Tribometrie

2 Erläuterung der Systemanalyse

Basis aller tribologischen Begutachtungen ist die Methodik der Systemanalyse zur Beschreibung von Reibungs- und Verschleißvorgängen, die von CZICHOS Anfang der 1970er Jahre eingeführt wurde [CZIC1974]. Sie erlaubt die Erfassung und Ordnung aller wichtigen Größen in der Tribologie. Der erste Schritt besteht darin, die Bauteile einer Maschine oder Anlage, deren tribologisches Verhalten untersucht werden soll, räumlich von den anderen Bauteilen abzugrenzen („Freischneiden“). Dazu legt man in geeigneter Weise eine sogenannte Systemeinhüllende um die tribologisch beanspruchten Bauteile und um die anderen daran beteiligten stofflichen Partner (Abbildung 4). Die Bauteile und die stofflichen Partner bezeichnet man als die Elemente des Tribosystems. Bei einem Gleitlager bestehen sie z.B. aus der Welle, der Lagerschale, dem Schmierstoff und der Umgebungsatmosphäre. Die Elemente machen zusammen mit ihren Eigenschaften und Wechselwirkungen, zu denen wesentlich die Verschleißmechanismen gehören, die Struktur des Tribosystems aus, wobei man als Tribosysteme alle technischen Systeme bezeichnet, in denen Reibungs- und Verschleißprozesse ablaufen.

Abbildung 3: Bausteine der Systemanalyse

Abbildung 4: Funktion des Tribosystems nach CZICHOS/HABIG [CZIC2015]

2.1 Definitionen

In der Wissenschaft ist es wichtig, exakte Begriffsdefinitionen zu haben. Ursprünglich waren die wichtigsten Begriffe in der Tribologie in zahlreichen DIN-Normen zusammengestellt (DIN 50281, DIN 50320, DIN 50322, DIN 50323, DIN 50324). Diese wurden allerdings allesamt zurückgezogen, da das Firmeninteresse an der Mitarbeit in solchen Grundlagenarbeitskreisen gesunken ist. Die Definitionen sind aber weiterhin gültig und wichtig, weswegen sie in dem Arbeitsblatt 7 „Tribologie“ der deutschen Gesellschaft für Tribologie (GfT) zusammengefasst wurden [GFT7]. Aufgrund seiner Bedeutung kann dieses Arbeitsblatt kostenlos auf den Seiten der GfT heruntergeladen werden.

Kostenloser Download des Arbeitsblattes Nr. 7

unter https://www.gft-ev.de/arbeitsblaetter.htm

2.2 Das Beanspruchungskollektiv

Die wichtigsten Größen des Beanspruchungskollektivs sind:

• Bewegungsform

• Bewegungsablauf

• Belastung FN

• Geschwindigkeit v

• Temperatur T

• Zeit tB oder Weg s

Jede dieser Einzelbegriffe kann weiter unterteilt werden. So kann die Bewegungsform in

• Gleiten,

• Wälzen,

• Rollen,

• Stoßen oder Prallen,

• Strahlen und

• Strömen

unterteilt werden. Der Bewegungsablauf kann hierbei

• kontinuierlich,

• intermittierend (unterbrochen),

• repetierend (in einer Richtung wiederholend) oder

• oszillierend (hin und her)

sein.

Bei allen Größen ist der zeitliche Verlauf entscheidend. So hat ein zyklisches Be- und Entlasten eine vollkommen andere Wirkung auf das Tribosystem als eine konstante Kraft.

Auch bei der Temperatur ist beispielsweise ein stetiger Temperaturwechsel deutlich kritischer einzustufen als eine konstante Temperatur, da es dabei zu Kondensationseffekten und damit zum Wassereintrag kommen kann. Bei dem Faktor Zeit sind auch Stillstandszeiten zu berücksichtigen, weil es bei diesen zu einem Anstieg der Haftreibung, zum Wegfließen von Schmierstoff oder zu Korrosionseffekten kommen kann. Bereits kurze Stillstandszeiten helfen einem Tribosystem aber auch, sich thermisch zu erholen.

