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Tribologie - Reibung, Verschleiß, Schmierung - Kurzfassung

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Überall wo Bewegung ist, tritt Reibung auf, bei Schiffen, Flugzeugen und ebenso bei der Bahn.
Reibung verursacht teuren Energieverlust und insbesondere teuren Verschleiß.
Wie kostspielig Verschleiß ist, weiß jeder Autofahrer, da er abgefahrene Reifen ersetzen oder abgenutzte Bremsbelege, Kupplungsscheiben oder gar einen verschlissenen Motor austauschen muß. Die Kosten zur Beseitigung abgenutzter Reifen oder von Altöl sind beträchtlich.
Auch bei Haushaltsgeräten kommen uns Reibung und Verschleiß teuer zu stehen. Kühlschränke und Waschmaschinen kommen häufig auf den Schrott nur weil ein Lager ausgeschlagen ist, Zahnräder oder Schaltstifte veschlissen sind, oder ein Gelenk wackelt. Der Verschleißverlust von nur wenigen Milligramm Material den Totalverlust des ganzen Gerätes.
In der Industrie werden hohe Reibungs- und Verschleißverluste häufig verursacht durch fehlerhafte Werkstoffe, Montage und Wartung, oder durch fehlerhaften Betrieb. Im rauhen Einsatz kommt es zum Beispiel bei Zahnradgetrieben oft zu Ausbrüchen an den Zahnflanken.
Das mehrere tausend D-Mark teure Zahnrad hat dann nur noch Schrottwert.
Reibung und Verschleiß sind auch in industriellen Fertigungsprozessen reichlich vorhanden. Bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstückes wird durch Bohren, Fräsen oder Schleifen Material abgetragen. Dabei verlieren aber auch die Bohrer, Fräswerkzeuge und Schleifscheiben Material. Sie verschleißen trotz Schmierung und Kühlung viel zu schnell. Nach relativ kurzer Zeit sind die Bohrer stumpf und müssen ausgewechselt werden. Die stumpfen Bohrer, die noch genügend lang sind, werden nachgeschliffen.
Sind die Bohrer nach mehrfachem Nachschleifen zu kurz, In der Stahlindustrie gibt es besonders große Probleme mit Reibung und Verschleiß. Dafür sorgt schon die Kombination von großen Gewichten und Kräften, hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten und eine starke Schmutzbelastung. hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten und eine starke Schmutzbelastung.
In einem Warmbreitbandwalzwerk betragen die Energieverluste durch Reibung 2 Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Auch der Verschleiß an der Walzstraße verursacht gewaltige Kosten.
Die Walzstraße muß mehrmals am Tag stillgesetzt werden, um die Walzen, deren Oberflächen manchmal schon in 6 Stunden verschlissen sind, auzubauen und herauszuziehen. Die Walzenoberflächen können im Extremfall sehr stark verschlissen sein,
wie dieser 20 cm breite Ausschnitt zeigt. Sie müssen in der Werkstatt wieder neu geschliffen werden. Jeder Stillstand der Walzstraße wird intensiv für die Instandhaltung genutzt,
denn Stillstand verursacht Produktionsausfallkosten bis zu 25.000 DM pro Stunde.
Der Schaden hier ist ein defektes Lager an einem Kammwalzgetriebe.
Hier ist es bereits demontiert. Die Ursache des Lagerschadens ist zu klären. Der Tribologie-Fachmann ist Spezialist für Reibungs-, Schmierungs- und Verschleißprobleme. In der Stahlindustrie führen Reibungsprobleme durch große Kräfte, hohe Temperaturen und Schmutzbelastung zu erheblichen Verlusten. Auf dem Verkehrssektor verursachen die Komponenten zum Antrieb und zum Abbremsen von Fahrzeugen die größten reibungsbedingten Kosten. Sie machen mehr als ein Viertel aller Verschleißverluste aus. Auf dem Haushaltssektor sind es unsachgemäße Bedienung, mangelhafte Wartung und fehlerhafte Instandsetzung, die jeder Familie empfindliche Verluste bescheren. In der Industrie sind die Reibungsprobleme noch vielseitiger als die Produktionsverfahren. Der Trend zu größeren und komplexeren Produktionseinheiten, zu höheren Geschwindigkeiten, zu stärkerer Automatisierung und größerer Präzision stellt auch immer höhere Anforderungen an die vielen verschiedenartigen Reibstellen. Alle Verluste durch Reibung und Verschleiß in der Bundesrepublik Deutschland entsprechen einem Betrag von etwa 40 Milliarden DM, der jährlich verlorengeht. Um diesen immensen Verlust zu senken, beschäftigen sich viele Wissenschaftler und Ingenieure mit den Problemen der Reibung und des Verschleißes in dem Fachgebiet Tribologie.
