Tribologie

Die Lehre des Zusammenwirkens von Oberflächen in Bewegung

WAS IST TRIBOLOGIE?

Tribologie ist die Lehre von Verschleiß, Reibung und Schmierung von Oberflächen. Sie befasst sich damit, wie Oberflächen und andere Tribo-Elemente in Relativbewegung in natürlichen und künstlichen Systemen zusammenwirken. Dies betrifft auch Lagerauslegung und -schmierung.

 

Die Tribologie ist keine isolierte Wissenschaft, sondern vielmehr ein komplexes, fachübergreifendes Vorhaben, bei dem Fortschritte durch gemeinsame Anstrengungen von Forschern erzielt werden, die aus Bereichen zusammenkommen wie: Maschinenbau, Fertigung, Werkstoffkunde, Chemie, Chemieingenieurwesen, Physik, Mathematik, Biomedizin, Biomedizintechnik, Computerwissenschaften uvm.

Wie lauten die Grundlagen der Tribologie?

Eine der wichtigsten Säulen der Tribologie ist das systemanalytische und das systembezogene Denken. 

Tribologische Systeme   123

Reibung und Verschleiß sind keine Werkstoffeigenschaften. Sie sind Reaktionen eines spezifischen tribologischen Systems, das sich üblicherweise aus einem Lager, einer Welle und einem Schmierstoff zusammensetzt. Sie werden daher von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst. Das tribologische Subsystem in Abbildung 1 bietet einen Überblick über die häufigsten Faktoren, die sich auf Reibungs- und Verschleißwerte auswirken:  

 

funktion-von-tribosystemen
Struktur
bellastungkollektiv

 

Dieses tribologische System umfasst das Beanspruchungskollektiv, die Systemstruktur sowie die Funktions- und Verlustausgaben.  Das Beanspruchungskollektiv fasst physische und technische Belastungsparameter zusammen, u. a. Last, Gleitgeschwindigkeit und -dauer sowie die Bewegungs- und Temperaturbedingungen, die die Systemstruktur belasten. Die Systemstruktur hängt von den Eigenschaftsprofilen der Hauptbestandteile ab, zu denen Basis, Gegenkörper, Umgebungs- und Zwischenmedium zählen. 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010
2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribosystems, Friction, Wear and Surface Engineering, Lubrication, Wiley-VCH, 2011
3 Theo Mang et al.: Encyclopedia of Lubricants and Lubrication, Springer Verlag, 2014

Was sind die größten Herausforderungen, mit denen Tribologen konfrontiert werden?

Die größte Herausforderung besteht darin, dass sich Reibungs- und Verschleißwerte nicht einfach von einem System zum anderen übertragen lassen, z. B. von einem tribologischen Prüfstand zu einer realen Anwendung. Vergleiche zwischen Messwerten sind nur möglich, wenn sie auf einem sehr gleichartigen tribologischen System beruhen. Das tribologische Verhalten von Werkstoffen lässt sich für spezifische Anwendungen nur anhand von Modell- und Simulationstest abschätzen, wenn die spezifischen Betriebsbedingungen der Anwendung mit den Prüfbedingungen übereinstimmen.

Reibung und Verschleiß (1)(2)(3)

Was ist Reibung?

Reibung ist die Widerstandskraft, die aus der Bewegung zwischen zwei Körpern entsteht, die sich berühren. Auf makroskopischer Ebene lässt sich Reibung mit den Grundsätzen der Physiker Guillaume Amontons und Charles-Augustin de Coulomb erklären. Sie erkannten, dass zwischen der entstehenden Reibungskraft und der angewendeten Normallast eine lineare Beziehung besteht. Davon ausgehend lässt sich ein dimensionsloser Hauptparameter herleiten – der Reibungskoeffizient. Er wird definiert als das Verhältnis der entstehenden Reibungskraft zur angewandten Normalkraft.

Die tatsächlichen Mechanismen der Gleitreibung treten jedoch auf mikroskopischer Ebene auf, d. h. tribologische Theorien zur Reibung umfassen auch die Topographie der Oberflächen. Der Tribologe unterscheidet zwischen der wirklichen Kontaktfläche und der Nennkontaktfläche (geometrische Abmessungen), wodurch auch alle Hohlräume oder sich nicht berührende Bereiche eines festen Elements berücksichtigt werden. Folgende Mechanismen sorgen für die Energieumwandlung im Bereich nahe der Oberfläche:  

1

energieeinleitung

 

Was ist Verschleiß?

