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Tribologie und Schmierungstechnik HERAUSGEGEBEN VON MANFRED JUNGK 3 _ 20 67. JAHRGANG Tribologie und Schmierungstechnik Organ der Gesellschaft für Tribologie Organ der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Organ der Swiss Tribology Editorial 1 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Liebe Leserinnen und Leser, passend zur surreal anmutenden Situation unserer heutigen Zeit hatte ich das Vergnügen die Ausstellung „Surreale Welten von Meret Oppenheimer bis Frida Kahlo“ in der Schirn Kunsthalle Frankfurt zu besuchen. Die Ausstellung stellt die große thematische, biographische und stilistische Vielfalt von 36 Künstlerinnen aus elf Ländern vor. Neben 67 Museen aus aller Welt trugen auch etliche private Leihgaben zu diesem Gesamterlebnis bei. Als Naturwissenschaftler steht es mir sicherlich nicht zu, den künstlerischen Wert zu beurteilen. Aber erlauben Sie mir nur so viel zu sagen, dass ich mir nicht sicher war, wer hier wen inspiriert hatte. Viele einzelne Elemente ähnelten denen mir in Erinnerung gebliebenen Werken von Miro, Max Ernst, Picasso oder Gaudi. Allen präsentierten Künstlerinnen verband ihre Nähe zum Surrealismus, zu erkennen sowohl in ihren Biografien als auch in ihren surrealistischen Ideen, etwa durch direkten Kontakt und/ oder Ausstellungsbeteiligungen während Ihrer Schaffensphase. Ferner bekommt man auch einen Einblick in das komplexe Netz aus Freundschaften unter den Künstlerinnen, insbesondere in den verschiedenen (Exil-)Ländern, etwa den USA und Mexiko. Ein durch die Lebensumstände surreal geprägter Ausdruck der Exponate spiegelt die entstandene immense Kreativität wider. Die Kreativität wird auch heutzutage helfen schwierige Zeiten zu überstehen. Den Katalog zur Ausstellung (ISBN 978-3-7774-3413-1) kann ich Ihnen wegen den fantastischen Bildern und Ausführungen sehr empfehlen. Als notorischer Nörgler über Mitmenschen, die an der Supermarkt- oder Tankstellenkasse auf irgendwelche unnötigen Einkäufe hereinfallen, zu denen auch diese in Museums Shops gehören, habe ich selbst ein Exemplar erworben. Im Feld der Tribologie gibt es meines Wissens ein vergleichbares Werk über die Schaffenskraft unserer weiblichen Kolleginnen (noch) nicht. Daher möchte ich an dieser Stelle beispielhaft einige Namen hervorheben. Jeanie S. McCoy war über 65 Jahre für die STLE aktiv und nach ihr ist ein Preis für Studentinnen benannt. Shirley E. Schwartz wird vielen durch ihre Kolumne im Lubrication Engineers Journal der STLE „Love Letters to the Lubrication Engineers“ in Erinnerung geblieben sein. Dass weibliche Kolleginnen sowohl auf akademischen als auch industriellen Wegen den STLE International Award erreichen können, zeigen Jane Q. Wang und Selda Gunsel. Stellvertretend für den erfreulichen Trend nun immer mehr „Frauenpower“ in der Tribologie anzutreffen, darf ich an dieser Stelle Mirjam Bäse hervorheben. Sie hat die Gründung der Jungen Tribologen ermöglicht, und unterstützt uns gereifte Tribologen durch kritisches Hinterfragen die ungenutzten Möglichkeiten der Tribologie in den Vordergrund zu stellen. Einen kleinen Beitrag dazu soll diese Ausgabe der Tribologie und Schmierungstechnik leisten. Bleiben Sie wie die genannten Kolleginnen der Tribologie gewogen, Ihr Manfred Jungk Herausgeber Fantastische Frauen TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 1 Anzeige | Veranstaltungen 2 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Veranstaltungen Datum Ort Veranstaltung GfT ÖTG Anschriften der Veranstalter Gesellschaft für Tribologie e.V. Adolf-Fischer-Str. 34, 52428 Jülich Tel. (0)2461 340 79 38, Fax (0)3222 427 10 51 eMail: tribologie@gft-ev.de; www.gft-ev.de Österreichische Tribologische Gesellschaft / Austrian Tribology Society Viktor-Kaplan-Straße 2, 2700 Wiener Neustadt / ÖSTERREICH Tel. (+43) 67 68 45 16 23 00, Fax (+43) 253 30 33 91 00 eMail: office@oetg.at; www.oetg.at Innovative Solutions in Spectroscopy SPECTROLYTIC.COM ► 08.09. - 10.09.20 Leeds, UK 47 th Leeds-Lyon-Symposium on Tribology Abgesagt https: / / eps.leeds.ac.uk/ events-conferences/ doc/ leeds-lyon-symposium-tribology ► 22.09. - 23.09.20 OilDoc Praxis Forum Schmierstoff & Instandhaltung Web Conference https: / / praxis-forum.oildoc.com/ ► 28.09. -30.09.20 Göttingen GfT - 61. Tribologie-Fachtagung Web Conference https: / / www.gft-ev.de/ de/ tribologie-fachtagung-2020/ ► 28.10. - 29.10.20 Amsterdam, NL ELGI-STLE Tribology Exchange Workshop https: / / www.elgi.org/ elgi.org/ index.php/ autumn-events ► 08.11. - 11.11.20 Cleveland, USA Tribology Frontiers Conference Web Conference https: / / www.stle.org/ TribologyFrontiers/ Default.aspx ► 19.11.20 Wiener Neustadt ÖTG-Symposium https: / / www.oetg.at/ oetg-events/ oetg-symposium/ ? no_cache=1 ► 01.12. - 02.12.20 Bilbao, Spanien Lubmat 2020 Conference https: / / www.lubmat.org ► 24.04. - 27.04.21 Hamburg ELGI Annual General Meeting www.elgi.org ► 28.04. - 29.04.21 Hamburg ELGI-STLE Tribology Exchange Workshop www.elgi.org ► 28.04. - 29.04.21 Stuttgart UNITI Mineralöl-Technologie-Forum https: / / www.umtf.de ► 16.05. - 20.05.21 New Orleans, USA 5 th STLE Annual Meeting https: / / www.stle.org/ annualmeeting ► 08.06. - 10.06.21 Rosenheim OilDoc-Konferenz und Ausstellung https: / / conference.oildoc.com TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 2 Inhalt 3 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 5 Stefan Thielen, Bernd Sauer Thermo-Elastohydrodynamische Simulation von Radialwellendichtringen Thermo-Elastohydrodynamic Simulation of Shaft Seals 15 Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Christian Kalscheuer, Matthias Thiex Steigerung der Leistungsfähigkeit technischer Kunststoffe durch DLC-Beschichtungen Performance enhancement of engineering plastics through DLC coatings 25 Sven Wirsching, Sebastian Schwarz, Stephan Tremmel Use of analytically describable geometries to calculate the contact between rolling element face and rib in bearing simulations 34 Volker Franke, George Pätzold, Udo Klotzbach, Thomas Kuntze Beeinflussen von Reibung und Verschleiß durch mikrostrukturierte Oberflächen Controlling friction and wear by micro-patterned surfaces 41 Thomas Koch, Ralf Gläbe, Yvonne Sakka, Nina Nentwig, Juliane Filser, Antje Siol, Jan Köser, Jorg Thoeming, Shannon Mesing, Roland Larek, Insa Mannott, Antonio Gavalás-Olea, Imke Lang Alternative Schmierstoff-Additive auf Basis von Mikroalgen Alternative additives for lubricants based on microalgae 47 Elena Popova, Valentin L. Popov Coulomb und Amontons und verallgemeinerte Reibgesetze Coulomb and Amontons and generalized friction laws 1 Editorial Fantastische Frauen 2 Veranstaltungen Aus Wissenschaft und Forschung 54 Nachrichten Mitteilungen der GfT Mitteilungen der GfT - Junge Tribologen Mitteilungen der ÖTG Mitteilungen der STLE 65 Patentumschau 67 Normen Hinweise für Autoren / Checkliste (siehe Umschlag) Rubriken Vorab Tribologie und Schmierungstechnik Organ der Gesellschaft für Tribologie Organ der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Organ der Swiss Tribology 67. Jahrgang, Heft 3 August 2020 Veröffentlichungen Die Autoren wissenschaftlicher Beiträge werden gebeten, ihre Manuskripte direkt an den Herausgeber, Dr. Jungk, zu senden (Checkliste und Formatvorgaben siehe Umschlagseite hinten). Authors of scientific contributions are requested to submit their manuscripts directly to the editor, Dr. Jungk (see backpage for formatting guidelines). IHR ONLINE-ABONNEMENT DER TuS Ab dem Jahrgang 2019 können Sie die aktuellen Hefte der Tribologie und Schmierungstechnik im Online-Abonnement beziehen. Die Hefte der vergangenen Jahrgänge werden kontinuierlich integriert. Unsere eLibrary bietet Ihnen einen qualitativ hochwertigen und benutzerfreundlichen Zugang zum digitalen Buch- und Zeitschriftenprogramm der Verlage expert, Narr Francke Attempto und UVK. Nutzen Sie mit uns die Chancen der Digitalisierung: https: / / elibrary.narr.digital/ journal/ tus Der Online-Zugang ist in Kombination mit dem Print-Abo oder als e-only-Abo erhältlich. Abo-Service: Tel: +49 (0) 7071-9797-10 Fax: +49 (0) 7071-9797-11 eMail: abo@narr.de TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 3 Anzeige 4 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaf Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sp \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswisse chaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwisse chaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilolo \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikatio wissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprac wissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ A philologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourism \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwisse chaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglisti Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtsch BUCHTIPP Rüdiger Krethe Handbuch Ölanalysen 1. Auflage 2020, 284 Seiten €[D] 148,00 ISBN: 978-3-8169-3499-8 eISBN: 978-3-8169-8499-3 expert verlag GmbH \ Dischingerweg 5 \ 72070 Tübingen \ Tel. +49 (0)7071 97 97 0 \ Fax +49 (0)7071 97 97 11 \ info@verlag.expert \ www.expertverlag.de Stand: August 2020 · Änderungen und Irrtümer vorbehalten! Das Buch bietet eine praxisorien琀erte Einführung in das Thema Ölanalysen. Es vermi琀elt das nö琀ge Hintergrundwissen, von der sachgerechten Probenentnahme, den Prüfverfahren bis zum Verstehen der Analysenergebnisse. Hierdurch unterstützt es den Anwender dabei, kostspielige Ausfallzeiten der Maschinen zu verhindern. Rüdiger Krethe ist diplomierter Maschinenbauer und Tribotechniker. Er befasst sich seit mehr als 25 Jahren intensiv mit der Schmierung von Maschinen, angefangen von der Produktauswahl, der innerbetrieblichen Organisa琀on bis hin zur Überwachung von Schmierölen und Hydraulik昀üssigkeiten während des Einsatzes. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 4 1 Einleitung Radialwellendichtringe (RWDR) werden zur Abdichtung von rotierenden Wellen eingesetzt. Auf Grund von gestiegenen Anforderungen an Energieeffizienz und Lebensdauer [1] und neuen Bewegungsprofilen wie z. B. in Roboteranwendungen [2] wird eine sorgfältige Auswahl und Auslegung des Dichtsystems unumgänglich. Dabei können sich weder Hersteller noch Anwender nur auf experimentelle Untersuchungen verlassen. Geeignete Simulationswerkzeuge erlauben die Untersuchung der Wirkmechanismen von RWDR auch auf der Mikroskala. Darüber hinaus ermöglichen sie eine eingeschränkte Vorhersage des Dichtsystemverhaltens. Neben makroskopischen Simulationen mit Hilfe von Finite Elemente Modellen [3] kommen dazu auch elastohydrodynamische (EHD) Simulationen zum Einsatz [4, 5]. Wird auch die Temperaturverteilung im Schmierfilm betrachtet, so spricht man vom Thermo-Elastohydrodynamik (TEHD). Die existierenden Modelle unterscheiden sich deutlich in ihrem Umfang. Nur wenige Modelle erlauben eine Temperaturberechnung. Bei der Untersuchung von gezielter Strukturierung wird zudem meist angenommen, dass der andere Kontaktkörper glatt ist, um transiente Effekte zu vernachlässigen [5]. 2 Funktionsverhalten von Radialwellendichtringen In Bild 1 l. ist der Aufbau eines RWDR schematisch dargestellt. Der Elastomerteil mit der Dichtkante ist an einen Versteifungsring aus Metall aufvulkanisiert. Die Dichtlippe ist über eine Membran mit dem Versteifungs- Aus Wissenschaft und Forschung 5 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 Thermo-Elastohydrodynamische Simulation von Radialwellendichtringen Stefan Thielen, Bernd Sauer* Eingereicht: 20. Januar 2020 Nach Begutachtung angenommen: 7. Juli 2020 Um den gestiegenen Anforderungen an die Lebensdauer und die Energieeffizienz von Radialwellendichtringen (RWDR) gerecht werden zu können, sind detaillierte mikroskalige Simulationen des Dichtkontakts nötig. Dafür kommen typischerweise (T)EHD Simulationen zum Einsatz. Der Umfang veröffentlichter Simulationsmodelle zu diesem Thema reicht von eher einfachen EHD Simulationen bis hin zu sehr detaillierten TEHD Modellen. Nur wenige Simulationsmodelle berücksichtigen die Rauheit und/ oder Mikrostruktur beider Kontaktflächen, da dies die Berücksichtigung transienter Effekte notwendig machen würde. In diesem Beitrag wird ein transientes TEHD Modell zur Simulation des Dichtkontaktes von RWDR vorgestellt. Untersuchungen des Dichtkontaktes werden durchgeführt und die Möglichkeit, gezielte Mikrostrukturierung von Wellenoberflächen zu untersuchen wird gezeigt. Schlüsselwörter transiente Thermo Elasto Hydrodynamik, Radialwellendichtringe, Mikrostrukturierung, Reibung Thermo-Elastohydrodynamic Simulation of Shaft Seals Regarding the increasing demand in seal lifetime and energy efficiency, a detailed microscopic simulation is necessary - as an addition to experimental investigations - to better understand and improve radial shaft seals. For this purpose, typically TEHL simulations are used. The published models range from rather simple EHL models to very sophisticated TEHL models. Only very few models take into account the roughness or micro-structure of both contact surfaces, though, since this would require the consideration of transient effects. In this contribution, a transient TEHL model for the contact of radial shaft seals is presented. Studies of the sealing contact are conducted and the possibility of investigating shaft microstructuring is shown. Keywords transient thermo-elasto-hydrodynamics, radial shaft seals, microstructuring, friction Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Stefan Thielen Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-3310-7659 Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-3489-5805 Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik, Technische Universität Kaiserslautern, 67663 Kaiserslautern TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 5 lenoberfläche einen konvergenten Spalt bilden und somit einen hydrodynamischen Druckaufbau erlauben (soft-EHD, EHD zweiter Ordnung). 3 Beschreibung des Simulationsmodells Im Folgenden wird das im Rahmen dieses Beitrags verwendete TEHD Tribosimulationsmodell präsentiert. Die für die Simulation relevanten Gleichungen und Randbedingungen werden vorgestellt und erläutert. 