Der Tribologie-Fachmann kommt jetzt hinzu.
In der Industrie sind die Reibungsprobleme so komplex und vielseitig,
daß größere Unternehmen eigene Tribologie-Stabsstellen eingerichtet haben.
In einem derartigen Büro wird die Diskussion Das Tribosystem dient zur Beschreibung der Reibungsverhältnisse und Einflussgrößen. Reibung tritt meist in eng begrenzten Bereichen auf, und zwar dort, wo Oberflächen durch Krafteinwirkung miteinander in Kontakt kommen. Gedanklich grenzt man solche Bereiche ab und nennt sie und nennt sie tribologische Systeme, oder kurz Tribosysteme.
Die Elemente eines Tribosystems sind der Grundkörper und der Gegenkörper. Diejenigen Oberflächen, die miteinander in Kontakt kommen können, sind besonders interessant. Ein weiteres Element kann ein Zwischenstoff sein. Beispiele hierfür sind Schmieröle und Schmierfette oder auch andere flüssige, plastische, feste oder gasförmige Stoffe. Schließlich ist da noch das meist gasförmige Umgebungsmedium, z. B. die Luft. Sind Grund- und Gegenkörper durch einen flüssigen Zwischenstoff getrennt, stellt sich beim gegenseitigen Verschieben der Oberflächen die Flüssigkeitsreibung ein. Der Zwischenstoff bildet dabei einen Tragfilm. Ohne Zwischenstoff berühren sich Grund- und Gegenkörper. Man spricht dann von Festkörperreibung. Sind sowohl Festkörper als auch Schmierstoff-Elemente beteiligt, liegt Mischreibung vor. Bei Festkörperreibung und Mischreibung besteht Verschleißgefahr. Auf das Tribosystem wirken nun je nach Anwendungsfall verschiedene Beanspruchungen, das sog. Beanspruchungskollektiv. Neben Kräften und Geschwindigkeiten gehören dazu die Bewegungsarten wie Gleiten, Rollen, Bohren oder Stoßen und andere Einflußgrößem wie z. B. Temperaturen.
Im Tribosystem tritt unter der Einwirkung dieses Beanspruchungskollektivs Reibung auf. Die Reibung ist immer mit Energieverlusten und häufig mit dem stets unerwünschten Verschleiß verbunden. Aufgabe der Tribologie ist es nun, Ursachen und Einflußgrößen des in den Tribosystemen auftretenden Energie- und Verschleißverlustes zu ermitteln und Verschleißverlustes zu ermitteln und Lösungswege zur Beeinflussung dieser Verlustgrößen aufzuzeigen. Das Tribosystem kann bei vorgegebenem Beanspruchungskollektiv
auf Grund dieser Beeinflussungsmöglichkeiten verbessert werden und zwar durch die Veränderung der geometrischen Gestaltung, durch Änderung der Werkstoffpaarung sowie durch die Wahl eines geeigneteren reibungs- und verschleißmindernden Zwischenstoffs. Zwischen diesen die Reibungsverhältnisse beeinflussenden Größen bestehen komplexe Zusammenhänge, die bei der Konstruktion von Maschinen und Anlagen unbedingt berücksichtigt werden müssen. Außerdem sollte durch Methoden moderner Instandhaltung dafür gesorgt werden, daß auch bei länger andauerndem Betriebseinsatz einer Maschine die Funktionstüchtigkeit der Tribosysteme gewährleistet ist. Anhand von Beispielen werden nun einige Möglichkeiten zur Verbesserung der Geometrie, der Werkstoffpaarung, des Zwischenstoffs und der Instandhaltung aufgezeigt. Zunächst ein Beispiel zum Thema "Geometrie". Eines der wichtigsten Maschinenelemente ist das Gleitlager.
Die Lagerschale bildet den Grundkörper. In ihr dreht sich als Gegenkörper z. B. eine Turbine. Im eingebauten Zustand sitzt die Lagerschale etwa an der Stelle, wo rechts die Turbinenwelle aufgebockt ist. Während des Laufs sind Lagerschale und Welle durch einen dünnen Öltragfilm getrennt.
Umfangreiche Rechenprogramme dienen dazu, das Verhalten von Gleitlagern mit unterschiedlicher Geometrie zu simulieren.
Unter Belastung biegt sich eine Welle durch. Bei starren Stützlagern führt das zu erhöhten Flächenpressungen an den Innenkanten, wie an den sich ausbildenden Spitzen der unteren Diagramme zu sehen.
