DD207573A1 - Beurteilungsverfahren und -einrichtung fuer die reibungslebensdauer von oberflaechenschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung der Reibungslebensdauer von Oberflaechenschichten verschleissfester Materialien und eine Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens. Mit ihr ist es moeglich, den Zeitpunkt der Reibungsermuedung kontaktierender, ebener Reibungsflaechen exakter als mit den bisherigen Methoden zu bestimmen. Das Verfahren beruht im wesentlichen aud der experimentell-analytischen Bestimmung der Anzahl der Zyklen bis zur materialzerstoerung, wobei ohne Demontage der Reibungspaarung die Messung der absoluten Kontaktannaeherung, die tatsaechliche Kontaktflaeche und der lineare Verschleiss moeglich sind. Die dabei verwendete technische Einrichtung basiert auf dem Prinzip Scheibe gegen Stirnflaeche eines Hohlzylinders mit variabler Geschwindigkeit und kontinuierlicher Lastaufbringung.

Description

Beurteilungsverfahren und -einrichtung für die Reibungslebensdauer von Oberflächenschichten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung der Reibungslebensdauer von Oberflächenschichten neuer verschleißfester Materialien und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens· Insbesondere soll die Anzahl der Belastungszyklen bis zur Zerstörung des Reibungskontaktes ermittelt werden. Die Erfindung kann auch verwendet werden bei Untersuchungen des Verschleißprozesses von Materialien und bei der Uutzung standardisierter sowjetischer Methoden der Berechnung von Maschinenelementen auf Verschleiß, z· B. der Methode zur ParameterbeStimmung für die Kurve der Reibungsermüdung·

1.5 Charakteristik der bekannten technischen LSsungen

Die gegenwärtig verwendeten Methoden zur Beurteilung der Reibungslebensdauer bezüglich Ermüdung basieren auf den Erforschungen des physikalischen Modells des Reibungseinzelkontakt es· Diese Methoden haben den Mangel, daß die Modellierung nicht auf Ergebnissen der Ähnlichkeitstheorie begründet ist· So setzen z. B« die verwendeten Methoden der experimentell-analytischen Beurteilung der Anzahl von Zyklen bis zur Materialzerstörung die Benutzung sphärischer Unebenheiten bei Bedingungen voraus, die ihre gegenseitige Beeinflussung ausschließen, was den realen Bedingungen des Kontaktes rauher Körper nicht entspricht· Es fehlen eindeutige und objektive Kriterien der Materialzerstörung, was au fehlerhaften Ergebnissen bei der Beurteilung der Reibungser

_r müdungskurve und bei der Berechnung der Verschleißintensität führt. *

, Gegenwärtig benutzt man zur experimentellen Bewertung der Parameter der Reibungsermüdung eine Methode, die auf dem sogenannten Zyklameter realisiert wird. Die Punktion dieses Gerätes vonHepornnjasciJ E.F. ist in den Grundlagen der Berechnung von Reiboberflächen auf Lebensdauer anhand der Größe der Veränderung linearer Maße, erschienen in ^fZnamie^f, Moskau 196ß, Seite 17 bis 21 beschrieben. Diese Methode beruht auf dem mehrfachen Durchgang einer sphärischen Unebenheit auf einem Reibweg eines Teiles aus dem zu untersuchenden Material. Bei einer bestimmten Anzahl von Kontakteinwirkungen der Unebenheit und des Teiles beginnt die Abtrennung von Verschleißteilchen, was durch eine heftige Veränderung der Reibkraft und eine Vergrößerung der Eindringtiefe der Unebenheit fixiert wird. Diese Methode setzt Jedoch die Verwendung einer kugelförmigen Unebenheit und ei- , ner Fläche als Kontaktkörper voraus, die sich vom realen Verschleißprozeß von zu untersuchenden Teilen unterscheidet und folglich die Bestimmung der gesuchten Parameter nicht mit der erforderlichen Genauigkeit zuläßt. Ähnliche Mängel weist ebenfalls die Methode zur Beurteilung der Reibungslebensdauer nach SUPS 630 555 auf. Von allen bekannten Verfahren zur Bewertung der Parameter der Reibermüdung kommt der o. g. Erfindung die Methode der Bewertung der Anzahl der Zyklen bis zur Zerstörung der Reiboberflächen am nächsten, die auf dem sogenannten PUPS-Gerät realisiert wird. Dieses Gerät besteht aus einem sich drehenden Schwungrad mit einer senkrecht zur Rotationsachse auf ihm angeord- neten Unebenheit, die bei ihrer Rotation die Oberfläche des verschleißenden Teiles berührt. Der Verschleiß wird bei unterschiedlicher Eindringtiefe Üer Unebenheit erzielt, indem ein Tisch mit einem elastischen Element, auf dem das Verschleißteil befestigt ist, auf die Unebenheit zubewegt wird.

