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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen
der Haftreibung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Die Erfindung
ist insbesondere zur Untersuchung des Reibungsverhaltens von Gleitlagern
und Gleitlagerwerkstoffen aus Kunststoff vorgesehen. Die Vorrichtung
kann auch als Reibungsprüfstand
bezeichnet werden. Die Haftreibung ist definiert als Kraft die notwendig
ist, um zwei in Bezug zueinander ruhende Körper in Bewegung zueinander
zu versetzen.
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Bekannte
Reibungsprüfstände weisen
zwei aneinander anliegende Reibkörper
auf, die nach Art einer Gleitlagerung gegeneinander beweglich sind. Mit
einem Antrieb ist einer der beiden Reibkörper bewegbar, der andere Reibkörper ist
festgehalten. Zum Messen der Haftreibung wird der Antrieb eingeschaltet
und der eine Reibkörper
dadurch in Bewegung versetzt. Diese Reibungsmessung ist geschwindigkeitsgesteuert.
Mit einer geschwindigkeitsgesteuerten Reibungsmessung ist die Haftreibung
nicht korrekt messbar, weil selbst bei theoretisch unendlicher Untersetzung
des Antriebs die beiden Reibkörper nicht
stetig vom Ruhen in eine Relativbewegung (Gleiten) übergehen
sondern entweder ruhen oder sich zueinander bewegen.
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Aus
der
DD 223 820 A1 ist
ein Reibungsprüfstand
mit einer drehend antreibbaren Reibscheibe bekannt. Gegen die Reibscheibe
sind drei symmetrisch, d. h. um jeweil 120° zueinander versetzt angeordnete
Probekörper
drückbar,
die auf einer Tragplatte angebracht sind. Ein axial angeordneter
Torsionsstab hält
die Tragplatte, wobei eine Drehung der Tragplatte als Maß für die von
der Reibscheibe auf die Probekörper
ausgeübte
Reibungskraft gemessen wird.
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Einen
weiteren Reibungsprüfstand
offenbart die
DD 124
844 A1 . Im Unterschied zum vorstehend erläuterten
Reibungsprüfstand
wird in dieser Druckschrift ein Reibkörper linear auf einer Platte
verfahren und die dabei auftretende Reibung gemessen. Im Vergleich
mit einer Drehbewegung hat eine Linearbewegung den Nachteil, dass
sie begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
vorzuschlagen, die/das bei drehend gegeneinander bewegten Reibkörpern ein
Andrücken
der Reibkörper
gegeneinander verbessert, wobei das Verfahren die Untersuchung einer
langsamen Relativbewegung zwischen den Reibkörpern mit einer niedrigeren
Kraft als der Haftreibungskraft ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 10 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist einen Antrieb für einen
der beiden Reibkörper
auf, der nachfolgend auch als angetriebener Reibkörper bezeichnet
werden wird. Der andere gebremste Reibkörper wird nicht festgehalten,
sondern die Vorrichtung weist eine Bremseinrichtung auf, die den
anderen Reibkörper
mit einer Bremskraft bremst, wobei die Bremskraft mit zunehmendem
Weg des Reibkörpers
ansteigt. Aufgrund der zwischen den beiden Reibkörpern wirkenden Reibungskraft
bewegt der angetriebene Reibkörper
den gebremsten Reibkörper
zunächst
mit, weil die von der Bremseinrichtung ausgeübte Bremskraft kleiner als
die Reibungskraft zwischen den Reibkörpern ist. Es herrscht Haftreibung zwischen
den beiden Reibkörpern.
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Die
Bewegung der Reibkörper
ist eine Drehbewegung, worunter auch ein Schwenken zu verstehen
ist. Die Brems- oder Rückstellkraft
ist ein Moment. Die Drehbewegung ermöglicht einen kontinuierlichen
und endlosen Antrieb des angetriebenen Reibkörpers, der Antrieb muss weder
abgeschalten noch umgekehrt werden, der angetriebene Reibkörper muss
nicht zurückbewegt
werden. Weiterer Vorteil einer Drehbewegung ist eine einfache Übertragung
von beispielsweise einem Elektromotor als Antriebsmotor auf den
Reibkörper,
da die Antriebsbewegung des Elektromotors bereits eine Drehbewegung
ist. Zudem werden Ablagerungen am Ende einer Gleitbahn oder eine
Vertiefung eines benutzten Teils der Gleitbahn durch Verschleiß, wie sie
bei einer linearen Bewegung auftreten, durch die Drehbewegung vermieden.