2.2.1 Elemente eines tribologischen Systems

Innerhalb der Struktur von Tribosystemen können vier Elemente unterschieden werden:

• Grundkörper

• Gegenkörper

• Zwischenstoff

• Umgebungsmedium

Abbildung 5: Elemente des Tribosystems

Jedes dieser Elemente kann durch verschiedene Eigenschaften beschrieben werden. Beim Grund- und Gegenkörper sind dies die Volumen- und Oberflächeneigenschaften. Auch diese können noch einmal unterteilt werden (siehe Tabelle 1). Beim Zwischenstoff erfolgt die Hauptunterteilung nach dem jeweiligen Aggregatzustand, d. h. ob der Zwischenstoff fest, flüssig oder gasförmig vorliegt. Detailliert wird diese Information durch die jeweiligen Stoffeigenschaften; im Fall des festen Körpers zusätzlich durch dessen Formeigenschaften. Auch beim Umgebungsmedium unterteilt man zuerst nach dem Aggregatzustand und im nächsten Schritt nach den jeweiligen Stoffeigenschaften.

Tabelle 1: Eigenschaften der Elemente

Auf den ersten Blick sieht dies recht einfach aus, da man davon ausgeht, dass man diese Informationen in den entsprechenden Datenblättern oder Konstruktionszeichnungen finden kann. In der Praxis stößt man aber schnell auf Probleme. Bei den Zwischenstoffen enthalten die Datenblätter der Schmierstoffe aus Geheimhaltungsgründen häufig nicht die Informationen, die man für eine wissenschaftliche Bewertung benötigt. Auch die Stoffeigenschaften von Grund- und Gegenkörper sind nicht einfach zu finden. Aus den Konstruktionsunterlagen erhält man sicherlich Informationen, was für ein Material eingesetzt werden soll und wie der Vergütungszustand sowie die Form- und Rauheitseigenschaften der Oberfläche sind. Hierbei handelt es sich allerdings um theoretische Daten und Werte. Schaut man sich einmal eine reale metallische Oberfläche an - was heute dank moderner oberflächenanalytischer Verfahren möglich ist (siehe Kapitel 9) - so erkennt man, dass die für die tribologische Beanspruchung wichtige Oberfläche in ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften nicht dem Grundmaterial entspricht (Abbildung 6).

2.2.2 Aufbau metallischer Oberflächen

Jede reale Oberfläche ist in der Praxis von einer Adsorptionsschicht bedeckt, die nur wenige Nanometer dick ist, aber bereits einen signifikanten Einfluss auf das tribologische Verhalten hat.

Abbildung 6: Aufbau metallischer Oberflächen.

Ein bekannter Tribologe, der GfT-Vogelpohl-Ehrenpreisträger Werner Stehr, bezeichnet diese Schicht gerne als „Schlonz“. Dieser schwäbische Begriff verdeutlicht sehr schön, wie wenig man in der Praxis über die Zusammensetzung dieser oberflächennahen Schichten weiß.

Untersuchungen an Pressverbänden von Turboladern am Kompetenzzentrum Tribologie haben gezeigt, dass bereits das Berühren von zuvor gereinigten metallischen Bauteilen Haftreibwerte um den Faktor zwei reduzieren können. Für die praktische Anwendung bedeutet dies, dass der Reinigungszustand sehr genau beschrieben werden muss. Für anwendungsnahe tribologische Versuche muss man sich Gedanken machen, wie der Oberflächenzustand in der Praxis ist. Eine chemisch optimal gereinigte Oberfläche ist für die Wiederholbarkeit eines Laborversuchs vielleicht vorteilhaft, kann aber vollkommen andere Ergebnisse liefern als real kontaminierte Bauteile.

Unterhalb dieser Adsorptionsschicht findet man bei Metallen eine Oxid- oder Reaktionsschicht, die man heute beispielsweise im TEM oder im FIB/XB gut nachweisen kann (Abbildung 7 und Abbildung 8).

Abbildung 7 TEM-Darstellung einer Reaktionsschicht [Quelle: NMI Reutlingen]

Abbildung 8 FIB/XB-Darstellung des OF-nahen Gefüges [Quelle: NMI Reutlingen]

2.2.3 Geometrische und wahre Kontaktfläche

Die Oberfläche ist aber nicht nur chemisch schwer zu beschreiben, auch die Bestimmung der wahren Kontaktfläche ist kompliziert. Die wahre Kontaktfläche ist immer um Größenordnungen kleiner als die geometrische Kontaktfläche, die sich beim ebenen Kontakt aus Länge mal Breite berechnet. Die wahre Kontaktfläche hingegen ist die Summe aller Mikrokontakte, die sich aus der elastisch/plastischen Deformation in Abhängigkeit der Normalkraft ergibt.

Abbildung 9: Wahre Kontaktfläche

Betrachtet man einmal, wie sich die wahre Kontaktfläche in Abhängigkeit der Normalkraft ändert, so erkennt man, dass die tatsächliche Berührungsfläche annähernd im selben Maß wächst, wie die Normalkraft. Das bedeutet, dass die reale Flächenpressung quasi immer gleichbleibt (Abbildung 10). Diese Aussage basiert zwar auf einer sehr idealisierten Annahme, sie verdeutlicht allerdings das grundsätzliche Phänomen.

