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Verfahren zum Untersuchen von Verschleißs-orgängen und Vorrichtung
zu seiner Durchfiihrung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen von
Verschleißvorgängen, bei dem zwei Reibkörper gegeneinander eine Reibbewegung ausführen,
durch kontinuierlichen Nachweis von Reaktionsschichten, die sich bei Überlastung
des hydrodynamischen Schmierfilms zwischen Reibflächen als Schutzschicht gegen Verschleißen
und Verschweißen bilden.
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Zur Durchführung dieser Untersuchung werden die an der Reibstelle
auftretende Kontaktspannung und der Übergangswiderstand der Reibstelle mit Hilfe
eines in den Stromkreis eingeschalteten Millivoltmeters gemessen. Diese elektrischen
Messungen können durch übliche Messungen des Verschleißes, der Reibung und der Temperatur
nach dem Stand der Technik ergänzt werden.
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Es ist bekannt, an gegeneinander isolierten Reibteilen verschiedener
Metalle die Kontaktspannung zu messen (»Industrie-Anzeiger«, Essen, 4. August 1959,
Nr. 62, S. 27), um nach Art eines Thermoelementes daraus die Temperatur der Reibstelle
zu bestimmen.
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Weiter ist bekannt, an isolierten Reibteilen den elektrischen Widerstand
zu messen, um festzustellen, ob metallische Berührung vorliegt oder nicht (deutsche
Patentschrift 825 178).
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Die Temperaturmessung nach Art eines Thermoelementes gibt nur dann
der Temperatur analoge Kontaktspannungen, wenn metallische Berührung vorliegt. Es
sind deshalb auch Verfahren bekanntgeworden, bei denen gleichzeitig die Kontaktspannung
und der elektrische Widerstand gemessen werden, wobei das Auftreten von Widerstandswerten
größer als Null das Kriterium dafür ist, daß die Temperaturmessung nicht mehr zuverlässig
ist (W. F 1 e c k, »Beitrag zur Klärung der Freßtragfähigkeit bei Wälzgleiten«,
Dissertation, Dresden, 1962, und Zeitschrift »Proceedings of the Royal Society of
London«, Bd. 44, 1936, Heft A 883, S. 645).
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Die bekannte alleinige Messung der Kontaktspannung gibt über die
Schichtenbildung keinen sinnvollen Aufschluß, denn es kann die gleiche Kontaktspannung
sowohl bei metallischer Berührung wie auch bei Vorhandensein von Schichten auftreten.
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Auch die bekannte alleinige Messung des Übergangswiderstandes läßt
keine Erklärung der Vorgänge in der Reibebene zu. Für die Widerstandsmessung nach
dem Ohmschen Gesetz dürfen nämlich nur kleine Spannungen von maximal 50 bis 100
mV angewendet werden, da höhere Spannungen einen Durchschlag und eine unerwünschte
Aufheizung der Widerstandsschichten bewirken. Die sich dieser kleinen Meß-
spannung
überlagernde Kontaktspannung der Reibstelle in gleicher Größenordnung verfälscht
aber die Widerstandsmessung beträchtlich. Falls die Kontaktspannung negativ ist
und die Meßspannung überschreitet, kann sogar ein negativer Widerstandswert vorgetäuscht
werden. Eine Widerstandsmessung mit automatisch abgleichenden Meßbrücken ist deshalb
ebenfalls nicht möglich.
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Es sind Ölprüfgeräte bekannt, bei denen Reibteile verwendet werden,
deren Reibfläche sich infolge Verschleiß vergrößert, z. B. konische Stifte, Kugeln,
Walzen, ballige Reibteile. Es werden dabei immer wieder neue Reibflächen in die
Untersuchung Einbezogen. Eine gleichmäßige Ausbildung von Schichten ist deshalb
nicht zu erwarten. Es tritt an dem sich ausweitenden Rand der Reibstelle immer wieder
metallischer Kontakt auf, der den elektrischen Nachweis der Schichten stört (französische
Patentschrift 824 518).
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Es sind auch Prüfgeräte bekannt, bei denen die Laufspur stetig verändert
wird, so daß immer wieder unberührtes Metall an die Reibstelle gelangt und metallischen
Kontakt erzeugt. Dies tritt auch bei Geräten ein, bei denen die Reibteile nicht
exakt auf der gleichen Spur geführt werden, ferner auch bei solchen Geräten, bei
denen infolge unvermeidlicher Wärmeausdehnung der Führungen die Reibteile aus der
gewählten Spur herauswandern (handbuch der Werkstoffprüfung«, E. Siebel, 2. Band,
2. Auflage, Springer Verlag, 1955, S. 531 bis 533; »Journal of Applied Physicsa,
Bd. 23, S. 18 bis 21, und Bd. 33, S. 2691 bis 2694; Zeitschrift »Proceedings of
the Royal Society of London,« Bd. 44, 1936, Heft A 883, S. 644 und 650).