Der durch die Drehbewegung mögliche
kontinuierliche Antrieb des angetriebenen Reibkörpers vermeidet ein Anfahren
und Abbremsen und damit Massenbeschleunigungen, die die Messung beeinflussen
können.
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Die
Proben der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind nach Art von Seitenflächen
einer Pyramide an einem der beiden Reibkörper angeordnet. Der andere
Reibkörper
kann beispielsweise eine drehend antreibbare Kugel sein, die gegen
die Proben gedrückt
wird. Die Proben bestehen aus dem zu untersuchenden Werkstoff. Diese
Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht
eine einfache Anordnung der Proben und eine einfache Form der Proben.
Es sind beispielsweise drei plättchenförmige Proben
auf den Seitenflächen
einer gedachten Pyramide mit einem gleichseitigen Dreieck als Grundfläche angeordnet. Die
Anordnung der Proben auf den Seitenflächen einer gedachten Pyramide
hat den Vorteil, dass sich die Reibkörper aneinander zentrieren.
Eine Drehlagerung, die die Reibkörper
koaxial zueinander lagert, ist dadurch entbehrlich. Weiterer Vorteil
der Zentrierung der Reibkörper
aneinander durch Anordnung der Proben auf den Seitenflächen einer
gedachten Pyramide ist eine gleichmäßige Verteilung einer Andruckkraft
auf die Proben.
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Mit
zunehmendem Weg, den die Reibkörper zurücklegen,
steigt die Bremskraft an. Erreicht bzw. übersteigt die Bremskraft die
Haftreibungskraft, wird der andere, gebremste Reibkörper angehalten,
wogegen sich der eine, angetriebene Reibkörper weiterbewegt. Es beginnt
eine Relativbewegung zwischen den beiden Reibkörpern. Die am Beginn der Relativbewegung
auf den gebremsten Reibkörper
ausgeübte
Bremskraft entspricht exakt der Haftreibungskraft. Die erfindungs gemäße Reibungsmessung
ist kraftgesteuert und ermöglicht
eine sehr exakte Messung der Haftreibung.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Bremseinrichtung als Rückstelleinrichtung ausgebildet,
die eine mit zunehmendem Weg des Reibkörpers ansteigende Rückstellkraft
auf den anderen Reibkörper ausübt, die
den Reibkörper
entgegen der Antriebsrichtung bewegt, wenn die Reibung zwischen
den Reibkörpern
nach Überwindung
der maximalen Reibung auf eine niedrigere Gleitreibung abfällt. Die Rückstelleinrichtung
hat den Vorteil, dass sie den gebremsten Reibkörper rückstellt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Schnellantrieb für den einen
Reibkörper
vor. Der Schnellantrieb wird vor der Messung benutzt um aneinander
reibende Flächen
der Reibkörper
zu säubern.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Andruckeinrichtung vor, mit
der die beiden Reibkörper
mit einer einstellbaren Andruckkraft gegeneinander drückbar sind.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Federelement für die Brems-
oder Rückstelleinrchtung
vor, das durch den Antrieb des einen Reibkörpers vom mitbewegten anderen
Reibkörper
ausgelenkt wird und dadurch die gewünschte, mit zunehmendem Weg
ansteigende Brems- oder Rückstellkraft
auf den nicht angetriebenen Reibkörper ausübt. Im Falle einer Drehbewegung
ist das Federelement ein Torsionsfederelement.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Kraftmesseinrichtung zur
Messung der Reibung zwischen den beiden Reibkörpern vor. Im Falle der Drehbewegung
kann auch eine Momentenmesseinrichtung verwendet werden. Es können die
auf den nicht angetriebenen Reibkörper ausgeübte Bremskraft bzw. das Bremsmoment
und/oder die auf den angetriebenen Reibkörper ausgeübte Antriebskraft bzw. das
Antriebsmoment gemessen werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Wegmesseinrichtung für die Reibkörper vor,
die im Falle einer Drehbewegung auch eine Dreh- oder Schwenkwinkelmesseinrichtung
sein kann. Insbesondere wenn die Wege beider Reibkörper bzw.