Dagegen werden bei elastisch gestalteten Lagerschalen die Druckspitzen vermieden und infolgedessen eine Unterbrechung des Öltragfilms verhindert.
Nun einige Beispiele zum Thema Werkstoff, die verdeutlichen, wie durch Verändern des Werkstoffs die tribologischen Verhältnisse verbessert werden.
Bei der Förderung von Braunkohle im Tagebau tragen riesige Schaufelradbagger Deckschichten, Braunkohlenflöze und Zwischenschichten ab. Sehr hoch ist der Verschleiß an den Baggerschaufeln, insbesondere an den Schaufelecken, die deshalb zum leichten Austausch nur aufgesteckt und verschraubt sind.
Hier wird eine verschlissene Schaufelecke abgezogen. Die Ecke ist durch das Eindringen in harte Bodenschichten total verschlissen. Um den Verschleiß zu senken, werden auf die neuen Schaufelecken Hartmetallschichten aufgeschweißt.
Die fertige Schaufel: Schweißraupen aus verschleißfester Legierung liegen in Reihen dicht aneinander.
Ein weiteres Beispiel zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit sind beschichtete Schneidplatten für die spanende Bearbeitung, wie z.B. Fräsen und Drehen. Dieser Fräser hat noch unbeschichtete Schneidplatten und wird hier beim Spanen von Stahl schon bei relativ geringer Schnittgeschwindigkeit schnell stumpf.
Wenn am Fräser die hier sichtbaren Schneidkanten der Schneidplatten verschlissen sind,
kann jede Platte noch zweimal gewendet werden. Eine wesentliche Erhöhung der Schnittleistung und Standzeit erreicht man durch Beschichten der Schneidplatten mit Titannitrid.
Die zu beschichtenden Schneidplatten werden in einer Reaktionskammer mit gasförmigen Titan- und Stickstoffverbindungen auf ca. 1000 Grad Celsius erhitzt. Hierbei zersetzen sich die Gase und bilden auf den Schneidplatten eine wenige Mikrometer starke, sehr harte Titannitritschicht. Die Bezeichnung dieses Verfahrens CVD - Chemical Vapour Deposition -
bedeutet chemische Abscheidung aus der Gasphase. Die goldfarbene Titan-Nitit-Schicht macht die Schneidplatten zu standfesteren Werkzeugen. Mit ihnen kann die Fräsgeschwindigkeit verdoppelt werden, und dennoch bleiben die Schneiden länger scharf. Zum Vergleich noch einmal das Fräsen mit unbeschichteten Schneidplatten
und mit beschichteten Schneidplatten.
Beim Senken von Verlusten durch Reibung und Verschleiß spielt der Zwischenstoff in vielen Fällen eine noch bedeutendere Rolle als der Werkstoff.
Schmierstoffe aus dem Betrieb sollten regelmäßig untersucht werden,
um sicherzustellen, daß sie den Anforderungen gerecht werden. Je nach Einsatzgebiet werden hohe oder niedrige Viskositäten bei sehr unterschiedlichen Drücken und Temperaturen gefordert. Der Schmierstoff soll alterungsbeständig, unempfindlich gegen Verunreinigung, und natürlich auch nicht giftig sein. Dies sind nur einige der vielen Anforderungen. Hier wird an einer Schmieröl-Probe eine Spektralanalyse vorgenommen, um die Veränderungen des Öls durch Betriebseinsatz im Vergleich zu einem Frischöl festzustellen.
Die moderne Analysetechnik ermöglicht erst präzise Qualitätssicherung und exakte Forschung an Schmierstoffen, damit Hochleistungsmaschinen - von der Turbine bis zum Industrieroboter - richtig laufen.
Die Lichtintensitätskurven lassen auf die chemische Zusammensetzung schließen und zeigen den Unterschied zum Frischöl. Eine wichtige Anforderung an die Schmierstoffe:
sie müssen sich mit dem Werkstoff des Grund- und Gegenkörpers vertragen. Hierzu ein einfacher Test: auf vier verschiedene Kunststoffe wird ein in der Feinwerktechnik gebräuchliches Öl gegossen.
Das Ergebnis ist nach einigen Wochen zu sehen. Nach den Ölen bilden die Fette die zweitgrößte Schmierstoffklasse.
Sie bestehen über 80 % aus flüssigen Ölen und einem Eindicker, der wie ein Schwamm wirkt. Schmierfette werden bevorzugt in Wälzlagern eingesetzt und wenn sich bei zu langsamer Bewegung kein tragfähiger Ölfilm ausbilden kann. Außerdem schützen sie in einfachen Fällen das Lager vor Schmutzeinwirkung.
