HAW Hamburg. Einführungs-Laborpraktikum. Versuch E12: Reibungsuntersuchungen am Tannert-Tribometer

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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 Einführungs-Laborpraktikum 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 6. 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 E12: Reibungsuntersuchungen am Tannert-Tribometer Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Versuchsaufbau und Theorie Beschreibung des tribologischen Kontaktes Aufbau des Tannert-Tribometers Versuchsdurchführung Einmessen der Messkette Bestimmung von Reibungskräften Theoretischer Reibkraftverlauf Aufgaben und weitere Auswertungen Literaturverzeichnis...6 Anhang 1: Messdatenblatt...7 Anhang 2: Notizen zur Auswertung 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] Einfache Prüfgeräte zur Untersuchung tribologischer Eigenschaften sind Tribometer, die von einem einfachen Kontaktmodell wie z. B. Kugel-Ebene oder Stift-Ebene ausgehen. Vorteile der einfachen Kontaktmodelle sind zum einen der geringe Aufwand beim Bau des Prüfstandes und bei der Durchführung der Messungen und zum anderen, dass Rückschlüsse auf allgemeine Vorgänge im tribologischen Kontakt gezogen werden können, die wiederum Hinweise auf günstige und ungünstige Entwicklungen von Schmierstoffen und Bauteilen geben können. Dennoch müssen neu entwickelte konkrete Maschinenelemente am Ende immer Bauteilprüfungen unterzogen werden, da die zusammen wirkenden Einflüsse durch Bauart und Schmierstoff (noch) zu komplizierte Folgen haben, um diese allein aus Modellversuchen oder Berechungen vorherzusagen. Im Labor für Maschinenelemente und Tribologie wird in einem Forschungsprojekt von Herr Prof. Kuhn daher versucht, mit Hilfe der Ergebnisse verschiedener Prüfstände und Messinstrumente eine energetische Beschreibung der Vorgänge im Schmierstoff bzw. insbesondere in Schmierfetten zu entwickeln. 2 Versuchsaufbau und Theorie Ein einfaches Prüfgerät zur Untersuchung tribologischer Eigenschaften ist das Tannert-Tribometer (Abb.1), das aus einem Tannert-Gleitindikator, einem Standardprüfstand der Schmierfetthersteller, umgebaut wurde Beschreibung des tribologischen Kontaktes Schematisch kann der punktförmige Kugel-Scheibe-Kontaktbereich wie in Abbildung 4 dargestellt werden: F N F R Probenenkörper (Kugel) Schmierstoff (Schmierfett) Gegenkörper (Ebene) Abbildung 1: Tribologischer Kontakt Zu beachten ist, dass auch an Punkten der plastischen und elastischen Verformung der Schmierstoff zwischen Probe und Gegenkörper vorhanden ist zumindest in Form einer sehr dünnen Schicht. Der Gegenkörper wird mit der Normalkraft F N = m x g mit m: Masse [kg]; g: Fallbeschleunigung = 9,81 [m/s 2 ]; (1) auf die ebene Probenfläche gedrückt. Durch die gleichzeitige Relativbewegung der Kugel gegenüber der Probenplatteentsteht eine Reibungskraft gemäß Reibungsgesetz nach Coulomb: 2

3 F R = f x F N [N] mit f: Reibungszahl [-] (2) Die Reibungskraft wirkt auf den Kraftsensor, mit der Bewegung wechselnd wie eine Zug- oder Druckkraft und kann gemessen werden, da sich der Sensor verformt und mit ihm kleine Dehnungsmessstreifen, deren Widerstände zu einer Messbrücke geschaltet sind, was zu verformungsabhängigen Ausgangsspannungen an der Messbrücke führt Aufbau des Tannert-Tribometers Das Tribometer besteht u. a. aus den in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Komponenten. Im Vergleich zu anderen tribometrischen Prüfständen kann hier mit kleinen Gleitgeschwindigkeiten und großen Hertzschen Pressungen gearbeitet werden Abbildung 2: Tannert-Tribometer 1 Kraftaufnehmer (Zug / Druck) 4 Probenplatte (austauschbar) 2 Normalkraftteller mit Kugelaufnahme 5 Antriebsnabe, exzentrisch auf Antriebswelle 3 Führungsarm und Kupplung zum Kraftsensor 6 Motorschalter 3