Verschleiß wird definiert als irreversibler Materialverlust bei interagierenden Oberflächen. Physische und chemische elementare Prozesse im Kontaktbereich einer Gleitpaarung, die schließlich Material und Form der Reibungspartner verändern, werden Verschleißmechanismen genannt. Zu diesen Verschleißmechanismen gehören:

 

verschleissmechanismen

 

Reibungs- und Verschleißmechanismen werden sowohl von der Struktur des tribologischen Systems als auch vom induzierten Beanspruchungskollektiv  stark beeinflusst:

 

µ=f(Tribo-Struktur(t),induzierte Kollektivbelastung(t))

w=f(Tribo-Struktur (t),induzierte Kollektivbelastung(t))

 

Reibungs- und Verschleißmechanismen treten nicht isoliert auf, sondern vielmehr als eine Überlagerung von Mechanismen, die nur sehr schwer zu quantifizieren und zu kontrollieren ist. Diese Überlagerung tritt in tribo-technischen Systemen sowohl in einem nicht feststellbaren Ausmaß als auch in einem Ausmaß auf, das zeitlich und örtlich variiert. Das macht es so gut wie unmöglich, in einem Tribo-Kontakt auftretende Reibungs- und Verschleißprozesse zu berechnen. Daher sind tribologische Prüfungen so wichtig für die Einschätzung tribologischen Verhaltens. Wenn wir tribologisch gemessene Daten und mechanismusorientierte Untersuchungen interpretieren und verstehen wollen, dann benötigen wir umfassende Kenntnisse über die Mechanismen, die in einem Tribo-Kontakt agieren.

 

Tribologen klassifizieren Reibungs-, Verschleiß- und Schmierbedingungen folgendermaßen:

 

  • Reibungszustand 0: Festkörperreibung: Reibung entsteht, wenn zwischen zwei festen Flächen Kontakt ohne Schmierung besteht.
  • Reibungszustand  I: Grenzreibung: Festkörperreibung, bei der die Oberflächen der Reibungspartner mit einem molekularen Schmierstofffilm bedeckt sind, der keine Belastbarkeit aufweist. Der Schmierstoff wirkt sich auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften aus.
  • Reibungszustand  II: Mischreibung: Die Reibungsverläufe I und III bestehen nebeneinander. Der Reibungswert ist eine Kombination aus Festkörper- und hydrodynamischer Reibung. Der Schmierstoff bildet einen belastbaren Fluidfilm aus.
  • Reibungszustand  III:       Hydrodynamische Reibung: Der Reibungswert ist von der im Fluid auftretenden Scherung abhängig. Aufgrund der Belastbarkeit des Fluidfilms wird ein direkter Kontakt zwischen den zwei festen Oberflächen verhindert.
  • Verschleißzustand a: Hohe Verschleißraten aufgrund Festkörperreibung und direktem Kontakt der Oberflächen.
  • Verschleißzustand b: Niedrigere Verschleißwerte aufgrund eines molekularen Fluidfilms.
  • Verschleißzustand c:  Leichter Verschleiß aufgrund teilweiser Trennung der Oberflächen durch einen dickeren Fluidfilm.
  • Verschleißzustand d:  „Null-Verschleiß“, der sich aus dem Vorhandensein hydrodynamischer oder elastohydrodynamischer Fluidfilme ergibt, die einen direkten Kontakt der zwei Oberflächen verhindern.

 

reibungszustande tribologisches-system

 

verchleisszustande verschleissmessgrossen

Welche Ergebnisse lassen sich durch die Anwendung von Tribologie auf die Lagerauslegung erzielen?

Wie kann Tribologie zu messbaren Produktverbesserungen führen?

Dank tribologischer Prüfungen erhalten wir Informationen über die tribologischen Leistungen von Werkstoffen, welche zu neuen und verbesserten Werkstoffdesigns führen. Wir können den Werkstoffaufbau dann so ausrichten, dass spezifische und bessere tribologische Eigenschaften erzielt werden.

Tribologische Prüfergebnisse und Methoden zur Oberflächenanalyse helfen uns basierend auf verschiedenen Faktoren und Einflüssen die tribologische Leistung (einschließlich Reibung und Verschleiß, Ausfallmechanismen, Kinetik von Transferfilmen) bestehender Materialien und neuer Prototypen einzuschätzen. Anhand dieser Informationen können wir Variablen erkennen und verstehen, wie die Effekte verschiedener Werkstoffausführungen (einschließlich Füllstoffe, Füllstoffkonzentration, synergetische Effekte von Füllstoffen, Materialstruktur) sowie die Auswirkung anderer Elemente der Systemstruktur.  

