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Die vorhandene Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Tribologie und betrifft einem Verschleiß-Prüfstand für Zylinder-Innenflächen sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Verschleißbeständigkeit von Zylinder-Innenflächen, insbesondere auf eine Methode bzw. Apparatur, welche für die Prüfung von Verschleißeigenschaften der Werkstoffe, speziell an inneren Oberflächen geeignet ist.
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Die Tribologie beinhaltet zum einen die Wissenschaft über die und zum anderen die Anwendung der Reibungskräfte, der Schmierung und des Verschleißes, welche zwischen zwei Körpern, der technisch modifizierten Oberfläche eines Prüfkörpers und einem Gegenkörper, auftreten. Der Prüfkörper bewegt sich relativ unter vorgegebener Normalkraftbelastung gegenüber dem Gegenkörper. Diese Wissenschaft ist in den letzten Jahren als ein facettenreiches und interdisziplinäres Fachgebiet weltweit anerkannt worden.
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Viele konventionelle Prüfgeräte und andere Tribometer geeignet zum Messen der Reibung bzw. der Verschleißbeständigkeit der Werkstoffe unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen sind aus Veröffentlichungen bekannt bzw. befinden sich auf dem Markt. Allerdings sind die meisten nur für die Prüfung von äußeren Oberflächen geeignet bzw. entsprechen bei Prüfung innerer Oberflächen nicht der Reibpaarung, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
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In der 1992 veröffentlichten
J.P. 4273030(A) beschreibt K. Kazutaka ein „Block on Ring”-Abrasionsprüfgerät, welches aus einem stationären Block-Gegenkörper, der mit einer bestimmten Kraft gegen einem rotierenden Ring (Außenfläche) gedrückt wird, besteht. Jedoch lassen sich mit Hilfe dieses Gerätes die Innenflächen nicht testen. Bei dieser Methode ist die Anordnung, siehe
4, ein rotierender Ring, der mit einem stehenden quaderförmigen Block gepaart ist (Geometrie der Reibpaarung: gerade steht/konvex dreht) und weist wesentliche Nachteile auf. So ist die Geometrie des Gegenkörpers nur für äußere Flächen geeignet. Durch die Geometrie der Außenkontur ergeben sich bei der Kraftwirkung zwischen Grundkörper und Gegenkörper grundsätzlich unterschiedliche Wirkmechanismen, im Vergleich zu der Innenfläche.
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Im
U.S. Pat. No. 4966030 wurde 1990 von T. Kobayashi u. a. ein „Pin-on-Disc”-Prüfstand beschrieben, bei dem ein stationärer Prüfstift unter konstanter Belastung auf einer rotierenden Prüfscheibe entlang einer bestimmten Kreisbahn gleitet. Die Verschleißrate des Pin-Werkstoffes wird in Abhängigkeit von der Beanspruchungszeit bestimmt.
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Auf dem nationalen und internationalen Markt ist in den letzten Jahren die Nachfrage nach verschleißfesten Hochleistungsbeschichtungen, hergestellt mittels thermischem Spritzen, deutlich gestiegen. Das bezieht sich insbesondere auf die Kategorie der verschleißfesten Innenbeschichtungen. Um eine Effizienzsteigerung bezüglich der Verschleißbeständigkeit dieser Schichten feststellen zu können, müssen diese Beschichtungen verschiedenen Verschleißprüfungen unterzogen werden. Zurzeit sind solche Verschleißprüfungen von innenbeschichteten Oberflächen nicht realisierbar, da alle Verschleißprüfgeräte, welche auf dem Markt angeboten werden, nur zum Testen von zylindrischen Außenflächen bzw. von flachen Oberflächen geeignet sind. Wegen der Unterschiede der Spritzparameter zwischen Innen- und Außenbeschichtungsverfahren ist es notwendig, eine Schicht für die spätere Anwendung als Zylinder-Innenfläche auch als solche zu testen.
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Thermische Beschichtungsverfahren für Innenflächen sind mit denen für Außenflächen nur eingeschränkt vergleichbar. Besonders die thermische Belastung stellt eine Herausforderung bei der Innenbeschichtung dar. Die Prozessparameter für Innenbeschichtungen unterscheiden sich deutlich von denen der Außenbeschichtung, was Einflüsse auf die Schichteigenschaften hat.