Der Praxiseinsatz neu entwickelter Schmierstoffe setzt sehr viele physikalisch Untersuchungen und Anwendungstests, wie z. B. in diesem Wälzlagerprüfstand, voraus.
Alle wichtigen Schmierstoff-Kennwerte müssen ermittelt und dokumentiert werden, damit man später dem Betreiber entsprechende Garantien geben kann.
Durch Instandhaltung schließlich werden alle zuvor erreichten Verbesserungen an den Tribosystemen auf Dauer erhalten,
und erst dadurch ist ein zuverlässiger Betrieb von Maschinen und Anlagen über längere Zeit möglich.
Instandhaltung, das bedeutet Wartung, Inspektion und Instandsetzung. Hierzu dienen moderne Diagnoseverfahren wie die Schwingungsfrequenzanalyse, mit der z. B. geprüft wird, ob die Kraftstoffpumpen der Triebwerke Verschleiß aufweisen.
Diese Pumpen liegen schwer zugänglich zwischen anderen Aggregaten und mußten früher bei jeder Inspektion ausgebaut und zerlegt werden.
Jetzt werden die Pumpen nur noch ausgebaut und zerlegt, wenn die schnell am Flugzeug durchzuführende Schwingungsanalyse entsprechende Ergebnisse liefert. So konnten noch weit vor dem Ausfall der Pumpe mit Hilfe dieses Diagnoseverfahrens Kavitationsschäden an den Zahnflanken aufgespürt werden.
Die Grundlage für tribologische Maßnahmen zur Verminderung der Kosten und Folgekosten bildet in allen vier Bereichen die Forschung. Sie muß konsequent fortgeführt werden, um die hohen volkswirtschaftlichen Verluste von zur Zeit 40 Milliarden DM im Jahr drastisch zu senken.
Das Bundesministerium für Forschung und Technologie hilft durch Förderung einer Reihe von Forschungsvorhaben.
Vor allem gilt es, zahlreiche Unternehmen bei der praktischen Lösung ihrer tribologischen Probleme zu unterstützen.
Hierbei hilft seit 1986 die Tribologie-Beratungsgesellschaft. Die Einrichtung dieser Beratungsstelle erfolgte mit finanzieller Unterstützung durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie
und durch die Gesellschaft für Tribologie, die in der Bundesrepublik Deutschland das fachwissenschaftliche Forum für dieses neue Wissensgebiet ist. Viele kleine und mittelständische Unternehmen haben keine eigenen Tribologie-Fachleute und sind deshalb bei Problmen auf Hilfe von außen angewiesen. Hier kann die Tribologie-Beratungsgesellschaft durch Fachinformation, Beratung und Vermittlung von Experten helfen. Es gibt viele Stellen, die Erfahrung auf einem Spezialgebiet der Tribologie haben. Diese Erfahrungen sollten allen, die nach Lösungen suchen, zugute kommen. Reibung und Verschleiß sind nicht unabänderlich, sondern sie sind für Wissenschaftler und Techniker eine Herausforderung, Energien und Rohstoffe effektiver zu nutzen.
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Metadaten

Formale Metadaten

Titel Tribologie - Reibung, Verschleiß, Schmierung - Kurzfassung
Alternativer Titel Tribology - Friction, Abrasion, Lubrication - Short Version
Autor Hansen, Jörn
Gülker, Eugen
Mitwirkende Kemner, Klaus (Ton)
Bertram, Klaus (Ton)
Matzdorf, Gerhard (Kamera und Schnitt)
Adolf, Helmut (Redaktion)
Lizenz Keine Open-Access-Lizenz:
Es gilt deutsches Urheberrecht. Der Film darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden.
DOI 10.3203/IWF/C-1734
IWF-Signatur C 1734
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1986
Sprache Deutsch
Produzent Gesellschaft für Tribologie e. V.
IWF

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 273 m ; F, 25 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Volkswirtschaftliche Verluste durch Reibung auf dem Verkehrs-, Industrie- und Haushaltssektor. Der Tribologe in der Industrie. Tribosystem, Einflußbereiche: Geometrie, Werkstoff, Zwischenstoff, Instandhaltung. Beispiele zur Verringerung von Reibung und Verschleiß. Tribologieforschung, anwendungsorientierte Beratung.
Economic loss as a result of abrasion in traffic and domestic industries. Tribology in industry: tribo system, the influence of geometry, material, buffer, repair. Examples of minimization of friction and abrasion. Research and applied advice.
Schlagwörter Schmierung
Verschleiß
Reibung
Tribologie
tribology
loss through abrasion
friction loss
abrasion

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