 

Wie trägt Tribologie zur Verbesserung von Effizienz und der Verlängerung der Lebensdauer von Gleitlagerwerkstoffen bei?

Tribologisch optimierte Kontaktflächen

  • Identifizierung kritischer Faktoren, die sich auf das Tribo-System auswirken
  • Identifizierung von Lösungen zur Effizienzverbesserung und Verschleißreduktion, einschließlich:
    • Einsatz von reibungs- und verschleißoptimierten Werkstoffen.
    • Optimierung von Werkstoffpaaren, was geringe Reibungs- und Verschleißwerte nach sich zieht.
    • Auswahl und Einsatz der korrekten Schmierstoffe.
    • Erzielung von Ausführungsänderungen, die sich insgesamt positiv auf die Leistung des Tribo-Systems auswirken.

 

Was sind Beispiele für Fortschritte in der Gleitlagertechnologie, die Forschung im Bereich der Tribologie hervorgebracht hat?

Dieser Artikel im Eureka Magazine bietet einen Überblick über frühere Fortschritte in der Gleitlagertechnologie, die auf Tribo-Forschung beruhen. Er behandelt die rudimentären Rollenlager der alten Ägypter, Rollenlager, welche die Römer bereits 40 v. Chr. einsetzen, sowie die Bedeutung der Wärmebehandlung von gehärtetem Stahl und Keramik auf Oxidbasis. Auch die Entwicklung des ersten selbstschmierenden Metall-Polymer-Gleitlagers von GGB wird angesprochen.

 

Für welche Branchen und Anwendungen ist Tribologie nützlich?

Tribologie spielt eine zentrale Rolle bei Anwendungen, bei denen sich zwei in Kontakt stehende Oberflächen in Relation zueinander bewegen. In manchen Branchen werden tribologische Systeme stärker nachgefragt, aufgrund einsatzkritischer Anwendungen, der Notwendigkeit von Dauerbetrieb oder aufgrund extremer Bedingungen.

Woran muss ein Ingenieur bei der Konzeption von Produkten oder Experimenten im Bereich Reibung/Verschleiß denken?

Das hängt stark von der Anwendung ab. Einige Anwendungen erfordern geringe Reibung (z. B. Gleitlagerwerkstoffe), andere hingegen hohe Reibung (z. B. Bremssysteme). Bei den meisten Anwendungen ist minimaler Werkstoffverschleiß ein vorrangiges Ziel. Für viele Anwendungen wird oft der ideale Punkt zwischen geringer Reibung und guter Verschleißbeständigkeit angestrebt.    

Bei der Auslegung von Experimenten zur Beschreibung von Reibung und Verschleiß lassen sich tribologische Prüfungen in eine von sechs Hauptkategorien unterteilen, die von Feldversuchen in Kategorie I zu den einfachsten Modellversuchen im Labor in Kategorie VI reichen.

Kategorie I:         Ein Feldversuch wird unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt, die auch erweiterte Betriebsbedingungen umfassen können. Das führt zwar zu einer schlechten Wiederholbarkeit, doch kommen die Bedingungen den tatsächlichen Bedingungen nahe, denen das tribologische System ausgesetzt sein wird.

Kategorie II:       Experimente werden in einer kompletten Anlage in einer Umgebung wie im Werk durchgeführt. Bei diesen Experimenten können Ergebnisse unter fast normalen Betriebsbedingungen und über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, um erweiterte Betriebsbedingungen zu replizieren. Gleichzeitig werden Umwelteinwirkungen begrenzt.

Kategorie III:      Komponenten, Subsysteme oder Baugruppen werden in einem Labor geprüft, in dem fast normale erweiterte Betriebsbedingungen und eine mittelmäßige Wiederholbarkeit erreicht werden.

Kategorie IV:      An Serien-Standardteilen werden Laborprüfungen mit Prüfgeräten mit reduzierter Leistung geprüft.

Kategorie V:       Experimente werden an einem Muster mit Prüfausrüstung durchgeführt, um fast normale Betriebsbedingungen bei hervorragender Wiederholbarkeit zu erreichen.

Kategorie VI:      Die Prüfung findet an einer Prüfbank mit einfacher Laborprüfausrüstung statt.