3.1 Simulationsgebiet und Schmierspalt Die Kontaktfläche zwischen RWDR-Dichtkante und Welle besteht aus der axialen Berührbreite b (üblicherweise ~ 100-300 µm) und der Kontaktlänge in Umfangsrichtung (~ 251 mm bei einer 80 mm Welle). Eine simulative Abbildung dieser Kontaktfläche wird durch das Längenverhältnis zwischen Kontaktbreite und -länge erschwert. Es würde eine sehr hohe Anzahl an Berechnungspunkten in Umfangsrichtung benötigt, um die Rauheiten im Dichtkontakt auflösen zu können. Daher ist eine Reduktion des Simulationsgebietes in Umfangsrichtung sinnvoll. Geht man davon aus, dass die Rauheiten auf der Dichtkante periodisch sind, so lässt sich das Simulationsgebiet entlang des Umfangs mit geeigneten Periodizitätsrandbedingungen auf die Periodizitätslänge der Rauheit der Dichtkante λ 2 reduzieren (s. Bild 2 o.). Der Schmierspalt wird dabei nach V AN BAVEL [9] und S ALANT [4] mit Hilfe von Cosinus-Funktionen beschrieben. Dabei wird die Umfangsrichtung mit der x- und die axiale Richtung mit der y-Koordinate beschrieben. Das axiale Dichtkantenprofil lässt sich ausdrücken als: Aus Wissenschaft und Forschung 6 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 ring verbunden und hat im unmontierten Zustand an der Dichtkante einen Innendurchmesser der kleiner ist als der Nenndurchmesser der Welle. Die Differenz der beiden Durchmesser wird als Überdeckung bezeichnet [6]. Durch die Aufdehnung des Elastomerteils und der Zugfeder während der Montage wird eine Anpresskraft zwischen Dichtkante und Welle - die Radialkraft - erzeugt. Die unterschiedlichen Kontaktwinkel zwischen Dichtkante und Welle auf der Bodenseite (Luftseite) (β) und Stirnseite (Ölseite) (α) und die relativ zur Dichtkante um h F in Richtung Bodenseite verschobene Federwirklinie erzeugen eine asymmetrische Kontaktpressung zwischen Welle und Dichtkante, die eine zwingende Voraussetzung für die Dichtheit des RWDR ist [7,8]. Bei Wellenstillstand beruht die Dichtwirkung eines RWDR auf der Anschmiegung des Elastomers an die Wellenoberfläche. Durch die Relativbewegung von Welle und Dichtkante entsteht jedoch ein wenige µm hoher Schmierspalt zwischen RWDR und Welle [7,8]. Die Dichtkantenoberfläche wird durch die Relativbewegung der Wellenrauheit und die viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers periodisch angeregt (vgl. Bild 1 r.). Der Dichtmechanismus beruht in diesem Zustand auf der tangentialen Verzerrung der Dichtkante, die einen Fördereffekt zur Ölseite hin erzeugt, falls die Verzerrungsverteilung ihr Maximum näher an der Ölseite hat. Aufgrund der Scherung des Schmierstoffs und Rauheitskontakt entsteht Reibung und die Kontaktflächen sowie der Schmierstoff werden erwärmt. Schon bei kleinen Drehzahlen steigt die Schmierstoffhöhe schnell an bis sie eine weitesgehend stabile Höhe im Bereich der Mischreibung erreicht hat. Der Schmierfilmaufbau beruht dabei zum großen Teil auf der Verformung der weichen Rauheitsspitzen der Dichtkante, die mit der Wel- Bild 1: Links: Darstellung eines Querschnitts durch einen auf der Welle montierten RWDR. Rechts: Tribokontakt zwischen RWDR und Welle mit dem verformten Elastomerbulk der dynamisch angeregten Elastomerschicht, dem Schmierstoff und der Welle (Triboschicht, Übergangszone zwischen Triboschicht und Gefüge, durch plastische Verformungen bei der Bearbeitung gestörtes Gefüge und ungestörtes Gefüge). TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 6 3.2 Hydrodynamik Zur Beschreibung der Hydrodynamik kommt eine Formulierung der allgemeinen R EYNOLDS gleichung mit Flussfaktoren und masseerhaltendem Kavitationsmodell mit dem Kavitationsgrad θ = 1-ρ/ ρ liq zum Einsatz: (6) Die Flussfaktoren werden nach P ATIR und C HENG [11, 12] bestimmt. Hier können die Rauheit der Welle und Rauheitsanteile der Dichtkante, die in der Schmierspaltgleichung nicht erfasst wurden, statistisch gemittelt berücksichtigt werden. Das komplementäre Kavitationsproblem mit dem Kavitationsgrad θ (p hyd > 0 -> θ = 0; p hyd = 0 -> 0 < θ ≤ 1) wird nach W OLOSZYNSKI [13] mit einer F ISCHER -B URMEISTER Gleichung beschrieben: (7) 3.3 Energiegleichung Der Schmierstoff im Dichtkontakt wird auf Grund der Reibung erwärmt. Dadurch sinkt die Viskosität, was wiederum die Reibung beeinflusst. Die viskosen Reibungsschubspannungen sind also stark mit der lokalen Schmierstofftemperatur Θ gekoppelt. Eine isotherme Berechnung würde die Reibung vor allem bei hohen Drehzahlen stark überschätzen. Um die lokale Schmierstofftemperatur bestimmen zu können wird eine vereinfachte Form der Energiegleichung gelöst: (8) Die folgenden Randbedingungen werden an den Grenzen des Simulationsgebiets aufgebracht: • Der konvektive Wärmetransport in axialer Richtung wird vernachlässigt [14]: • In Umfangsrichtung wird eine Periodizitätsrandbedingung verwendet [14]: Aus Wissenschaft und Forschung 7 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 ℎ( , ) = 2 ′ ( , ) ′ ′ ( − ) − ( − ′) ℎ 12 + ℎ 12 ! "#$%&'$**& -&./ = + 3 − 9 + 3 = 0 (1) = ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧ ℎ ABC D1 − cos E 2 FBG ( − FBG )HI , ∀ 0 ≤ < FBG ℎ ; BM D1 − cos E 2(1 − FBG ) ( − FBG )HI , ∀ FBG ≤ < N = Q 0 U V + Q S U V ! \&$^'8_ `a ` b de = `a ` b d^ = 0 R( ) = R( + Z ) ; `a ` b = `a ` b g h ℎ ; ( , ) Für Rauheit der Dichtkante wird folgende Beschreibung verwendet: (2) Eine Erläuterung der hier verwendeten Formelzeichen ist in Kapitel 6 zu finden. Der gesamte Schmierspalt wird aus der Summe der Festkörperannäherung h 0 , des axialen Dichtkantenprofils h a , der Rauheit h r und der Deformation d h berechnet. Falls eine Strukturierung der Welle s untersucht werden soll, so ergibt sich: (3) Die Wellenrauheit wird im Rahmen dieser Untersuchungen nicht im Schmierspalt modelliert, sondern statistisch gemittelt mit Hilfe von Flussfaktoren und der Festkörperkontaktdruckkurve berücksichtigt (vgl. Kapitel 3.2 und 3.4). 3.1.1 Verformungsberechnung Die Deformation der beiden Kontaktkörper wird mit der Halbraumtheorie nach B OUSSINESQ berechnet [10]: (4) Dabei beschreibt E‘ den reduzierten Elastizitätsmodul: (5) Damit die Halbraum-Theorie hier ohne Korrekturen für die Strukturdeformation der Dichtlippe (das Verdrehen der Dichtkante durch die Biegung der Membran bei der Montage auf der Welle) anwendbar ist, wird das Verdrehen der Dichtkante in der Beschreibung des Schmierspaltes vor der Kontaktdeformation berücksichtigt. Dies geschieht durch Auswertung von Finite Elemente Simulationen und Vermessungen an RWDR. Die Verformungsberechnung erfolgt daher kraftgesteuert basierend auf Radialkraftmessungen bei Einsatztemperatur. Die Periodizität des Kontaktes in Umfangsrichtung wurde mit geeigneten Modifikationen bei der Deformationsberechnung berücksichtigt. ℎ . ( , ) = ℎ % i 1 + cos(2 [ − ( , )]) (1 − cos(2 j . ))k ℎ = ℎ e + ℎ ; + ℎ M + ℎ + l 2 ′ = 1 − m n n + 1 − m = 0 / [1 − 3] ℎ + 0 . 2 [1 − 3] % ! 4#'&55& -&./ + 2 [1 − 3] ℎ 6 ! 5.78%$&85&. -&./ O P Q R 6 + 0 R + S R + T R U V ! W#8X&Y5$#8 − Z R U! W#8 'Y5$#8 TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 7 werten L) verbunden sind und die mit thermischen Leistungen P beaufschlagt werden. Ein stationäres Thermisches Netzwerk kann beschrieben werden mit: (9) Die Berechnung der Leitwerte L kann z. B. nach [3, 15, 16] erfolgen. Die Aufteilung des Dichtsystems in die thermischen Knoten ist in Bild 2 u. dargestellt. 3.4 Mischreibung RWDR werden typischerweise unter Mischreibungsbedingungen betrieben, daher kann Kontakt zwischen den Rauheitsspitzen vorkommen, was zu zusätzlichen Kontaktdrücken und Reibungsanteilen führt. Aus Wissenschaft und Forschung 8 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 • F RÖLICH konnte in numerischen Untersuchungen zeigen, dass weniger als 3 % der Wärmeableitung aus dem Dichtkontakt über die Dichtlippe führt [3], daher wird vereinfachend eine perfekt isolierende Dichtkante angenommen [14]. • Um die Wärmeabfuhr über die Welle zu bestimmen, wird ein einfaches Thermisches Netzwerk angewandt. Als Ergebnis kann die Temperatur der Wellenoberfläche im Dichtkontakt bestimmt und als Randbedingung aufgebracht werden. Ein Thermisches Netzwerk ist ein thermisch-elektrisches Analogiemodell, bei dem das zu modellierende System in isotherme Knoten mit der Temperatur Θ zerlegt wird, die mit thermischen Widerständen (bzw. Leit- Bild 2: Oben: Reduzierung des Simulationsgebietes auf periodische Rauheitsstruktur der Dichtkante. Unten: Einfaches Thermisches Netzwerk zur Bestimmung der Wellenkontakttemperatur. p R = q TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 8 Zur Berücksichtigung der Mischreibung wurden mit Hilfe von Kontaktmechaniksimulationen [17] an hochaufgelösten Oberflächenaufnahmen von RWDR und Welle Festkörperkontaktdruckkurven bestimmt. Die Rauheitskomponenten die bereits im Schmierfilm modelliert wurden, wurden dabei herausgefiltert. Mit Hilfe der im Rahmen der TEHD-Simulation deutlich gröber aufgelösten Schmierspalthöhe lässt sich dann lokal der mittlere Festkörperkontaktdruck p sb bestimmen. Durch Multiplikation mit der Grenzreibzahl µ sb kann der Festkörperanteil der Reibung bestimmt werden. Für die Fluidreibung gilt: (10) Damit folgt für die gesamte Schubspannung in x-Richtung: (11) Das Reibmoment lässt sich durch Integration von τ über dem Simulationsgebiet, skalieren auf den gesamten Umfang und Multiplikation mit dem Wellendurchmesser r w bestimmen zu: (12) 3.5 Kräftegleichgewicht Das Kräftegleichgewicht zwischen der Radialkraft und den schmierspaltbildenden Drücken im Dichtkontakt muss erfüllt werden: (13) 3.6 Numerische Lösung der gekoppelten Gleichungssysteme Die gekoppelten Gleichungssysteme werden entdimensioniert, durch geeignete Verfahren diskretisiert und iterativ gelöst. 4 Simulationsergebnisse In diesem Abschnitt sollen die mit dem oben vorgestellten Modell erzielten Simulationsergebnisse präsentiert werden. Zuerst werden allgemeine Untersuchungen zum Schmierfilm- und Druckaufbau, den Fluidflüssen und der Temperatur im Dichtkontakt gezeigt. Zum Schluss wird am Beispiel einer gezielt mikrostrukturierten Welle aufgezeigt, dass mit dem TEHD Tribosimulationsmodell transiente Untersuchungen möglich sind. Als Simulationsparameter werden folgende Werte verwendet: E 1 = 210 GPa, E 2 = 4.36 MPa, ν 1 = 0,3, ν 2 = 0,49, λ h = 0.137 W/ mK, c v = 2120 J/ kgK, r W = 40 mm, b = 150 µm, f r = 26 N, h s = 1.47 µm, σ 1 = 0.30 µm, σ 2 = 0.92 µm, λ 1 = 558 µm, λ 2 = 32 µm, γ 1 = 29, γ 2 = 0.62, Θ oil = 70 °C, Θ amb = 22 °C. Als Schmierstoff wird ein unadditiviertes PAO basiertes Öl der SAE Klasse 0W-20 angenommen. 4.1 Schmierfilmaufbau und Schmierungszustand In Bild 3 ist der Schmierfilm im Wellenstillstand und für verschiedene Wellendrehzahlen dargestellt. Im Wellenstillstand wird die Rauheitsspitze flach an die Wellenoberfläche gepresst und abgeplattet. Durch die Wellenrotation und den damit verbundenen Aufbau eines hydrodynamischen Tragdruckes im konvergenten Spalt vor der Rauheitsspitze bildet sich schon bei sehr geringen Drehzahlen ein keilförmiger Spalt zwischen Rauheitsspitze und Wellenoberfläche aus. Die Oberflächen werden folglich schon teilweise durch einen tragenden Schmierfilm getrennt. Anfänglich steigt die Schmierfilmhöhe schnell an, bis sie sich allmählich asymptotisch einem Grenzwert nähert (vgl. Bild 4 o.). In Bild 4 m. sind die Anteile der Tragkraft des Schmierfilms aus dem hydrodynamischen Druckaufbau und dem Festkörperkontaktdruck über der Wellendrehzahl aufgetragen. In Übereinstimmung mit dem Verlauf der Schmierspalthöhe dominiert der hydrodynamische Anteil mit steigender Drehzahl. Allerdings wird deutlich, dass der Dichtring auch bei hohen Drehzahlen immer noch im Mischreibungsgebiet arbeitet, da noch ca. 10 % der Tragkraft aus dem Festkörperkontakt resultieren. Bild 4 u. zeigt den Vergleich des Reibmomentes für eine isotherme Berechnung, die Abschätzung der Schmierspalttemperatur nach E NGELKE [18] und der vollständigen TEHD Simulation. Im isothermen Fall steigt das Reibmoment fast linear mit der Drehzahl an. Der Einfluss der mit der Reibleistung im Dichtkontakt steigenden Schmierspalttemperatur auf die Ölviskosität und damit auf das Reibmoment bleibt hier unberücksichtigt. Bei der Verwendung des E NGELKE -Ansatzes und der vollständigen TEHD steigt das Reibmoment deutlich langsamer an. Darüber hinaus werden mit der vollständigen TEHD-Simulation im hohen Drehzahlbereich geringere Reibmomente berechnet als mit dem E NGELKE - Ansatz. Die Erklärung hierfür ist, dass die Schmierspalttemperatur nach E NGELKE auf einer semi-empirischen Methode beruht, bei der die Kontakttemperatur an der Wellenoberfläche experimentell bestimmt werden muss. Die tatsächliche Temperatur im Schmierfilm ist etwas höher als die Temperatur an der Wellenoberfläche und auf Grund der temperaturabhängigen Viskosität des Schmierstoffs ergibt sich ein geringeres Reibmoment. Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 r = (0 − 0 n ) 3 ℎ − ℎ 2 tuv r = r + μ %^ %^ w x. = r 2 y z Z ^ e g h e { . = ( + %^ ) 2 y z Z ^ e g h e TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 9 mer wieder beobachtete Ölkohlebildung im Dichtkontakt [19] von RWDR sein könnte. 4.3 Mikrostrukturierte Wellenoberflächen Im Folgenden soll am Beispiel einer mikrostrukturierten Wellenoberfläche gezeigt werden, dass das TEHD Tribosimulationsmodell transiente Effekte simulieren kann. In isothermen Simulationen konnte bereits eine Mikrostrukturgeometrie ausgewählt werden, die die (simulierte) Reibung signifikant reduzieren konnte [20, 21]. Diese Struktur (s. Bild 5 l. u.) wird in den folgenden Untersuchungen verwendet. Dabei wird ein Abstand von 30 µm in Umfangsrichtung und 150 µm in axialer Richtung verwendet. Bild 7 zeigt den Verlauf des Reibmoments bei 1000 min -1 . In den ersten 0,01 ms steigt die Schmierspalthöhe stark an. Der Grund hierfür ist die Startbedingung der Simulation. Im ersten Zeitschritt wird davon ausgegangen, dass die Schmierspalthöhe im vorletzten (0.) Zeitschritt der Schmierspalthöhe aus dem statischen Kontakt zwi- Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 4.2 Fluidfluss und Temperaturverteilung Die Umlenkung des Schmierstoffs um die Rauheitsspitzen im Dichtkontakt spielt eine wichtige Rolle für den Fördereffekt und somit für die dynamische Dichtheit des RWDR [3, 4]. In Bild 5 o. ist die Fluidumlenkung um die Rauheitskuppen mit deutlich ausgeprägter Seitenströmung dargestellt. Die Strömungsanteile in Umfangsrichtung wurden dabei skaliert. Die TEHD Simulation erlaubt eine lokal aufgelöste Bestimmung der Temperatur im Schmierspalt. Im Gegensatz zu der Druckberechnung wird dabei auch die Schmierspalthöhenrichtung aufgelöst. In Bild 6 ist neben der lokalen Spalthöhe und Druckverteilung auch die Temperaturverteilung über der Dichtkontaktfläche bei 4500 min -1 dargestellt. Dazu wurde für jeden Punkt die Temperatur entlang der Höhenkoordinate gemittelt. Deutlich zu erkennen sind die großen lokalen Temperaturunterschiede im Schmierspalt. Die Maximaltemperatur liegt deutlich über der für den gesamten Schmierspalt gemittelten Temperatur, was eine Erklärung für die im- Bild 3: Aufbau eines Schmierfilms zweiter Ordnung unter den Rauheitskuppen im Dichtkontakt. Dargestellt als Höhenprofil des Schmierspaltes in einem axialen Schnitt. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 10 Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 Bild 4: Oben: Mittlere und minimale Schmierspalthöhe; Mitte: Traganteil aus Hydrodynamik und Festkörperkontakt. Unten: Reibmoment für verschiedene Temperaturberechnungsverfahren; aufgetragen über der Wellendrehzahl. Bild 5: Oben: Fluidumlenkung durch die Rauheitsspitzen im Dichtkontakt (skaliert). Unten: Geometrie der untersuchten Mikrostruktur. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 11 steigender Schmierspalthöhe erwartungsgemäß sinkt. Sobald die Struktur den Druckberg vor den Rauheitsspitzen auf der Dichtkante passiert, steigt die mittlere Schmierspalthöhe schnell an und fällt wieder ab, sobald die Struktur in den nächsten Druckberg einläuft. Die Wirkung der Struktur scheint somit im divergenten Spaltbereich hinter dem Spaltminimum am größten zu sein. Im Vergleich mit dem Reibmoment im unstrukturierten Fall ist eine deutliche Reibmomentreduzierung zu erkennen. Aus Wissenschaft und Forschung 12 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0013 schen Welle und Dichtkante entspricht. Da die Zeitinkremente sehr klein sind, dämpft der Quetschterm der R EYNOLDS gleichung den Anstieg der Schmierspalthöhe anfangs. Nach spätestens 0,02 ms wird dieser Dämpfungseffekt überwunden und die Spalthöhe verändert sich periodisch mit jedem Durchlauf der Struktur durch das Simulationsgebiet. Umgekehrt verhält sich das Reibmoment. Auch hier zeigt sich eine Abhängigkeit von der relativen Position zwischen Wellenstruktur und Dichtkante, wobei das Reibmoment mit Bild 6: Temperatur, Hydrodynamischer Druck und Spalthöhe im Simulationsgebiet bei 4500 min -1 . Bild 7: Reibmomentverlauf einer mikrostrukturierten Welle. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 12 5 Zusammenfassung und Ausblick In diesem Beitrag wurde ein TEHD Tribosimulationsmodell für RWDR vorgestellt, mit dem die lokalen Schmierstofftemperaturen und auch transiente Effekt berücksichtigt werden können. Mit diesem Model konnten grundlegende Untersuchungen zum Betriebsverhalten eines RWDR Dichtsystems durchgeführt werden. Außerdem wurde nachgewiesen, dass das Modell die Berücksichtigung von transienten Effekten erlaubt. Um die Reibmomentreduzierung durch Mikrostrukturierung tiefgreifend zu verstehen sind noch weitere Untersuchungen bei verschiedenen axialen Positionen [5] und Drehzahlen nötig. Darüber hinaus soll als Fernziel durch eine Erweiterung des TEHD Tribosimulationsmodells um eine Beschreibung von Hysteresereibungsanteilen, einem Nicht- N EWTON ’schen Schmierstoffmodell und Wandschlupfeffekten die Vorhersagegüte weiter verbessert werden. 6 Nomenklatur b Kontaktbreite des Dichtkontakts m c v Spezifische Wärmekapazität J/ kgK d h Verformung des Dichtspalts M f r Radialkraft N h Spalthöhe m h a Axiales Dichtkantenprofil m h air Spalthöhe auf der Luftseite m h F Federhebelarm m h oil Spalthöhe auf der Ölseite m h 0 Festkörperannäherung m m fr Reibmoment Nm n Drehzahl min -1 p fl Hydrodynamischer Druck Pa p sb Festkörperkontaktdruck Pa r w Wellenradius m s Wellenmikrostruktur m t Zeit s u,v,w Geschwindigkeit in x, y, z Richtung m/ s x,y,z Raumkoordinaten m y min Axiale Position des Spaltminimums m E Elastizitätsmodul Pa L Thermische Leitfähigkeit zwischen den Knoten des thermischen Netzwerks K/ W N r Anzahl der Rauheitsspitzen im Dichtkontakt (axial) - P Thermische Verlust-/ Heizleistung W α Kontaktwinkel auf der Ölseite ° β Kontaktwinkel auf der Luftseite ° δ Tangentiale Verzerrung der Dichtkante m η Dynamische Schmierstoffviskosität Ns/ m 2 γ P EKLENIK Faktor λ Periodenlänge der Rauheit von Welle ( 1 ) und Dichtkante ( 2 ) m λ h Wärmeleitfähigkeit W/ mK µ sb Grenzreibwert ν P OISSON zahl ϕ Flussfaktoren -/ m ρ Dichte kg/ m 3 σ Charakteristische Rauheit / quadratische Rauheit m τ Tangentialspannung Pa θ Kavitationsgrad - Θ Temperatur °C 1 Index Welle 2 Index Dichtkante Danksagung Diese Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert - Project - ID 172116086 - SFB 926. 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Großes Potential bieten hierbei vor allem Einsparungen in den Sektoren Transport und Produktion, durch den sukzessiven Einsatz von Leichtbauwerkstoffen sowie die Reduktion von Reibung und Verschleiß in tribologischen Systemen [1,5]. Aufgrund der geringen Dichte ρ von technischen Kunststoffen und deren kostengünstigen Herstellung mittels Spritzguss, werden metallische Bauteile heutzutage oftmals durch diese ersetzt [6,7]. Weiterhin besitzen technische Kunststoffe eine hohe chemische und biologische Kompatibilität, thermische und elektrische Isolation, Aus Wissenschaft und Forschung 15 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Steigerung der Leistungsfähigkeit technischer Kunststoffe durch DLC-Beschichtungen Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Christian Kalscheuer, Matthias Thiex* Eingereicht: 20. Januar 2020 Nach Begutachtung angenommen: 10. Juli 2020 Die geringe Dichte ρ, die hohe thermische Isolation sowie die Möglichkeit zur kostengünstigen Herstellung mittels Spritzguss qualifizieren Kunststoffe für den Einsatz als Konstruktions-werkstoff für Leichtbauelemente wie bspw. Zahnräder. Die Leistungsfähigkeit wird jedoch durch die geringe Verschleißbeständigkeit von technischen Kunststoffen im TEHD- Kontakt mit Stahl negativ beeinflusst. Eine Verbesserung des tribologischen Verhaltens von technischen Kunststoffen kann durch Beschichten mit Diamondlike Carbon (DLC) erreicht werden. Untersuchungen am IOT zeigen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Verbundhaftung zwischen Polyetheretherketon (PEEK) und DLC-Beschichtungen. Der Einsatz von DLC-Beschichtungen auf PEEK im geschmierten tribologischen Kontakt mit Stahl führte zu einer Reduktion des Verschleißvolumens um bis zu 50 % im Vergleich mit einem unbeschichteten Kontakt. Schlüsselwörter DLC, PEEK, technische Kunststoffe, Schmierstoffe, Verschleiß, Reibung, Gleitkontakt, Tribologie Performance enhancement of engineering plastics through DLC coatings The low density ρ, thermal insulation and cost-effective production by injection moulding qualify technical plastics for the use on lightweight machine elements such as gears. However, due to the low thermal stability and strength of engineering plastics compared to steel materials, tribological use is limited to tribological contacts with low loads. The wear resistance of engineering plastics can be increased by using diamond-like carbon (DLC) coatings. Studies at the IOT show promising results regarding the compound adhesion between polyether ether ketone (PEEK) and DLC coatings. The application of DLC coatings on PEEK in a lubricated tribological contact with steel resulted in a wear volume reduction of up to 50 % compared to an uncoated contact. Keywords DLC, PEEK, technical plastics, lubricants, wear, friction, sliding contact, tribology Kurzfassung Abstract * Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-3797-8347 Dr.-Ing. Tobias Brögelmann Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-6512-427X Dipl.-Ing. Christian Kalscheuer M. Sc. Matthias Thiex Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-0546-9698 Institut für Oberflächentechnik (IOT), RWTH Aachen University, 52072 Aachen, Germany TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 15 durch die gesteigerte Ionisation des Plasmas bei Einsatz des HPPMS-Verfahrens verbessert [28]. 2 Experimenteller Aufbau 2.2 Entwicklung und Herstellung der DLC-Beschichtung Als DLC-Beschichtungen wurden wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffbeschichtungen a-C: H auf quadratische PEEK-Prüfkörpern, A = 30 mm x 30 mm, H = 8 mm, hergestellt. Zur Einstellung der geforderten Oberflächengüte des technischen Kunststoffes Ra = 0,03 µm wurde eine angepasste mechanische und chemische Vorbehandlungsmethodik ausgearbeitet. Insgesamt wurden drei unterschiedliche a-C: H-Beschichtungen, DLC-n (n = 1, 2 und 3), entwickelt und hergestellt, Tabelle 1. Hierzu wurden die Beschichtungen auf der industriellen Beschichtungsanlage CC800/ 9 Custom, CemeCon AG, Würselen, Deutschland, unter Verwendung des HPPMS-Verfahrens abgeschieden. Auf den zwei verwendeten HPPMS-Kathoden wurden C-Targets mit einer Reinheit von C 99,9 % zur Abscheidung der DLC-Beschichtung angebracht. Als Prozess- und Reaktivgase dienten Argon (Ar), Helium (He) und Ethin (C 2 H 2 ). Die Prozessparameter zur Herstellung der DLC-Beschichtungen können Tabelle 1 entnommen werden. Die weiteren Prozessparameter werden in Kapitel 3.1 ausführlich diskutiert. 2.3 Analyse der Schicht- und Verbundeigenschaften Die topographische Analyse der Beschichtungen erfolgte mittels der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie (CLSM) Keyence VK X210, Tokio, Japan. Hierdurch konnte die Oberflächenrauheit des Substratwerkstoffes PEEK während der Entwicklung der Vorbehandlungsmethodik gemäß ISO 4287 [29] bestimmt werden. Darüber hinaus wurden Scratchtests zur Analyse der Verbundhaftung zwischen Substratwerkstoff und DLC-Beschichtung in Anlehnung an DIN EN ISO 20502, [30], Aus Wissenschaft und Forschung 16 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Geräuschdämpfung die zum Erfolg als Konstruktionswerkstoff für Konsumgüter geführt haben [6,8,9]. Hierzu ist anzumerken, dass für den individuellen Fall die Kombination von technischem Kunststoff und dem umgebenden Medium gesondert betrachtet werden muss. Im Vergleich zu Elastomeren weisen teilkristalline Thermoplaste, wie beispielsweise Polyetheretherketone (PEEK), eine höhere Strukturstabilität, vorteilhafte thermomechanische Eigenschaften, eine höhere Temperaturbeständigkeit, Recyclingfähigkeit und oftmals eine geringere Trockenreibung im tribologischen Kontakt auf [8,10,11]. Dies macht sie besonders interessant als Konstruktionswerkstoff für Maschinenelemente wie Zahnräder [9,11,12], Gleitlager [6,9,13] und trocken laufende Anwendungen, bei denen Schmierstoffe oftmals nicht eingesetzt werden können, wie beispielsweise aus hygienischen Gründen in der Lebensmittelindustrie [6,14]. Oder in medizinischen Implantaten [15,16]. Da Stahlwerkstoffe im Vergleich zu technischen Kunststoffen eine vielfach höhere thermische Stabilität und Festigkeit aufweisen, ist der Einsatz von Kunststoffen in Wälzkontakten von Zahnrädern bisher auf gering belastete Kontakte beschränkt [6-8,11,12]. Vor allem bei trockenen Betriebsbedingungen führt ein Anstieg der Reibungswärme durch Überschreiten der Schmelztemperatur zum Versagen der technischen Kunststoffe [6,10,11,17]. Als besonders vielversprechend gilt die Beschichtung von technischen Kunststoffen mittels Diamond-like Carbon (DLC). Deren Einsatz in tribologischen Kontakten zeigt eine signifikante Reibungs- und Verschleißreduktion im Vergleich zum unbeschichteten Stahl/ Stahl-Kontakt [5,18-22]. Dies ergibt sich aus der Kombination von graphitischen sp 2 - und diamantartigen sp 3 -Bindungen innerhalb der DLC-Beschichtung [18,23]. Weiterhin können DLC-Beschichtungen mittels High Power Pulse Magnetron Sputtering (HPPMS)-Beschichtungsprozessen [24-26] bei T ≤ 200 °C hergestellt werden [18-20,27], sodass eine thermische Beeinträchtigung der Eigenschaften technischer Kunststoffe vermieden wird. Entscheidend für den tribologischen Einsatz ist die Verbundhaftung zwischen Substratwerkstoff und DLC-Beschichtung. Diese wird Prozessparameter, [Einheit] DLC-1 DLC-2 DLC-3 Argongasfluss, Q(Ar) [sccm] 200 200 200 Prozessdruck, p [mPa] 500 500 500 Ethingasfluss, Q(C 2 H 2 ) [sccm] 10 10 10 Heliumgasfluss, Q(He) [sccm] 50 50 70 HPPMS-Kathodenleistung, P [kW] 4 4 4 Puls-an-Zeit, t on [μs] 100 100 100 Frequenz, f [Hz] 500 500 500 Biasspannung, U B [V] -200 -250 -250 Tabelle 1: Prozessparameter der hergestellten DLC-Schichtsysteme TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 16 mittels CLSM aufgenommen. Zur Analyse der Schichtmorphologie und -dicke wurden Querbruchaufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), ZEISS DSM 982 Gemini, Carl Zeiss AG, Oberkochen, ausgewertet. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften mittels Nanoindentation erfolgte unter Verwendung eines Berkovich-Diamanten. Hierzu wurde ein Nanoindenter vom Typ TI 950 TriboIndenter, Bruker Corporation, Billerica, Massachusetts, USA, eingesetzt. Die Eindringkraft betrug F E = 2 mN. Die Berechnung des Eindringmoduls E IT und der Eindringhärte H IT basiert auf den Gleichungen von Oliver und Pharr [31], wobei für die Beschichtungen eine konstante Poissonzahl von ν = 0,25 [32] angenommen wurde. Das Verschleißverhalten wurde anhand von CLSM- und REM- Aufnahmen ausgewertet. Dabei wurden die unbeschichteten und beschichteten Grundkörper betrachtet, um den Einfluss durch die Beschichtung analysieren zu können. Eine Untersuchung der unbeschichteten Gegenkörper konnte im Rahmen dieser Studie bisher nicht durchgeführt werden, ist jedoch für weiterführende Analysen geplant. 2.4 Tribologische Analyse der DLC-Beschichtungen Die a-C: H-beschichteten Proben wurden in einem Pinon-Disk (PoD)-Tribometer, CSM Instruments, Peseux, Schweiz, analysiert. Die tribologischen Messungen wurden mit unbeschichteten Kugeln, Ø = 3 mm, aus dem Stahl 100Cr6 (AISI 52100/ 1.3505), wärmebehandelt und angelassen auf eine Härte von H = (60 ± 2) HRC, als Gegenkörper durchgeführt. Als Grundkörper wurden a-C: H-beschichtete PEEK-Prüfkörper eingesetzt. Die tribologischen Versuche wurden geschmiert unter Grenz- und Mischreibungsbedingungen für den tribologischen Kontakt Kunststoff/ Stahl (PEEK/ 100Cr6, PEEK/ Stahl) und DLC-PEEK/ Stahl (DLC-n-PEEK/ 100Cr6, DLC-n/ Stahl) mit einer initialen Hertz’schen Pressung von p H = 345 MPa, einer konstanten Normalkraft von F N = 20 N, einer Laufstrecke von s = 4.000 m ; 255.158 Umdrehungen, einer Relativgeschwindigkeit von v = 10 cm/ s, einem Radius von r = 2,5 mm sowie einer Temperatur von T = 60 °C durchgeführt. Die Messung der Probentemperatur erfolgt unterhalb der Probe im PoD-Tribometer. Weiterhin wurden die Versuche jeweils einmal wiederholt, um die Ergebnisse zu verifizieren. 2.5 Schmierstoffe Für die tribologischen Untersuchungen wurden zwei Schmierstoffe mit einer Viskosität bei T = 100 °C von η ≈ 10 cSt nach ISO VG 100 eingesetzt. Als Basisschmierstoff wurde der mineralische Schmierstoff FVA3 verwendet. Aufgrund der, für den technischen Kunststoff PEEK, hohen initialen Hertz’schen Pressung im tribologischen Kontakt, wurde der Schmierstoff FVA3A mit dem Extreme Pressure (EP)- und Anti-Wear (AW)-Additiv Anglamol 99 verwendet. Hierzu wurden 4 Wt.% des schwefel- und phosphorhaltigen Additivs dem Grundschmierstoff FVA3 zugegeben, FVA3A. Die Analysen der Schmierstoffparameter Dichte ρ, Viskosität η und Viskositätsindex VI für die verwendeten Schmierstoffe wurden bei der OELCHECK GmbH, Brannenburg, Tabelle 2, durchgeführt. 