Der Zeitpunkt der Zerstörung der Reiboberflächen wird mit unterschiedlichen Methoden festgestellt: visuell, anhand der Veränderung der Reibkraft und anhand des Eindringcharakters· Die Anzahl der Zyklen bis zur Materialzerstörung

- 3 - a -W ^ Ο_λ £ Q O

wird auch hier mit Hilfe von Berechnungen bestimmt« Bas betrachtete Verfahren hat vor allem den Mangel, daß sich die Belastung auf das zu verschleißende Teil während des Abriebprozesses infolge der Unebenheit ändert, daß der

Γ

Zerstörungszeitpunkt nicht ausreichend zuverlässig bestimmbar ist und daß normalerweise die Unebenheit auf dem genannten PUPS-Gerät einen Kugelabschnitt darstellt, während eine Reibpaarung von Kugel und Fläche nicht dem Modell einer realen Yerschleißpaarung entspricht,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Zeitpunkt der Reibermüdung kontaktierender, ebener Reibflächen exakter als bisher zu bestimmen«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beurteilung der Reibungslebensdauer von Oberflächenschichten verschleißfester Materialien zu entwickeln und eine Einrichtung zur Durchführung dea Verfahrens zu schaffen, mit der die Parameter der Reibermüdung im Reibprozeß ebener Oberflächen eines kontaktierenden Teilepaares bestimmt sowie zuverlässigere Kriterien als bisher zur experimentell-analytischen Bestimmung der Anzahl der Zyklen bis zur Materialzerstörung angewandt werden« Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung eines Reibprüfgerätes vom Prinzip Scheibe gegen Stirnfläche eines Hohlzylinders dadurch gelöst, daß im Prozeß der Kontaktierung und des nachfolgenden Verschleißes der !Teile einer Reibpaarung die Parameter experimentell bestimmt werden, die in den allgemeinen Ausdruck der Verschleißintensität I eingehen, aus welchen danach die Anzahl der Zyklen η bis zur Materialzerstörung berechnet wird. Dabei wird auf einer für diese Aufgabe konstruierten neuen Einrichtung, die während des Verschleißprozesses - ohne Demontage der Teile der Reibpaarung - die Messung der abso-

2 ^\

.

Iuten Kontaktannäherung a und zugleich der tatsachlichen Kontaktfläche A₂, und des linearen Verschleißes ermöglicht, zunächst das Einlaufen der Teile der Reibpaarung bei einer vorgegebenen Belastung 3" durchgeführt· Danach wird, ohne nachfolgend die Teile der Reibpaarung außer Kontakt zu bringen, bei minimaler Rotationsgeschwindigkeit zur Erzielung der Bedingungen für einen minimalen Verschleiß eine aufeinanderfolgende mehrstufige Belastung in mindestens drei Stufen aufgegeben, z. B, 0,5 ET, 1»0 U und 1,5 IT, wobei die tatsächliche Kontaktfläche A₂, und die absolute Kontaktannäherung a gemessen werden· Barauf .wird der Parameter der expontentielleh Annäherung ν nach der Gleichung

A_r (a) a B · a^

bestimmt, worin B einen Materialfaktor bedeutet, Bei der Belastung H" wird die Reibpaarung unter vorgegebenen Reibungsbedingungen auf eine Höhe h verschlissen, die nicht kleiner als die absolute Kontaktannäherung a bei vorgegebener Belastung ST ist, wobei die GrSSe der tatsächlichen Kontaktfläche A₁, und der zugehörige Reibweg L gemessen werden« Uach Beendigung des Versuches wird die Reibpaarung demontiert, ein Oberflächenprofilogramm abgenommen und nach dem bekannten Standard für die Methodik zur rechnerischen Bewertung der Verschleißfestigkeit von Reiboberflächen an Maschinenelementen, Verlag für Standards, Moskau 1979, Seite 100, der mittlere Krümmungsradius r der Unebenheit bestimmt. Der mittlere Durchmesser 1 einer einzelnen Kontaktstelle wird geschätzt, indem dazu die Lösung der Kontaktaufgabe für rauhe Körper benutzt, die I als Punktion des Oberflächenmaterials, der Parameter der Mikrogeometrie und der Belastungsgröße darstellt. Insbesondere kann die bekannte Methode von Demkin ίΓ·Β. benutzt werden, die für den eingelaufenen Kontakt der Teile einer Reibpaarung in der Form 1=2 "\J vorliegt. Die xteibungslebensdauer bestimmt man, indem der allgemeine Ausdruck für die Verschleißintensität I benutzt wird:

