Tribometrie

TRIBOLOGIE

SCHMIERUNG, REIBUNG, VERSCHLEIß

Herausgegeben von Dr. Manfred Jungk

Die Tribologie ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, mit Schwerpunkten aus den Bereichen Maschinenbau, Chemie, Physik und Werkstoffwissenschaften. Entsprechend vielfältig sind die Forschungsthemen und Anwendungen.

Die Reihe Tribologie – Schmierung, Reibung, Verschleiß behandelt sowohl Grundlagen des Themengebietes für Anwender:innen, Wissenschaftler:innen und Studierende als auch moderne Trends wie Nachhaltigkeit, tribologische Aspekte der Industrie 4.0 und Herausforderungen durch die Elektromobilität.

Markus Grebe

Tribometrie

Anwendungsnahe tribologische Prüftechnik als Mittel zur erfolgreichen Produktentwicklung

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Die tribologische Prüftechnik ist und bleibt das wichtigste Hilfsmittel bei der Optimierung tribologischer Systeme. Modell- und Simulationsprüfungen sind in der tribologischen Forschung und Entwicklung unersetzlich. Sie sind notwendig, um unter Berücksichtigung von Kosten und Nutzen verbesserte tribologische Systeme zu entwickeln. Es ist daher wichtig, sich Gedanken zu den Möglichkeiten und Grenzen der einzelnen Prüfverfahren und deren Aussagefähigkeit zu machen. Hierzu sind aber sowohl Tribologie-Kenntnisse als auch ein guter Überblick über die möglichen Tests, ihrer Vor- und Nachteile sowie ihrer Anwendungsgebiete notwendig.

Leider müssen wir in letzter Zeit feststellen, dass der Gedanken des tribologischen Systems und der Systemanalyse im Umfeld der Tribometrie teilweise verloren geht. Tribologische Versuche werden ohne das nötige Knowhow von unerfahrenen Personen geplant, durchgeführt und ausgewertet. Unter Kosten- und Zeitdruck werden unsinnige Tests mit Alibi-Charakter durchgeführt. Ein Problem, das diesen Trend unterstützt, sind moderne teil- oder vollautomatische Tribometer, bei denen die Nutzer relativ blind den ausgegeben Werten vertrauen, ohne sich die Proben oder Messdaten detailliert anzuschauen und diese ggf. zu hinterfragen. Letztendlich schädigt das den Ruf der Tribometrie, da die Ergebnisse solcher Prüfungen in aller Regel nicht auf die Praxis übertragbar sind. Fehler in der tribologischen Erprobung im Prüffeld, können schnell kostspielige Folgen haben, wenn z. B. eine Produktentwicklung in der Vorserie abgebrochen werden muss oder sogar Rückrufaktionen notwendig werden.

Dieses Buch soll den interessierten Leser aufzeigen, welche Potentiale in der anwendungsnahen tribologischen Prüftechnik stecken. Um diese allerdings wirkungsvoll nutzen zu können, müssen neben den Vorteilen auch die Grenzen der Laborprüfung bekannt und bewusst sein, da es sonst vorkommen kann, dass man Schlussfolgerungen aus einer Prüfung zieht, die über die geprüfte Einzeleigenschaft hinausgehen. Häufig ist auch eine Vielzahl an Prüfungen auf verschiedenen Prüfgeräten notwendig, um unterschiedliche Eigenschaften unter unterschiedlichen Randbedingungen (Beanspruchungskollektive) zu testen, da tribologische Systeme in der Praxis extrem komplex sind und die Funktionalität nahezu nie von einer Einzeleigenschaft abhängt. Eine einzelne Modellprüfung hat somit noch keine Aussagekraft für das reale Bauteil. Auch hierfür sind ein hohes tribologisches Verständnis und breitgefächerte Wissen notwendig.