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Um Proben für eine Innenbeschichtungsanwendung herzustellen, müssen auch Innenkonturen beschichtet und getestet werden. Nur so kann das Verschleißverhalten des späteren Bauteils charakterisiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstand zu konzipieren, der es ermöglicht, das Verschleißverhalten von beschichteten sowie unbeschichteten Körpern mit zylindrischer Innenfläche zu bewerten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verschleiß-Prüfstand gelöst, bei dem ein feststehender Gegenkörper mit einer runden Aussenkontur beispielsweise mit einer zylindrischen oder halbzylindrischen Form unter konstanter Last gegen die zu prüfende beschichtete oder unbeschichtete Zylinder-Innenfläche, im folgenden auch Prüfkörper genannt, gedrückt wird. Der Prüfkörper erfährt während des Prüfvorganges eine Rotationsbewegung, um dadurch eine Verschleißspur zu erzielen. Auf dieser Grundlage kann dann die Verschleißrate der internen Zylinderfläche berechnet werden. Für die Bestimmung der Verschleißrate der getesteten Materialien ist der Massenverlust entlang der Zylinder-Innenfläche das entscheidende Kriterium.
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Durch die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung wird die Kraft derart vom Gegenkörper in den zu prüfenden Körper geleitet, dass sich eine feststehende zylindrische Außenfläche gegen eine rotierende zylindrische Innenfläche drückt und sich hierdurch der Verschleiß ergibt. Auf diese Weise bilden die beiden Kontaktflächen folgende Geometrie der Reibpaarung: konvex steht und konkav dreht. Bei den bekannten Prüfeinrichtungen ist der Kontakt zwischen den beiden Reibpartner nicht derart und nicht für solche Konturen hergestellt. Die Gestaltung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung bringt daher einen praxisnäheren Verschleiß-Kontakt.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht ein Linienkontakt zwischen der Zylinder-Innenfläche und dem Gegenkörper. Aufgrund des linienförmigen Kontaktes zwischen den beiden Körpern/Oberflächen werden die während der Verschleißprüfung wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt, so dass ein frühzeitiger Verschleiß des Gegenkörpers vermieden wird. Zugleich ergibt sich noch ein weiterer Vorteil, dahingehend, dass dieser Typus des Kontakts sehr oft in der Praxis auftritt und auf dieses Weise der durchgeführte Verschleißtest die Realität besser abgebildet.
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Der Einsatz der Feder zur Einbringung und Regulierung der Anpresskraft in den Gegenkörper stellt einen weiteren Vorteil dar, da über die bekannte Federkonstante durch ein Feingewinde die Kraft mit höherer Genauigkeit dosiert werden kann. Die Feder presst auch bei Fertigungsungenauigkeiten der Probenkörper diese konstant gegeneinander, so dass möglicherweise auftretende Schwingungen gedämpft werden.
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Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Zylinder-Innenfläche und noch wichtiger der Gegenkörper mit einem Material mittels thermischen Spritzverfahren beschichtet werden können, um einen spezifischen Verschleißtest für eine vorgegebene Anwendung, wie beispielsweise der Kombinationen Hartstoff gegen Stähle, Hartstoff gegen mineralgefüllte Pressmassen, Hartstoff gegen Titanlegierungen, Wolframkarbidlegierungen, usw. zu simulieren. Diesbezüglich, ist die ausführliche Überprüfung sowohl der Beschichtungswerkstoffe, welche auf Zylinder-Innenflächen aufgebracht werden, als auch von unbeschichteten Innenflächen hinsichtlich deren Verschleißbeständigkeit notwendig, um das komplexe Verschleißverhalten dieser Bauteiloberflächen während des Betriebes besser verstehen zu können. Eine solche ausführliche Untersuchung kann mit Hilfe der vorhandenen Erfindung realisiert werden. Aufgrund der nach der Verschleißprüfung erzielten Ergebnisse, lassen sich optimierte Werkstoffe auswählen, welche für die Herstellung eines neuen Produktes mit verbesserten technischen und funktionalen Eigenschaften geeignet sind.
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Als weiteres Beispiel ist die Optimierung eines Schichtverbundes für eine Innenbeschichtung von Zylindern bzw. für die Entwicklung eines spezifischen Schichtsystems, um eine gute Verschleißbeständigkeit der Schichten, je nach Materialpaarung, zu erlangen, zu nennen. Dazu sind insbesondere qualitätsspezifische Verschleißtests erforderlich. Ohne auf die angestrebte Anwendung näher einzugehen, wird dieser Test eine Werkstoffvorauswhl für die praktische Umsetzung liefern. Auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung existiert eine bessere Übertragbarkeit der Anwendung auf betriebsbedingte Bedingungen in Anlagen und Maschinen.