η 4

AV

c

(D

Darin bedeuten AV das Volumen der verschlissenen Schieb und A₁. die nominelle Reibfläche«

Der Reibweg L bei gegebenem Volumen der verschlissenen Schicht -d V errechnet sich zu

, L . η · T Jl , '· (2)

worin η die Anzahl der Zyklen bis zur MaterialzerstSrung und Vjj das deformierte Volumen des Materials darstellen· Da Vjj a a '· A_r · ist, erhält man aus den Gleichungen 1 und 2 die Verschleißintensität I in der Form

a '· A_ ^r

η · I (v-+ 1)

(3)

Setzt man den Ausdruck I = £ aus Gleichung 1 in die Gleichung 3 ein, ergibt sich die Reibungslebensdauer als eine Anzahl von Zyklen bis zur MaterialzerstSrung:

A„ . L · a ^

η» (4)

A_T VI . h - (>+ 1)

Die Versuche werden auf einer Einrichtung mit Stirnflächenreibung (Fig. 1) durchgeführt. Es wird eine Reibpaarung benutzt, die aus einer beweglichen, rotierenden Probe des zu untersuchenden Materials in der Paarung mit einer harten, ebenen unbeweglichen Probe besteht; dabei wird die VerschleißgrSße der ebenen, unbewegten Probe bei der Bestimmung von η außer acht gelaasen, weil ihre Verschleißfestigkeit um vieles größer als die der zu untersuchenden Probe ist. Die bewegliche Probe von zylindrischer Porm ist in einer Probenhalterung befestigt, während die unbewegte Probe in einem Übertragungskörper-mittels einer Buchse fixiert ist, die wiederum in ein Fixiergehäuse eingeschraubt ist. In der Buchse befindet sich ein gefederter Taststift, der sich bei Annäherung der Teile der Paarung unter der Be· laatung Έ leicht verschieben läßt. Der Taststift wirkt auf

einen Meßwertumformer, der zur Messung der Kontaktdeformationen und auch der Größe des linearen Verschleißes der Proben der Reibpaarung während des Arbeitsprozesses dient. Der Meßwertumformer ist in ein thennostabilisiertes Gehäuse eingebaut, das sich in einer ,abgefederten, mittels Mikrometerschraube verschiebbaren Meßwandleraufnahme befindet. Durch die Verschiebung der Meßwandleraufnahme wird das Meßendstück des Meßwertumformers mit dem Taststift in Kontakt gebracht. Der Übe-rtragungskörper ist in ein Kugellager mit bekanntem Reibmoment eingebaut und trägt eine Halterung mit einem eingeschraubten Gewindebolzen, der auf einen Biegebalken wirkt, welcher bei Rotation der Probenhalterung sich je nach Größe des Reibmomentes durchbiegt, so daß die Größe der Durchbiegung des Biegebalkens ein Maß für die Größe des momentanen Reibmomentes darstellt. Das Reibmoment wird ständig mittels eines Meßwertumformers registriert. Die tatsächliche Kontaktfläche A wird mittelbar durch Messungen des Übergangswiderstandes der Kontaktpaarung während des Reibungsvorganges bewertet. '

Ausführungabeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: die erfindungsgemäße Einrichtung im Schnitt Mg. 2: das Prinzip der Reibmomentenmessurig. , Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beurteilung der , Reibungslebensdauer von Oberflächenschichten vorwiegend verschleißfester Materialien wird während des Verschleiß-Prozesses - ohne Demontage der Teile der Reibpaarung - experimentell, unter Verwendung eines Reibprüfgerätes vom Prinzip Scheibe gegen Stirnfläche eines Hohlzylinders, die sogenannte absolute Kontaktannäherung a zwischen einer unbewegten Probe 2 aus hartem Material und einer beweglichen, rotierenden Probe 1 des zu untersuchenden Materials gemes-_N sen und die Größen der tatsächlichen Kontaktfläche A„ sowie des linearen Verschleißes ermittelt.