Dieses Buch soll dazu dienen, den Wert und den wissenschaftlichen Anspruch der modernen Tribometrie darzustellen. Basierend auf der tribologischen Systemanalyse und der darauf aufbauenden Prüfstrategie können durch den Einsatz sinnvoller Laborprüfungen, verschiedene Optimierungsansätze in einem sowohl zeit- als kostentechnisch akzeptablem Rahmen evaluiert werden. Es wird aufgezeigt, wie ein anwendungsnaher Tribometerversuch aufbauend auf der Systemanalyse entwickelt werden kann und was dabei zu beachten ist. Die wichtigsten Modell- und Labortribometer werden ebenso erläutert, wie die in den Prüffeldern eingesetzten Bauteilprüfstände.

Ein weiterer häufig unterschätzter Aspekt ist die wissenschaftliche Planung, Auswertung und Bewertung der durchgeführten Versuche. Hier werden sowohl die eingesetzten Messverfahren und Sensoren beschrieben wie auch Hinweise zur Statistik und Darstellung der Messdaten gegeben. Zusätzlich werden in diesem Buch auch wichtige Randaspekte wie Oberflächenkennwerte und Oberflächenanalytik beleuchtet sowie die Bedeutung die Computersimulation mit ihren Anwendungsgebieten und Grenzen erläutert.

Ein großer Dank geht an dieser Stelle an zahlreiche Kollegen in den Prüffeldern von Firmen und in Forschungsinstituten auf deren Ergebnisse, Bilder und Erkenntnisse ich im Rahmen dieses Buches zurückgreifen konnte. Insbesondere möchte ich hier meinen Co-Referenten beim jährlichen TAE-Tribometrieseminar danken:

Dr. Martin Jech – Austrian Competence Center for Tribology (AC2T)

Dr. Tarek Lutz - Naturwissenschaftliches Institut Reutlingen (NMI)

Dipl.-Ing. Wilhelm Rehbein – Lanxess AG

Dr. Jürgen Rigo – Kompetenzzentrum Tribologie Mannheim (KTM)

Dr. Christian Seyfert - Fuchs Schmierstoffe GmbH

Dipl.-Ing. Mario Witt - KS-Gleitlager GmbH

Obwohl in einem solchen Buch aufgrund des begrenzten Umfangs sicher nicht alle Aspekte eines jeden Themas hinreichend detailliert beschrieben werden können, so hoffe ich doch, dass es ein wichtiges Hilfsmittel und Nachschlagewerk für Personen wird, die sich für die moderne anwendungsnahe Tribometrie interessieren.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Tribometrie

