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Die Erfindung betrifft einen Tribologie-Versuchsstand und ein Verfahren zur Bestimmung des Ausklinkpunkts einer Stribeck-Kurve.
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Die Stribeck-Kurve beschreibt den Verlauf der Reibkraft zwischen zwei relativ zueinander bewegten Körpern, die gegeneinander gedrückt werden und deren Oberflächen aufeinander gleiten, in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen, wobei ein Schmiermittel zwischen den beiden Oberflächen vorhanden ist. Die Stribeck-Kurve beginnt mit einer Haftreibung bei aufeinander ruhenden Oberflächen ohne Relativgeschwindigkeit, an die sich ein typischerweise kurzer, horizontaler oder etwa horizontaler Abschnitt mit ungefähr konstanter Reibung bei Beginn der Relativbewegung mit niedriger Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden aufeinander reibenden Oberflächen anschließt. Dieser horizontale Abschnitt der Stribeck-Kurve bei niedriger Relativgeschwindigkeit wird als Grenzreibung bezeichnet. Daran schließt sich mit steigender Relativgeschwindigkeit ein fallender Abschnitt der Stribeck-Kurve an, in dem die Reibung auf einen Minimalwert fällt, bevor die Stribeck-Kurve mit weiter steigender Relativgeschwindigkeit in einen typischerweise etwa linear steigenden Abschnitt übergeht. Der fallende Abschnitt der Stribeck-Kurve ist die sogenannte Mischreibung, in der noch mechanischer Kontakt zwischen den beiden aufeinander reibenden Oberflächen der beiden relativ zueinander bewegten Körper besteht. Der sich anschließende steigende Abschnitt der Stribeck-Kurve ist der Bereich der Flüssigkeitsreibung, bei der kein mechanischer Kontakt mehr zwischen den aufeinander gleitenden Oberflächen besteht, sondern die beiden Oberflächen durch einen Schmiermittelfilm voneinander getrennt sind, die beiden Oberflächen also sozusagen auf dem Schmiermittelfilm schwimmen. Bei Flüssigkeitsreibung sind Reibung und Verschleiß am niedrigsten. Der Übergang vom fallenden zum wieder ansteigenden Abschnitt der Stribeck-Kurve, also der Übergang von der Mischreibung zur Flüssigkeitsreibung wird als Ausklinkpunkt der Stribeck-Kurve bezeichnet.
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Der Verlauf der Stribeck-Kurve, das heißt die Reibkraft zwischen zwei geschmierten, aufeinander gleitenden Oberflächen ist unter anderem abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen, den Werkstoffen der beiden relativ zueinander bewegten Körper, den Oberflächenstrukturen der aufeinander gleitenden Oberflächen, insbesondere von Rauigkeit und Struktur der Oberflächen, dem Schmiermittel und der Andruckkraft, mit der die beiden Oberflächen gegeneinander gedrückt werden.
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Das Patent
US 6,167,745 B1 offenbart einen Reibungsprüfstand mit einer drehend antreibbaren Scheibe, gegen die eine Kugel drückbar ist, die um ihre Achse drehend antreibbar ist, die schräg zu einer Oberfläche der Scheibe verläuft. Gemessen wird eine Reibkraft zwischen der Kugel und der Scheibe. Die Scheibe und die Kugel befinden sich in einem Behältnis, das mit einem zu prüfenden Schmiermittel befüllt ist.
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Das Patent
US 5,679,883 A offenbart einen Tribologie-Versuchsstand ebenfalls mit einer drehend antreibbaren Scheibe, gegen die eine Kugel drückbar ist, die um ihre Achse drehend antreibbar ist, die schräg zu einer Oberfläche der Scheibe verläuft. Während einer Reibungsmessung werden Drehgeschwindigkeiten der Scheibe und der Kugel bei konstanter Relativgeschwindigkeit zwischen der Scheibe und der Kugel oder wird die Relativgeschwindigkeit bei konstanten Drehgeschwindigkeiten von Scheibe und Kugel geändert. Ein Übergang zwischen Flüssigkeitsreibung und Mischreibung kann durch mikroskopische Untersuchung der Oberflächen der Scheibe und der Kugel bestimmt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bestimmung des Ausklinkpunkts, also des Punktes, an dem die Mischreibung in die Flüssigkeitsreibung oder bei abnehmender Relativgeschwindigkeit die Flüssigkeitsreibung in die Mischreibung übergeht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zur Untersuchung des Reibungsverhaltens zweier relativ zueinander bewegter Körper sieht die Erfindung einen Versuchsstand mit einem Drehantrieb für einen Rotationskörper, mit dem der Rotationskörper drehend um seine Achse als Drehachse antreibbar ist, eine Andrückeinrichtung, mit der eine Umfangsfläche des Rotationskörpers gegen eine Reibfläche eines Gegenkörpers drückbar ist, und einen Antrieb, mit dem der Rotationskörper in oder entgegen einer Drehrichtung des Rotationskörpers über die Reibfläche des Gegenkörpers bewegbar ist, vor.