Nach dem Einlaufen der Teile der Reibpaarung bei einer vorgegebenen Belastung U wird auf die bewegliche. Probe 1 zur Erzielung eines Minimalverschleißes, bei geringstmöglicher Rotationsgeschwindigkeit der Probe 1, eine mehrstufige, aufeinanderfolgende Belastung in mindestens 3 Stufen (z. B. EL a 0,5 U; J₂ a ijOIf; J. » 1,5 ST) aufgegeben, wobei die absolute Kontaktannäherung a gemessen und die tatsächliche Kontaktfläche A_r errechnet werden· Bei der Belastung verschleißt die Reibpaarung, vorwiegend die rotierende, be-

10- wegliche Probe 1 aus dem zu untersuchenden Material, unter vorgegebenen Reibungsbedingungen auf eine Höhe h, die nicht kleiner als die absolute Kontaktannäherung a bei der je-(_; weils vorgegebenen Belastung ist, wobei die Größe der tatsächlichen Kon'taktf lache A_r und ein zugehöriger Reibweg L gemessen werden. Bei einem materialabhängigen Paktor B errechnet man den Parameter einer exponentiellen Kontaktannäherung V- nach der Beziehung

A_r (a) = B · a^v . ,

Nach Versuchsende wird die Reibpaarung gelöst, von der Probe 1 ein Oberflächenprofilogramm abgenommen und nach dem bekannten Standard für die Methodik zur rechnerischen Bewertung der Verschleißfestigkeit von Oberflächen der mi t'tlere Krümmungsradius r der Unebenheit berechnet. Der ' ' _ . mittlere Durchmesser !einer einzelnen Kontaktstelle wird - 25 geschätzt, indem man vorzugsweise die Demkin'sche Methode für den eingelaufenen Kontakt einer Reibpaarung nach der Gleichung ' .'

T =* 2 .f benutzt.

Zur Bestimmung der Reibungslebensdauer wird der allgemeine Ausdruck für die Verschleißintensität

verwendet; darin bedeuten AV das^: Volumen der verschlissenen Schicht und A^ die nominelle Reibfläche. Den Reibweg L errechnet man bei gegebenem Volumen A V der verschlissenen Schicht zu 1 = η · I · ψ- (2), worin η die Anzahl der

Zyklen bis zur Materialzerstörung und V^ das deformierte Volumen des untersuchten Materials darstellen. V₀ wiederum ergibt sich aus den Größen der absoluten Kontaktannäherung a, der tatsächlichen Kontaktfläche A und der exponehtiellen Kontaktannäherung V nach der Beziehung

7_D = a · A_r . <j-Lj .

Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man die Verschleißintensität I in der Form ,

, a. · ^{1 =I} L ⁼ A_T . η · ΐ"(ν+ΐ;

Daraus ist die Reibungslebensdauer als eine Anzahl der Zyklen η bis zur Materialzerstörung darstellbar in der Form

.A · L · a ,

A₁.... Ϊ · h (V+ 1)

Die erfindungsgemäße Einrichtung, die nach dem Stirnflächenreibungsprinzip arbeitet, enthält eine ebene, aus hartem Material bestehende, unbewegliche Probe-2 in Form einer ₄ ebenen, mittels einer Buchse 11 in einem Übertragungskörper 10 fixierten Scheibe, gegen die eine bewegliche, rotierende, hohlzylindrische,Probe 1 des zu untersuchenden Materials mit einer vorgegebenen Belastung F. gedrückt wird. .Dabei bleibt der Verschleißbetrag der ebenen, unbeweglichen, scheibenförmigen harten Probe 2 außer Betracht, da ihre Verschleißfestigkeit um ein Vielfaches, größer als die der zu untersuchenden Probe 1 ist, die in einer spannfutterähnlichen Probenhalterung; 13 befestigt ist. Die Buchse 11, die in ein, hohlzylindrisches Fixiergehäuse 12'eingeschraubt ist, enthält einen gefederten, leicht verschiebbaren Taststift 3, der bei Annäherung der rotierenden, beweglichen Probe 1 aus dem zu untersuchenden Material gegen die unbewegliche harte Probe 2 auf das Meßendstück eines Meßwertumformers 5 wirkt, der zur Messung der Kontaktdeformation und auch der Größe "des linearen Verschleißes der Probe 1 während des Arbeitsprozesses dient. Der Meßwertumforaer 5 ist in ein thermostabilisiertes Gehäuse eingebaut, das sich in einer abgefederten, mittels Mikrometerschraube 6 verschiebbaren Meß-

. ' wandleraufnähme 14 befindet, wobei .durch Verschieben der

Meßwandleraufnahme 14 das Meßendstück des Meßwertumformers 5 mit dem Taststift 3 in Kontakt gebracht wird. Der Übertragungskörper 10 ist in ein Kugellager mit bekanntem Reibmoment eingebaut und trägt eine Halterung 7 mit einem eingeschraubten Gewindebolzen 15, der auf einen Biegebalken 8 wirkt, derart, daß bei Rotation der Probenhalterung 13 sich der Biegebalken 8 je nach Größe des entstandenen Reibmomentes durchbiegt, so daß die Größe der Durchbiegung des Biegebalkens 8 ein Maß für die Größe des momentanen'Reibmomentes darstellt, welches ständig mittels eines zweiten Meßwertumformers 9 registriert wird. Die tatsächliche Kontaktfläche '('~'] A„ wird mittelbar durch Messungen des Übergangswiderstandes der Kontaktpaarung während des Reibungsvorganges ermittelt.