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Darüber hinaus weist die vorliegende Erfindung noch einen wichtigen Vorteil auf, nämlich die Verwendung zahlreicher Gegenkörper und Zylinderelemente, welche entweder aus verschiedenen oder aus gleichen Werkstoffen hergestellt werden können. Eine derartige Ausführung ermöglicht die Begutachtung des Verschleißverhaltens unterschiedlichster Werkstoffpaarungen wie unter normalen Betriebsbedingungen. In dem Fall der konventionellen „Pin-on-Disc” Verschleißprüfstände ist der Gegenkörper (der stationäre Prüfkörper) eine Kugel, welche nur in begrenzten Werkstoffzusammensetzungen angeboten wird. Im Vergleich zu diesem Test ist ein weiterer Nachteil solcher Kugeln deren hohe Verschleißrate, da aufgrund der punktuell wirkenden Kräfte während der gesamten Prüfdauer diese höher sind, als bei der erfindungsgemäße Prüfeinrichtung. Dieses Phänomen ist für die Bestimmung des Verschleißverhaltens eines Prüfkörpers unerwünscht, da Ziel solcher Untersuchungen nur der Verschleiß der zu prüfenden Oberfläche ist.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist die variable Länge der Kontaktlinie zwischen dem Gegenkörper und der Zylinder-Innenfläche, die durch die Variation der Abmessungen des Gegenkörpers, je nach Art der Anwendungstechnik, verändert werden kann.
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Das nach der Verschleißprüfung erzielte Profil der Verschleißspur auf der Oberfläche des Prüfkörpers zeigt eine rechteckige Form. Mit rechteckiger Form ist im Sinne dieser Erfindung eine angenäherte oder quasi rechteckige Form gemeint. Dabei müssen die Winkel nicht exakt 90°C sein und die Ecken können abgerundet sein. Beispielhaft sei auf 6 verwiesen. Diese Tatsache vereinfacht die Berechnung des Gesamtverschleißvolumens auf einem rechteckigen Querschnitt. Der Berechnungsalgoritmus ist in diesem Fall deutlich einfacher im Vergleich zu dem einer Kugelkalotte, welche nach einer „Pin-on-Disk”-Verschleißprüfung entsteht.
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Der erfindungsgemäße Verschleißprüfstand für zylindrische Innenflächen ist aufgrund der hohen Flexibilität von besonderem Vorteil, da der Verschleißprüfstand relativ einfach an zahlreiche Testanforderungen bezüglich verschiedenster Werkstoffpaarungen Prüfkörper/Gegenkörper angepasst werden kann.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die nachfolgenden Zeichnungen näher verdeutlicht.
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1. Schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstands für die Untersuchungen des Verschleißverhaltens an Zylinder-Innenflächen
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2. Schematische Darstellung des Prüfbereiches (Reibstelle) des Verschleiß-Prüfstandes im Querschnitt
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3. Detaillierte Aufbau-Darstellung des Gegenkörpers und der Gegenkörperhalterung
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4. Schematische Test-Anordnung der „Block an Ring”-Methode nach dem Stand der Technik
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5. Schematische Test-Anordnung des Verschleiß-Prüfstands für Zylinder-Innenflächen
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6. Gemessenes Profil einer Verschleißspur
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1 zeigt den schematischen Aufbau des Verschleiß-Prüfstands, bei welchem ein statischer Gegenkörper (12) eine Belastung auf die zylindrische Zylinder-Innenfläche (13) ausübt. Ein Elektromotor (2), der über eine Kupplung (10) mit einem Spannfutter (11) verbunden ist, dient als Antrieb und versetzt das im Spannfutter eingespannte Zylinderelement in Rotation. Die Drehzahl des Motors und dadurch die Relativgeschwindigkeit zwischen Prüfkörper mit Zylinder-Innenfläche und Gegenkörper sind über das Bedienelement (3) des Motors einstellbar. Durch die Relativbewegung und die Belastung zwischen (12) und (13) wird eine Verschleißspur (5) erzeugt. Die Belastung zwischen (12) und (13) wird über die Einstellschraube (6), die in der Schraubenführung (17) gehalten wird, eingestellt. Die Lasthöhe wird über die Vorspannung der Feder (7) mit Hilfe einer Anzeigehülse mit Innengewinde (8) vorgegeben.