ihre Relativbewegung gemessen werden lässt sich das Phänomen des
Schlupfs zwischen den beiden Reibkörpern, der zwischen der Haftreibung
und der maximalen Reibungskraft auftritt, untersuchen. Auch lässt sich
eine Rückstellung
des gebremsten Reibkörpers feststellen
und messen, wenn der Antrieb abgeschaltet ist und der nicht angetriebene
Reibkörper
mit einer Rückstellkraft
oder einem Rückstellmoment
beaufschlagt ist. Es findet bei manchen Reibpaarungen eine langsame
Relativbewegung zwischen den Reibkörpern bei einer Rückstellkraft
statt, die niedriger als die Haftreibungskraft ist. Diese langsame
Bewegung kann auch als „Kriechen" bezeichnet werden.
Es ist anzunehmen, dass die Reibung auch von der Relativgeschwindigkeit
zwischen den Reibkörpern
abhängt.
Der Effekt kann mit der erfindungsgemäßen Wegmesseinrichtung untersucht
werden.
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Zur
Untersuchung von Gleitlagerwerkstoffen aus Kunststoff sieht eine
Ausgestaltung der Erfindung diesen Werkstoff als Probe vor.
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Die
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorstehend zusammen mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfolgt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer beispielhaften Vorrichtung in schematisierter, teilweise vereinfachter
Darstellung.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 10 ist zum Messen
der Haftreibung zwischen zwei Reibkörpern 12, 14 vorgesehen.
Die Vorrichtung 10 kann auch als Reibungsprüfstand bezeichnet werden.
Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der eine Reibkörper 12 eine
Kugel, der andere Reibkörper 14 weist
eine kegelförmige
Vertiefung 16 auf, in der drei Proben 18 angeordnet
sind. Die Proben 18 sind Plättchen aus einem Gleitlagerwerkstoff
aus Kunststoff, da das Reibungsverhalten von Gleitlagern bzw. Gleitlagerwerkstoffen
aus Kunststoff der eigentliche Untersuchungsgegenstand der Vorrichtung 10 sind.
Die Proben 18 sind auf Seitenflächen einer gedachten, auf dem
Kopf stehenden Pyramide mit einem gleichseitigen Dreieck als Grundfläche angeordnet.
Die den einen Reibkörper 12 bildende
Kugel taucht durch die Grundseite in die gedachte Pyramide ein.
Der andere Reibkörper 14 soll
nachfolgend einschließlich
der in seiner kegelförmigen
Vertiefung angeordneten Proben 18 als Reibkörper 14, 18 aufgefasst
werden.
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Die
den einen Reibkörper 12 bildende
Kugel ist in einen zylindrischen Halter 20 eingepresst,
der über
einen Zahnriemen 22 drehend antreibbar ist. Als Antrieb
weist die Vorrichtung 10 einen Elektromotor 24 mit
angeflanschtem Untersetzungsgetriebe 26 auf. Der die Kugel
aufweisende, eine Reibkörper 12 wird
nachfolgend auch als angetriebener oder antreibbarer Reibkörper 12 bezeichnet
werden.
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Der
andere Reibkörper 14 ist
auf einer Grundseite eines rechteckigen Rahmens 28 befestigt,
der in einer Axialebene der beiden Reibkörper 12, 14 angeordnet
ist und diese in der Axialebene umgreift. Der Rahmen 28 berührt den
angetriebenen Reibkörper 12 nicht.
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Der
Rahmen 28 ist starr an einem Torsionsdraht 30 befestigt.
