die Anwendung eines Schmierstoffs zur Lösung tribologischer Fragen in den Vordergrund stellt. Tribologie ist aber mehr als nur die Anwendung von Schmierstoffen sie beginnt bereits mit der Mittellinie bei der Konstruktion einer Maschine und beinhaltet neben der konstruktiven Gestaltung die Werkstoffwahl, die Bearbeitung und Oberflächentechnik. Darüber hinaus kann der Schmierstoff in vielen Fällen als Konstruktionselement angesehen werden, das in die Berechnung z.b. von Zahnradpaarungen und Lagern eingeht. 1.2 Tribologisches System Unter Tribologie versteht man also die Wissenschaft und Technik der Reibung und ihren Folgeerscheinungen, wie z.b. den Verschleiß, und den Maßnahmen zu deren Optimierung, meistens Verringerung. Bei der Relativbewegung zwischen zwei Festkörpern entsteht stets Reibung. Als Beispiele seien Gleitlager, Reibung zwischen der Welle und der Lagerschale, Wälzlager, Reibung zwischen den Wälzkörpern und den Ringen sowie dem Käfig, sowie Zahnradpaarungen, Reibung zwischen den Zahnflanken von Ritzel und Rad, genannt. Aber auch die Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderlaufbahn oder zwischen Nocken und Stößel gehört dazu. Diese Elemente finden sich in allen Maschinen, wie Motoren, Getrieben, Kompressoren, Hydrauliken usw. Aber auch bei der Metallbearbeitung tritt zwischen Werkzeug und Werkstück Reibung auf. Neben konstruktiven und werkstofftechnischen Maßnahmen stellt die Anwendung von Schmierstoffen eine wichtige Maßnahme zur Optimierung des Reibungs- und Verschleißgeschehens dar. Der Schmierstoff trennt entweder die relativ zueinander bewegten Oberflächen durch einen unter Druck stehenden Film oder verändert diese Oberflächen durch chemische und physikalische Reaktionen zwischen dem Schmierstoff und den darin enthaltenen Additiven. 1

2 1 Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung Nach DIN ist die Tribologie wie folgt definiert: Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß einschließlich Schmierung, und schließt entsprechende Grenzflächenwechselwirkungen sowohl zwischen Festkörpern als auch zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten und Gasen ein. Bild 1.1: Tribologisches System nach Czichos Bild 1.1 zeigt schematisch ein solches tribologisches System mit den beiden relativ zueinander bewegten Festkörpern und einem Zwischenmedium (z.b. Schmierstoff), auf das Beanspruchungen wie Belastung, Geschwindigkeit, Temperatur usw. einwirken. 1.3 Definition von Reibung und Verschleiß Reibung Werden zwei Festköper relativ zueinander bewegt, ergibt sich ein Widerstand, der als Reibung bezeichnet wird. Bei dieser Bewegung kann es sich um Gleiten (Rutschen) oder Rollen handeln. Beispiele hierfür sind das Rollen eines Balles über das Spielfeld oder das Rutschen auf dem Eis. Beide Mechanismen treten auch zwischen den Autoreifen und der Straße auf. Während meistens eine niedrige Reibung gewünscht wird, um Reibungs- und damit Energieverluste zu minimieren, wird zwischen Reifen und Straße eine hohe Reibung gewünscht. Ist diese z.b. bei Glatteis niedrig, hat dies unerwünschte Folgen. 2

3 1.3 Definition von Reibung und Verschleiß Es gibt auch Systeme, bei denen gleichzeitig, aber an verschiedenen Stellen, eine hohe und eine niedrige Reibung gefordert wird. Ein Beispiel sind die Automatgetriebe, in denen zwischen den Zahnflanken und in den Lagern eine niedrige und zwischen den Reibbelägen eine hohe Reibung notwendig ist. Dieser scheinbare Widerspruch wird durch eine optimierte Abstimmung zwischen dem Schmierstoff und den beteiligten Werkstoffen verwirklicht. Oberflächen sind in der Regel nicht absolut glatt sondern rau. Wie Bild 1.2 schematisch zeigt, können sich die Rauheiten von zwei Oberflächen bei einer Relativbewegung gegeneinander verhaken. Damit ergibt sich ein Widerstand gegen die Bewegung, was als Reibung bezeichnet wird. Andere Mechanismen der Reibung sind Anziehungskräfte zwischen den Oberflächen oder die elastische Deformation der Rauheiten der weicheren Oberfläche durch die Rauheiten der härteren. Beide Mechanismen behindern die Bewegung, verursachen also Reibung. Am Beispiel der trockenen Gleitreibung sollen die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten erläutert werden, die erstmals von Leonardo da Vinci (ca. 1500) definiert wurden: a) Die Reibungskraft ist proportional zur Belastungskraft. b) Die Reibungskraft ist unabhängig von der (scheinbaren) Berührungsfläche. c) Die Reibungskraft ist unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit. Mechanische Wechselwirkungen a) Verhaken der Rauheiten b) Elastische Deformation der Rauheiten c) Plastische Deformation der Rauheiten Molekulare Wechselwirkungen d) Adhäsion zwischen Rauheiten Bild 1.2: Ursachen und Mechanismen der Reibung Die folgenden Bewegungsreibungsarten sind zu unterscheiden: a) Gleichförmige Bewegungsreibung 1. Gleitreibung 2. Rollreibung 3. Wälzreibung 4. Bohrreibung 3