Claims (4)

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Beurteilung der Reibungslebensdauer von Oberflächenschichten verschleißfester Materialien, unter Verwendung eines Reibprüfgerätes vom Prinzip Scheibe gegen Stirnfläche eines Hohlzylinders, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß im Prozeß der Kontaktierung und des nachfolgenden Verschleißes der Teile einer Reibpaarung. die Parameter experimentell bestimmt werden, die in den allgemeinen Ausdruck der Verschleißintensität I eingehen, aus welchen danach die Anzahl der Zyklen η bis zur Materialzerstörung berechnet wird, indem auf einer zugehörigen Einrichtung während des Verschleißprozesses eine absolute Kontaktannäherung a, eine tatsächliche Kont^ktfläche A und der lineare Verschleiß dadurch ermittelt werden, daß_snach dem Einlaufen der Teile der Reibpaarung bei einer vorgegebenen Belastung Έ - ohne die Teile • der ,Reibpaarung außer Kontakt zu bringen - bei minimaler Rotationsgeschwindigkeit eine aufeinanderfolgende mehrstufige Belastung in mindestens drei Stufen, z. B. 0,5 U, 1,0 Ή und 1,5 H, aufgegeben wird, wobei die tatsächliche Kontaktfläche A^, und die absolute Kontaktannäherung a _t gemessen und darauf der Parameter einer experimentellen Annäherung V nach der Gleichung A (a) = B · a"^ , worin B ein Materialfaktor ist, bestimmt werden und die Reibpaarung unter vorgegebenen Reibungsbedingungen auf "eine Höhe h verschleißt, die nicht kleiner als die absolute .Kontaktannäherung a bei vorgegebener Belastung Ή ist, wobei gleichzeitig die Größe der tatsächlichen Kontaktannäherung A und eih zugehöriger Reibweg L gemessen wer-

den. '

. 2.Verfahren nach Punkt T, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Versuches und Demontage der Reibpaarung ein Oberflächenprofilogramm abgenommen und der mittlere Krümmungsradius r der'Unebenheit bestimmt und der mittlere Durchmesser I einer einzelnen Kontaktstelle geschätzt werden, · ·' '·

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungälebensdauer, unter Benutzung der Gleichung für die Verschleißintensität !

a · A .

I= ' ' , worin Α_φ die nominelle

.Α_τ·η·Ι (y + 1)

Reibfläche bezeichnet, sich aus der Anzahl der Zyklen η bis^zur Materialzerstörung nach der Gleichung

A · L · a

η = ergibt.

A_T - I · h (v+ 1)

3 9 6 b

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Benutzung einer Reibpaarung, die aus einer beweglichen, rotierenden Probe (T) des zu untersuchenden Materials und einer harten, ebenen, unbewegten Probe (2) besteht, wobei die Verschleißgröße der "ebenen unbewegten Probe (2) außea» acht gelassen wird, die bewegliche Probe (1) von zylindrischer Form in einer Probenhalterung (13) befestigt ist, während die unbewegte Probe (2) in einem Übertragungskörper (10) mittels einer in einem Fixiergehäuse (12) eingeschraubten Buchse (11) fixiert ist, wobei die Buchse (11) einen gefederten Taststift (3) enthält, der sich bei Annäherung der Teile der Reibpaarung unter der Belastung Έ leicht verschieben läßt und auf einen in einem thermostabilisierten Gehäuse eingebauten Meßwertumformer (5) wirkt, der zur Messung der Kontaktdeformationen und der Größe des linearen Verschleißes der Probe (1) dient, wobei das thermostabilisierte Gehäuse in einer abgefederten, mittels Mikrometerschraube (6) verschiebbaren Meßwandleraufnahme (14) untergebracht ist, durch die das Meßendstück des Meßwertumformers (5) mit dem Taststift (3) in Kontakt, gebracht wird, und.daß der Übertragungskörper (10), in den ein Kugellager mit bekanntem Reibmoment eingebaut ist, eine Halterung (7) mit eingeschraubtem Gewindebol-

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