Festkörperreibung: Reibungszahlen verschiedener Werkstoffe

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1 Festkörperrebung: Rebungszahlen verschedener Werkstoffe Autor(en): Objekttyp: Massen, Alus Artcle Zetschrft: Schezer Ingeneur und Archtekt Band (Jahr): 111 (1993) Heft 3 PDF erstellt am: Persstenter Lnk: Nutzungsbedngungen De ETH-Bblothek st Anbetern der dgtalserten Zetschrften. Se bestzt kene Urheberrechte an den Inhalten der Zetschrften. De Rechte legen n der Regel be den Herausgebern. De auf der Plattform e-perodca veröffentlchten Dokumente stehen für ncht-kommerzelle Zecke n Lehre und Forschung soe für de prvate Nutzung fre zur Verfügung. Enzelne Dateen oder Ausdrucke aus desem Angebot können zusammen mt desen Nutzungsbedngungen und den korrekten Herkunftsbezechnungen etergegeben erden. Das Veröffentlchen von Bldern n Prnt- und Onlne-Publkatonen st nur mt vorherger Genehmgung der Rechtenhaber erlaubt. De systematsche Specherung von Telen des elektronschen Angebots auf anderen Servern bedarf ebenfalls des schrftlchen Enverständnsses der Rechtenhaber. Haftungsausschluss Alle Angaben erfolgen ohne Geähr für Vollständgket oder Rchtgket. Es rd kene Haftung übernommen für Schäden durch de Verendung von Informatonen aus desem Onlne-Angebot oder durch das Fehlen von Informatonen. Des glt auch für Inhalte Drtter, de über deses Angebot zugänglch snd. En Denst der ETH-Bblothek ETH Zürch, Rämstrasse 101, 8092 Zürch, Schez,.lbrary.ethz.ch

2 Stahlbau/Bauphysk Sc/v Inoeneur und Archtekt Nr. 3, 14. Januar 1993 und Lcht und guter Luft snd de Vor aussetzungen für ene dauernde Mot vaton aller Mtarbeter. Langfrstg lohnt es sch, mehr zu nvesteren für ene freundlche Farbgestaltung n der Fabrk, für genug Tageslcht und für ene moderne Ventlaton kombnert mt Hezung, Flter und Wärmerückge nnung. Es st Aufgabe des Managements, s- cherzustellen, dass dese rtschaftl chen Anlagen kreert und realsert und dass dese fortlaufend eter entckelt erden. De Mtarbeter sollen so har monsch mt desen Systemen achsen. Es braucht Kreatvtät, Fantase, Cou rage, Wssen und Ausdauer. De Aus- und Weterbldung De Inbetrebnahme deser komplexen Systeme erfordert vel Zet und bedngt ene systematsche Instrukton der Mt arbeter. Zuerst muss gesorgt erden, dass jede Maschne für sch allene en andfre funktonert, und enn dese stabl st, kann se n das ganze Produk tonssystem ntegrert erden. Parallel müssen Konstruktonsrchtln en erarbetet und nstruert erden, um de Produkte mt den Maschnen und Enrchtungen abzustmmen. Dese neue Phlosophe muss durch ene gezelte Ausbldung auf allen Herar chestufen durchgesetzt erden. MMMMM Der Erfolg ener Unternehmung mt Produktonsstandort Schez hängt ab von 5 Elementen mt Anfangsbuchsta ben M, de n desem Artkel umschre ben snd: 5 x M für Marketng, Mtarbeter, Ma nagement, Maschnen und Money. De 5 x M, strategsch und Operatonen gut geführt, snd de Stärken und Chancen enes Produktonsstandortes n der Schez. Voraussetzung st überall Pro fessonaltät. Des st auch der enzge Weg für jede schezersche Stahlbauunterneh mung, de langfrstg auf dem Schezermarkt überleben ll. Adresse des Verfassers: Franços Frochaux, dp. Ing. ETH. Präsdent der Schezer schen Zentralstelle für Stahlbau, Drektor Gelneer AG, 8180 Bülach. Festkörperrebung Rebungszahlen verschedener Werkstoffe