Versuch E05: Reibungsuntersuchungen am Kugel-Scheibe-Tribometer

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1 MUT HAW Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Maschinenbau und Produktion Labor für Maschinenelemente und Tribologie S 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 Messdaten vorbereitet werden sollen. Die Abgabe der gesamten Unterlagen soll spätestens 14 Tage nach der Versuchsdurchführung erfolgen. Versuch E05: Reibungsuntersuchungen am Kugel-Scheibe-Tribometer 1 Einleitung Versuchsaufbau Tribologischer Kontakt Aufbau des Kugel-Scheibe-Tribometers Versuchsdurchführung Einmessen der Messkette Bestimmung von Reibungskräften Aufgaben und Auswertungen Literaturhinweise...6 Anhang 1: Messdatenblatt 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-Scheibe, Stift-Scheibe oder wie im vorliegenden Versuch vom Kontaktmodell Zylinder-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 Im Folgenden wird der Messaufbau beschrieben, mit dessen Hilfe der tribologische Kontakt in diesem Versuch realisiert wird Tribologischer Kontakt Schematisch kann der punktförmige Kontakt Kugel-Ebene wie in Abbildung 1 dargestellt werden: F N Probenenkörper (Kugel) Schmierstoff (Schmierfett) Gegenkörper (Scheibe) Abb. 1: Tribologischer Kontakt [1] 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: F R = f x F N [N] mit f: Reibungszahl [-] (2) 2

3 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. Als Probenkörper werden in unserem Labor vorwiegend Wälzlagerkugeln aus 100Cr6 mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet. Die Gegenkörper bestehen vorwiegend aus St37, C45 und Ms Aufbau des Kugel-Scheibe-Tribometers Das Kugel-Scheibe-Tribometer besteht u. a. aus den in den Abbildungen 2 und 3 dargestellten Komponenten. Im Vergleich zu anderen tribometrischen Prüfständen kann hier mit mittleren Gleitgeschwindigkeiten und kleinen bis mittleren Hertzschen Pressungen gearbeitet werden Abb. 2: Kugel-Scheibe-Tribometer 1 Schwenkarm für Gegenkörper (Normalkraftteller) 2 Biegebalken zur Momentmessung 3 Teller mit Grundkörper (Probenscheibe) und Kugelaufnahme 4 Schlitten zur Spureinstellung 5 Drehzahlmessgerät 6 Normalkraftteller mit Kugelhalterung 7 Zusatzgewicht 8 Frequenzwandler 3

4 Abb. 3: Kugel-Scheibe-Tribometer 9 Arretierung des Schlittens 10 Umlenkrolle für Justierung 11 Justiergewicht zum Einmessen bzw. Federwaage 3 Versuchsdurchführung Um die vom Messverstärker erfassten Spannungen in Reibungskräfte umrechnen zu können, muss die Messkette zunächst eingemessen werden. Dazu wird der Biegebalken mit Dehnungsmessstreifen (DMS) mit definierten Momenten (z. B. Gewichten über eine Umlenkrolle oder Federwaage) belastet und die am Messverstärker gezeigte Spannung einem jeweiligen Moment zugeordnet. Das Einmessen ist mit kleinen Gewichts- oder Federkräften (< 5 N) durchzuführen, so dass sich die Ergebnisse für die Spannung innerhalb des maximalen Bereiches am Messverstärker von ±10 V ergeben. Dabei ist darauf zu achten, dass die Wirkrichtung der Kraft waagerecht durch den sichtbaren Auflagerpunkt des Schwenkarms hindurch gerichtet ist, damit die Gewichtskräfte direkt in Bezug zu den Reibungskräften gesetzt werden können: F GF = m x g = k SR x U M (3) mit F GF : Gewichts- oder Federkraft [N]; m: Masse der Lastkörper [kg]; g: Fallbeschleunigung = 9,81 m/s 2 ; k SR : Sensorkonstante [N/V] für rotierende Bewegung; U M : angezeigte Spannung am Messverstärker [V]. 4

