HAW Hamburg. Einführungspraktikum. Versuch E04: Bestimmung von Reibungszahlen. Labor für Maschinenelemente und Tribologie

Transkript

1 MUT HAW Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Maschinenbau und Produktion Labor für Maschinenelemente und Tribologie W 11 Dipl.-Ing. Snezhana Kolarova Dipl.-Ing. Niels Eiben Dipl.-Ing. Thomas Rieling Einführungspraktikum Datum/Semestergruppe 1. Teilnehmende(r) 2. Teilnehmende(r) 3. Teilnehmende(r) geprüft: Vorbemerkung Die Versuche des Einführungslabors sind gemäß der jeweils im Skript vorhandenen Beschreibung durchzuführen. Das Skript stellt einen Teil des Versuchsprotokolls dar und soll so als Beispiel für die Anfertigung einer Ausarbeitung dienen. Von den Studierenden sind im Anschluss an die Laborveranstaltung jeweils ein Messprotokoll und eine gegliederte Auswertung (Kapitel 7. xx) anzufertigen, die während der Laborveranstaltung mithilfe der Anhänge 1 und 2 vorbereitet werden sollen. Die Abgabe der gesamten Unterlagen soll spätestens 14 Tage nach der Versuchsdurchführung erfolgen. Versuch E04: Bestimmung von Reibungszahlen 1 Einleitung Grundlagen der Reibung [1] Versuchsaufbau [1] Haft- und Gleitreibung, Anfahrvorgang Einfluss der Normalkraft, Coulomb'sches Reibungsgesetz Versuchsdurchführung Aufgaben und Diskussion der Ergebnisse Quellenhinweis...6 Anhang 1a - Messdatenblatt...6 Anhang 2a - Graphische Darstellung die Aluminium-Reibplatte...7 Anhang 1b - Messdatenblatt...8 Anhang 2b - Graphische Darstellung für die Glas-Reibplatte Auswertungs- und Antwortteil der Studierenden 1

2 1 Einleitung Die 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 oder Gasen ein. [DIN 50323, Teil 1] Reibung ist der Umwandlung kinetischer Energie während einer Relativbewegung zwischen sich berührenden Stoffen in Wärme- und Deformationsenergie. Dieser Prozess wird durch physikalische und chemische Wechselwirkungen zwischen den Stoffoberflächen bestimmt - z.b. zwischen zwei metallischen Oberflächen oder zwischen einer Metall- und einer Schmierstoffoberfläche - und ist oft unerwünscht (Beispiel: Reifenabrieb) aber häufig auch erwünscht (Beispiel: Bremse). Reibung beruht auf der Beschaffenheit der Kontaktflächen von Körpern. Bei rauen Flächen benötigt man große Kräfte, um die Körper relativ zueinander zu bewegen. Bei glatten Flächen genügen geringere Kräfte. Im mikroskopischen Sinn sind beide Körper ineinander verhakt oder halten sich gegenseitig fest. Eine senkrechte Kraft hat eine entsprechende maximale waagerechte Reibungs-Kraft, die die Masse in seiner Position festhält ( Haftreibung ), zur Folge. Ist die Verschiebebewegung einmal in Gang gekommen, dann ist der Flächenkontakt der Körper nicht mehr so intensiv. Die notwendige Verschiebekraft wird kleiner als zu Anfang. Man spricht von Gleitreibung. Das Verhältnis von Normalkraft zur Reibkraft ist der Reibkoeffizient [1]. 2 Grundlagen der Reibung [1] Reibung tritt bei allen festen Körpern auf, die in gegenseitigem Kontakt stehen und gegeneinander verschoben werden. Dabei wird unterschieden zwischen Haftreibung und Gleitreibung: Haftreibung liegt dann vor, wenn auf beide Körper zwar verschiebende Kräfte wirken, aber noch keine Relativbewegung der Körper zueinander eingesetzt hat. Man spricht deshalb auch von der Haftreibungskraft, die überwunden werden muss, wenn man einen Körper bewegen möchte. Gleitreibung herrscht dann, wenn ein Körper sich an einem anderen entlang bewegt, also tatsächlich an ihm reibt. Ihr Betrag ist umso größer, je rauer die beiden aufeinander gleitenden Flächen beschaffen sind und je stärker man diese Flächen gegeneinander drückt (Bild 1). Generell gilt: Haftreibung > Gleitreibung Bild 1: Oberflächenkontakt Wenn zwei Körper an ihrer Berührungsfläche aneinander vorbei gleiten, wirkt in der Berührungsfläche außer der Normalkraft [F N ] (Kraft senkrecht zur Berührungsfläche) eine Widerstandskraft, die der Bewegungsrichtung entgegen wirkt. Diese Widerstandskraft wird Reibungskraft [F R ] genannt. Sie entsteht in den Unebenheiten der rauen Oberflächen der Gleitpartner, die so die Relativbewegung der Körper erschweren. Zusätzlich spielen auch Adhäsionskräfte eine Rolle. Deshalb entstehen selbst bei sehr glatten Oberflächen Reibkräfte. Daraus folgt, dass die Reibung abhängig sein muss von: der Normalkraft [ FN ] der Materialpaarung der Oberflächenbeschaffenheit der Gleitpartner Weiteren Einfluss haben möglicherweise: - die Größe der Kontaktfläche (Hertz-Pressung) - Gleitgeschwindigkeit (besonders mit Schmierstoffen) Bild 2: Kräfte am bewegten Körper 2