Im folgenden rd über Gletrebungsversuche an unkonventonellen «Gletlagern» berchtet, de an der EMPA durchgeführt urden. Für en mal geht es somt ncht um de klassschen Brücken-Gletlager, sondern um de Rebungsverhältnsse von verschedenen Werkstoffen, de n der Praxs häufg ene Rolle spelen, über de man jedoch eher eng Be sched ess. Im allgemenen versteht man unter Re bung den Wderstand, der be ener re latven Beegung zeer sch berühren- VON ALUIS MAISSEN, DÜBENDORF der Körper auftrtt. Wenn z.b. ze ebene Flächen fester Körper aufenandergleten, trtt Gletrebung auf. De n der Berührungsebene auftretende Re bungskraft st der Normalkraft propor tonal, mt der de beden Körper ge genenander gedrückt erden. Es glt also das Coulombsche Rebungsgesetz W u. N. Demnach st der Rebungs derstand W nur von der Normalkraft N und von der emprsch ermttelten Rebungszahl u abhängg [1]. Im Ge gensatz zur Rollrebung [2] untersche det man be der gletenden Rebung z schen der Haftrebungszahl (auch Ru herebung oder statsche Rebung ge nannt) und der Glelrebungszahl (auch Beegungsrebung oder dynamsche Rebung genannt). Im allgemenen st de Haftrebung grösser als de be En trtt des Gletens auftretende Gletre bung. Des glt vor allem für de klass schen Gletlager [3] [4], be denen de Gletschchten sch auch über längere Zet vertragen und praktsch kenen Verschless aufesen. Anders verhält es sch hngegen be verschedenen Werkstoffen, de bem Aufenander gleten bald Verschlesser-schenungen zegen und dadurch den Gletrebungs ert schnell anachsen lassen. De Rebungszahlen, auch Rebungsko effzenten oder Rebungserte ge nannt, snd m allgemenen von folgen den Parametern abhängg: - Werkstoff - Oberflächenbeschaffenhet (Rauhg ket) - Zustand der Oberfläche, trocken oder geschmert - Gletgeschndgket - Flächenpressung Neben dem Werkstoff selber st es vor allem de Oberflächcnbeschafl'enhet, elche de Gletrebung massgebend beenflusst. So st der Rebungsder stand relatv klen be glatten, gross hn gegen be rauhen Flächen. Je nachdem, ob en Schmermttel z schen den gletenden Telen rkt oder ncht, sprcht man von trockener oder flüssger (geschmerter) Rebung. Be trockener Rebung berühren sch ze relatv zuenander beegte Tele un mttelbar. Dabe entsteht en starker Verschless. Be flüssger Rebung snd dagegen de enzelnen Glettele (n der Regel Metalle) durch enen Schmer flm vonenander getrennt, so dass sch de Rebung m Schmermttel vollzeht. Zschen desen ze Extremfällen gbt es noch de halbflüssg Rebung oder de Mschrebung, be der der Schmerflm ncht vollständg ausgebldet st [1]. Be den vorlegenden Versuchen [5] gng es ausschlesslch um trockene Re bung. Es sollten also ncht de Rcbungsverhällnsse be Gletschch ten von Brückenlagern oder Masch nentelen untersucht erden. Hauptzel ar velmehr de Ermttlung von Re bungszahlen verschedener Werkstoffe, de n praktschen Fällen von Bedeu tungsen können. Auf dese praxsnahe Zelsetzung aren auch de Versuche selber ausgerchtet, und so urden Werkstoffpaarungen untersucht, de so ohl von der aktven e von der pass ven Rebung her nteressant snd. Sol len bespelsese vorfabrzerte Betonplatten über Stahlträger engeschoben erden, so muss dabe de Rebung überunden erden. Handelt es sch dagegen um Bauerke, de voregend durch Rebungskräfte zusammengehal- 25