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Der Rotationskörper kann grundsätzlich jeder beliebige Rotationskörper sein, wobei der Rotationskörper vorzugsweise gerade Mantellinien aufweist, also ein Kegelstumpf oder vorzugsweise ein Zylinder ist, so dass der Gegenkörper eine ebene Oberfläche als Reibfläche aufweisen kann.
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Die Relativbewegung zwischen den aufeinander gleitenden und reibenden Oberflächen erzeugt vorzugsweise im wesentlichen der Drehantrieb des Rotationskörpers, die Bewegung des Rotationskörpers über die Reibfläche des Gegenkörpers ist vorzugsweise vernachlässigbar langsam in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit. Die Drehgeschwindigkeit ist die Oberflächengeschwindigkeit der Umfangsfläche des Rotationskörpers.
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Mit der Andrückeinrichtung lässt sich eine Andruckkraft, mit der der Rotationskörpers bzw. seine Umfangsfläche gegen den Gegenkörper bzw. gegen dessen Reibfläche gedrückt wird, einstellen, wobei die Andruckkraft während eines Durchlaufs oder eines Versuchs vorzugsweise konstant gehalten wird.
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Die Drehrichtung des Rotationskörpers ist eine Tangente des Rotationskörpers an einer Anlagestelle der Umfangsfläche des Rotationskörpers an der Reibfläche des Gegenkörpers. Eine Winkelabweichung zwischen der Drehrichtung des Rotationskörpers und der Relativbewegung zwischen dem Rotationskörper und dem Gegenkörper ist normalerweise unerwünscht, jedoch nicht in jedem Fall ausgeschlossen.
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Der Antrieb ist insbesondere ein Linearantrieb und vorzugsweise ein Geradantrieb, der den Rotationskörper auf einer gedachten Linie in oder entgegen der Drehrichtung relativ zum Gegenkörper bewegt. Grundsätzlich kann die Linie eine beliebige Form aufweisen, vorzugsweise wird der Rotationskörper auf einer gedachten Geraden relativ zum Gegenkörper bewegt. Möglich ist beispielsweise auch eine (langsame) Drehung des Gegenkörpers um eine zu seiner Reibfläche senkrechte Drehachse zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Rotationskörper und dem Gegenkörper, wobei in diesem Fall der Rotationskörper vorzugsweise exzentrisch mit Abstand von der Drehachse des Gegenkörpers angeordnet ist. Andere Antriebe sind nicht ausgeschlossen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der Versuchsstand eine Synchronisationseinrichtung auf, mit der die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers an jeder Stelle der Reibfläche des Gegenkörpers fest einstellbar ist. Während der Relativbewegung des Rotationskörpers zum Gegenkörper wird die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers zwar geändert, sie weist jedoch ein jeder Stelle der Reibfläche des Gegenkörpers einen fest einstellbaren Wert auf, der insbesondere bei jedem Durchlauf gleich ist. Die Synchronisation kann elektronisch, mechanisch und grundsätzlich in jeder beliebigen Weise erfolgen.
