Reibkorrosion an der Teleskopgabel eines Motorrades

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Susanne Schulz
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1 Reibkorrosion an der Teleskopgabel eines Motorrades 1. Vorgeschichte und technische Grundlagen Nach dem Sturz eines Motorrades vom Typ ETS 250 (Baujahr 1970) stellte sich heraus, dass die Gabel gebrochen war. Die Laufleistung betrug etwa km, die Betriebszeit 11 Jahre. Es handelte um eine Klassische Teleskopgabel, die wie folgt aufgebaut ist: Bei der klassischen Bauform nehmen die Gabelbrücken am Lenkkopf die inneren Gabelbeinrohre oder Standrohre auf. Diese gleiten in den unten liegenden Tauchrohren oder Gleitrohren, die Radachse und Bremse tragen. Eine Teleskopgabel besteht in der Regel aus zwei Gabelbeinen, die oben durch eine oder zwei Gabelbrücken verbunden sind. Zwischen diesen ist ein drittes, kurzes Rohr angebracht, der Gabelschaft. Er lagert die Gabelbrücken drehbar im Lenkkopflager. Das Gabelbein gleitet im Tauchrohr und ist mit einer inneren Schraubenfeder abgestützt. Zur Dämpfung der Bewegung ist meist zusätzlich ein Kolben im Tauchrohr angebracht, der bei der Bewegung des Gabelbeins das Gabelöl durch kleine Bohrungen presst und damit als Stoßdämpfer wirkt.... An Motorrädern kommen generell zwei Gabelbrücken zum Einsatz (zitiert nach [1]). Die Gabel wurde hart verchromt, fein geschliffen und poliert. 2. Untersuchungen Makroaufnahmen (lichtoptisch) Das gebrochene Gabelbein wird mit seinen beiden Bruchteilen von Bild 1 dargestellt; gebrochen ist das Standrohr. Der Bruch hatte sich dort eingestellt, wo die untere Gabelbrücke (Klemmkopf) ansetzte. Bild 1: Gabelbein mit gebrochenem Standrohr 1

2 Die Bruchstelle auf Seiten des oberen Rohrteils wurde näher betrachtet. Es finden sich drei Anrisse (A, B und C), welche Rastlinien ausgebildet haben. Der Anriss A nimmt ungefähr 60 % der Bruchfläche ein. Auf seiner linken Flanke vereinigte er sich mit dem Anriss C, dessen Flächenanteil etwa 25 % beträgt. Den beiden größeren Rissen lief der kleine Anriss B entgegen. Dieser Riss lag vertieft. Als die Bruchfronten sich fast überschnitten, erfolgte auf beiden Flanken der Restbruch R (Bild 2). Bild 2: Übersichtsaufnahme der Bruchfläche; drei Anrisse (A C), zwei Restbruchgebiete R als jeweiliger Höhensprung zwischen dem Riss B und den Rissen A und C Im Folgenden werden die Anrisse einzeln betrachtet. Der Anriss A besteht aus zwei Einzelrissen (Fronten 1 und 2), die eng benachbart sind. Die Risslinsen tragen eine dunkle Färbung. Nachdem sich die beiden Risse vereinigt hatten, beschleunigte sich das Risswachstum, und es werden zunehmend Rastlinien sichtbar (Bild 3). Bild 3: Riss A, bestehend aus den Einzelfronten 1 und 2 Bild 2) 2

3 Auch bei Riss B findet sich eine dunkle Startlinse (Bild 4). Bild 4: Riss B, kleine Startlinse, dann schneller Fortschritt Bild 2) Der Einlauf des Risses C ist stufig ausgebildet, das heißt, der Riss wurde von verschiedenen Punkten aus gestartet. Nachdem er den Querschnitt zu zwei Dritteln durchtrennt hatte, wurde Riss C von dem auf gleicher Höhe anlaufenden Riss A aufgenommen. Danach beschleunigte sich der Rissfortschritt zum Restbruch hin (Bild 5). Bild 5: Riss C (Ausschnitt aus Bild 2) 3

4 Die Enden der Bruchteile wurden zusammengelegt. Der Klemmkopf hat am Rohr eine Reibspur F hinterlassen. Knapp vor ihrem oberen Ende hat sich der Bruch eingestellt (Bild 6). Bild 6: Bereich von Riss A unter dem Ende der Reibzone F Bei höherer Vergrößerung wird sichtbar, dass sich zwischen den beiden Teilfronten von Riss A ein kleiner Höhensprung befindet (Bild 7). Bild 7: Bereich von Riss A mit den beiden Teilfronten 1 und 2 Bild 6) 4