3 Bauphysk/Bauschäden Schezer Ingeneur und Archtekt Nr. 3, 14. Januar 1993 Hydraulscher Zylnder "Elektronsche Steuerung -Oeldruckversorgung : m Edelstahlrollenlager Stohlplqtte F ± n *e Y /V77777Ï ÏP X Ï A Probekorper Verbndungskupplung oben : Rechteckplatte 245x200mm ca. 1mm Spel unten: Rundschebe Servohydrdulscher Zylnder mt Kraftmessdose Bld 1. Versuchsanordnung zur Bestmmung der Festkörper rebung, Bezechnungen: - Z: Rebungsderstand n Zugrchtung, - D: Rebungsderstand n Druckrchtung, - F; Hydraulsche Kraft, - G: Egenlast der Versuchsenrchtung, - F: Normalkraft F F' + G Bld 2. Versuchsenrchtung; Lnks: Elektronsche Steueren het, - Mtte: Prüfmaschne mt Probekörpern und vertkaler Belastung, - Rechts: Servozylnder mt Zug-Druck-Kraftmess dose zur Regstrerung des Rebungsderstandes ten erden, e bespelsese Park häuser aus vorfabrzerten Elementen, so snd möglchst hohe Rebungserte erünscht und dese dürfen unter ke nen Umständen unterschrtten erden. Untersuchte Werkstoffe De untersuchten Werkstoffe und deren Kombnaton n den Rebungsver suchen snd n Tabelle I zusammenge stellt. De geählte Probengrösse ar den aufzubrngenden Vertkalkräften bz. den spezfschen Flächenpressun gen angepasst. De Gletpartner be standen jeels aus ener Rechteckplat te 245 mm x 200 mm und ener Rund schebe von 150 mm Durchmesser. Versuchsenrchtung Bld 1 zegt ene schematsche Darstel lung der Versuchsanordnung und Bld 2 ene Abbldung der gesamten Ver suchsenrchtung mt Servozylnder und elektronscher Steueranlage. De Glet elemente kommen dabe zschen de Tabelle 1. Untersuchte Werkstoffe. De geählte Probengrösse ar den aufzu brngenden Vertkalkräften bz. den spezfsche Flächenpressungen angepasst. De Gletpartner bestanden jeels aus ener Rechteckplatte 245 mm x 200 mm und ener Rundschebe von 150 mm Durchmesser Gletpartner Stahl gegen Stahl Alumnum gegen Alumnum Kupfer gegen Kupfer Bronze gegen Bronze Messng gegen Messng Grauguss gegen Grauguss Ble gegen Ble Beton gegen Beton Holz gegen Holz Stahl gegen Alumnum Stahl gegen Kupfer Stahl gegen Bronze Stahl gegen Messng Stahl gegen Grauguss Stahl gegen Ble Stahl gegen Beton Stahl gegen Holz Beton gegen Ble Beton gegen Holz Bezechnung Grunderkstoffe: Metalle, Beton und Holz Werkstoffkombnatonen untere Druckplatte und de sch hor zontal beegende Zschenplatte zu legen. In der oberen Ebene, de aus Symmetregründen ebenfalls beeglch sen muss, urden de Gletschchten durch en Edelstahlrollenpaar ersetzt, dessen Vckershärte HV ca. 500 beträgt. Dadurch konnte ene bessere Stabl serung der Zschenplatte errecht erden, de be symmetrscher Anord nung der Probekörper ncht ohne e teres gegeben äre. Der Rollder stand der Edelstahlalzen st m Ver glech zum Gletderstand vernachläs sgbar klen. Durch de mt der Kolbenstange des Servozylnders verbundene Z schenplatte rd de obere Gletschcht hn und her beegt. De glechzetg r kende lotrechte Belastung F rd eben falls mt enem hydraulschen Zylnder aufgebracht. De Hn- und Her beegungen der Zschenplatte erfol gen mt konstanter Geschndgket und be genau defnertem Gleteg. De zur Überndung des Rebungs derstandes erforderlchen Zug- und Druckkräfte erden vom erähnten Servozylnder erzeugt, der mt dem Druckölversorgungstel und der elek tronschen Steuerung verbunden st. De Geschndgket der Zschenplalte blebt dadurch über den ganzen Gleteg konstant. Der Glet derstand kann durch ene systeme gene Kraftmessdose regstrert und über enen Flachbettschreber aufge zechnet erden. Zschen Servozyln der und Zschenplatte st en Kupp lungsgled mt ca. 1 mm Spel angeord net. Deses ermöglcht jederzet ene saubere Trennung zschen Zug- und Druckkraft. Vor Beegungsbegnn urden de en gebauten Proben jeels ährend meh- 26