 

uberleigungskategorien

 

Es sollte nicht vergessen werden, dass in den Kategorien I bis III die Systemstruktur des ursprünglichen Tribo-Aggregats beständig bleibt und nur die Beanspruchungskollektiv vereinfacht wird. Die Beanspruchungskollektiv  der Kategorien II und III lassen sich besser reproduzieren als die der Kategorie I. Bei den Kategorien IV und VI wird hingegen die Systemstruktur vereinfacht. Das hat den Nachteil, dass sich die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse auf vergleichbare tribo-technische Systeme in der Praxis weniger verlässlich vorhersagen lässt. Die Kategorien IV bis VI bieten eine bessere Messbarkeit des Sub-Tribo-Kontakts, eine Kostensenkung und einen engeren Prüfzeitrahmen.1 In ansteigender Reihenfolge der Prüfkategorien steigen sowohl Prüfzeit als auch -kosten erheblich an, mit ihnen allerdings auch die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse.

 

Wie können wir die Prüfkategorien auf das Lager im Tribo-Subsystem anwenden?

Tribologische Prüfungen der Gleitlagerwerkstoffe lassen sich in vier Hauptkategorien unterteilen:

  • Beschreibungen der Produktleistungsfähigkeit, welche die Kategorien IV und III umfassen würden, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.
  • Überwachung von Produktion/Fertigung, einschließlich Kategorien VI bis IV, wobei auch Kategorie III eine Möglichkeit darstellt.
  • Kundenspezifische Lagerprüfungen können die Kategorien III bis V umfassen, wobei Kategorie V nur relevant ist, wenn die Prüfung so eng wie möglich an die Anwendung angepasst werden kann.
  • Für Werkstoff-Designer sind alle Kategorien nützlich: untere Kategorien in den Frühphasen der Entwicklung zur Vorauswahl und höhere Kategorien kommen ins Spiel, wenn die Subkomponenten und das Endprodukt verfügbar sind.  

 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

Welchen Ansatz verfolgt GGB bei der Entwicklung von Gleitlagerlösungen mithilfe tribologischer Expertise?

GGB entwickelt basierend auf tribologischen Ergebnissen tribologisch optimierte Werkstoffe. Wir kombinieren unser Wissen in den Bereichen Werkstoffkunde und -leistungen mit einem umfassenden Verständnis der tribologischen Leistungsfähigkeit unserer Produkte sowie ihrer Eignung für die Anwendungsanforderungen unserer Kunden.

Was hat GGB im Bereich der Tribologie erreicht und wie werden diese Ergebnisse auf Lagerlösungen angewendet?

Wie kann Tribologie den Bedarf an Flüssigschmierstoffen reduzieren oder ganz beseitigen?

Die Tribologie befasst sich auch mit Schmierstoffen, aber in einigen Fällen kann die Schmierung auch vom Werkstoff übernommen werden, aus dem die Komponenten des Tribo-Systems bestehen.

Daher entwickeln unsere Werkstoff-Designer spezifische Werkstoffe für Trockenschmierung. Durch die Reduktion oder die vollständige Vermeidung von Flüssigschmierstoffen wird die tribologische Leistung hinsichtlich Reibung und Verschleiß erheblich verbessert.

Wie wirken sich der Zustand der Welle und der Übertragungsschicht auf die tribologische Leistung aus?

Die Welle ist ein grundlegender Bestandteil der tribologischen Systemstruktur des Lager-Subsystems. Ihre Eigenschaften wirken direkt auf Reibung und Verschleiß sowie auf alle anderen Ereignisse beim Kontakt zwischen Lager und Welle aus. Zu den grundlegenden Eigenschaften der Welle zählen:

  • Werkstoffe und ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften
  • Geometrische Eigenschaften, wie u. a. Topographie und Traganteil.

Welche tribologischen Faktoren sind bei der Lagerauswahl zu beachten? Wie wirken sich diese Faktoren auf die Lagerauswahl aus?

Der Umfang des tribologischen Systems ist für die Lagerauswahl von essentieller Bedeutung. Eine gründliche Betrachtung aller Aspekte würde Folgendes umfassen

1. Die induzierte Beanspruchungskollektiv, einschließlich:

  • Art der Belastung
  • Art der Bewegung
  • Temperaturen
  • Zeitfaktor

2.  Den Gegenkörper:

  • Werkstoffe, einschließlich chemische und physikalische Eigenschaften
  • Geometrische Eigenschaften, einschließlich Traganteil und Topographie (Rauigkeit, Isotropie und Anisotropie)

3.  Das Grenzflächenmedium und sein Eigenschaftsprofil

4.  Das Umgebungsmedium und sein Eigenschaftsprofil

5.  Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion.

6.  Gesamtkonstruktion

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