1.2 Background: Das Kompetenzzentrum Tribologie Mannheim (KTM) an der Hochschule Mannheim

1.3 Bedeutung und Aufgaben der Tribologie

1.4 Die tribologische Beanspruchung

2 Erläuterung der Systemanalyse

2.1 Definitionen

2.2 Das Beanspruchungskollektiv

2.2.1 Elemente eines tribologischen Systems

2.2.2 Aufbau metallischer Oberflächen

2.2.3 Geometrische und wahre Kontaktfläche

2.2.4 Kontaktzustand

2.2.5 Schmierungszustand

2.2.6 Wechselwirkungen zwischen den Elementen

2.3 Verschleißmechanismen und deren Verschleißerscheinungsformen

2.4 Systemanalyse

3 Tribologische Prüftechnik

3.1 Messtechnik (Theorie)

3.2 Tribologische Messgrößen

3.2.1 Reibung

3.2.1.1 Reibungsmessgrößen

3.2.1.2 Reibungsmesstechnik

3.2.1.2.1 Kraft- und Drehmomentensensoren auf DMS-Basis

3.2.1.2.2 Piezosensoren

3.2.1.2.3 Oberflächen-Dehnungssensoren

3.2.2 Verschleiß

3.2.2.1 Verschleißmessung und Verschleißmessgrößen

3.2.2.2 Verschleißmesstechnik

3.2.3 Temperatur

3.2.3.1 Temperaturmesstechnik

3.2.3.1.1 PT100 / PT1000 (PTC-Sensoren) und NTC-Sensoren

3.2.3.1.2 Thermoelemente

3.2.3.1.3 Infrarot-Thermometer / Thermografie

3.2.3.1.4 Aufgedampfte Temperaturaufnehmer

3.2.3.1.5 Mehrpunkt-Messungen mit Faser-Bragg-Gitter-Sensor

3.2.3.1.6 Allgemein

3.2.4 Schwingungsmesstechnik

3.2.5 Sonstige Sensoren / Kombisensoren

3.3 Tribologische Prüfkategorien

3.3.1 Übersicht Modellprüfsysteme

3.3.1.1 Modellprüfsysteme für Abrasivverschleiß-Untersuchungen

3.4 Modellprüfgeräte / Labortribometer

3.4.1 Vierkugel-Apparat (VKA)

3.4.2 Schwing-Reib-Verschleiß-Prüfgerät (SRV)

3.4.3 Brugger- / Reichert-Prüfung

3.4.4 Bruker Universal Material Tester (UMT)

3.4.5 Timken-Prüfmaschine

3.4.6 Oszillierender Gleitreibungsprüfstand nach „Tannert“ / Tannert-Gleitindikator

3.4.7 Rotationstribometer

3.4.8 Mini-Traction-Machine (MTM)

3.4.9 Zwei-Scheiben-Prüfstände

3.4.10 Rollenprüfstände / Micro-Pitting-Rig (MPR)

4 Modell- und Simulationsprüfung

4.1 Modellprüfung (Kategorie VI)

4.1.1 Vorgehen bei der Modellprüfung

4.1.2 Modellprüfung in der Praxis

4.1.3 Aussagefähigkeit der Modellprüfung

4.2 Simulationsprüfung (beanspruchungsähnlicher Versuch mit Probekörpern, Kategorie V)

4.2.1 Vorgehen bei der Simulationsprüfung

4.3 Wie kann die Aussagekraft einer Laborprüfung verbessert werden?

4.3.1 Optimale Messtechnik

4.3.2 Festlegung der Prüfparameter

4.3.3 Berücksichtigung der Energiedissipation (Tribomutation)

4.3.3.1 Dynamische Einflüsse

4.3.3.2 Festlegung der geeigneten Prüfdauer

4.3.3.3 Statistische Absicherung der Ergebnisse

4.3.3.4 Unvermeidliche Toleranzen

4.3.3.5 Sonstige Einflussquellen

4.3.3.6 Abbruchkriterien

4.3.3.7 Dokumentation

4.3.3.8 Sonstiges

4.4 Auswertung und Interpretation tribologischer Messgrößen

4.5 Beispiele für anwendungsorientierte Bauteilprüfungen in Labortribometern

4.5.1 Kolben eines Klimakompressors im SRV

4.5.2 Kolbenring / Liner-Prüfung im SRV Prüfstand

4.5.3 Ventilschaftprüfung im SRV-Prüfstand

4.5.4 Frettingversuche an Stangenführungen

4.5.5 Prüfung von Kolbenstangendichtungen im SRV-Prüfstand

5 Bauteilprüfung

5.1 Wälzlagerprüfung

5.1.1 FE8 Prüfung (DIN 51819-2)

5.1.2 FE9-Prüfung (DIN 51821)

5.1.3 Komponentenerprobung

5.2 Zahnradprüfung / Getriebeölprüfung im FZG-Prüfstand

5.2.1 FZG-Fresstest (Laststeigerungslauf)