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Zur Bestimmung des Ausklinkpunkts der Stribeck-Kurve sieht die Erfindung vor, den Rotationskörper mit seiner Umfangsfläche an einer Anfangsstelle der Reibfläche auf die Reibfläche des Gegenkörpers aufzusetzen und gegen die Reibfläche zu drücken, wobei eine Andruckkraft, mit der die Umfangsfläche des Rotationskörpers gegen die Reibfläche des Gegenkörpers gedrückt wird, vorzugsweise von Anfang bis Ende eines bzw. jedes Durchlaufs konstant ist. Der Rotationskörper wird relativ zum Gegenkörper so bewegt, dass er sich von der Anfangsstelle bis zu einer Endstelle der Reibfläche in oder entgegen der Drehrichtung des Rotationskörpers bewegt, wobei eine Winkelabweichung zwischen der Drehrichtung und der Relativbewegung normalerweise unerwünscht, jedoch von der Erfindung nicht in jedem Fall ausgeschlossen ist. An der Endstelle wird der Rotationskörper der Reibfläche des Gegenkörpers abgehoben und für einen nächsten Durchlauf an der Anfangsstelle wieder aufgesetzt. Möglich ist auch eine Rückbewegung des Rotationskörpers von der Endstelle zur Anfangsstelle der Reibfläche des Gegenkörpers mit vorzugsweise umgekehrter Drehrichtung des Rotationskörpers für einen nächsten Durchlauf. Durch die Umkehrung der Drehrichtung bleibt die Relativbewegung zwischen der Umfangsfläche des Rotationskörpers und der Reibfläche des Gegenkörpers bei der Rückbewegung gleich. In diesem Fall bleibt der Rotationskörper - vorzugsweise ohne Änderung der Andruckkraft - in Anlage an der Reibfläche des Gegenkörpers.
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Während der Relativbewegung zwischen dem Rotationskörper und dem Gegenkörper wird die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers so geändert, dass ein Übergang von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung oder umgekehrt erfolgt, um den Ausklinkpunkt der Stribeck-Kurve bestimmen zu können. Vorzugsweise wird die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers von null an der Anfangsstelle der Reibfläche auf eine Maximaldrehzahl, die so hoch ist, dass Flüssigkeitsreibung herrscht, in einer Mitte oder einer anderen Stelle zwischen der Anfangsstelle und der Endstelle erhöht und anschließend bis zur Endstelle wieder auf null verringert. Möglich ist auch, die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers von null an der Anfangsstelle der Reibfläche des Gegenkörpers bis zur Maximalgeschwindigkeit an der Endstelle zu erhöhen oder umgekehrt von der Maximalgeschwindigkeit an der Anfangsstelle auf null an der Endstelle zu verringern.
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Bei niedriger Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers, bei der Grenzreibung oder Mischreibung herrscht, sind Reibung und Verschleiß hoch, wobei Reibung und Verschleiß mit steigender Drehgeschwindigkeit bei Mischreibung abnehmen. Wenn Flüssigkeitsreibung zwischen der Umfangsfläche des Rotationskörpers und der Reibfläche des Gegenkörpers herrscht, ist der Verschleiß vernachlässigbar oder jedenfalls wesentlich kleiner als bei Mischreibung. Ein Bereich, in dem Flüssigkeitsreibung herrscht, ist anhand eines Verschleißbildes und/oder einer Verschleißtiefe der Reibfläche des Gegenkörpers nach mehreren Durchläufen, beispielsweise nach 100, 200 oder mehr Durchläufen, erkennbar. In dem Bereich, in dem Flüssigkeitsreibung herrscht, ist die Reibfläche unverschlissen oder nahezu unverschlissen oder jedenfalls der Verschleiß erkennbar geringer als in dem oder den Bereichen, in denen Mischreibung oder Grenzreibung herrscht. Erkennbar ist das auch anhand der Verschleißtiefe, die in den Bereichen, in denen Grenzreibung oder Mischreibung herrscht, tiefer ist als in dem Bereich, in dem Flüssigkeitsreibung herrscht, wo die Verschleißtiefe null oder jedenfalls sehr klein ist. Die Verschleißtiefe ist eine Tiefe eines Abtrags der Reibfläche des Gegenkörpers durch den Verschleiß, den die drehende und gegen die Reibfläche gedrückte Umfangsfläche des Rotationskörpers erzeugt. Sie ist messbar und dadurch der Ausklinkpunkt der Stribeck-Kurve bestimmbar.