3 Im Bild 2 (S. 2) ist ein Körper freigeschnitten mit allen auf ihn wirkenden Kräften dargestellt. Kontaktkräfte zwischen zwei Körpern werden mit den entgegen gerichteten, dem Betrag nach gleich großen Reaktionskräften dargestellt. Befindet sich der Körper im Gleichgewicht, treten keine massenabhängigen Trägheitskräfte auf. 3 Versuchsaufbau [1] Bild 3: Reibungsmessgerät TM 210 Das Gerät umfasst folgende Elemente : Kraftmesser N, Teilung 0,05 N, mit Maximumzeiger und verstellbarem Zifferblatt Luftdämpfungszylinder Synchronmotor mit Getriebe 10 U/min Seiltrommel Ø15 mm Seiltrommel Ø7,5 mm Reibkörper Messing / Filz, FG = 1 N Reibkörper Aluminium rau / glatt, FG = 1 N Reibplatte Aluminium Reibplatte Glas Reibplatte PVC / Filz mehrere Gewichtskörper, jeweils FG = 0,5 N Bild 4: Reibungsmessgerät TM 210, Draufsicht, Einzelteile 3

4 Das Reibungsmessgerät besteht aus einem stabilen Metallrahmen mit zwei aufgesetzten Führungsstangen (1) für den Schlitten (2). Als Antrieb ist in den Rahmen ein Synchronmotor eingebaut. Dieser dreht im Experiment eine Seiltrommel (9). Der Schlitten wird bewegt, indem über die Seiltrommel sein Zugseil aufgewickelt wird. Zur Verfügung stehen zwei Seiltrommeln mit verschiedenen Durchmessern, so dass zwei verschiedene Gleitgeschwindigkeiten möglich sind. Das Rückstellen des Schlittens erfolgt von Hand. Dazu wird das Zugseil wieder von der Seiltrommel abgewickelt. In den Schlitten können verschiedene Reibplatten (3) aus Aluminium, Glas oder Kunststoff eingesetzt werden. Eine der Platten ist auf einer ihrer Seiten zusätzlich mit einer Filzoberfläche versehen. Die Reibkörper (4) bestehen aus Aluminium oder Messing. Der Messingkörper ist auf einer Seite mit einer Filzoberfläche versehen. Das Eigengewicht beträgt 1N. Zusätzlich sind 8 Belastungsgewichte (5) zu je 0.5 N vorhanden. Die Reibkörper sind durch ein Halteseil am Kraftmesser (6) befestigt. Der Kraftmesser hat einen Messbereich von 2N bei einer Auflösung von 0.05N. Zur Unterdrückung von Schwingungen und Ungleichmäßigkeiten ist zusätzlich am Kraftmesser ein Dämpfungszylinder (7) angebracht Haft- und Gleitreibung, Anfahrvorgang Der zeitliche Verlauf der Reibungskraft ist im nebenstehenden Bild 3 schematisch dargestellt. Er ist bei allen Reibungsfällen mit unterschiedlichen Materialpaarungen ähnlich. Da der Übergang vom Haften zum Gleiten sprunghaft erfolgt, kann man auf diese Weise experimentell kaum eine Unterscheidung zwischen Haft- und Gleitreibungskraft treffen. Bild 5: Reibungskraft-Zeit-Diagramm 3. 2 Einfluss der Normalkraft, Coulomb'sches Reibungsgesetz Das Coulomb'sche Reibungsgesetz besagt, dass eine auf einen Körper wirkende Reibungskraft F R linear abhängt von der auf diesen Körper wirkenden Normalkraft F N. f f 4