5.2.2 FZG-Langsamlauf-Verschleißtest

5.2.3 FZG-Pitting-Test und Graufleckigkeitstests

5.2.4 FZG-Wirkungsgrad-Test (Energieeffizienz-Test)

5.2.5 Übersicht Norm- und Standard-Prüfungen im FZG-Prüfstand

5.3 Hydrauliköl-Tests

5.3.1 Flügelzellenpumpentests Vickers V104C und Eaton 35VQ25

5.3.2 Denison-Pumpe

5.3.3 Bosch-Rexroth-Hydraulikfluid-Test

5.4 Gleitlager-Prüfung

5.4.1 Fresslasttest

5.4.2 Dauerlauf-Ermüdungstest

5.4.3 Partikelverträglichkeitstest / Test der Einbettfähigkeit

5.4.4 Dauerlauf-Verschleißtest / Start/Stopp-Test

5.4.5 Notlauftest

5.4.6 Sonstige nicht-motorische Gleitlagerprüfung

5.4.6.1 Versuche zur Ermittlung des maximalen pv-Wertes

5.4.6.2 Schwenklagerprüfung

5.4.6.3 Stoßdämpferlagerprüfung

5.5 Kupplungen, Bremsen, Synchronisierungen und Reibbeläge

6 Kunststoffprüfung

6.1 Besonderheiten bei Kunststoffen als Reibpartner

6.1.1 Randzone / Spritzhaut / Orientierung

6.1.2 Elastisch/plastisches Verhalten (Fließen)

6.1.3 Einfluss der Gegenkörperrauigkeit

6.1.4 Thermische Effekte

6.2 Reibungsuntersuchung / Kennlinienfelder

6.3 Verschleißuntersuchung

6.3.1 Versuchsdauer

6.4 Typische Modellprüfsysteme für die Kunststoffprüfung (DIN/ISO 7148)

6.4.1 Stift/Scheibe (Pin-on-Disc, PoD)

6.4.2 Ring/Platte oder Ring/Scheibe

6.4.3 Kugel/Prisma oder Ball-on-three-plates (BOTP)

6.4.4 Block auf Ring (Block-on-Ring, BoR)

6.4.5 Radialgleitlager

6.4.6 Linear-oszillierender Flächenkontakt

6.5 Stick-Slip-Untersuchungen

7 Design of Experiments (DOE) / Statistik

7.1 Grundprinzipien der Statistischen Versuchsplanung

7.2 Verschiedene Experimentier-Methoden

7.2.1 One-factor-at-a-time (OFAT)

7.2.2 DoE: Vollfaktorieller Versuch (auf mind. 2 Stufen)

7.2.3 DoE: Teilfaktorieller Versuch

7.2.3.1 Beispiel Basketball-Experiment

7.3 Statistik

7.3.1 Gauß-Verteilung

7.3.2 Definition von Ausreißern

7.4 Auswertung / Darstellungsarten

7.4.1 Boxplots

7.4.2 Haupteffektdiagramm (Main Effect Plot) und Wechselwirkungen

7.4.3 Kontur-Plot

7.4.4 Pareto-Diagramm

7.4.5 Histogramm

7.4.6 Weibull-Verteilung

7.4.7 Weitere Verteilungsfunktionen

7.5 Zusammenfassung DOE und Statistik

8 Oberflächenmesstechnik

8.1 Grundlagen und Begriffe

8.2 Messverfahren

8.2.1 Autofokussensor

8.2.2 Weißlicht-interferometrie (WLI)

8.2.3 Konfokalmikroskopie

8.2.4 Laserscanning-Mikroskop

8.3 2D-Oberflächenparameter

8.3.1 Amplitudenkennwerte

8.3.2 Traganteilskurve (Abbott-Firestone-Kurve)

8.4 3D-Oberflächenparameter

8.4.1 Vorteile der 3D-Messtechnik und Einteilung der Kennwerte

8.4.2 Amplitudenparameter

8.4.3 Hybridparameter / Mischparameter

8.4.4 Fazit 3D-Kennwerte in der ISO 25178

8.5 Filter und Fehlstellenkorrektur

8.6 Praxisbeispiel mikrostrukturierte Kunststoffgleitfläche

9 Oberflächenanalytik und chemische Analysen

9.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) und Focus-Ion-beam-Technologie (FIB)

9.2 Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR) und Ramanspektroskopie

9.3 Röntgen-Photonen-Spektroskopie (XPS)

9.4 Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) und Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS)

10 Computersimulation

11 Was zeichnet ein gutes Labor-Tribometer aus?

12 Zusammenfassung

13 Literaturhinweise und Quellenangaben

13.1 Veröffentlichungen und Bücher

13.2 Internet

13.3 Normen

14 Stichwortverzeichnis