4 Rebungsderstand Rebungsderstand Rebungsderstand Bauphysk/Bauschäden Schezer Ingeneur und Archtekt Nr. 3, 14. Januar 1993 rerer Mnuten der vertkalen Auflast unterorfen. Danach erfolgte de erste Gletbeegung von der Mttelstellung aus n Zugrchtung, obe de Gletge schndgket auf dem ganzen Weg kon stant bleb und n der Regel 0.1 mm/s n beden Rchtungen betrug. Versuchsbedngungen Flächenpressung der Gletschchten: 1 bs 10 N/mm2, je nach Werkstoff Gleteg je Doppelhub: s 80 mm Anzahl Doppelhübe: n l Gletgeschndgket: v 0.1 mm/s Vorbelastungszet: t, mehrere Mnuten Temperaturbedngungen: T ca. 19 C En Doppelhub setzt sch e folgt zu sammen: S, 20 mm von der Symmetreachse aus n Zugrchtung St 40 mm zurück n Druckrchtung S3 20 mm vorärts n Zugrchtung bs zur Symmetreachse Nach dem ersten Doppelhub urden gelegentlch noch etere Re bungsversuche gefahren, z.t. auch mt grösseren Gletgeschndgketen (v 1.0 mm/s). De egentlche Ausertung der Rebungszahlen erfolgte jedoch nur für den ersten Doppelhub. Der Grund dafür legt darn, dass es sch her ncht um egentlche Gletlager handelt, deren Gletpartner sch über ete Strecken vertragen. Her urde vel mehr das Rebungsverhalten von Werk stoffen getestet, de überhaupt ncht als Gletlager verendet erden oder dann höchstens als provsorsche Lager. De geprüften Werkstoffe grefen en ander velfach berets nach engen Be egungen an, se vertragen sch also ncht e rchtge Gletelemente (An fressen be Metallen, Abnützung be Beton us.). De ermttelten Rebungs zahlen bezehen sch demnach nur auf de Verhältnsse des ersten Doppelhubs mt nsgesamt 80 mm Gleteg und ener Geschndgket von 0.1 mm/s. Um praxsnahe Verhältnsse zu schaf fen, urden Flächenpressungen ge ählt, de unter Gebrauchslasten auf treten. Versuchsresultate Rebungscharakterstk In desem Abschntt erden enge re präsentatve Rebungscharakterstken von verschedenen Werkstoffen und Werkstoffkombnatonen näher be schreben. Es handelt sch dabe um ene Ausahl, de stellvertretend für alle an deren Gletpartner stehen soll. Bld 3 zegt de Gletrebungs-Dagram me der Gletpaarungen Stahl gegen Beton, Holz gegen Holz und Kupfer gegen Kupfer. In deser Darstellung snd de Rebungsderstände n Funk ton des Gleteges aufgetragen, und zar für den ersten Hub n Zugrchtung. Demnach zegt de Rebungscharakte rstk jenen typschen Verlauf, e man hn be klassschen Gletlagern geohnt st, nämlch enen stelen Kraftansteg bs zur Überndung der Haftkräfte. Danach begnnt der ene der Gletpart ner sch zu beegen, obe der Re bungsderstand mt zunehmendem Gleteg rasch abnmmt, um langsam n ene Horzontale überzugehen, d.h. enen konstanten Wert anzunehmen [6] [7]. De Haftrebung st her also e sentlch grösser als de Gletrebung. Be der nachfolgenden Beegung n Druckrchtung (n Bld 3 ncht mehr dargestellt) ar deser Untersched dann bedeutend klener. Der Enfluss der Erstbeegung und der Vorbela stungszet vor Beegungsbegnn mach te sch her offenbar bemerkbar. Be den Gletpartnern Holz gegen Holz trat zudem ene gesse Bandbrete n der Gletrebung auf, as sch m