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Entwicklung einer Vorbehandlungsmethodik für technische Kunststoffe und PVD-Prozessentwicklung Der bestimmende Haftungsmechanismus in der PVD- Technik ist die Adhäsion, was zu hohen Anforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte der zu beschichtenden Substratwerkstoffe führt [10]. Dementsprechend wurde zu Beginn eine mechanische Vorbehandlungsmethodik speziell für den technischen Kunststoff PEEK mittels unterschiedlicher Schleif- und Polierprozesse entwickelt, Bild 1. Hierzu wurden die PEEK-Prüfkörper in Nassschleifprozessen unter Einsatz von Siliziumcarbidpapier verschiedener Körnungen auf eine Rauheit von Ra = 0,04 µm geschliffen. Anschließend wurden die PEEK-Prüfkörper mit einer wasserbasierten Diamantsuspension, d = 3 µm, auf eine Rauheit von Ra = 0,03 µm poliert. Vor dem Beschichtungsprozess erfolgte zusätzlich eine chemische Reinigung in einer standardisierten Reinigungsstraße unter Einsatz von Ultraschall und eines Reinigungsmittels, Bild 1. Die geringe thermische Beständigkeit des technischen Kunststoffes erfordert eine Beschränkung der Prozesstemperatur unter T < 200 °C, weshalb eine systematische Entwicklung der PVD-Beschichtungsprozesse erfolgte. Grundlage hierfür waren die am IOT bestehen- Aus Wissenschaft und Forschung 17 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Schmierstoff Viskosität η [cSt] bei T = 40 °C Viskosität η [cSt] bei T = 100 °C Dichte ρ [kg/ m 3 ] bei T = 15 °C Viskositätsindex VI [-] bei T = 25 °C FVA3 94,5 9,8 885,0 77 FVA3A 95,0 10,0 885,0 94 Tabelle 2: Eigenschaften der Schmierstoffe FVA3 und FVA3A TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 17 der DLC-Beschichtung hat [35]. Neben Argon wurden zusätzlich geringe Mengen an Helium eingesetzt, um die Ionisationsrate der Teilchen und damit den Anteil an diamantartigen sp 3 -Bindungen in den a-C: H-Beschichtungen zu steigern [18,35]. Durch das Anlegen einer negativen Biasspannung U B am zu beschichtenden Bauteil kann die kinetische Energie der in der Gasphase befindlichen positiv geladenen Teilchen erhöht werden [18,21], Bild 1. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf die Verbundhaftung zwischen Bauteil und Beschichtung sowie auf die Morphologie und die Eigenspannungen der Beschichtung [18,34,36]. Zusätzlich ist eine Steigerung der Verbundhaftung zwischen Bauteil und Beschichtung durch einen gradierten Schichtaufbau der a-C: H-Beschichtungen [27,34], sowie die Anwendung des High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) möglich [28]. Die HPPMS-Technologie ist eine Verfahrensvariante des PVD, bei welcher hochenergetische Teilchen durch Energieimpulse von bis zu einem Megawatt mit einer Frequenz von wenigen Mikrosekunden erzeugt werden. Hierdurch wird die Ionisationsrate der Teilchen erhöht, sodass im Falle von DLC vermehrt diamantartige Bindungen erzeugt werden können [37]. Aus Wissenschaft und Forschung 18 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 den DLC-Beschichtungsprozesse und Erkenntnisse aus dem DFG-Sonderforschungsbereich (SFB) 442 [33]. Generell untergliedert sich der PVD-Beschichtungsprozess in die Schritte Heizen, Plasmaätzen, Beschichten und Kühlen, Bild 1, [34]. Die beiden Prozessschritte Heizen und Plasmaätzen dienen dabei der Reinigung der Substratwerkstoffoberfläche durch das Entfernen von festhaftenden Fetten und Hydroxidschichten. Hierdurch werden die Kunststoffbindungen der zuvor mechanisch und chemisch behandelten Kunststoffoberfläche aktiviert. Dies erfolgt durch die Ionisation eines Argonplasmas. Das Beschichten im Hochvakuum unterteilt sich in die drei Verfahrensschritte Verdampfen, Transport und Kondensation/ Schichtbildung [10]. Durch das Verdampfen des Ausgangs-materials Kohlenstoff, wird dieser teilionisiert in die Dampfphase überführt und zum Bauteil transportiert. Die positiv geladenen und neutralen Teilchen kondensieren schließlich auf dem Substratwerkstoff, sodass es zur Schichtbildung kommt. Entscheidend ist dabei der Grad der Ionisation, welcher Einfluss auf die mechanischen und chemischen Eigenschaften Bild 1: Schematische Darstellung einer Beschichtungskammer und Prozessschritte zur Herstellung einer PVD-Beschichtung Bild 2: Querbruch- und Topographieaufnahmen der DLC-Beschichtungen auf PEEK mittels REM TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 18 3.2 Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften der DLC-Beschichtungen Die Querbruchaufnahmen der DLC-Beschichtungen zur Analyse der Mikrostruktur sind in Bild 2 dargestellt. Die Schichtdicke t variiert abhängig von den gewählten Prozessparametern im Bereich 1,4 µm ≤ s ≤ 1,6 µm. Die Beschichtungen DLC-1 und DLC-2 zeigen eine grobkolumnare Schichtmorphologie, wohingegen die Beschichtung DLC-3 eine teilkristalline Struktur, bestehend aus amorphen und feinkolumnaren Bereichen, besitzt. Die Oberfläche zeigt eine homogene Topographie ohne erkennbare Fehlstellen für die Beschichtungen DLC-1 und DLC-2. DLC-3 besitzt aufgrund zweier Riefen des Substratwerkstoffes eine uneben wirkende Oberflächentopographie, was jedoch anhand der Querbruchaufnahme widerlegt werden kann. Weiterhin wurden die mechanischen Eigenschaften der DLC-Beschichtungen bestimmt, Bild 3. Die Eindringhärten HIT der Beschichtung DLC-1 und DLC-2 liegen in etwa auf gleichem Niveau, HIT ≈ 6,6 GPa. Eine Erhöhung der Eindringhärte auf HIT ≈ 9,8 GPa konnte durch die Steigerung des Heliumgasflusses von Q(He, DLC-1; 2) = 50 sccm auf Q(He, DLC-3) = 70 sccm, erreicht werden. Für den Eindringmodul E IT zeigt sich infolge der Erhöhung der Biasspannung U B und des Heliumgasflusses Q(He) eine kontinuierliche Steigerung von DLC-1 hin zu DLC-3. Hierdurch sind eine dichtere Mikrostruktur und ein hoher Anteil diamantartiger sp 3 -Bindungen in der Decklage zu erwarten [18,21]. Anschließend wurde die Verbundhaftung zwischen dem Substratwerkstoff und den DLC-Beschichtungen mittels Scratchtest in Anlehnung an DIN EN ISO 20502 durchgeführt. Hierbei zeigt sich anhand der kritischen Lasten Aus Wissenschaft und Forschung 19 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Bild 4: CLSM-Aufnahmen der kritischen Lasten F N von DLC-1, DLC-2 und DLC-3 auf PEEK Bild 3: Eindringhärte H IT und Eindringmodul E IT der DLC-Beschichtungen gemessen mit einer Eindringkraft von F E = 2 mN TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 19 Vergleich der Reibungskoeffizienten µ konnte eine signifikante Reibungsreduktion durch den Einsatz der drei unterschiedlichen DLC-Beschichtungen gegen 100Cr6 nachgewiesen werden. Grundsätzlich zeigen alle Kontakte ein kurzes Einlaufverhalten. Der geringste Reibungskoeffizient µ wurde durch den Einsatz der Beschichtung DLC-1 gegen 100Cr6 im tribologischen Kontakt erreicht. Die Unterschiede zwischen den einzelnen DLC-Beschichtungen ergeben sich prozessbedingt aus den unterschiedlichen Parametern und den daraus resultierenden mechanischen und chemischen Eigenschaften [19]. Weiterhin wurden die PoD-Versuche mit dem additivierten mineralischen Schmierstoff FVA3A durchgeführt, Bild 6. Da es sich bei dem verwendeten Additiv um einen AW-EP-Zusatz handelt, wurde grundsätzlich nur ein geringer Einfluss auf den Reibungskoeffizienten µ erwartet. Dies bestätigen auch die tribologischen Versuche infolge minimaler Abweichungen bezüglich der Reibungskoeffizienten µ beim Vergleich der FVA3- und FVA3Ageschmierten Kontakte, wobei µ jeweils im Bereich von 0,07 ≤ µ ≤ 0,09 liegt. Es ist jedoch anzumerken, dass in der Fachliteratur bereits gezeigt werden konnte, das durch den Einsatz von vergleichbaren AW-EP-Additiven auch eine Steigerung des Reibungskoeffizienten im tri- Aus Wissenschaft und Forschung 20 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Lc 2 = 10-20 N für DLC-1 und DLC-3 auf PEEK, Bild 4 a) und c), eine plastische und elastische Verformung. Auffällig ist jedoch, dass dieses Verformungsverhalten der DLC-1 und DLC-2 Beschichtung auf PEEK ohne optische Änderung auch bei einer kritischen Last von Lc 3 = 150 N beobachtet werden kann. Für die kritische Last Lc 1 des Verbunds DLC-3/ PEEK kann im Gegensatz zu der kritischen Last Lc 1 der DLC-1/ PEEK und DLC- 2/ PEEK keine plastische Deformationen nachgewiesen werden. Dies kann mit den verringerten mechanischen Eigenschaften der DLC-1- und DLC-2-Beschichtung im Vergleich zur DLC-3-Beschichtung begründet werden. Die Aufnahmen der kritischen Lasten Lc 2 -Lc 3 der DLC-2 Beschichtung auf PEEK, Bild 4 b), zeigen demgegenüber ein sprödes Verhalten auf. Dies lässt sich vor dem Hintergrund der ermittelten mechanischen Eigenschaften, Bild 3, aufgrund der im Vergleich mit der DLC-3 Beschichtung geringen Eindringhärte HIT und dem geringeren Eindringmodul EIT nicht zu erwarten. Hierzu müssen weitere Untersuchungen folgen, um die bisher noch offenen Fragen zu klären. 3.3 Tribologische Analyse der a-C: H-Beschichtungen im PoD-Tribometer Die Ergebnisse der tribologischen Untersuchungen mittels PoD für die PEEK/ Stahl- und DLC/ Stahl-Kontakte sind für den Schmierstoff FVA3 in Bild 5 dargestellt. Im Bild 5: Reibungskoeffizienten µ der FVA3-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m Bild 6: Reibungskoeffizienten µ der FVA3A-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 20 bologischen Kontakt mit DLC-Beschichtungen nachgewiesen werden konnte [38-42]. Die Steigerung des Reibungskoeffizienten wird darin durch die Bildung von triboinduzierten Schichten auf den DLC-Beschichtungen begründet. Die Analyse der Reibungskoeffizienten µ der DLC-Beschichtungen gegen 100Cr6 zeigt, dass diese abhängig vom Additiv unterschiedlich wechselwirken. Das Einlaufverhalten zeigt für die FVA3Ageschmierten Kontakte DLC-1/ Stahl und DLC-2/ Stahl einen kurzen Abfall der Reibungskurve, bevor sich diese an den jeweiligen Grenzwert annähert. Dies könnte im Vergleich mit dem Einlaufverhalten für den FVA3geschmierten Kontakt mit einer Wechselwirkung mit dem Additiv zusammenhängen. Da der DLC-2/ Stahl- Kontakt dieses Verhalten unter FVA3A-Schmierung nicht zeigt, sind hierzu weitere Untersuchungen nötig. Die Kombination DLC-3/ Stahl führt zum niedrigsten Reibungskoeffizienten µ. Im Anschluss an die tribologischen Untersuchungen wurden die Verschleißspuren aller Proben mittels CLSM aufgenommen, Bild 7 und Bild 8. Durch die DLC-Beschichtungen zeigen sich deutliche Unterschiede im Verschleißverhalten unter FVA3-Schmierung gegenüber unbeschichtetem PEEK. Für den PEEK/ Stahl-Kontakt sind Riefen innerhalb der Verschleißspur zu erkennen, welche auf einen abrasiven Verschleiß [43] hindeuten, Bild 7 a). Die DLC-beschichteten Probenkörper weisen hingegen einen signifikant geringeren abrasiven Verschleiß auf. Die quantitative Betrachtung der Verschleißvolumina von unbeschichtetem PEEK im Vergleich zu DLC-1 zeigt eine Reduktion um bis zu 40 % durch den Einsatz der DLC-Beschichtung, Bild 7 b). Anhand der CLSM- Aufnahmen der FVA3A-geschmierten Kontakte in Bild 8 erscheint die Tiefe der Riefen infolge des abrasiven Verschleißes für den unbeschichteten PEEK-Prüfkörper, Bild 8 a), im Vergleich zum FVA3-geschmierten PEEK/ Stahl-Kontakt, reduziert. Der Vergleich entsprechender Verschleißvolumina des unbeschichteten PEEK führt für den FVA3A-geschmierten Kontakt jedoch zu einem Anstieg, trotz des Einsatzes des EP-AW-Additivs Anglamol 99, Bild 8 a). Das Additiv Anglamol 99 zeigt tendenziell eine positive Wechselwirkung mit den DLC-Beschichtungen, was eine Reduktion der Verschleißvolumina W V zur Folge hat. Eine Ausnahme stellt die Beschichtung DLC-1 dar, welche keine Änderung hinsichtlich des Verschleißvolumens W V infolge der Zugabe des Additivs aufweist, Bild 8 b) und Bild 7 b). Die Aufnahme der Verschleißspur mittels REM auf dem unbeschichteten PEEK-Prüfkörper zeigt erkennbare Riefen und weist kleinere Ausbrüche an der Oberfläche auf, Bild 9 a). Dementsprechend treten die beiden Ver- Aus Wissenschaft und Forschung 21 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 Bild 7: Verschleißspuren und Verschleißvolumina der FVA3-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m Bild 8: Verschleißspuren und Verschleißvolumina der FVA3A-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 21 Anhand der Aufnahmen Bild 10 a) und Bild 10 b) zeigt sich, dass der Einsatz des Additivs Anglamol 99 zu einer Steigerung des abrasiven und adhäsiven Verschleißes, im Vergleich zum FVA3-geschmierten PEEK/ Stahl- Kontakt, führt. Eine Erklärung hierfür, könnten negative Wechselwirkungen zwischen dem EP- und AW- Additiv, dem PEEK-Prüfkörper und der Stahlkugel sein. Die REM-Aufnahmen bestätigen die Erkenntnisse aus den Messungen der Verschleißvolumina WV für die unbeschichteten PEEK-Prüfkörper, Bild 7 a), Bild 8 a), bezüglich der Unterschiede durch die Zugabe von Anglamol 99. Für die Verschleißspuren auf den DLC- Beschichtungen im FVA3A-geschmierten tribologischen Kontakt, Bild 9 a)-e), ergeben sich visuell keine Unterschiede im Vergleich mit den Verschleißspuren Aus Wissenschaft und Forschung 22 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0014 schleißmechanismen Abrasion und Adhäsion auf [43], wobei ersterer dominiert. In Bild 9 b)-d) sind die REM- Aufnahmen der Verschleißspuren der DLC-Beschichtungen dargestellt. Diese zeigen, dass eine partielle Einebnung im Nanometerbereich der Kolumnenoberfläche der DLC-Beschichtungen für den FVA3-geschmierten Kontakt stattfindet, Bild 9 b)-d). Hierbei werden lediglich die Rauheitsspitzen der DLC-Beschichtungen abgetragen, was sich anhand der größtenteils unveränderten Blumenkohlstruktur erkennen lässt. Es kann vermutet werden, dass es durch den Kontakt mit dem Stahlgegenkörper zu einer Transferschichtbildung kommt, welche sich positiv auf den Reibungskoeffizienten auswirkt [18,33], was durch weiterführenden Analysen zu verifizieren wäre. Bild 9: Verschleißspuren der FVA3-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m Bild 10: Verschleißspuren der FVA3A-geschmierten PEEK/ Stahl- und DLC-n/ Stahl-Kontakte bei p 0 = 345 MPa, T = 60 °C, v = 10 cm/ s und s = 4.000 m TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 22 der FVA3-geschmierten Kontakte. Grundsätzlich zeigen die DLC-Beschichtungen keine Schädigungen oder Risse auf. 4 Zusammenfassung Die Schichtmorphologie der DLC-Beschichtung wurde mittels REM untersucht und zeigt eine teilkristalline Struktur, bestehend aus amorphen und feinkolumnaren Bereichen. Darüber hinaus besitzen die DLC-Beschichtungen eine homogene Topographie ohne erkennbare Fehlstellen. Durch Variation der Prozessparameter konnten die mechanischen Eigenschaften der DLC-Beschichtungen gesteigert werden. Anhand der Untersuchungen mittels Scratchtest konnte zudem nachgewiesen werden, dass die Beschichtung unter sehr hohen kritischen Lasten kein vollständiges Abplatzen vom Substratwerkstoff aufweisen. Unabhängig vom gewählten Schmierstoff FVA3 oder FVA3A führte der Einsatz der DLC-Beschichtungen zu einer Reibungsreduktion gegenüber den unbeschichteten PEEK/ Stahl-Kontakten. Zusätzlich konnte das Verschleißvolumen um bis zu 50 % reduziert sowie die entscheidenden Verschleißmechanismen im tribologischen Kontakt mittels REM identifiziert werden. Die Analysen zeigen, dass DLC-Beschichtungen eine vielversprechende Möglichkeit darstellen, die Vorteile von Thermoplasten zu erhalten, deren Schwächen zu kompensieren und ihr mechanisches Verhalten zu verbessern. Die mechanischen Eigenschaften der DLC- Beschichtungen bieten großes Potential, die Verschleißmechanismen Abrasion und Adhäsion zu verringern und schädigende Wechselwirkungen zwischen dem Schmierstoff und dem thermoplastischen Werkstoff zu vermeiden. Darüber hinaus wird durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der betrachteten Beschichtungen das Substrat vor einem überhöhten Wärmeeinfluss geschützt, da die Wärme aufgrund der isolierenden Wirkung im Kontaktbereich verbleibt und über den Schmierstoff abgeführt werden kann. Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse zeigt sich das hohe Potential von DLC auf PEEK für den Einsatz in hochbelasteten tribologischen Anwendungen In weiteren Untersuchungen sollen auch glasfaserverstärkte technische Kunststoffe beschichtet und untersucht werden. Ein weiteres Ziel ist die Analyse der Verbundhaftung zwischen technischem Kunststoff und DLC-Beschichtung, um die aktuellen Kenntnisse zu vertiefen. Weiterhin sind chemische Analysen mittels Raman-Spektroskopie innerhalb der Verschleißspur geplant, um den Einfluss des tribologischen Kontaktes auf die Bindungsstruktur in der Kontaktzone bewerten zu können. Danksagung Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes „Thermo-Elastohydrodynamische Schmierung beschichteter Kunststoffverzahnungen“, BO 1979/ 57-1, erzielt. Die Autoren bedanken sich für die Förderung bei der DFG sowie bei der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), TU München, für die Bereitstellung der Schmierstoffe. Literatur [1] K. Holmberg, A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction 5 (2017) 263-284. [2] Umweltbundesamt, Bundes-Klimaschutzgesetz, https: / / www.bgbl.de/ xaver/ bgbl/ start.xav#__bgbl__%2F%2F* %5B%40attr_id%3D%27bgbl119s2513.pdf%27%5D__ 1578482237210, 20.01.2020: BKG, 2019. [3] Europäisches Kommision, The European Green Deal, https: / / ec.europa.eu/ info/ strategy/ priorities-2019-2024/ european-green-deal_de#documents, 20.01.2020, 2019. [4] Europäisches Parlament, Reduktion von CO 2 -Emissionen: EU-Klimaziele und Maßnahmen, http: / / www.europarl.europa.eu/ pdfs/ news/ expert/ 2018/ 3/ story/ 20180305 STO99003/ 20180305STO99003_de.pdf, 20.01.2020, 2019. [5] M. Kalin, M. Polajnar, M. Kus, F. 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Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 Use of analytically describable geometries to calculate the contact between rolling element face and rib in bearing simulations Sven Wirsching, Sebastian Schwarz, Stephan Tremmel* Eingereicht: 22. Januar 2020 Nach Begutachtung angenommen: 8. Mai 2020 Die Vielzahl der Kontaktstellen in Wälzlagern tragen abhängig von der Belastungssituation unterschiedlich zur Reibungsleistung, zur Temperaturentwicklung und damit zum Betriebsvermögen des Wälzlagers bei. Unter axialer Last beeinflusst vor allem der Kontakt zwischen Rolle und Bord den Betreib und damit die Reibungsleistung eines Rollenlagers, wie es bei der neuartigen Angular Roller Unit (ARU) der Firma Schaeffler der Fall ist. Bei bestehenden Programmen zur Auslegung von Wälzlagern erfolgt die Kontaktberechnung zwischen Wälzkörperstirn und Bord in der Regel mit der H ERTZ schen Theorie, was für komplexe Geometrien jedoch eine Vereinfachung darstellt. Dies kann zu Diskrepanzen bei der Berechnung der Einfederungen, Kontaktflächen und Kontaktpressungen verglichen zu hochwertigen numerischen Berechnungen (zum Beispiel Finite Elemente Analyse) führen. In diesem Beitrag wird daher eine neue, genauere Methode zur Berechnung des Kontaktes zwischen Wälzkörperstirn und Bord vorgestellt und mit der Finite Elemente Methode verglichen. Dazu werden die Geometrien analytisch beschrieben und bilden eine Ersatzgeometrie, welche in eine zweidimensionale Bettung, dem Ansatz nach W INKLER folgend, gedrückt wird. Über das Kräftegleichgewicht im Kontakt, ähnlich den Arbeiten von P OPOV , kann das Kontaktgebiet und die daraus resultierende Pressungsverteilung berechnet werden. Schlüsselwörter Kontakt, Pressung, Reibung, Berechnungs- und Simulationsmethoden, Kegelrollenlager, Wälzlager Depending on the load situation, the large number of contact points in rolling bearings contribute differently to the frictional power, temperature development and therefore the operating capacity of the rolling bearing. Under axial load, the contact between the roller and rib in particularly influences the operation and thus the frictional performance of a roller bearing, as it is the case with the new Angular Roller Unit (ARU) from Schaeffler. In existing programs for the dimensioning of rolling bearings, the contact calculation between the rolling element face and rib is usually based on the theory of H ERTZ , although this is a simplification for complex geometries. This can lead to discrepancies in the calculation of deflections, contact surfaces and pressure compared to high quality numerical calculations (for example finite element analysis). In this paper a new, more accurate method for calculating the contact between the rolling element face and rib is presented and compared with the finite element method. The geometries are described analytically and form a substitute geometry which is pressed into a two-dimensional bedding following the approach of W INKLER . By means of the equilibrium of forces in the contact, similar to the work of P OPOV , the contact area and the resulting pressure distribution can be calculated. Keywords Contact, pressure, friction, calculation and simulation methods, tapered roller bearings, bearings Kurzfassung Abstract * Sven Wirsching, M.Sc. Sebastian Schwarz, M.Sc. Dr.-Ing. Stephan Tremmel Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1644-563X Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KTmfk Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 91058 Erlangen, Deutschland TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 25 compared with finite element calculations in order to check the quality of the method. 2 Description of the models An essential objective in the dimensioning of modern roller bearings is the reduction of friction power. For this purpose, computationally intensive simulation tools are used so that the dynamic operating behavior can be recorded. Due to the already mentioned weaknesses of previously used calculation methods of contacts in rolling bearings, the new method should contribute to a more precise determination of the contact surface and pressure and thus to a more accurate and at the same time calculation-efficient determination of the frictional power. First, the geometries used in practice at the rolling element face and rib are analyzed. Second, these are generalized and the relevant parameters for describing the geometry are determined. Then, the method developed for pressure distribution in point contact (“Pressungsverteilung im Punktkontakt”) P IM P is explained. Finally, the pressures calculated with the method for both simple (ball) and complex (toroidal) geometries are compared with the results of a finite element analysis (FEA), in order to ensure a high quality of results of the presented method. 2.1 Description of the parameters of the geometry pairings to be investigated Different geometries of the rolling element face and rib, as typically used in roller bearings, are investigated. From this, the relevant parameters for their description and relevant geometry pairings are determined. The geometry of the rib can be reduced to two parameters: The so-called rib angle α between raceway and rib and the so-called rib radius r B , see Figure 2 (b). The geometry of the roller face can be described by the face radius r R and the eccentricity e, i.e. the distance of the center to the roller axis, see Figure 2 (b). In the next step, the parameters for generalized roller bearings are defined in such a way that the contact point between the roller face and rib always has the same distance to the roller axis as shown in Figure 2 (b). Aus Wissenschaft und Forschung 26 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 1 Introduction Roller bearings have a large number of different contacts, for example between the rolling elements and the raceways, the rolling elements and the cage pockets or other rolling elements, as well as between the rolling element face and the rib. Depending on the load situation, each of these contacts influences differently the frictional power, the temperature development and thus the operating capacity of the bearing. For special applications, for example in the gear sector, Schaeffler developed a new type of bearing design, the so-called Angular Roller Unit (ARU) [7]. This represents a very interesting case with regard to the rib contact situation. The ARU is geometrically based on a tapered roller bearing, but with an additional rib at the outer ring, as shown in Figure 1 (b). The rib arrangement is analogous to that of cylindrical roller bearings for support and fixed bearings ‒ thus the ARU can be used as a fixed bearing. The axial load capacity in the preferred direction is comparable to that of tapered roller bearings and in the non-preferred direction similar to that of cylindrical roller bearings. For an effective design of the ARU in order to fully exploit its performance capacity, it is necessary to calculate the frictional power for these load cases as precisely as possible. The frictional power is significantly influenced by the contact between the rolling element face and the rib. Quasistatic [6] and dynamic [8] rolling bearing simulation programs based on multi-body systems are used for the dimensioning. The state of the art for calculating the contact between the rolling element face and rib in calculation tools for dimensioning rolling bearings is the theory of H ERTZ [3] or the so-called disk model, as described by T EUTSCH in [9]. However, more complex geometries (for example torus), which are typically used to reduce friction between the rolling element face and rib, cannot be described with sufficient accuracy. This leads to more or less large discrepancies in the calculation of the deflection, contact area and shape as well as the contact pressure, compared to more sophisticated numerical calculations (e.g. finite element analysis). In addition, the discrepancies affect the calculation of the frictional power, because this is determined from the solid and fluid friction, which in turn depend on the distribution of the pressure and the sliding speed in the contact area. Therefore, this paper presents a new contact calculation method for the efficient determination of the pressure distribution, which is especially suitable for rolling bearing simulation. In addition, results obtained with this method are Figure 1: Geometrical features of (b) ARU, derived from (a) tapered and (c) cylindrical roller bearings TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 26 A tapered roller bearing with an inner ring bore diameter of 60 mm is used as an example for the investigations. Table 1 lists the determined combinations of geometry and parameters, which are used to change the roller and rib geometry of the bearing for the contact calculation using the Finite Element Method (FEM) and the P IM P method. The contact force F N for a single rolling element is varied from 100 to 400 N with increments of 50 N. These normal contact forces are derived from normal axial loads of roller bearings of mentioned size. 2.2 Structure of the P IM P method For an integration of the P IM P method in multi-body calculation tools for rolling bearing simulation a coupling of the contact calculation with the global multi-body calculation is necessary. In the following, this procedure is described in four steps, as already introduced in [13]. Step 1: Calculation of the contact point In multibody simulations, the position of the individual bodies in relation to each other must be determined first. For this purpose, the position of the body’s own coordinate systems is determined in a global, fixed coordinate system, as described by V ESSELINOV in [10]. In the following, an idealized contact point is selected based on the geometries of the bodies, in which the bodies touch each other at exactly one point in the sectional plane, defined by the axes of rotation of the rolling element and ring. The position of the contact point is described with the aid of the position vector q in the body’s coordinate systems. The normal vectors n of the surfaces of the two bodies are generated in the contact point. Step 2: Generation of the local geometry The geometry of each contact partner is described analytically in a further Cartesian coordinate system G. In this system, the forms considered here can be represented by one of the three equations mentioned in (1), see [1]. (1) The local vector q(x,y,z) describes not only the position of the contact point but also the position of a projection plane. The normal vector n(x,y,z) specifies the orientation of the projection plane in the contact point for each body. In the Cartesian coordinate system G, the geometries of the contact partners above the projection plane can be described by means of the ray tracing method with the ray equation (2) (see also G LASSNER [2]) and the vectors q(x,y,z) and n(x,y,z). (2) By inserting equation (2) in (1) and resolving to t, a function g G (x,y) can be formulated which describes the distance of each point of the geometry to the contact plane. For example, in the case of a sphere, the result is as shown in Figure 3 (a): Aus Wissenschaft und Forschung 27 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 No. geometry roller geometry rib r R in mm e in mm α in ° r B in mm 1 sphere cone 29 0 92 0 57 0 90 0 2 sphere torus 29 0 92 30 57 0 90 30 3 torus cone 14 2 90 0 28 2 89 0 4 torus torus 14 2 90 30 28 2 89 30 Figure 2: (a) Determination of the vectors for the position of the contact point; (b) Relevant parameters for the description of the geometry at the rib and the roller face Table 1: Geometry and parameter combinations for contact calculation with FEM and P IM P + − w ∙ U = 0 + + U = y ( + + U + } − y ) = 4} ∙ ( + ) cone: sphere: torus: l⃑(6) = €⃑ + 6 ∙ ‚⃑ TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 27 residual stress and frictionless, ideally smooth surface. Under these conditions the contact force (similar to P OPOV in [4]) can be calculated for each discrete element according to equation (5). This spring element is deformed by the displacement profile u z (x,y) and, together with the material properties described by the reduced Young’s modulus E* from equation (4), causes a reaction force ΔF z x/ y (x,y) for the respective discretization direction, as shown in equation (5). (5) With equation (5) the contact force ΔF z (x,y) = ΔF zx (x,y) · X (x) + ΔF zy (x,y) · Y (y) on an area element ΔA = Δl x · Δl y can be calculated. All forces ΔF z x/ y (x,y) are determined for each row of spring elements in xand y-direction, see Figure 4. Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 At the contact point t has the value zero. In this way, the geometries of both bodies are described by the distance functions g 1 (x,y) and g 2 (x,y). The two projection planes are parallel and congruent at the contact point. In the following, you can create a substitute geometry with the equation g(x,y) = g 1 (x,y) - g 2 (x,y) by the difference of these geometry descriptions. The contact of the substitute geometry with a plane describes equivalently the contact of the two rigid bodies. A displacement of the substitute geometry g(x,y) into the contact plane corresponding to the penetration d gives the displacement profile u z (x,y) = g(x,y) - d. The intersection of the substitute geometry with the contact plane is the contact surface. The contact plane is discretized in xand y-direction as shown in Figure 3 (c). A superposition of onedimensional beddings with spring elements for xand ydiscretization forms the basis for a two-dimensional bedding, similar to what W INKLER shows in [12] for the one-dimensional case. A spring element represents a discrete one-dimensional material section Δl x/ y . The reduced Young’s modulus E* represents the material properties as described by P OPOV in [5]. This is calculated from the Young’s modulus E 1 , E 2 and the Poisson’s ratio υ 1 , υ 2 of the two bodies, see equation (4). (4) Step 3: Calculation of the contact force After the substitute geometry has been generated and the contact has been mapped via a rigid body penetration, the contact force can be determined. The following assumptions are made: isotropic, homogeneous material, purely elastic behavior, dry normal contact, freedom of Figure 3: (a) Geometry generation according to the ray tracing method using the example of a sphere; (b) displacement of the substitutive geometry in xy-plane; (c) contact calculation using the substitutive geometry and the two-dimensional bedding of W INKLER ƒ „ ( , ): 6 = −i€  + €  +€ †  † k + 9i€  + €  +€ †  † k − i€ +€ + € † y k ∆ˆ ‰ ‹/  ( , ) = ∗ ∙ 0 ‰ ( , ) ∙ ∆ / u u = ∗ ∙ [ƒ( , ) − ] ∙ ∆ / u (3) 1 ∗ = 1 − m n n − 1 − m Figure 4: Discretization of the contact surface in bands respectively spring element rows in xand y-direction Each strip is weighted and summed up with the parameters X(x), Y(y) depending on the proportion of the area of the respective direction. These parameters take into account the elliptical surface portion for each direction and are described by X(x) = 4/ (π · a) and Y(y) = 4/ (π · b). This solution is exact for H ERTZ ian and rotationally symmetric contact situations. However, TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 28 if the contact surface diverges strongly from a symmetrical elliptical shape, this is only an approximation. The more precisely the fitting parameters X(x), Y(y) are determined, the more accurate the approximation. To determine the contact force F N of the substitute geometry, Ω must be integrated over the entire contact area. This corresponds to the sum of the partial integrals of the strips for xand y-direction and thus the sum of the forces of each strip per direction. The condition applies that ΔF z (x,y) = 0, if u z (x,y) ≥ 0. Thus, the contact force F N results from equation (6). (6) The contact force F N is an essential result for the solution of the equilibrium of forces in the multi-body simulation. Thus, the determination of the penetration is an iterative process: The contact area and force change due to the continuous adaptation of the penetration. In the equilibrium of forces, the pressure distribution can be calculated from the resulting penetration d res and the resulting area. Step 4: Calculation of the pressure distribution In half-space theory, the surface displacement is calculated on the basis of the pressure, wherefrom the deformations of the contact partners and the area of the contact zone can be derived, as described by W ILLNER in [11]. In contrast, the P IM P method uses the displacement as the starting point for the calculation, which causes a contact force and in turn a pressure. Thus, similar to P OPOV in [5], the pressure can be determined for each discrete element, see equation (7). The discrete contact force ΔF z (x,y) acts on a surface element ΔA, which is represented by spring elements and leads to a discrete pressure Δp(x,y). Taking into account the weighting by the parameters X(x) and Y(y), Δp(x,y) is calculated from the reduced modulus of elasticity E* from equation (4) and the resulting displacement d res of the substitute geometry g (x,y). (7) This allows the pressure distribution to be determined for the entire contact zone. This distribution can also be used for a more precise calculation of friction. 2.3 Description of the finite element model For a verification of the P IM P method, the finite element method (FEM) is used as a higher-level simulation method. The model and its boundary conditions are briefly described at this point. For the simulation, a simplified model of a tapered roller bearing consisting of an inner ring segment and a tapered roller with the dimensions shown in Figure 5 is used. Abaqus/ CAE 6.14 is used as the calculation program. This is used to construct the geometry and mesh it with hexahedral elements type C3D8R. The areas of the two bodies around the raceway and rib as well as the roller shell and end faces are meshed more closely, as shown in Figure 6 (a) by the light blue and yellow zones. Raceway and rib contact are described using a surface-tosurface contact algorithm with the tapered roller as master and the ring as slave component. In the tangential direction, the contact is frictionless and in the direction of the surface normal, the property “Hard” contact is defined. Due to the symmetry, only half of the ring seg- Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 ˆ ‘ = ∆ˆ ‰ ‹ ( , ) ∙ ’( ) dx • ‹ + ∆ˆ ‰  ( , ) ∙ –( ) dy •  ˜ = ∗ ∙ [ƒ( , ) − .&% ] ∙ [’( ) + –( )] = ∗ ∙ ˜ [ƒ( , ) − ] ∙ ∆  ∙ ’( ) dx • ‹ + [ƒ( , ) − ] ∙ ∆ u ∙ –( ) dy •  ™ Figure 5: Sketch of inner ring and rolling element geometry Figure 6: Setup of the FE model of rolling element and inner ring segment using symmetry: (a) areas of smaller element size; (b) defined boundary conditions Δ ( , ) = ∆ˆ † ( , ) ∆› TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 29 seen in Figure 7 (b). The contact area, in contrast, is 20 - 30 % larger, as shown in Figure 7 (d). The pressure is dependent on the contact force and the area. Accordingly, for a constant contact force and a smaller maximum pressure, the contact surface must be larger and vice versa, as shown in Figure 7 (b) and (d). If we look at the structure of the P IM P method, it is clear that the deformation of the bodies in the edge areas is insufficiently considered, since the individual spring elements are not coupled and do not influence each other. In addition, the discrete contact forces are transmitted normally to the contact plane and thus normally to the spring element and not to the deformed surface. The shapes of the contact zones according to the FEM and P IM P method in Figure 7 (c) look qualitatively very similar. In principle, the contact of a sphere with a cone has an elliptical shape, as can be seen in Figure 7 (c) for both the FEM and the P IM P method on the basis of the ratio of the half-axes a/ b. The pressure distributions of both methods also show a high degree of similarity, as illustrated in Figure 7 (c). Overall, plausible and high-quality contact results for this geometry pairing can be generated with the P IM P method in milliseconds instead of several minutes with the FEM. 3.2 Geometry pairing No. 2: ball/ torus Geometry pair No. 2 is defined by the combination of a spherical surface on the roller face and a torus on the rib. The corresponding parameters are also listed in Table 1. For this geometry pairing, the same behavior of the maximum pressures of the FEM and P IM P method is shown in Figure 8 (a), analogous to geometry pairing No. 1. The calculated pressures of the P IM P method are 15 - 20 % smaller than those of the FEM and the contact are- Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 ment and the roller is modelled and a corresponding symmetry condition is specified. The ring segment is firmly clamped on the inside. The roller is subjected to an axial and radial force Fa and Fr as components of the rib contact force F N , as shown in Figure 6 (b).The forces are adjusted in accordance with the specified flange contact force and the geometry of the roller face and flange are changed in accordance with the values in Table 1. 3 Results from the pressure calculation In the following, the results of the contact calculations by FEM and P IM P method for the four geometry pairs defined in Table 1 are compared and discussed. Important result variables are the maximum pressure and the size of the contact area, as these are important factors for H ERTZ . In addition, the shape of the contact surface is evaluated, because this influences the distribution of the sliding speeds in a subsequent friction calculation. 3.1 Geometry pairing No. 1: ball/ cone For geometry pair No. 1, the roller face is described by a spherical surface and the rib by a conical surface. The parameters defined for this can be found in Table 1. Figure 7 (a) shows that the maximum pressures for various contact forces calculated according to the P IM P method correspond qualitatively well with the results from the FE calculations. The values for the maximum pressures for the same contact force show almost the same distance. The relative deviations in Figure 7 (b) confirm this. Compared to FEM, the maximum pressures calculated using the P IM P method are 15 - 20 % lower, as can be Figure 7: Contact results of the FEM and P IM P method for the geometry pair No. 1: ball/ cone; (a) comparison of the maximum pressures; (b) relative deviation of the maximum pressure to the FEM; (c) comparison of the shape of the contact area; (d) relative deviation of the contact area to the FEM TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 30 as are 20 - 30 % larger, see Figure 8 (a), (b) and (d). The reason is - as already described - the neglecting of coupling in the P IM P method. The similarity in the shape of the contact zone for this pairing can also be seen in Figure 8 (c). Both calculation methods create an elliptical shape of the contact zone. However, the ratio of the semi-axes a/ b shows slight differences in the ellipses, which can also be traced back to the operation of P IM P. The distribution of the pressure over the contact area shows a high degree of qualitative agreement, as can be seen from the color gradient in Figure 8 (c). Consequently, this geometric pairing is described plausibly and qualitatively well with the P IM P method too. 3.3 Geometry pairing No. 3: torus/ cone For geometry pair No. 3, a torus is used on the roller face and a cone surface on the rib. This case cannot be represented with theory of H ERTZ , because in a sectional plane of the torus the curvature radius is not constant. The corresponding geometry parameters can be taken from Table 1. In comparison to FEM, the maximum pressures calculated with the P IM P method are between 10 and 20 % lower according to Figure 9 (a). In contrast, the contact area is 10 - 25 % larger, as shown in Figure 9 (d). The deviation of the maximum pressure Aus Wissenschaft und Forschung 31 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 Figure 9: Contact results of the FEM and P IM P method for the geometry pair No. 3: torus/ cone; (a) comparison of the maximum pressures; (b) relative deviation of the maximum pressure to the FEM; (c) comparison of the shape of the contact area; (d) relative deviation of the contact area to the FEM Figure 8: Contact results of the FEM and P IM P method for the geometry pair No. 2: ball/ torus; (a) comparison of the maximum pressures; (b) relative deviation of the maximum pressure to the FEM; (c) comparison of the shape of the contact area; (d) relative deviation of the contact area to the FEM TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 31 4 Conclusion and summary In this paper the method “Pressungsverteilung im Punktkontakt” (P IM P) is presented, which allows a precise and time-efficient calculation of the contact for use in multibody simulation programs for rolling bearing simulations. The P IM P method is divided into four steps and uses analytical calculation steps, which allows the contact to be calculated in a few milliseconds, in contrast to FEM, whose calculation time can take several minutes depending on the number of nodes and bodies. In addition, the P IM P method provides more accurate results for complex geometries compared to conventional methods (H ERTZ , disk model). To check the quality of the calculation results, the results of the P IM P method are compared with the results of the FEM. The P IM P method, in comparison with FEM, shows differences in the calculation of the maximum pressures and the size of the contact area, which is due to the missing coupling of the spring elements. Thus, elastic deformations of the surfaces, i.e. the flattening of the bodies, are not exactly taken into account. Nevertheless, the shape of the contact zone and the pressure distribution can be mapped qualitatively well with the P IM P method in comparison to an FE solution. All of the geometric pairings examined in this paper provide plausible results when calculating the contact with the P IM P method. Thus, the P IM P method can help to increase the accuracy of the friction calculation mainly by the high-quality description of the shape of the contact zone. Nevertheless, further research work is still required, so that the results are more and more in line with the FEM. This could be achieved, for example, by Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0015 is smaller for small contact forces, as the discrepancy in shape and size of the contact surface is smaller. This can be attributed to lower elastic deformation of the surfaces at low contact forces. For larger contact forces, the shape of the contact zone calculated according to FEM is a curved ellipse, as illustrated in Figure 9 (c). With the P IM P method, a similar shape can be generated. A larger deviation in the curvature of the ellipse leads to a larger deviation in the area, which in turn affects the pressure. The distribution of the pressure over the contact area shown in Figure 9 (c) shows that the pressure at the edge of the contact area is lower when using the P IM P method compared to FEM, since no coupling of the spring elements is taken into account. However, the P IM P method also produces plausible and high-quality results for the torus/ cone geometry pairing. 