4 Über unterschiedliche Gewichte kann die Normalkraft variiert werden, die auf den Kugel-Ebene-Kontakt (Abb. 2) wirkt und dort eine Pressung erzeugt, die nach Gleichungen von Hertz ( ) berechnet werden kann und Auskunft darüber gibt, wie stark der Gegenkörper belastet wird Abbildung 3: Kugel-Scheibe-Kontakt 3 Führungsarm und Kupplung zum Kraftsensor 4 Probenplatte (austauschbar) 7 Stift (lose) zur Verbindung mit dem Kraftsensor 8 Normalkraftteller mit Kugelaufnahme Über Riemenscheiben mit unterschiedlichen Durchmessern, auf der Geräterückseite, kann die Gleitgeschwindigkeit geringfügig geändert werden. Außerdem sorgt ein induktiver Wegaufnehmer für die Aufzeichnung des zurückgelegten Weges. Die Messgrößen in Form sehr kleiner Spannungen werden über einen Messverstärker (HBM MGCplus AB12) und eine Messkarte zur Analog- / Digital-Wandlung an den PC übermittelt. 4

5 3 Versuchsdurchführung Um die vom Messverstärker erfassten Spannungen in Reibungskräfte umrechnen zu können, muss die Messkette zunächst eingemessen werden. Dazu wird der Kraftaufnehmer mit definierten Kräften (z. B. Gewichten über eine Umlenkrolle) belastet, und die am Messvertsärker gezeigte Spannung einer jeweiligen Kraft zugeordnet. F GF = m x g = k S x U M (3) mit F GF : Gewichts- oder Federkraft [N]; m: Masse der Lastkörper [kg]; g: Fallbeschleunigung = 9,81 m/s 2 ; k S :Sensorkonstante [N/V]; U M : angezeigte Spannung am Messverstärker [V] 3. 1 Einmessen der Messkette 01 - Nutzen Sie zur Aufnahme der Messbedingungen den Anhang 1 (S.7) Führen Sie einen Nullabgleich für den unbelasteten Kraftsensor am MGCplus- Messverstärker durch, indem Sie den Drehschalter auf >0< stellen, S1 drücken und mit ENTER bestätigen. Anschließend in Messposition (INDICATION) zurückschalten Belasten Sie den Kraftaufnehmer mit unterschiedlichen Zugkräften (maximal 2kg Gewichtskraft über eine Rolle oder direkt über eine Federwaage) und ermitteln Sie die zugehörigen Spannungen Tragen Sie die Messergebnisse in ein Messdatenprotokoll ein und erstellen Sie eine Grafik der Funktion (Geradengleichung) und ermitteln Sie die Sensorkonstante (Geradensteigung einer Geraden durch den Nullpunkt) Beschaffen Sie sich eine Information über die Raumtemperatur und die relative Luftfeuchte und übernehmen Sie Daten in das Messprotokoll Bestimmung von Reibungskräften 01- Legen Sie eine Probenplatte ein und tragen Sie einen der bereit gestellten Schmierstoffe in einer dünnen, linienförmigen Schicht im zu erwartenden Kontaktbereich auf Senken Sie den Normalkraftteller ab und belasten Sie den Kontakt mit Gewichten (ihrer Wahl; nicht mehr als 3 kg). Die Masse des Normalkrafttellers mit Kugelaufnahme beträgt 1,12 kg. 03 Wenn Sie die Software TracerDAQ starten, wählen Sie im DATA SOURCE SETUP die Konfiguration Kon4P-W Schalten Sie den Motor ein und betätigen Sie direkt danach den Startbutton der TracerDAQ-Software. Die Voreinstellungen sind so gewählt, dass ein Versuch 18 Minuten dauert. 05 Legen Sie die Speicheroptionen nach Beendigung der Messung für eine Textdatei (.txt) und ein Abbild der Grafik (.bmp) fest (FILE / SAVE FILE OPTIONS) und speichern Sie diese (FILE / SAVE FILE) z. B. auf dem Desktop. (Bitte versuchen Sie hier nicht, automatisch eine Exceldatei zu erstellen.) 06 - Reinigen Sie die Probenplatte und die Kugel und wiederholen Sie den Versuch mit einem zweiten zur Verfügung gestellten Schmierstoff Fügen Sie die Daten in ein Excelblatt ein. Speichern Sie die Dateien auf dem Desktop bzw. auf einem eigenen USB-Speicher. Die weitere Bearbeitung der Daten kann im Anschluss an die Versuche erfolgen. 08 Beachten Sie bei der Nachbearbeitung der Daten folgende Punkte: die Zeitwerte sollen in eine Zeitskala (x-achse: s) und die Spannungsdaten sollen in Reibungskraft und daraus in Reibungswerte (F R /F N ) umgerechnet werden. Werten Sie nur die Daten in Zugrichtung (U > 0V) aus. 5