5 4 Versuchsdurchführung Das Gerät zunächst auf ebenem Untergrund aufstellen und mit dem elektrischen Netz verbinden. Reibplatte in den Schlitten einsetzen. Zugseil ganz von der Seiltrommel abwickeln und den Schlitten in die Anfangsposition schieben. Reibkörper auf die Reibplatte aufsetzen und das zum Kraftmesser führende Seil einhängen. Motor einschalten. Wenn sich die Kraftanzeige beruhigt hat und ein konstanter Wert angezeigt wird, die Reibungskraft ablesen. Bei schwankender Anzeige, einen Mittelwert bilden. Belastungsgewicht auflegen und Versuch wiederholen. Die Normalkraft stufenweise durch Auflegen von zusätzlichen Belastungsgewichten von 1N auf 5 N erhöhen. Bild 6: Versuchsablauf Wiederholen Sie den Versuch mit unterschiedlichen Reibpaarungen ( siehe Anhang 1a, 1b, S. 6 und 8 ). Tragen Sie die so ermittelten Kräfte in die Tabelle ein und berechnen Sie den Reibkoeffizienten. 5

6 5 Aufgaben und Diskussion der Ergebnisse a) Stellen Sie die Messergebnisse in einem Reibkraft-Normalkraft-Diagramm dar (Anhang 2a und 2b, S. 7 und 9). b) Vergleichen Sie die ermittelten Reibwerte mit solchen, die Sie in der Literatur oder im Internet für ähnliche Reibkontakte finden und geben Sie Ihre Quelle an. c) Worauf können Abweichungen Ihrer Meinung nach zurückgeführt werden? d) Welche Reibpaarung ist die günstigste und welche ist die ungünstigste und worauf führen Sie die Unterschiede zurück? (Bitte beantworten Sie dir Fragen a) c) auf zusätzlichen Blättern.) 6 Quellenhinweis [1] Versuchsanleitung TM 210 der Fa. G.U.N.T., Barsbüttel bei Hamburg, 2007 Anhang 1a - Messdatenblatt Reibplatte: Aluminium Reibkörper: Aluminium glatt F G = 1N 5N Reibplatte: Aluminium Reibkörper: Aluminium rau F G = 1N 5N Reibplatte: Aluminium Reibkörper: Messing F G = 1N 5N Reibplatte: Aluminium Reibkörper: Filz F G = 1N 5N 6

7 Anhang 2a - Graphische Darstellung die Aluminium-Reibplatte --- Reibkraft FN [ N ] Normalkraft FN [ N ] Wählen Sie eine sinnvolle Einteilung für die Kräfte und tragen Sie die Messwerte in verschiedenen Farben auf. 7

8 Anhang 1b - Messdatenblatt Reibplatte: Glas Reibkörper: Aluminium glatt F G = 1N 5N Reibplatte: Glas Reibkörper: Aluminium rau F G = 1N 5N Reibplatte: Glas Reibkörper: Messing F G = 1N 5N Reibplatte: Glas Reibkörper: Filz F G = F G = 1N 5N 8

9 Anhang 2b - Graphische Darstellung für die Glas-Reibplatte --- Reibkraft FN [ N ] Normalkraft FN [ N ] Wählen Sie eine sinnvolle Einteilung für die Kräfte und tragen Sie die Messwerte in verschiedenen Farben auf. 9