5 Zwischen Riss C und Riss B ist dagegen ein großer Höhensprung zu sehen (Bild 8). Bild 8: Stoß der Risse B und C, Höhenausgleich durch Restbruchgebiet R Von den Bereichen des Restbruchs liegt der Riss A am meisten entfernt; ihn kann man als primär betrachten. Hier lag offenbar Vorderseite der Gabel, für die man eine Belastung hauptsächlich auf Zug annehmen kann (Gabel als Kragträger). Die Risse B und C wären demnach der Rückseite zuzuordnen, welche vorzugsweise auf Druck beansprucht wird. Genau genommen liegt eine unsymmetrische Wechselbelastung an. Mikroskopische Aufnahmen (REM) Es interessierte, inwieweit ein direkter Zusammenhang zwischen Reibstrukturen und Bruchauslösung besteht. Betrachtet wird zunächst Riss A als Bereich der ersten Schädigung. In der Übersichtsaufnahme tritt der Höhensprung zwischen den beiden Teilfronten deutlich hervor; dass gilt auch für die Rastlinien (Bild 9). Bild 9: Riss A; Höhensprung zwischen den beiden Teilfronten 1 und 2, Rastlinien deutlich, (vgl. Bild 3) 5

6 Die Chromschicht ist auf einer Breite von 150 µm eingedrückt worden und zerbrach dabei (Bild 10). Bild 10: lokaler Einlauf von Rissfront 2, Kante der Chromschicht auf einer Breite von 150 µm eingedrückt Bild 9, Stelle K) Die Oberfläche der Chromplatten wurde zerrieben. Das gilt auch einen Bereich von gleicher Breite, der sich unmittelbar an diese Zerrüttungszone anschließt (Bild 11). Insgesamt ist also die Schadenszone etwa 300 µm breit. Bild 11: Chromschicht zerbrochen, unterhalb davon Verformung Bild 10) 6

7 Ein weiterer Risseinlauf ist in Bild 12 zu sehen. Der Riss ist wiederum dort gestartet, wo die Chromschicht zerrüttet wurde. Diese Zone ist etwa 500 µm breit. Bei relativ hoher Vergrößerung wird deutlich, wie stark die Oberfläche der Chromplatten verrieben ist (Bild 13). Bild 12: Zerrüttungszone in der Breite von 500 µm als RissStarter Bild 13: Oberfläche der Chromschicht zerrieben Bild 12) 7

8 Eine weitere Untersuchung erfolgte am Riss C. In den Übersichtsaufnahmen werden deutliche Absätze (Stufen) an der Einlaufkante sichtbar (Bild 14 und Bild 15). Bild 14: Riss C; Absätze im Einlaufbereich Bild 15: stufiger Einlaufbereich Bild 14) 8

9 Bei höheren Vergrößerungen wird klar, dass die Hartchromschicht flächenhaft ausgebrochen ist (Bild 16 und Bild 17). Bild 16: Ausbruch in der Chromschicht, etwa 100 µm breit (Überstrahlung durch eingedrücktes Schmutzteilchen) Bild 17: Bruchfläche der Chromschicht Bild 16) 9

10 Unterhalb des Ausbruches ist die Chromoberfläche wellig ausgebildet. Dabei werden ansatzweise Korngrenzen sichtbar (Bild 18 und Bild 19). Bild 18: wellige Strukturen unter der Bruchkante Bild 16, oben) Bild 19: wellige Oberfläche, herstellungsbedingte Schleifspuren eingeebnet Bild 18) 10

11 Am Ende von ausgedehnten Reibstellen finden sich Abzehrungen, also eine Art flacher Lochfraß (Bild 20). Bild 20: Abzehrung am Ende einer Reibstelle Das aufgeworfene Material wurde teilweise oxidiert (Bild 21). Bild 21: Abzehrungsbereich; Oxide eingearbeitet Bild 20 ) 11

12 3. Diskussion Festzustellen ist: Die Gabel brach durch Ermüdung, ausgehend von drei Einzelrissen. An der Klemmstelle hatten sich Reibstrukturen ausgebildet. Die Reibstrukturen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsspuren eingeebnet werden und sich Mikrorisse ausbilden. Abhängig vom Spannungszustand (Druckspannungen) wird die Oberfläche stärker plastifiziert und auch oxidiert. Die Chromschicht ist zerrüttet worden. In Überlagerung mit Oxidation bildeten sich lochartige Abzehrungen. Es findet sich damit das Bild der Reibkorrosion. Diese ergibt sich im vorliegenden Fall daraus, dass Rohr und Gabelbrücke unterschiedlich steif sind und die jeweiligen Kontaktflächen sich somit ständig gegeneinander bewegen. In Mikrobereichen kommt es in diesem Fall zu einem wiederholten Verschweißen und Lösen und damit zur Oxidation. Die Amplitude darf allerdings nicht größer sein als 0,2 µm; anderenfalls werden die Oxidationsprodukte abtransportiert [2]. Hartchromschichten vermindern den Abtrag bei Abrasion, beispielsweise durch Sand. Gegenüber zyklischer Mikroreibung geht der Vorteil der hohen Härte verloren. Literatur [1] [2] Bartel, A. A.: Reibkorrosion. VDI-Berichte 243: Methodik der Schadensuntersuchung. Düsseldorf: VDI-Verlag 1975, S Martin Möser, 17. Juli 2012 Weitere Fälle von Reibkorrosion finden sich in dieser Homepage unter Abstumpfung von KompassPinnenspitzen durch Reibkorrosion und Reibkorrosion an Scharnieraugen von Wasch-Schleuder-Automaten sowie Bruch einer modularen Hüftprothese im Versuchsstand (Reibkorrosion). 12

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