6 3. 3 Theoretischer Reibkraftverlauf Der Weg-Zeit-Verlauf stellt sich als eine Sinuskurve dar. Die Reibkraft steigt erst an und nimmt im Bereich der Gleitreibung wieder ab. Die Geschwindigkeit ist am größten, wenn die Weg Kurve die X-Achse schneidet. An den Extrempunkten ist die Geschwindigkeit gleich Null. Reibkraft/ Weg Stellung Exzenter in Grad Weg Kraft Abbildung 4: theoretischer Kraft-/ Wegverlauf Dabei ist jedoch zu beachten, dass Hin- und Rückweg, bzw. die Zug- / Druck-Belastung am Sensor nicht unbedingt zu identischen Messergebnissen führen müssen, da sie physikalisches nicht identisch sind. Es ist also evtl. sinnvoll, nur gleiche Weg- und Kraftrichtungen zu vergleichen. 4 Aufgaben und weitere Auswertungen a) Bestimmen Sie aus den erhaltenen Daten die Reibungszahlen (z. B. als Mittelwert eines bestimmten Messabschnitts) für Hin- und Rückweg und halten Sie dies im Messdatenprotokoll fest. b) Bewerten Sie die Messergebnisse bzw. die gefundenen Unterschiede zwischen den Proben und erläutern Sie die Gründe, die Ihrer Meinung nach zu den Unterschieden führen. c) Nach Starten der Bewegung bzw.nach der Umkehr der Bewegung steigt die Reibungszahl zunächst auf einen Spitzenwert wie erklären Sie sich das Phänomen?. d) Wie beeinflusst die Temperatur Ihrer Meinung nach die Messergebnisse? 5 Literaturverzeichnis [1] D. Kosenkow / B. Sotanto Studienarbeit zur Optimierung des Tannert-Tribometers HAW Hamburg,

7 Anhang 1: Messdatenblatt Messdatenprotokoll zum Tannert-Tribometer (E12) Einmessen F G [N] U M [V] k S [N/V] Mittelwert k S [N/V] a) Reibungszahlen Messreihe-Nr Schmierfett f hin [-] (Mittelwert) f rück [-] (Mittelwert) Temperatur [ C] Bemerkungen b) Notizen zur Interpretation der Ergebnisse 7

8 Anhang 2: Notizen zur Auswertung Auswertungsblatt zum Tannert-Tribometer (E12) c) mögliche Begründungen für Spitzenwerte d) Einflüsse der Temperatur 8