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Die in der vorstehenden allgemeinen Beschreibung, der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können jeweils einzeln, zu mehreren in beliebiger Kombination oder alle in Ausführungen der Erfindung vorhanden sein. Möglich ist auch eine Ausführung der Erfindung, die nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Die vorstehend erläuterten Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung können beliebig kombiniert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Tribologie-Versuchsstand gemäß der Erfindung in einer schematisierten und vereinfachten, perspektivischen Darstellung;
- 2 eine Stribeck-Kurve; und
- 3 einen im Vergleich mit 1 vergrößerten Gegenkörper mit stark übertrieben dargestellter Verschleißtiefe.
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Der in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Tribologie-Versuchsstand 1 dient zur Bestimmung des Ausklinkpunkts 13 einer Stribeck-Kurve 12. Er weist einen Drehantrieb 2 für einen Rotationskörper 3, eine als solches nicht dargestellte Andrückeinrichtung und einen Antrieb 4 für einen Gegenkörper 5 auf.
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Im Ausführungsbeispiel weist der Drehantrieb 2 einen Getriebemotor 6, also einen Elektromotor mit angeflanschtem mechanischem Getriebe auf, mit dem der Rotationkörper 3 drehend um seine Achse, die zugleich seine Drehachse ist, antreibbar. Der Rotationkörper 3 ist im Ausführungsbeispiel ein Zylinder.
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Der Gegenkörper 5 ist im Ausführungsbeispiel eine rechteckige Platte mit einer ebenen Oberfläche, die hier als Reibfläche 7 bezeichnet wird. Mit der nicht gezeichneten Andrückeinrichtung lässt sich eine Umfangsfläche 8 des Rotationskörpers 3 mit einer einstellbaren Andruckkraft gegen die Reibfläche 7 des Gegenkörpers 5 drücken.
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Der Antrieb 4 ist im Ausführungsbeispiel ein Linearantrieb, und zwar ein Geradantrieb, mit dem der Gegenkörper 5 entlang einer gedachten Geraden so verschiebbar ist, dass sich seine Reibfläche 7 tangential zur Umfangsfläche 8 des Rotationskörpers 3 bewegt. Das bedeutet, dass sich die Reibfläche 7 in und/oder entgegen einer Drehrichtung der Umfangsfläche 8 bewegen lässt. Der Antrieb 4 weist ebenfalls einen Getriebemotor 9 auf, mit dem der Gegenkörper 5 über eine Spindel 10 entlang der gedachten Geraden verschiebbar ist. Außerdem weist der Antrieb 4 eine Linearführung 11, insbesondere eine Geradführung auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Linearführung 11 eine Schwalbenschwanzführung, wobei andere Führungen wie beispielsweise eine Stangenführung ebenso möglich sind.
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Außerdem weist der Versuchsstand 1 eine - im Ausführungsbeispiel elektronische
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Auf die Umfangsfläche 8 des Rotationskörpers 3 und/oder die Reibfläche 7 des Gegenkörpers 5 ist ein festes oder flüssiges Schmiermittel, insbesondere also ein Schmierfett oder ein Schmieröl aufgetragen.
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2 zeigt eine Stribeck-Kurve 12. Die Stribeck-Kurve 12 gibt einen Zusammenhang zwischen einer Reibkraft zweier mit Öl, Fett oder einem sonstigen Schmiermittel geschmierter Körper in Abhängigkeit von einer Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Körpern an. Wenn sich die beiden Körpern nicht gegeneinander bewegen, herrscht Haftreibung (in 2 Punkt 0), die mit beginnender Relativbewegung in eine so genannte Grenzreibung (Abschnitt I in 2) übergeht, bei der die Reibkraft zwischen den beiden relativ zueinander bewegten Körpern typischerweise etwa konstant ist. Steigt die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Körpern weiter, geht die Grenzreibung I in eine Mischreibung II über, bei der die Reibkraft und ein Oberflächenverschleiß mit zunehmender Relativgeschwindigkeit bis zu einem Minimum abnehmen. Steigt die Relativgeschwindigkeit noch weiter, geht die Mischreibung II in Flüssigkeitsreibung III über, in der die Reibkraft linear, progressiv oder degressiv steigt. 2 zeigt eine linear steigende Flüssigkeitsreibung III, das heißt die Stribeck-Kurve 12 ist im Bereich der Flüssigkeitsreibung III eine Gerade. Der Ausklinkpunkt 13 ist der Übergang von der Mischreibung II in die Flüssigkeitsreibung III. Herrscht Flüssigkeitsreibung III, ist ein Verschleiß minimal und in vielen Fällen unabhängig oder nahezu unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden aneinander reibenden Körpern.