4 1 Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung b) Ungleichförmige Bewegungsreibung c) Intermittierende Bewegungsreibung Verschleiß Jede Abnutzung, gewollt oder ungewollt, die zu einer Veränderung der Oberfläche führt, wird als Verschleiß definiert. Verschleiß durch Gleit-, Roll- und Wälzreibung wird als mechanischer Verschleiß bezeichnet. Strömungsverschleiß erfolgt hingegen durch feste Fremdkörper in einem strömenden Medium. Eine häufig verwendete Einteilung des Verschleiß es erfolgt nach der Erscheinungsform: Rissbildung Abtragung: Glättung, Einlauf Schälung: Abblättern flächiger Partikel Grübchen: örtliche Ausbrüche Kratzer, Riefen, Fresser Korrosion. Schematische Darstellung der vier Verschleiß-Grundmechanismen nach Kragelski a) Abrasion b) Elastische Deformation c) Plastische Deformation c) Adhäsion Bild 1.3: Ursachen und Mechanismen des Verschleißes Bild 1.3 zeigt schematisch die verschiedenen Mechanismen des Verschleißes. Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn die Rauheiten der härteren Oberfläche die Rauheiten der weicheren Oberfläche abradieren. Fressverschleiß entsteht, wenn die Rauheitsspitzen der beiden Oberflächen zunächst verschweißen und anschließend auseinander gerissen werden. Wichtige Verschleißformen sind somit die Abtragung und damit Glättung der Oberflächen (Einlaufen) in ihrer milden Form oder die zerfurchende Zerstörung der Oberflächen in ihrer 4

5 1.4 Topografie der Oberflächen und Einlaufen von Maschinenelementen starken Form. Auch Kratzer und Riefen gehören in diese Kategorie. Eine andere wichtige und stets unerwünschte Verschleißform ist der Fressverschleiß. Beide Verschleißform en können durch den Schmierstoff beeinflusst werden. Ob ein Verschleiß hoch also stets unzulässig ist, oder aber niedrig also manchmal zulässig, hängt zum einen von der Art des Tribosystems ab, und zum anderen von dessen Dimensionen. So wäre ein Verschleiß von 0,5 mm einer Türangel für eine Stalltür zulässig, weil er die Funktion der Türangel nicht, oder kaum beeinträchtigt. Der gleiche Verschleiß bei einer gleich großen Türangel eines Tresors würde zu einer Funktionsstörung der Tür führen, wäre also unzulässig groß. Die Messgrößen für den Verschleiß werden nach DIN wie folgt definiert: a) Direkte Messgrößen Verschleißbetrag Relativer Verschleißbetrag Verschleißwiderstand Relativer Verschleißwiderstand b) Bezogene Messgrößen Verschleißgeschwindigkeit Verschleiß-Weg-Verhältnis Verschleiß-Durchsatz-Verhältnis c) Indirekte Messgrößen Verschleißbedingte Gebrauchsdauer Gesamtgebrauchsdauer Verschleißbedingte Durchsatzmenge. Bild 1.4 zeigt schematisch die Definition des häufig verwendeten Verschleißmaßes Verschleiß-Gleitweg-Verhältnis, die sogenannte VGV-Zahl. 1.4 Topografie der Oberflächen und Bedeutung des Einlaufens von Maschinenelementen Wie bereits erwähnt wurde, sind Oberflächen nicht absolut glatt, sondern mehr oder weniger rau. Dies hängt vom Verfahren der Oberflächenbearbeitung ab. Wie das Bild 1.5 schematisch zeigt, übertragen die beiden Oberflächen nur auf Inseln die anliegende Belastung. Damit ist die spezifische Belastung viel höher, als wenn die gesamte Oberfläche tragen würde. Die Gefahr des unzulässigen Verschleißes oder des Fressens ist entsprechend höher. Man versteht unter dem Einlaufen das Abtragen der Rauheitsspitzen durch abrasiven Verschleiß, wodurch die tragenden Inseln vergrößert werden. Damit verringert sich die spezifische Belastung und die Gefahr des Fressens wird kleiner. Auch dieser Einlaufvorgang kann durch den Schmierstoff optimiert werden. 5