3.4 Geometry pairing No. 4: torus/ torus In geometry pair No. 4, both the roller face and the rib are toroidal shaped. The corresponding parameters are given in Table 1. The maximum pressures of the P IM P method in Figure 10 (a) show a similar behavior for r R = 14 mm as for geometry pair No. 3, which can also be explained by the curvature of the contact ellipse. For r R = 28 mm, however, the results approach those of the FEM. The deviations in the size of the contact surface are also reduced. The shape of the contact zone and the pressure distribution also show a high degree of similarity, as can be seen in Figure 10 (c). Thus, the P IM P method also allows a high-quality and time-efficient calculation of the contact for toroidal roller face and rib. Figure 10: Contact results of the FEM and P IM P method for the geometry pair No. 4: torus/ torus; (a) comparison of the maximum pressures; (b) relative deviation of the maximum pressure to the FEM; (c) comparison of the shape of the contact area; (d) relative deviation of the contact area to the FEM TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 32 coupling the spring elements so that a flattening of the bodies can be represented by the elastic deformation. It can be expected that the results will further converge with FE solutions. Acknowledgement The authors thank Schaeffler Technologies AG & Co. KG for funding the project and for permission to publish the results. References [1] B RONŠTEJN , I. N.: Taschenbuch der Mathematik. 8., vollst. überarb. Aufl. Frankfurt am Main: Harri Deutsch, 2012 [2] G LASSNER , A. S.: Graphics gems. The graphics gems series. [Nachdr.]. Boston [u.a.]: Acad. Press, 1998 [3] H ERTZ , H.: Ueber die Berührung fester elastischer Körper. 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Werden die tribologischen, d.h. reibungs- und verschleißbezogenen, Kennwerte mechanisch kommunizierender Oberflächen durch Strukturieren beeinflusst, bieten sich vor allem für ansonsten technisch bereits ausgereifte Systeme erhebliche Energie- und Materialeinsparpotentiale. Prominente Beispiele sind automobile Anwendungen. Für die Lasertechnik besteht die Aufgabe darin, dauerbeanspruchte Komponenten, z.B. Kolbenringe, oberflächlich in mikroskopischem Maßstab zu modifizieren, ohne ihre makroskopische Funktionsfähigkeit, z.B. ihre Abdicht- und Wärmeableiteigenschaften, zu beeinträchtigen. Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 Einleitung Reibungsverluste sind Energieanteile, die beim bewegten Zusammentreffen zweier Oberflächen ungenutzt verlorengehen. Der Verschleiß an diesen Oberflächen führt dazu, dass die Lebensdauern der Bauteile oder des Gesamtsystems oft kürzer ausfallen als gewünscht. Bis zu 23% des globalen Primärenergieverbrauches resultieren aus Energieverlusten infolge von Reibung. Realistische Schätzungen gehen davon aus, dass durch die Reduktion von Reibungsverlusten langfristig bis zu 8,66% weniger Primärenergie verbraucht werden kann. Daraus resultierte ein enormes Potential zur Einsparung von CO 2 - Emissionen [1]. Beeinflussen von Reibung und Verschleiß durch mikrostrukturierte Oberflächen Volker Franke, George Pätzold, Udo Klotzbach, Thomas Kuntze* Der Beitrag gibt einen Überblick zu technologischen Möglichkeiten der hochpräzisen Laser-Mikrostrukturierung tribologisch beanspruchter Oberflächen. Die tribologische Wirkung von mit diesem Verfahren generierten mikroskaligen Oberflächenstrukturen werden erläutert. Dazu zählen die Reservoir-Wirkung, hydrodynamische Wirkung, Wirkung auf die Oberflächenspannung, Öl-Leitstrukturen und das Ableiten von abrasiven Partikeln. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch die Kombination von mikrostrukturierten Oberflächen mit superharten Kohlenstoffschichten. Potentiale werden anhand von Anwendungsbeispielen präsentiert. Schlüsselwörter Laser, Mikrostrukturen, Oberfläche, Kolbenring, Gleitlager, DLC Controlling friction and wear by micro-patterned surfaces This paper gives an overview of the technological capabilities of high precision laser micro material processing of tribologically stressed surfaces. The tribological effects of micro-scaled surface patterns created by the use of this technique are explained. This includes reservoir effect, hydrodynamic effect, influence on the surface tension, oil guiding effects as well as trapping of abrasive particles. The combination of micro-patterned surfaces with super-hard carbon coatings gives new promising opportunities for reduced friction and wear in highly loaded conditions. Application examples show the technological potentials. Keywords laser, micro structures, surface, piston ring, friction bearing, DLC Kurzfassung Abstract * Dipl.-Ing (FH) Volker Franke Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5948-1932 George Pätzold Prof. Dr. Udo Klotzbach Dipl.-Ing (FH) Thomas Kuntze Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik 01277 Dresden TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 34 Reibungsverhalten und Verschleiß beeinflussen sich wechselseitig, fast immer ist auch der Einfluss eines Schmiermittels zu berücksichtigen. Es gilt, in diesem Spannungsfeld eine aus Anwendersicht optimale Lösung zu erarbeiten. Wirkungen mikrostrukturierter Oberflächen Generelle Ziele für eine Oberflächenstrukturierung stellen die Funktionsoptimierung und die Steigerung der Effektivität von Produkten dar. Die Minimierung tribologischer Negativeffekte eines Systems kann durch unterschiedliche Wirkungen von Mikrostrukturen in den wechselwirkenden Oberflächen adressiert werden, u.a.: • Schmierstoff-Reservoire • Hydrodynamische Wirkung („Aufschwimmen“) • Verändern der Oberflächenspannung • Öl-Leitstrukturen • Auffangen und Ableiten von Partikeln Grundsätzlich führt das Strukturieren glatter Oberflächen zur Verringerung der in direktem Kontakt stehenden Flächen und kann allein hierdurch zu einer Verringerung der Reibkräfte führen [2]. Berücksichtigt werden muss hierbei die einhergehende Erhöhung der Flächenpressung insbesondere in Bezug auf den Verschleiß. Die Oberflächen müssen ausreichend verschleißresistent sein, erreichbar z.B. durch den Einsatz von superharten diamantartigen Kohlenstoffschichten. Strukturdimensionen, -form und -anordnung sind entscheidende Einflussgrößen für die Nutzung von Mikrostrukturen im Bereich der Tribologie, welche anwendungsspezifisch an die jeweiligen tribologischen Randbedingungen angepasst werden müssen. [3] Mikroskalige Vertiefungen in den Oberflächen können Schmiermittel (z.B. Öl oder Festschmierstoffe) aufnehmen und unter reibenden Bedingungen wieder abgeben. Hierdurch wird eine örtliche Schmiermittelverarmung verringert und die Schmiermittelmenge am gegenwärtigen Kontakt verglichen mit glatten Oberflächen erhöht. Diese Ölbevorratung durch eine angepasste Oberflächentopographie erleichtert den Übergang zum Vollschmierungszustand. Die Vertiefungen wirken beim Vorhandensein von Misch- oder Vollschmierung als mikrohydrodynamische Gleitlager [4]. Der Festkörperkontakt wird vermieden und dadurch Verschleiß und Reibungserscheinungen reduziert. Für diese Reservoir-Wirkung werden bevorzugt tiefere Strukturen genutzt, um ein signifikantes Schmierstoffvolumen aufnehmen zu können. Typisch sind Strukturtiefen von 5 µm und deutlich darüber [5]. Die hydrodynamische Wirkung von Oberflächenstrukturen entsteht in Kombination mit fluiden Schmierstoffen. Durch die Gleitbewegung der Reibpartner wird auch das zwischen beiden vorhandene Fluid in eine Fließbewegung versetzt. Im Bereich ansteigender Kanten von Oberflächenkavitäten führt der Schmiermittelfluss zu einem lokalen Druckanstieg in der Flüssigkeit. Hierdurch kann ein „Aufschwimmen“ beider Reibpartner auf dem Flüssigkeitsfilm erfolgen, d.h. der Abstand beider Festkörper steigt leicht. Festkörper- und Mischreibungsanteile sinken, und der Anteil der Flüssigkeitsreibung steigt. Reibkräfte werden insgesamt geringer. Der Effekt tritt verstärkt bei hohen Gleitgeschwindigkeiten auf. Hohe Flächenpressungen verringern die erreichbare positive Wirkung. Grundsätzlich treten derartige hydrodynamische Reaktionen an einem breiten Spektrum an Mikrostrukturen auf. Erfahrungen zeigen, dass das „Aufschwimmen“ mit zunehmender Tiefe der Kavitäten abnimmt, da der Druckanstieg innerhalb des eingeschlossenen Ölvolumens abgebaut wird [6]. Strukturtiefen in der Größenordnung der Schmierfilmdicke (beispielsweise 0,5 bis 2 µm) sind typisch für Topografien mit positivem hydrodynamischem Effekt [7]. Die Oberflächenspannung beeinflusst die Eigenschaft einer Oberfläche, sich mit flüssigem Schmiermedium zu benetzten und den resultierenden Schmierfilm zu halten. Im Motorenbau werden zunehmend niedrigviskose Öle eingesetzt. Bei stehendem Motor - beispielsweise im Start-Stopp-Modus - besteht das Risiko, dass sich der Ölfilm auf den Motorkomponenten stark verringert. Beim erneuten Anlaufen des Motors kann dies zu ungenügender Schmierung und infolgedessen erhöhtem Verschleiß der Komponenten führen. Neben der stofflichen Zusammensetzung der Oberflächen sowie des Öles beeinflusst auch die Topografie der Festkörperoberfläche die Oberflächenspannung und das Benetzungsverhalten. Ziel einer Laser-Mikrostrukturierung kann es folglich sein, die Benetzung und damit die Schmierfilmlebensdauer auf der Oberfläche zu erhöhen [8]. Grundsätzlich wird auch der Zustand des Schmierfilms während des tribologischen Kontaktes von der Oberflächenspannung (oleophil bzw. oleophob) beeinflusst und infolgedessen auch das tribologischen Verhaltens [9]. Durch eine gezielte Orientierung, insbesondere linienförmiger Mikrostrukturen, kann die Bewegungsrichtung des zwischen den Reibpartnern vorhandenen Schmierstoffes beeinflusst werden. Die Funktion ist vergleichbar mit Profilrillen in Autoreifen, die das Wasser von der Reifenmitte nach außen transportieren und dadurch ein Aufschwimmen (Aquaplaning) verhindern. Bei reibenden Kontakten wird im Gegensatz dazu das Schmiermittel in die tribologisch beanspruchten Bereiche geführt. Ziel ist es, die Schmierfilmdicke zu erhöhen und so den Übergang zur Flüssigkeitsreibung zu fördern. Der Effekt ist insbesondere bei einer konstanten Vorzugsrichtung im Reibkontakt nutzbar, beispielsweise bei rotierenden Komponenten. Auf diese Bewegung werden die Konturen der Leitstrukturen ausgerichtet. Auch Kapillareffekte können für Leitstrukturen genutzt werden [10]. Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 35 Effekte ermöglichen unter anderem die hochpräzise Mikrobearbeitung von transparenten Werkstoffen wie Glas und Diamant. Fluenz und Intensität sind charakteristische Größen zur Beschreibung von Laserprozessen. Die eingestrahlte Energiemenge bezogen auf die bestrahle Fläche (Strahlquerschnitt) wird als Fluenz bezeichnet. Als Intensität ist die flächenbezogene Strahlungsleistung (Energiemenge geteilt durch die Bestrahlungsdauer bzw. Pulsdauer) definiert. Als Schwellfluenz bezeichnet man die Energiemenge, welche pro Flächeneinheit auf das Material übertragen werden muss, um einen Effekt in der Oberfläche in jeglicher Art und Weise hervorzurufen. Es kann sich hier um eine Materialmodifikation oder auch eine Ablation handeln. Die Abtragsschwelle im Speziellen beschreibt die Fluenz, ab welcher Ablation erfolgt. In bestrahlten Bereichen in denen die Fluenz die Abtragsschwelle überschreitet, erfolgt Ablation, die zur Strukturerzeugung genutzt wird. Schwellfluenzen sind für eine Wellenlänge und Pulsdauer materialabhängige Parameter. Die Pulsdauer des verwendeten Lasers beeinflusst wesentlich den Ablationsprozess und die Eigenschaften der resultierenden Mikrostrukturen. Es wird zwischen kurzen und ultrakurzen Laserpulsen unterschieden. Vereinfacht dargestellt, findet während der Einwirkung von ultrakurzen Laserpulsen (Pulsdauern unterhalb von ca. 1 Pikosekunde) keine Anregung von thermischen Gitterschwingungen im Material statt. Dadurch erfolgt der Materialabtrag ohne Aufschmelzen und annähernd ohne Erwärmung angrenzender Materialbereiche. Eine ungewollte Modifikation oder Schädigung des nicht abgetragenen Werkstoffs kann hierdurch weitgehend unterdrückt werden. Bei längeren Laserpulsen kommt es bereits während des Laserpulses zur Anregung von thermischen Gitterschwingungen und in deren Folge zur Ableitung von Wärme in das umgebende Material. Es entsteht eine Wärmeeinflusszone, deren Ausdehnung sich mit steigender Pulsdauer und Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes vergrößert. Die Wärmeeinflusszone kann u.a. durch Anschmelzungen, Gratbildung oder Änderungen von Gefüge und Härte gekennzeichnet sein. Abhängig davon, in welchem Umfang derartige Effekte für den konkreten Anwendungsfall toleriert werden können, erfolgt die Auswahl einer Laserstrahlquelle mit geeigneter Pulsdauer. Zur Erzeugung kleinster Strukturdetails bis in den Mikrometerbereich und um die für die Materialablation notwendigen Fluenzen bzw. Intensitäten zu erreichen, werden Laserstrahlen durch Optiken auf das Werkstück fokussiert. Je nach Strahleigenschaften und optischem Setup ist es möglich, den Strahl bis auf minimale Durchmesser von ca. 1 µm zu fokussieren. Durch eine Relativbewegung des Laserstrahls über das Werkstück können frei programmierbare Strukturgeometrien in der Bauteiloberfläche erzeugt werden. Für dieses sogenannte di- Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 Partikel im Spalt zwischen tribologisch interagierenden Körpern erhöhen durch ihre abrasive Wirkung den Verschleiß. Sie können sowohl aus den reibenden Komponenten selbst stammen oder in Form von Schmutz von außen eingetragen werden. Kavitäten in den Oberflächen können Partikel aufnehmen und deren verschleißende Wirkung minimieren. Durch geeignetes Ausrichten von Oberflächenstrukturen ist es möglich, Partikel aus dem Tribokontakt herauszuführen [11]. Strukturieren von Oberflächen mit dem Laserstrahl Ziel ist das Erzeugen mikroskaliger Oberflächenstrukturen mit hoher Präzision (laterale und Tiefenauflösung). Für tribologische Anwendungen soll eine über die Struktur hinausgehende Veränderung oder Schädigung angrenzender Bauteilbereiche vermieden werden. Hierzu zählen insbesondere Gratbildung oder thermisch induzierte Gefügeänderungen. Das Strukturieren erfolgt durch eine laserinduzierte Material-Ablation, d.h. ein schlagartiges Verdampfen bzw. Abtragen kleiner Materialvolumina. In der Mikromaterialbearbeitung werden hierfür vorwiegend kurz und ultrakurz gepulste Laser eingesetzt. Laserstrahlung wirkt als energetisches Werkzeug. Die Energie der elektromagnetischen Strahlung wird nur dann im Material wirksam, wenn eine ausreichend hohe Energiemenge vom Material absorbiert wird (gekennzeichnet durch