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Weiter sind Geräte bekannt, bei denen die Gleitgeschwindigkeit zwischen
einem Minimum- und einem Maximumwert schwankt. Die sich dadurch periodisch ändernde
Reibtemperatur und der periodische Wechsel
zwischen hydrodynamischer
Trennschicht, Reaktionsschicht und eventuell metallischer Berührung macht die Beobachtung
der Reaktionsschichten durch die Kontaktspannung und den Widerstand unmöglich (W.
F 1 e c k »Beitrag zur Klärung der Freßtragfähigkeit bei Wälzlagern«, Dissertation,
Dresden, 1962).
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Bei anderen Geräten werden kleine Prüfkörper verwendet, die in einen
Haltestift eingekittet oder eingelötet sind. Dadurch wird die Thermosäule, die die
Kontaktspannung erzeugt, um weitere Schichten verlängert, und es kommen unerwünschte
Unsicherheitsfaktoren in die Messung der Kontaktspannung.
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Durch nicht oder schlecht leitende Kitte kann außerdem die Widerstandsmessung
hinfällig werden (»Wert, Bd. 4, 1961, Heft 5, und »Journal of Applied Physics«,
Bd. 33, S. 2691 bis 2694).
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Auch mit bekannten Prüfgeräten, die Maschinenelemente, wie Gleit-
oder Wälzlager, Zahnräder usw., als Prüfkörper verwenden, lassen sich die Reaktionsschichten
mit Hilfe elektrischer Messungen nicht sicher nachweisen, da eine gezielte Reaktionsschichtbildung
auf definierten Flächen nicht erreicht werden kann und oft hydrodynamische Schmierung,
metallische Berührung und Trennung durch Reaktionsschichten in unübersichtlicher
Weise neben oder nacheinander bestehen (deutsche Patentschrift 825 178).
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Es sind auch bereits Prüfgeräte bekannt, bei denen zylindrische Reibstifte
verwendet werden, doch schwanken die genannten Stiftdurchmesser in weiten Grenzen.
Es werden Durchmesser von 0,8, 1,6, 10, 15 und 16 mm genannt.
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Das Gebiet der Festkörperreibung wird durch drei Grenzlastlinien
beherrscht. Durch die Grenzlast der plastischen Verformung des weicheren Metalls,
die mit dem Quadrat des Stiftdurchmessers wächst, durch die Verschweißgrenzlast,
die vom Durchmesser etwa unabhängig ist und durch die Belastungsgrenze der Reaktionsschichten,
die dem Durchmesser proportional ist. Diese Grenzen schließen ein Dreieck ein, in
dem allein mechanischer Abrieb möglich ist und das mitsamt der Grenzen nur in einem
Bereich des Stiftdurchmessers von 0,5 bis 5 mm nachweisbar ist, vorausgesetzt, daß
durch besondere Ausbildung des Stiftes für gute Wärmeableitung gesorgt wird.
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Es wurde nun festgestellt, daß sich bei Überlastung des hydrodynamischen
Schmierfilms aus anfänglichen Abriebspartikeln der Metalle und Reagenzstoffen des
Schmiermittels Reaktionsschichten auf den Reibflächen bilden, so daß der elektrische
Widerstand vom Anfangswert Null bei metallischer Berührung auf sehr hohe Werte von
mehreren Kiloohm ansteigen kann. Es entsteht dadurch eine thermoelektrische Säule
aus den beiden Reibmetallen und den darauf entstehenden Reaktionsschichten, die
selbst bei gleichen Reibmetallen sowohl positive wie negative Kontaktspannung erzeugen
kann, welche um ein Vielfaches höher sein kann als die Kontaktspannung bei metallischer
Berührung, und die sich ebenso wie der Widerstand mit der Bildung der Schichten
laufend verändert.
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Durch Messung und Aufzeichnung der Kontaktspannung und des Übergangswiderstandes
läßt sich das Entstehen und Verschwinden der Schichten über der Zeit kontinuierlich
verfolgen. Verschleiß, Verschweißen und Reibung werden durch diese Reaktionsschichten
entscheidend beeinflußt. Diese Werte werden
daher ebenso wie die Temperatur gleichzeitig
gemessen.