Der Torsionsdraht 30 bildet ein Torsions- und Rückstellfederelement,
das ein Brems- bzw. Rückstellmoment
auf den Rahmen 28 und damit auf den anderen Reibkörper 14 ausübt, wenn
es verdreht wird. Der Torsionsdraht 30 bildet eine Brems- und
Rückstelleinrichtung 32,
die ein Brems- und Rückstellmoment
auf den anderen Reibkörper 14 ausübt, das
von dessen zurückgelegtem
Weg abhängig
ist. Dabei ist unter Weg eine Drehung oder ein Schwenken des anderen
Reibkörpers 14 mit
dem Rahmen 28 zu verstehen. Der andere Reibkörper 14 wird
nachfolgend auch als gebremster Reibkörper bezeichnet werden.
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An
einem dem Rahmen 28 fernen Ende des Torsionsdrahts 30 ist
eine radial abstehender Hebel 34 drehfest angebracht, der
bei Verdrehen des Torsionsdrahts 30 eine Kraft auf einen
Kraftmesser 36 ausübt,
so dass ein von dem einen Reibkörper 12 auf den
anderen Reibkörper 14 ausgeübtes Drehmoment
messbar ist. Das Drehmoment entspricht einem Reibmoment zwischen
den beiden Reibkörpern 12, 14.
Mit einer nicht dargestellten Spanneinrichtung lässt sich der Torsionsdraht 30 nach
oben spannen, die mit Pfeil 38 dargestellte Spannkraft
ist einstellbar. Auf diese Weise sind die beiden Reibkörper 12, 14 mit
einer einstellbaren Andruckkraft gegeneinander drückbar.
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Eine
Drehzahl des Antriebs 24, 26 ist steuer- oder
regelbar. Zusätzlich
weist die Vorrichtung 10 einen Schnellantrieb mit höherer Drehzahl
auf, der dazu dient, die reibenden Flächen der Proben 18 und des
Reibkörpers 12 vor
einer Messung zu reinigen. Zum Schnellantrieb kann eine Untersetzung
des Getriebes 26 änderbar,
eine Drehzahl des Elektromotors 24 änderbar oder ein zweiter Elektromotor
mit oder ohne Getriebe vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Die
Vorrichtung 10 weist eine Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtung 40 auf,
mit der ein Drehwinkel des gebremsten Reibkörpers 14 und damit letztendlich
ein von den Proben 18 zurückgelegter Weg messbar ist.
Die Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtung 40 weist einen
Laser 42 und einen Spiegel 44 auf. Der Spiegel 44 ist
am gebremsten Reibkörper 14 angebracht,
eine Anbringung beispielsweise am Rahmen 28 oder rahmennah
am Torsionsdraht 30 wäre
ebenso möglich
(nicht dargestellt). Ein Laserstrahl 46 ist auf den Spiegel 44 gerichtet
und wird beispielsweise auf eine Wand, einen Schirm oder eine Skala 47 reflektiert,
so dass der Drehwinkel (Weg) des gebremsten Reibkörpers 14 sichtbar
und ggf. messbar ist.
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Mit
einer zweiten Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtung 48 ist
ein Drehwinkel und damit ein Weg des angetriebenen Reibkörpers 12 messbar.
Die zweite Weg- oder
Drehwinkelmesseinrichtung 48 weist ebenfalls einen Laser 50 und
einen Spiegel 52 auf, der am Halter 20 des angetriebenen
Reibkörpers 14 angebracht
ist. Ein Laserstrahl 54 ist auf den Spiegel 52 gerichtet
und wird beispielsweise ebenfalls auf die Wand, den Schirm oder
die Skala 47 reflektiert. Eine Relativbewegung der beiden
Reibkörper 12, 14 ist
einfach an einer Relativbewegung von Projektionspunkten der beiden
Laserstrahlen 46, 54 auf der Wand, dem Schirm
oder der Skala 47 erkennbar. Der Beginn der Relativbewegung
der beiden Reibkörper 12, 14 ist
dadurch genau bestimmbar. Die Messung der Haftreibung geschieht
folgendermaßen:
Die am Torsionsdraht 30 angreifende Spannkraft 38 und
damit eine Andruckkraft, mit der die Proben 18 gegen den
angetriebenen Reibkörper 12 drücken, wird
eingestellt. Vor Beginn der Messung kann der angetriebene Reibkörper 12 mit
dem Schnellantrieb angetrieben werden um die reibenden Flächen der
Proben 18 und des angetriebenen Reibkörpers 12 zu reinigen. Es
kann allerdings auch das Reibungsverhalten ohne vorherige Reinigung
der Reibflächen
untersucht werden. Zur eigentlichen Reibungsmessung wird der angetriebene
Reibkörper 12 kontinuierlich
mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben. Aufgrund der Reibung
dreht sich der andere Reibkörper 14 mit.