Abbildung 10: Tatsächliche und scheinbare Berührfläche (nach [GÄNS1960])

Wie die wahre Kontaktfläche mit der Normalkraft steigt, lässt sich schön mit einem transparentem Silikonstempel auf einer rauen Oberfläche zeigen (Abbildung 11).

Abbildung 11: Ausbildung der wahren Kontaktfläche zwischen einem Silikonstempel und einer rauen Oberfläche [PERS2009]

Um die wahre Kontaktfläche berechnen oder zumindest abschätzen zu können, ist eine genaue Beschreibung der Oberflächen notwendig. Die entsprechenden 2D- und 3D-Rauheits- und Topografiekennwerten werden im Kapitel 8 behandelt.

2.2.4 Kontaktzustand

Wie Grund- und Gegenkörper miteinander in Kontakt kommen, wird vom Kontaktzustand beschrieben. Hier unterscheidet man die geometrische Konformität, die Form der Tribokontaktfläche und das Eingriffsverhältnis (Abbildung 12).

Abbildung 12: Beschreibung des Kontaktzustandes

Die geometrische Konformität (Schmiegung) beeinflusst vorwiegend die Pressung und im Falle eines geschmierten Systems das hydrodynamische Verhalten. Hier unterscheidet man konforme und kontraforme Kontakte. Ebenfalls für die Pressung und das Schmierungsverhalten relevant ist, ob ein Flächen-, Linien- oder Punktkontakt vorliegt. Die Schmierung und die Kontaktart beeinflussen die Pressung im Bereich von mehreren Zehnerpotenzen. So liegen typische Pressungen für technische Systeme im Flächenkontakte im Bereich unter 150 N/mms2; für Linienkontakte unter 1500 N/mm2 wohingegen Punktkontakte häufig Pressungen deutlich über einem Gigapascal aufweisen.

Die Pressung in einem Punkt- oder Linienkontakt lässt sich relativ einfach mit den Formeln nach Hertz berechnen [HERT1881]. Obwohl diese nun über 140 Jahre alt sind, ergeben sich mit diesen Formeln bereits sehr gute Näherungswerte, die für Abschätzungen in aller Regel vollkommen ausreichen.

Abbildung 13: Pressungsberechnung mit den Formeln nach Hertz (in Anlehnung an [WITT1991])

Die Hertzschen Formeln wurden erst im Jahre 1971 von JOHNSON, KENDAL und ROBERTS um die Adhäsionskräfte erweitert (JKR-Theorie [JOHN1971]). Weitere Forscher entwickelten ähnliche Theorien, die sich aber nur gering in den Ergebnissen unterscheiden, sodass sich die JKR-Theorie durchgesetzt hat. Der wesentliche Unterschied zum nicht-adhäsiven Kontakt besteht darin, dass an den Rändern des Kontaktgebietes die Spannung nicht null ist, sondern einen unendlich großen negativen Wert annimmt. Die Berücksichtigung der endlichen Reichweite der Adhäsionskräfte beseitigt in der Realität diese Singularität. Dennoch erreichen die Spannungen laut POPOV an den Rändern eines adhäsiven Kontaktgebietes relativ große Werte in der Größenordnung der theoretischen Festigkeit der Van-der-Waals-Bindungen [POPO2009].

Neben den absoluten Pressungen ist auch die Spannungsverteilung für die Beanspruchung entscheidend. So tritt bei einem statisch belasteten Walzenpaar die Maximalspannung in einer Tiefe von 0,78-mal der halben Kontaktbreite auf (Abbildung 14). Das bedeutet, dass der Ort der Rissentstehung voraussichtlich unter der Oberfläche liegen wird (zum Beispiel bei Zahnrädern bei ausreichender Schmierung).

Abbildung 14: Spannungsverteilung bei einem Walzenpaar und passend skaliertes Schliffbild mit einem Riss in der Tiefe (in Anlehnung an [BROS1982])

Die Formeln nach Hertz basieren allerdings auf einigen idealisierten Annahmen. So gelten sie nur für isotope und rein elastische Körper mit ideal glatten Oberflächen. Daneben gelten sie ausschließlich für den statischen Fall. Betrachtet man nun eine dynamische Beanspruchung, so verschieben sich die Spannungsmaxima in Richtung der Oberfläche. Die nachfolgende Abbildung zeigt, wie mit steigendem Reibwert das Spannungsmaxima an die Oberfläche wandert (Abbildung 15).