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Bei der bekannten gleichzeitigen Messung der Kontaktspannung und
des Widerstandes in zwei Meßkreisen, die die Reibstelle als gemeinsames Verbindungsglied
besitzen, beeinflussen sich nach den Kirchhoffschen Gesetzen die beiden Meßkreise
so stark, daß die angezeigten Werte nicht mehr gedeutet werden können.
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Die Aufgabe gemäß der Erfindung kann mit den bisher bekannten Meßmethoden
aber nicht gelöst werden. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird dagegen die
Messung der Kontaktspannung und des Übergangswiderstandes dadurch möglich, daß beide
Messungen nacheinander in kurzen Zeitabständen, wie von etwa 2 bis 10 Sekunden ausgeführt
werden, so daß die zwischen zwei Messungen auftretende Änderung unbedeutend wird.
Durch die nur kurzzeitige Einschaltung der Meßspannung E wird auch eine störende
Aufheizung der Reibstelle vermieden.
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Bei der Kontaktspannungsmessung ist KSP R1 + # Rz (1) bei der Widerstandsmessung
ist i E + KSP (2) R1 R, + Rz nach Substraktion i2-11 wird der Wert erhalten (KSP
= Kontaktspannung, E = Meßspannung, Rl = Festwiderstand, Rx = Widerstand der Reibstelle):
- E R1 + Rx der nur noch den variablen Wert Rz enthält, so daß dieser bestimmt werden
kann. Durch Einsetzen von Rz in (1) wird dann die Kontaktspannung erhalten.
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Diese Rechenoperationen lassen sich meßtechnisch automatisch lösen;
es kann auch die Kontaktspannung nach dem Kompensationsverfahren bestimmt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Untersuchen von Verschleißvorgängen
ist dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise gegen die Stirnfläche einer rotierenden
Reibscheibe ein elektrisch isolierter Reibstift mit einstellbarer Kraft angedrückt
wird und daß in kurzen Zeitabständen, vorzugsweise von 2 bis 10 Sekunden, die sich
bildende positive oder negative Kontaktspannung gemessen und in den Zwischenintervallen
in den Meßkreis für die Kontaktspannung über einen Wechselschalter eine Fremdspannung
zur Messung des Übergangswiderstandes an der Reibstelle eingeschaltet wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Untersuchen von
Verschleißvorgängen besteht aus einer rotierenden Reibscheibe, gegen deren Stirnfläche
ein elektrisch isolierter zylindrischer Reibstift mit einer mit Hilfe eines Gewichtes
erzeugten einstellbaren Kraft andrückbar ist und aus einem ein Millivoltmeter enthaltenden
Stromkreis für die Messung der Kontaktspannung an der Reibstelle, und ist dadurch
gekennzeichnet, daß der zylindrische Reib stift 2 über ein konisches Zwischenstück
3 zum Zwecke seiner Halterung in dem Kopf eines um seine breite Basis schwenkbaren
Dreieckslenkers 5 in einen
zylindrischen Abschnitt größeren Durchmessers
4 übergeht und daß im Stromkreis für die Messung der Kontaktspannung ein Wechselschalter
7 eingebaut ist, welcher für die Messung des Übergangswiderstandes eine Spannungsquelle
8 entsprechend niedriger Spannung in diesen Stromkreis einschaltet.
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Weiter besteht die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung darin, daß der znlindrische Reibstift 2 eiren Durchmesser und eine
Länge von etwa 0,5 bis 5 mm aufweist und daß der im oberen Teil des Dreieckslenkers
gehaltene Abschnitt 4 größeren Durchmessers eine Länge von etwa 50 bis 100 mm und
einen Durchmesser von etwa 10 bis 15 mm, und das konische Zwischenstück 3 einen
Öffnungswinkel von 100 bis 150 aufweist.
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Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt der Berührungspunkt
des Reibstiftes 2 an der Reibscheibe 1 auf einer durch den Mittelpunkt der Reibscheibe
gehenden und in der Reibscheibenebene liegenden und parallel zur Schwenkachse 6
des Dreieckslenkers verlaufenden Geraden.
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Die Gleitgeschwindigkeit des Reibstiftes wird auf der Reibscheibe
durch Änderung der Drehzahl der Reibscheibe und/oder durch Verschieben des Dreieckslenkers
5 auf seiner Schwenkachse 6 variiert.
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Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die Reibscheibe in einer
horizontalen oder in einer vertikalen Ebene rotieren. Bei einer Vorrichtung greift
das Belastungsgewicht über einen Seilzug 9 an den Dreieckslenker5 an, wobei dieser
über eine Spindel mit FeingewindelO schwenkbar und die Reibstelle dadurch entlastbar
ist.