Versuch durch ene unruhge Gletbeegung zegte. Eher unkonventonell m Verglech zur klassschen Rebungstheore st dage gen der Rebungsverlauf für de Glet partner, de n Bld 4 dargestellt snd. De ersten beden Dagramme (Beton gegen Beton und Stahl gegen Stahl) ze gen praktsch kenen Untersched z schen Haft- und Gletrebung. Be der Gletpaarung Stahl gegen Stahl machte sch zudem der berets für Holz/Holz festgestellte unruhge Verlauf n der Gletbeegung bemerkbar, so dass auch her von ener Bandbrete der Gletrebung gesprochen erden muss. Be den Gletschchten Stahl gegen Alu mnum nmmt der Rebungsderstand dagegen berets von Anfang an zu, und zar n enem beträchtlchen Ausmass. Des bedeutet, dass dese ze Partner sch überhaupt ncht vertragen und dass der Stahl de Alumnumoberfläche rasch zerstört. Das Rebungsdagramm von Stahl gegen Messng lässt zar enen gerngen Untersched zschen Haft- und Gletrebung erkennen, das Übernden der Haftkräfte vollzeht sch ndessen ncht plötzlch, sondern eher allmählch. Rebungszahlen Aus den horzontalen Rebungskräften und der vertkalen Auflaeerkraft ur- Bld 3. Klasssche Gletrebungs-Dagramme von dre verschedenen Gletpaarungen, nämlch Stahl gegen Beton, Holz gegen Holz und Kupfer gegen Kupfer. In deser Darstellung snd de Rebungsderstände n Funkton des Gleteges aufgetra gen, und zar für den ersten Hub n Zugrchtung. Demnach zegt de Rebungscharakterstk jenen typschen Verlauf, e man hn be klassschen Gletlagern aus PTFE und austentschem Stahlblech geohnt st, nämlch enen stelen Kraftansteg bs zur Überndung der Haftkräfte. Danach begnnt der ene der Gletpartner sch zu beegen, obe der Rebungs derstand mt zunehmendem Gleteg rasch abnmmt, um langsam n ene Horzontale überzugehen, d.h. enen konstanten Wert anzunehmen. De Haftrebung st her also esentlch grösser als de Gletrebung. Stahl gegen Beton Kupfer gegen Kupfer Holz gegen Holz VN. f Gleteg s Gleteg s Gleteg s 27

5 Bauphysk/Bauschäden Schezer Ingeneur und Archtekt Nr. 3, 14. Januar 1993 Nr. Glelpartner A und B Bearbelung A 1 PTFE - Gletlager* Brückenlagerqualtät, geschmert 2 Slahl - Bronze geschmert 3 Stahl - Stahl geschmert 4 Stahl - Bronze 5 Kupfer - Kupfer 6 Bronze - Bronze 7 Stahl - Stahl, geprüft II zur Schlefrchtung Stahl - Stahl, geprüft Izur Schlefrchtung 8 Grauguss - Grauguss 9 Messng - Messng 10 Stahl - Hotz (Buche) 11 Holz - Holz (Föhre), geprüft II zur Holz-Holz (Buche), geprüft X zur Holz - Holz (Buche), geprüft II zur Holz - Holz (Buche), geprüft II zur B Brückenlagerqualtät, geschmert Raulmerte R, A B (\un) hjm) Fläclenpressung (N/mm2) Rebungszahlen^ (%) Holz - Holz (Buche), geprüft Xzur IIa Holz - Holz (Fchte), mt Pa raffn geschmert 12 Alumnum -Alumnum (Antcorodal) 13 Stahl - Messng 14 Stahl - Beton , mt Pa raffn geschmert Stahl - Alumnum (Antcorodal) Stahl-Beton (Walzblech) unbearbetet unbearbetet unbearbetet 17 Stahl - Kupfer Slahl - Grauguss Stahl-Stahl sandgestrahlt sandgestrahlt Beton - Holz (Föhre) 21 Beton - Beton, nass 22 Stahl-Ble, nass Ble-Ble * PTFE Beton - Ble gegen Gletblech aus austentschem Slahl (CrNMc Stahl) Tabelle 2. Zusammenstellung der ermttelten Rebungszahlen. Dese urden durch Angabe der spezellen Versuchsbedngungen e Bearbetung und Rauhgketserl der Probenoberfächen soe der jeels rkenden Flachenpressung ergänzt. Be den Rebungszahlen urde beusst auf de Unterschedung von Hall- und Gletrebung verzchtet, el dese Werte n velen Fällen gar ncht so ausgeprägt e be den klassschen Gletlagern auftraten. Sat dessen urde mmer der M nmal- und der Maxmalert der Gletrebung ährend des ersten Doppelhubes angegeben. De Versuche mt PTFE-Gletlagern denten zur Kontrolle der Prüfanlage 28