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Zur Bestimmung des Ausklinkpunkts 13 wird der Rotationkörper 3 mit seiner Umfangsfläche 8 an einer Anfangsstelle 14 (3) auf die Reibfläche 7 des Gegenkörpers 5 aufgesetzt und mit der nicht dargestellten Andrückeinrichtung mit einer konstanten Andruckkraft gegen die Reibfläche 7 gedrückt. Anschließend wird der Gegenkörper 5 verschoben, bis der Rotationkörper 3 eine Endstelle 15 der Reibfläche 7 erreicht und gleichzeitig der Rotationkörpers 3 drehend in oder entgegen der Verschieberichtung des Gegenkörpers 5 angetrieben. Die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 3 wird beispielsweise linear mit einem Verschiebeweg des Gegenkörpers 5 bis zu einer Mitte des Verschiebewegs zwischen der Anfangsstelle 14 und der Endstelle 15 auf eine Maximalgeschwindigkeit erhöht und anschließend wieder verringert, so dass mit Erreichen der Endstelle 15 die Drehung des Rotationkörpers 3 zum Stillstand kommt. Die Maximalgeschwindigkeit der Drehung ist so hoch, dass der Ausklinkpunkt 13 überschritten und Flüssigkeitsreibung III erreicht wird. An der Endstelle 15 wird der Rotationkörper 3 von der Reibfläche 7 des Gegenkörpers 5 abgehoben, zurück zur Anfangsstelle 14 bewegt und dort wieder auf die Reibfläche 7 aufgesetzt und wieder mit derselben Andruckkraft gegen die Reibfläche 7 gedrückt. Das Verfahren wird mehrfach, beispielsweise 100 mal, 200 mal oder öfter wiederholt.
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Dadurch entsteht das in 3 schematisiert gezeichnete Verschleißbild in der Reibfläche 7 des Gegenkörpers 5. An der Anfangsstelle 14 ist eine stark übertrieben gezeichnete Verschleißtiefe t tief und verringert sich zu einem Mittelbereich 16 auf nahezu null, bevor sie anschließend wieder zunimmt und an der Endstelle 15 ungefähr die gleiche Verschleißtiefe t wie an der Anfangsstelle 14 erreicht. Im Mittelbereich 16 der Reibfläche 7 herrscht Flüssigkeitsreibung III, der Ausklinkpunkt 13 befindet sich bei steigender Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 3 am Übergang von der von der Anfangsstelle 14 zum Mittelbereich 16 der Reibfläche 7 abnehmenden Verschleißtiefe t und bei fallender Drehgeschwindigkeit am Übergang vom Mittelbereich 16 zur Endstelle 15 wieder zunehmenden Verschleißtiefe t. Weil die Drehgeschwindigkeit des Rotationskörpers 3 durch die Synchronisation mit dem Verschiebeweg des Gegenkörpers 5 an den Ausklinkpunkten 13 bei jedem Durchlauf gleich und bekannt ist, lässt sich der Ausklinkpunkt 13 auf diese Weise bestimmen.
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Die in 3 zu sehenden zylindrischen Rundungen des Verschleißbilds bzw. der Verschleißtiefe t an der Anfangsstelle 14 und der Endstelle 15 der Reibfläche 7 sind durch die Zylinderform des Rotationskörpers 3 entstanden und weisen dessen Radius auf.
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Außer an der Verschleißtiefe t, die messbar ist, von nahezu null im Mittelbereich 16, ist der Mittelbereich 16, in dem Flüssigkeitsreibung III herrscht, daran erkennbar, dass er näherungsweise eben und parallel zur Verschieberichtung des Gegenkörpers 5 bzw. zur ursprünglichen Reibfläche 7 ist. Außerdem sind im Mittelbereich 16, in dem Flüssigkeitsreibung III herrscht, oftmals Reste von Riefen 17 erkennbar, die von einer spannenden Oberflächenbearbeitung der Reibfläche 7 beispielsweise durch Schleifen bei der Herstellung des Gegenkörpers 5 stammen. Vor der Anfangsstelle 14 und hinter der Endstelle 15 sind solche Riefen 17 tiefer und zahlreicher.