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Diese Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere
um eine Achse schwenkbare, die Reibscheibe umgebende Behälter 11 mit einem Anschluß
12 für die Schmiermittelzufuhr und einem Anschluß 13 für die Schmiermittelabfuhr
angeordnet sind.
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Für das Gebiet der Grenzreibung sind verschiedene Theorien aufgestellt
worden. Grenzflächenaktive, polare Moleküle, Viskositätszunahme unter hohem Druck,
starke Oberflächenhaftung und hohe Druckfestigkeit des Schmiermittels werden unter
anderem für die Schmierfähigkeit in diesem Gebiet verantwortlich gemacht. Reibungs-
und Verschleißmessungen, zumeist bis zur Zerstörung der Teile, elektronenmikroskopische
Beobachtungen, Untersuchungen mit Röntgenstrahlen und Messungen mit Isotopen, der
Thermospannung und des elektrischen Widerstandes haben diese Vorgänge bisher aber
nicht aufklären können.
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Erst das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen
nun, daß die sich zwischen den Reibflächen bildenden Reaktionsschichten eine Trennung
der Reibpartner bis zu hohen Drücken so bewirken, daß kein weiterer Abrieb entsteht
und Verschweißen verhindert wird. Diese Reaktionsschichten entstehen in der Reibebene
aus Partikeln der Reibstoffe und Zusätzen der Schmiermittel; sie lassen sich mit
getrennter Messung der Kontaktspannung und des elektrischen Widerstandes kontinuierlich
verfolgen. Es werden Reaktionsschichtbildung bei niedrigen, mittleren oder hohen
Temperaturen, Einflüsse des Grundöles, der Additive und der Reibmaterialien festgestellt.
Durch gleichzeitige Messung der Reibung, des Verschleißes und der Bedingungen in
der Reibebene lassen sich auch die Gesetzmäßigkeiten für die Schichtbildung aufstellen.
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Für bestimmte Reibmaterialien lassen sich, ohne diese zu zerstören,
mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung geeignete Schmiermittel, für gegebene Schmiermittel
geeignete Gleitmaterialien finden, die gemeinsam je nach den Anforderungen der Praxis
über einen begrenzten oder einen weiten Bereich der Betriebstemperatur schmierende
Reaktionsschichten erzeugen, sobald der hydrodynamische Schmierfilm überlastet wird.
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Das Verfahren zur Untersuchung von Verschleißvorgängen und die Vorrichtung
zu dessen Durchführung nach der Erfindung stellen somit für die mit Reibung und
Verschleiß verbundenen Vorgänge der Technik einen sprunghaften Fortschritt dar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Abbildung erläutert,
in der gegen eine Reibscheibe 1, die von einem nicht dargestellten Elektromotor
in Umdrehung versetzt wird, ein Reibstift 2 mit z. B. 4 mm Durchmesser, der mit
seinem zylindrischen Abschnitt größeren Durchmessers 4 in dem Kopf eines um die
Achse 6 schwenkbaren Dreieckslenkers 5 eingespannt ist, gedrückt wird. Der Reibstift
2 ist gegenüber der Reibscheibe 1 elektrisch isoliert, ausgenommen an der Reibstelle.
Die Belastung der Reibstelle erfolgt über ein Seil 9 durch ein stufenweise oder
kontinuierlich veränderliches Belastungsgewicht 14, nachdem eine Spindel mit Feingewinde
10 genügend weit gelockert ist. Das Schmiermittel wird durch den Anschluß 12 eines
die Reibscheibe 1 tonnenförmig umgebenden Behälters 11 zu- und durch den Anschluß
13 abgeführt. Ein durch einen nicht dargestellten Synchronmotor angetriebener Wechselschalter
7 schaltet nun in Zeitabständen von beispielsweise 2 bis 10 Sekunden eine Spannungsquelle
8 von etwa 40 mV in den durch die Reibscheibe 1, Reibstift 2 und Millivoltmeter
15 gebildeten Meßkreis ein und aus, so daß abwechselnd die Kontaktspannung und der
Übergangswiderstand der Reibstelle durch das nach Möglichkeit schreibende Millivoltmeter
registriert werden. Zu jeder Zeit des Versuches kann die Reibstelle durch Anziehen
der Feingewindespindel 10 entlastet, der Dreieckslenker 5 nach Lösen der Arretierung
zum Seil 9 und zur Spindel 10 ausgeschwenkt, dann auch der Behälter 11 ausgeschwenkt
werden, so daß die Reibflächen unter dem Mikroskop beobachtet und der Versuch danach
mit der gleichen oder auch mit einer geänderten Last, die mit der Feingewindespindel
10 stoßfrei aufgegeben wird, fortgesetzt werden kann.