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Der obere Teil des Prüfstandes besteht aus einem Oberrahmen (4), an dem zwei Linearführungen (9) montiert sind, die eine Bewegung des Elektromotors in vertikaler Ausrichtung (y-Achse) der Probe sicherstellen. Die Einstellung erfolgt über das Einstellrad, das mit der Halterung des Motors und mit dem Oberrahmen verbunden ist.
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Der untere Teil des Prüfstandes besteht aus einem Unterrahmen (16), an dem eine weitere Linearführung (15) installiert ist. Diese ermöglicht die lineare Bewegung der Gegenkörperhalterung (14) auf der x-Achse.
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Der Prüfstand ist in seiner Funktion flexibel. Wichtige Parameter, wie mechanische Belastung und Relativgeschwindigkeit, sind einstellbar, wodurch individuelle, realitätsnahe Untersuchungen durchgeführt werden können. Eine Erweiterung des Prüfstandes zur Variierung der Prüftemperatur und zur Untersuchung des Verschleißverhaltens in unterschiedlichen Medien (Gase und Flüssigkeiten) ist einfach möglich.
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2a zeigt die schematische Darstellung des Prüfbereiches des Verschleiß-Prüfstandes im Querschnitt, in dem Verschleißpaarung (Zylinder-Innenfläche (13), Gegenkörper (12)) befestigt und belastet wird. Anhand dieser Anordnung entsteht zwischen den beiden ein Linienkontakt (18). Dies wird über die Geometrie des statischen Gegenkörpers (12) mit runder Aussenkontur (z. B. Halbzylinder oder Zylinder-Block, siehe 2b) realisiert.
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3 zeigt die Lagerung der Gegenkörperhalterung. Um eine einwandfreie Positionierung des Gegenkörpers (12) während des gesamten Prüfablaufes auf dem zu prüfenden Zylinder-Innenfläche (13 (2)) zu gewährleisten, ist eine hochgenaue (geringe Toleranz) Positionierung der Achse des aufgeschobenen Wälzkörperlagers (19) in dem Lagerbock (20) erforderlich. Der gesamte Aufbau ist auf einer Trägerplatte (21) fixiert.
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4 zeigt die schematische Anordnung der Prüfkörper nach dem Patent
Nr. 4273030(A) von K. Kazutaka. Zu sehen ist der feststehende, viereckige Block (
22) der mittels einer eingestellten Kraft F auf die Außenfläche des mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Zylinders (
23) drückt.
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5 zeigt in der schematischen Anordnungen des Verschleißprüfstandes zwei der Möglichkeiten, um die Geometrie der Reibpaarung (konvex stehend/konkav drehend) zu erzeugen. Dabei belastet der stehende Gegenkörper (12) in Form eines Halbzylinders (5a) oder eines Zylinder-Blockes (5b) durch die Kraft F den mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Prüfkörper (13).
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6 zeigt das Profil einer Verschleißspur (5), (2), mit der Breite b und der Höhe h, die bei diesem Test erzeugt wurde. Die ermittelten Maße dienen mit der zuvor bekannten Dichte zur Berechnung des Massenverlustes im Bereich der Zylinder-Innenfläche (13, 2) und somit auch zur letztendlichen Ermittlung der Verschleißrate.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einstellrad
- 2
- Elektromohr
- 3
- Bedienelement
- 4
- Oberrahmen
- 5
- Verschleißspur
- 6
- Einstellschraube
- 7
- Feder
- 8
- Anzeigehülse
- 9
- Linearführung (y)
- 10
- Kupplung
- 11
- Spannfutter
- 12
- Gegenkörper
- 13
- Prüfkörper mit Zylinder-Innenfläche
- 14
- Gegenkörperhalterung
- 15
- Linearführung
- 16
- Unterrahmen
- 17
- Schraubenführung
- 18
- Linienkontakt
- 19
- Wälzkörperlager
- 20
- Lagerbock
- 21
- Trägerplatte
- 22
- Quaderförmige
- 23
- Prüfkörper mit Zylinder-Außenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 4273030 A [0004, 0033]
- US 4966030 [0005]