Dadurch wird der Torsionsdraht 30 verdreht und übt ein der
Drehung entgegengerichtetes Brems- oder Rückstellmoment auf den anderen
Reibkörper 14 aus,
der auch als gebremster Reibkörper 14 bezeichnet
wird. Das Brems- oder Rückstellmoment
steigt aufgrund der zunehmenden Verdrehung des Torsionsdrahts 30 mit
zunehmendem Drehwinkel des gebremsten Reibkörpers 14 an.
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Übersteigt
das Brems- oder Rückstellmoment
eine Haftreibung zwischen den Reibkörpern 12, 14,
beginnt zunächst
ein Schlupf zwischen den Reibkörpern 12, 14,
d. h. die Drehung des gebremsten Reibkörpers 14 verlangsamt
sich während
sich der angetriebene Reibkörper 12 mit
unveränderter
Geschwindigkeit weiterdreht. Das am Beginn der Relativbewegung der
Reibkörper 12, 14 auf
den gebremsten Reibkörper 14 ausgeübte Brems-
oder Rückstellmoment
entspricht, umgerechnet in eine Brems- oder Rückstellkraft, der Haftreibung.
Da mit den beiden Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtungen 40, 48 der Beginn
der Relativbewegung der Reibkörper 12, 14 wie
beschrieben genau bestimmbar ist, ist mit der Vorrichtung 10 die
Haftreibung genau messbar.
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Da
dass vom Torsionsdraht 30 ausgeübte Brems- oder Rückstellmoment
nach Überwinden
der Haftreibung größer als
die vom angetriebenen Reibkörper 12 auf
den gebremsten Reibkörper 14 ausgeübte Reibung
ist, bewegt bzw. schwenkt der Torsionsdraht 30 den gebremsten
Reibkörper 14 entgegen
der Drehung des angetriebenen Reibkörpers 12 zurück, womit
sich die Verdrehung des Torsionsdrahtes 30 und damit das
von ihm ausgeübte
Brems- oder Rückstellmoment
verringert. Die Rückdrehung
des gebremsten Reibkörpers 14 endet,
wenn das vom Torsionsdraht 30 ausgeübte Brems- oder Rückstellmoment
auf die zwischen den Reibkörpern 12, 14 wirkende
Gleitreibung abgefallen ist. Der Vorgang beginnt von neuem.
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Mit
dem Kraftmesser 36 kann das Reibmoment und damit die Reibung
zwischen den Reibkörpern 12, 14 während des
gesamten Vorgangs gemessen werden, mit den Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtungen 40, 48 sind
die Drehwinkel der Reibkörper 12, 14 und
damit die von den Reibkörpern
zurückgelegten
Wege messbar.
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Eine
erfindungsgemäße Messmöglichkeit
ist, den Antrieb 24, 26 abzuschalten und damit
den angetriebenen Reibkörper 12 anzuhalten,
bevor die Haftreibung zwischen den Reibkörpern 12, 14 erreicht
ist. Abhängig
von den Reibpartnern kann der Effekt auftreten, dass das vom Torsionsdraht 30 ausgeübte Brems-
oder Rückstellmoment
den gebremsten Reibkörper 14 langsam
(„kriechend") zurückstellt. Die
Rückstellung
ist mit den Weg- oder Drehwinkelmesseinrichtungen 40, 48 messbar.
Dies bedeutet, dass die Reibung bei niedriger Relativgeschwindigkeit
zwischen den Reibkörpern 12, 14 geringer
ist, als die Haftreibung oder die maximale Reibung bei angetriebenem
Reibkörper 12.