5 Anschließend können Messungen zur Bestimmung der Reibungskraft in Abhängigkeit von verschiedenen Schmierstoffen oder Gleitgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Die Gleitgeschwindigkeit kann nach den folgenden Gleichungen berechnet werden: Kreisfrequenz: ω = 2 x Π x n [1/s] (4) mit n: Drehzahl [1/s] Bahngeschwindigkeit: v 1 = ω x r [m/s] (5) mit r: Radius der Kreisbahn [m] 3. 1 Einmessen der Messkette 01 - Führen Sie einen Nullabgleich für den unbelasteten Biegestab mit DMS am PICAS-Messverstärker über die Taste BALANCE durch indem Sie den Nullabgleich mit ENTER bestätigen 02 - Belasten Sie den Biegestab mithilfe einer Federwaage mit unterschiedlichen Zugkräften (max. 5 N) und ermitteln Sie die zugehörigen Spannungen Tragen Sie die Messergebnisse in ein Messdatenprotokoll (Anhang 1) ein, erstellen Sie eine Grafik der Funktion (Geradengleichung) und ermitteln Sie die Sensorkonstante Beschaffen Sie sich eine Information über die Raumtemperatur Bestimmung von Reibungskräften 01 Lassen Sie sich eine Probenscheibe geben und notieren Sie alle allgemeinen Versuchsergebnisse im Anhang Tragen Sie einen bereit gestellten Schmierstoff in der voraussichtlichen Kugellaufbahn in einer dünnen und linienförmigen Schicht auf Schalten Sie (noch ohne Reibungskontakt) den Motor ein (Taster 1 am Frequenzwandler (8), Abb. 3) und stellen Sie die eine kleine Drehzahl über den Frequenzwandler ein (n Anzeigewert x 20 min -1 ), die Sie mit dem Drehzahlmessgerät prüfen können. Schalten Sie den Motor anschließend wieder aus (Taster 0) Schwenken Sie den Normalkraftarm ein und belasten Sie den Normalkraftteller mit einem Zusatzgewicht (nicht mehr als 1 kg). Die Masse des Normalkrafttellers mit Kugelaufnahme beträgt 0,21 kg. 05 Starten Sie die Software Signasoft 6000 und öffnen Sie die Parameterdatei KST 0909.sgs. Die Messdaten für die Reibungskraft bzw. spannung am Biegebalken finden Sie in der Zeile KST. Die Software dient nur der Kontrolle der Messwerte. 06 Nehmen Sie mithilfe einer Stoppuhr alle 30s einen Spannungswert vom Messverstärker in das Messprotokoll auf. Nach einer Versuchsdauer von 2 Min. beenden Sie die Aufzeichnung. 07 Messen Sie die Drehzahl mit einem Tachometer Wiederholen Sie den Versuch für weitere frei gewählte Gleitgeschwindigkeiten. 5

6 4 Aufgaben und Auswertungen a) Berechnen Sie die Normalkraft und Gleitgeschwindigkeiten, bei denen Sie gemessen haben. b) Errechnen Sie den Mittelwert der Spannung für jede Messreihe und bestimmen Sie aus den Mittelwerten und der in Kap bestimmten Biegekonstante die mittlere Biegekraft (F B, analog zu Gl. 3), die auf den Biegebalken gewirkt hat. Diese entspricht der Reibungskraft. c) Berechnen Sie die mittleren Reibungszahlen (Gl. 2) für jede Messreihe. d) Stellen Sie die Reibungszahl in Abhängigkeit der Gleitgeschwindigkeit grafisch dar. e) Beschreiben Sie die gefundene Tendenz bzw. wenn vorhanden - ungewöhnliche Abweichungen davon f) Nennen Sie die Ihrer Meinung nach auffälligsten Fehlerquellen des Messaufbaus. 5 Literaturhinweise [1] R. Junghans Arbeitsblätter zur Tribologie, TU Chemnitz

7 Anhang 1: Messdatenblatt Messdatenblatt zum Zylinder-Tribometer (E06) a) Einmessen Federkraft F F [N] Messspannung U M [V] Biegekonstante k B [N/V] = F G / U M Mittelwert für k B [N/V] Konstante Daten Spurdurchmesser [m] Normalkraft F N [N] = m x g b) Reibungskräfte Messreihe-Nr Anzeigewert am Motorregler Messwert n [1/min.] v [m/s] = Π x d x n F N [N] = m x g U M1 [V] (30 s) U M2 [V] (60 s) U M3 [V] (90 s) U M [V] (120 s) U Mm [V] (Mittel) F R [N] (Mittel) = k B x U Mm f [N/N] (Mittel) = F R / F N Weitere Beobachtungen 7