6 Rebungsderstand Rebungsderstand Beton Rebungsderstand Rebungsderstand Bauphysk/Bauschäden Schezer Ingeneur und Archtekt Nr. 3, 14. Januar 1993 gegen Beton 11 Stahl gegen Alumnum Gleteg Stahl ^ (_ Gleteg s s gegen Stahl l 1 Gleteg Stahl gegen Messng f~~~ \ s Gleteg s Bld 4. Unkonventonelle Gletrebungs-Dagramme von ver verschedenen Glet paarungen. Dese Rebungscharakterstken entsprechen ncht der klassschen Re bungstheore, traten jedoch be zahlrechen Werkstoffkombnatonen auf. De er sten beden Dagramme (Beton gegen Beton und Stahl gegen Stahl) zegen prak tsch kenen Untersched zschen Haft- und Gletrebung. Be der Gletpaarung Stahl gegen Stahl machte sch zudem der berets für Holz/Holz festgestellte un ruhge Verlauf n der Gletbeegung bemerkbar, so dass auch her von ener Band brete der Gletrebung gesprochen erden muss. Be den Gletschchten Stahl gegen Alumnum nmmt der Rebungsderstand dagegen berets von Anfang an zu, und zar n enem beträchtlchen Ausmass. Des bedeutet, dass dese ze Partnersch überhaupt ncht vertragen und dass der Stahl de Alumnumoberfläche rasch zerstört. Das Rebungsdagramm von Stahl gegen Messng lässt zar enen gerngen Untersched zschen Haft- und Gletrebung erkennen, das Übern den der Haftkräfte vollzeht sch ndessen ncht plötzlch, sondern eher allmählch den de Rebungszahlen u ermttelt. Mt den Bezechnungen von Bld 1 ergeben sch dese zu: Statsche Rebungszahl ua (Haftre bung) ha=?a.oo=5a- oo [%] F F Dynamsche Rebungszahl u (Gletre bung) -Z mn - nn [%] 100: 100 Tabelle 2 enthält ene Zusammenstel lung der ermttelten Rebungszahlen. Dese urden durch Angabe der spez ellen Versuchsbedngungen e Bear betung und Rauhgketsert der Probenoberflächen soe der jeels rkenden Flächenpressung ergänzt. Be den Rebungszahlen urde beusst auf de Unterschedung von Haft- und Gletrebung verzchtet, el dese Werte n velen Fällen gar ncht so aus geprägt e be den klassschen Glet lagern auftraten. Statt dessen urde mmer der Mnmal- und der Maxmal ert der Gletrebung ährend des er sten Doppelhubes angegeben. Zum Schluss se noch darauf hngeesen, dass de Versuche mt PTFE-Gletla gern zur Kontrolle der Prüfanläge den ten. Adresse des Verfassers: Alus Massen, dp. Baungeneur ETH, Edg. Materalprüfungs und Forschungsanstalt (EMPA), Überland strasse Dübendorf. Lteratur [1] Othmar Cornu: «Trbologe - ene ver nachlässgte Wssenschaft». Forschung und Technk, Neue Zürcher Zetung, [2] Volker Hakenjos: «Untersuchungen über de Rollrehung be Stahl m ela stsch-plastschen Zustand». Dsserta ton, Technsche Hochschule Stuttgart [3] Helmut Eggert: «Vorlesungen über Lager m Bauesen». Verlag von Wl helm Ernst & Sohn. Berln, München, 1980 [4] Eggert/Grote/Kauschke: «Lager m Bauesen». Band I, Verlag Wlhelm Ernst & Sohn, Berln, München. Düs seldorf [5] EMPA-Untersuchungsbercht Nr. f0'983, 1983 [6] Alus Massen: «Versuche mt Brücken lagern». Schezersche Bauzetung. Vol. 96. Heft 13, 1978 [7] Alus Massen: «Rebungsversuche an Kalotten-Gletlagern». Schezer In geneur und Archtekt, Vol. 100, Nr. 40/