den Absorptionsgrad A). Transmittierte und reflektierte Strahlungsanteile tragen nicht zum Prozess bei. Das Absorptionsverhalten ist abhängig von Material und Strahlungswellenlänge. Deshalb ist die Auswahl einer für das Material geeigneten Laserwellenlänge Voraussetzung für einen effizienten Prozess. Der Absorptionsgrad A gibt lediglich den im gesamten Material absorbierten Anteil der einfallenden Strahlung an. Er ist auch von der Materialdicke (bzw. Schichtdicke) abhängig. Entscheidend für die Beschreibung der Laser-Material-Wechselwirkung ist weiterhin der Absorptionskoeffizient α und die daraus abgeleitete optische Eindringtiefe l a . Sie gibt die Tiefe an, in der die Intensität auf das 1/ e-fache der ins Material eingedrungenen Strahlungsintensität abgefallen ist. (l a = α −1 ) [12]. Je kleiner die Eindringtiefe ist, desto kleiner ist das Volumen, in dem die absorbierte Strahlungsenergie wirksam wird. Folglich wird weniger Energie benötigt, um den Ablationsprozess zu initiieren. Bei geringen Eindringtiefen wird eine hohe Tiefenauflösung der Strukturierung erreicht und eine Beeinflussung tiefer liegender Werkstoffbereiche minimiert. Extrem hohen Strahlungsintensitäten (wie sie insbesondere bei ultrakurzen Laserpulsen erreicht werden) initiieren nichtlineare Absorptionseffekte (wie Mehrphotonenabsorption). Dies führt zur deutlichen Erhöhung der Absorption im Material, so dass beliebige Materialien bearbeitet werden können. Diese nichtlinearen optischen TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 36 rektschreibende Laserverfahren werden typischerweise hochdynamische Scannersysteme (Galvanometerscanner oder Polygonradscanner) genutzt. Hierdurch ist ein Strukturierungsprozess mit wirtschaftlichen Prozessgeschwindigkeiten möglich. Der Einsatz von strahlformenden Optiken erlaubt es, die Intensitätsverteilung im Laserstrahl zu verändern oder den Strahl in mehrere parallel arbeitende Teilstrahlen aufzuspalten. Dies wird genutzt, um den Prozess qualitativ und quantitativ (Bearbeitungsgeschwindigkeit) zu optimieren. Sollen definierte, tribologisch wirksame Mikrostrukturen in Bauteile eingebracht werden, müssen sowohl die Lasersystemtechnik (u.a. Wellenlänge, Optiksetup) als auch die Prozessparameter (u.a. Pulsdauer, Fluenz, Strahlablenkgeschwindigkeit) auf das Material und die Strukturdimensionen abgestimmt werden. Mit den am Fraunhofer IWS genutzten direktschreibenden Lasersystemen können in beliebigem Material gratfreie, hochpräzise Strukturgeometrien bis minimal ca. 2 µm (lateral) und 0,1 µm (Strukturtiefe) generiert werden. Durch Laserpulse im Nanosekundenbis Femtosekunden-Bereich wird eine thermische Beeinflussung minimiert. Praxisbeispiele für tribologisch wirksam strukturierte Oberflächen Durch Auftragsentwicklungen und eigene Vorlaufforschung wurden am Fraunhofer IWS Ergebnisse für eine Vielzahl von Anwendungen erarbeiten. Eine Auswahl wird im Weiteren präsentiert. Verschleißreduktion durch hydrodynamische Effekte In Kooperation mit einem Automobilzulieferer wurden Stahl-Komponenten aus dem Motorenbereich, die keine Dichtungsaufgaben erfüllen müssen, in ihrer Oberfläche durch Mikrostrukturen funktionalisiert und die Wirkung auf das Verschleißverhalten unter realen Einsatzbedingungen analysiert. Dabei wurden sowohl Geometrie als auch Dimension der mittels Ultrakurzpulslaser erzeugten Strukturen variiert. Ein positiver Effekt auf den Verschleiß konnte z.B. durch das Einbringen einer rotationssymmetrischen Anordnung von linienförmigen Strukturen geringerer Tiefe im Bereich 0,5 bis 1 µm erreicht werden. Bei lateralen Strukturabmessungen von ca. 200 µm x 25 µm waren im Motorenprüfstand verglichen mit unstrukturierten Bauteilen erst nach mehr als dreifacher Laufzeit deutlich Verschleißanzeichen nachweisbar. Die Wirkung konnte auf hydrodynamische Effekte der Strukturen zurückgeführt und durch Simulationen bestätigt werden. Ähnliche verschleißreduzierende Wirkungen flacher Strukturen konnte auch Rosenkranz [8] nachweisen. Oberflächenstrukturen in Kombination mit Kohlenstoffschichten Diamantähnliche Kohlenstoffschichten, insbesondere in Form der am Fraunhofer IWS entwickelten Diamor ® - Schichten aus tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C), werden zunehmend zur Veredlung von tribologisch hoch beanspruchten Komponenten, z.B. Kolbenringen, eingesetzt. Diese Schichten sind gekennzeichnet durch niedrige Reibkoeffizienten (trocken < 0,1, geschmiert < 0,05) und hohe Verschleißbeständigkeit (Härte 40 -70 GPa, E-Modul 400 - 600 GPa) [13]. Sie bilden daher einen idealen Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Vielzahl technischer Komponenten. Ziel aktueller Entwicklungsarbeiten ist es, die Vorteile der ta-C-Schichten mit den Potentialen der Laser-Oberflächenstrukturierung zu kombinieren. Hierfür werden zwei unterschiedliche Lösungsansätze verfolgt. Einerseits ist es möglich, die Mikrostrukturen bereits vor dem Beschichtungsprozess in die Bauteiloberflächen einzubringen. Andererseits lassen sich die ta-C-Schichten auch direkt mit dem Laser bearbeiten [14]. Durch ein Strukturieren vor dem Beschichten können Eigenschaftsänderungen an der Schicht infolge der Lasereinwirkung ausgeschlossen werden. Für die Anwendung gilt es insbesondere zu klären, in welchen Grenzen sich Strukturen durch die anschließende Beschichtung in ihren Abmessungen verändern. In ersten Untersuchungen wurden mit Ultrakurzpulslaserstrahlung auf Stahl-Flachproben linienförmige Strukturen mit Breiten zwischen 30 und 300 µm sowie Tiefen zwischen 0,2 und 8 µm erzeugt und anschließend beschichtet (Schichtdicke 5 µm). Eine Vermessung der Strukturen erfolgte vor und nach dem Beschichten. Es zeigt sich, dass die Geometrie der Strukturen durch den Beschichtungsprozess auch bei niedrigen Grabenbreiten und hohen Strukturtiefen weitgehend unbeeinflusst bleibt. Erste Ergebnisse weisen auf eine leichte Verringerung der Strukturtiefen um ca. 0,2 µm nach dem Beschichten hin. Eine mögliche Ursache für diese geometrischen Abweichungen können unterschiedliche Rauigkeiten (im Graben höher als auf der Oberfläche) sein. Abhängig von der Rauheit können Dichteunterschiede resultieren, die zu unterschiedlichen Schichtdicken führen. In geringerem Maße wurden Abschattungseffekte durch die Grabenwände beobachtet, die als konvexes Grabenbodenprofil im Querschnitt Aus Wissenschaft und Forschung 37 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 Bild 1: hydrodynamisch wirksame Mikrostrukturen auf Motorenkomponente (polierter Stahl) TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 37 war es zunächst, den Einfluss räumlicher und zeitlicher Strahleigenschaften auf die Ausbildung tribologisch wirksamer Oberflächenstrukturen zu untersuchen. Ex- Aus Wissenschaft und Forschung 38 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 deutlich werden. Eine tiefergehende Analyse der Schichteigenschaften in den Oberflächenbereichen wird in weiterführenden Untersuchungen erfolgen. In dieser Form wurden beispielsweise Kolbenringe, welche anschließend mit einer ca. 2 µm dicken diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung funktionalisiert wurden, radial mit einem versetzten Punktraster mit Abständen zwischen ca. 50 und 150 µm, Durchmessern von ca. 15 bis 50 µm und Tiefen von ca. 2-5 µm versehen. Diese Art der Laserstrukturierung bewahrt die Abdichteigenschaften der Kolbenringe und unterstützt signifikant die Reibungsminimierung durch Aufschwimmen auf einem hydrodynamisch erzeugten Schmierfilm. Die Analyseergebnisse induzieren eine Minimierung des Reibkoeffizienten um bis zu 25 %. Für die Variante einer direkten Laserstrukturierung bereits abgeschiedener DLC-Schichten müssen zwei Effekte der Laserbestrahlung unterschieden werden. Bei ausreichend hohen Strahlungsfluenzen tritt Materialabtrag durch Ablation auf, wodurch sich Vertiefungen erzeugen lassen. Bereits bei niedrigeren Fluenzen erfolgt durch die ins Material eingekoppelte Energie eine Modifikation im Atomgitter der ta-C-Schichten. In der Schicht verringert sich der Gehalt an sp3-Bindungen, während der Anteil an sp2-Bindungen steigt. Durch diese partielle Graphitisierung ändern sich in den bestrahlten Bereichen lokal begrenzt die Schichteigenschaften. Neben Änderungen von Härte und E-Modul der Schicht resultiert aus dem erhöhten sp2-Anteil auch eine Dichteabnahme, was sich in Form einer Aufwölbung der bestrahlten Bereiche zeigt. Ziel der bisherigen Arbeiten Bild 2: Topografie einer Grabenstruktur vor (a) und nach (b) dem Beschichten Bild 3: Kolbenringoberfläche mit punktförmigen Mikrostrukturen (oben) und Strukturdetails (unten) TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 38 perimentelle Studien erfolgten an ta-C-Schichten von ca. 1,9 µm Dicke mit einem sp3-Anteil von 70 %. Dabei wurde festgestellt, dass es mit einer steigenden Pulsdauer, Fluenz oder Wellenlänge zu einer Verstärkung der Graphitisierung kommt, wobei der Einfluss der Pulsdauer und der Fluenz deutlich größer ist, als der Einfluss der Wellenlänge [15], [16]. Auch bei hohen Fluenzen und einhergehendem Materialabtrag tritt immer auch eine Schichtmodifikation auf. Bei einer Bestrahlung mit einzelnen Laserpulsen überwiegt der Effekt der Volumenzunahme den des Materialabtrages, wodurch sich zunächst ein Anschwellen zeigt. Für das Erzeugen von Vertiefungen in der Schicht ist deshalb ein Abtrag mit mehrfacher Laserpulsexposition erforderlich. Der Effekt der Schichtmodifikation erfolgt primär thermisch. Bei Pulsdauern im ns-Bereich beginnt die Graphitisierung bereits während des Laserpulses, wodurch sich die Absorption im Material bereits erhöht. Durch Wärmeleitung in das Schichtvolumen wird der Effekt weiter begünstigt. Bei ultrakurzen Pulsen im fs-Bereich erfolgen die Umwandlungen erst nach dem Laserpuls. Dies erklärt auch die deutlich stärkere Abhängigkeit der beobachteten Schwellhöhen von der Laserfluenz bei ns-Pulsen verglichen mit ultrakurzen Pulsen (0,5 bis 5 ps). Das nachfolgende Bild 4 zeigt beispielhaft die Oberflächentopografie in einer mit Einzelpulsen bestrahlten ta-C- Schicht. In der Studie wurden Schwellhöhen im Bereich 0,1 bis 0,4 µm gemessen. Mittels Raman-Spektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass sich die Änderung der Bindungsanteile (sp 3 zu sp 2 ) durch die Prozessbedingungen steuern lässt. Sie ist für lange Laserpulse am größten. Weiterführende Untersuchungen sollen klären, welche tribologischen Wirkungen durch unterschiedliche Varianten der Modifikation und Strukturierung von DLC- Schichten realisiert werden können. Denkbar ist beispielsweise, dass stark graphitisierte Bereiche unter reibenden Bedingungen leichte Vertiefungen ausbilden oder Graphit als Trockenschmierstoff bereitstellen. Tribologische Optimierung durch Schmierstoffreservoire In Kooperation mit der TU Dresden erfolgte das Laserpräzisionsstrukturieren von keramischen Gleitlagern als Ersatz für aktuell verwendete, metallische Gleitlager in mobilen Arbeitsmaschinen. Ziel war es, wartungsfreie, langlebige Lager zu entwickeln und dadurch die Betriebskosten deutlich zu reduzieren. Auf ein regelmäßiges Nachschmieren mit Fett sowie einen Tausch (resultierend in Kosten durch Maschinenstillstand) wie bei metallischen Lagern kann hierdurch perspektivisch verzichtet werden. Hierfür wird das enorme Verschleißreduzierungspotential von keramischen Werkstoffen wie Siliziumnitrid genutzt und mit einer Lebensdauerschmierung mit einem Festschmierstoff kombiniert, der in lasergenerierte Reservoire eingebettet ist. Durch das Bearbeiten mit Ultrakurzpulslaser wurden unterschiedliche Reservoir-Strukturen generiert, ohne die sprödharte Keramik zu schädigen. „Das so geschaffene Tribosystem aus Si 3 N 4 -Buchse, hartverchromtem Stahlbolzen, Festschmierstoff und Schmierdepots realisiert einen sehr geringen Reibwert von µ min ≈ 0,06. Auch der Vergleich zwischen feststoffgeschmierten Buchsen mit und ohne Schmierdepots zeigt die Effektivität dieser Maßnahme und steigert den erreichbaren Gleitweg um ca. +70 %.“ [17] Ein vergleichbarer Ansatz mit lasergenerierten Festschmierstoff-Depots wurde in der Oberfläche von Zerspanungswerkzeugen (Schaftfräser) umgesetzt. Hier war ein positiver Effekt auf die Spanbildung (verkürzte Spanlänge) nachweisbar. Aus Wissenschaft und Forschung 39 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 Bild 4: Dreidimensionale Falschfarben-Darstellung einer laser-modifizierten ta-C-Oberfläche Bild 5: Keramikgleitlager mit lasergenerierten, sinusförmigen Schmierdepots (REM-Bild mit Strukturdetail rechts) TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 39 [9] X. Hao, H. Li, X. Song, L. Li, N. He, Tribological Properties of Textured Cemented Carbide Surfaces of Different Wettability Produced by Pulse Laser, Journal of Microand Nano-Manufacturing Vol. 6, (2018) [10] T. Stark, T. Kiedrowski, H. Marschall and A. F. Lasagni, Avoiding Starvation in Tribocontact Through Active Lubricant Transport in Laser Textured Surfaces, Lubricants 2019, 7, 54, (2019) [11] A. Rosenkranz, S. Jaeger, C. Gachot, S. Vogel und F. Mücklich, Wear Behavior of Laser-Patterned Piston Rings in Squeeze Film Dampers, Advanced Engineering Materials 2015, 17, No. 8, (2015) [12] H. Hügel, T. Graf, Laser in der Fertigung, Vieweg + Teubner, (2009) [13] S. Makowski, F. Schaller; V. Weihnacht; G. Englberger, M. Becker; Tribochemical induced wear and ultra-low friction of superhard ta-C coatings; Wear 392-393 (2017) [14] G. Dumitru, V. Romano, H.P. Weber, S. Pimenov, T. Kononenko, J. Hermann, S. Bruneau, Y. Gerbig, M. Shupegin, Laser treatment of tribological DLC films, Diamond and Related Materials 12, (2003) [15] T.V. Kononenko, V.V. Kononenko, S.M. Pimenov, E.V. Zavedeev, V.I. Konov, V. Romano, G. Dumitru, Effects of pulse duration in laser processing of diamond-like carbon films, Diamond & Related Materials 14, (2005) [16] F. Lull, Einfluss räumlicher und zeitlicher Strahleigenschaften auf tribologisch wirksame Oberflächenstrukturen, Bachelorarbeit, Hochschule Mittweida, (2017) [17] C. Stentzel, T. Breitenbach, Aussicht auf wartungs- und fettfreie Gleitlager, Mobile Maschinen 6/ 2017, (2017) Aus Wissenschaft und Forschung 40 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0016 Literatur [1] M. Woydt, R. Luther, T. Gradt, A. Rienäcker, F-J. Wetzel, T. Hosenfeldt, C. Wincierz, Gesellschaft für Tribologie e.V., Expertenstudie „Tribologie in Deutschland: Querschnittstechnologie zur Minderung von CO 2 -Emissionen und zur Ressourcenschonung“, (2019) [2] D. Gropper, L. Wang, T.J. Harvey, Hydrodynamic lubrication of textured surfaces: A review of modeling techniques and key findings, TribologyInternational 94, (2016) [3] M. Duarte, A. Lasagni, R. Giovanelli, J. Narciso, E. Louis, F. Müklich, Increasing Lubricant Film Lifetime by Grooving Periodical Patterns Using Laser Interference Metallurgy, Advanced Engineering Materials 2008, 10, No.6, S.554 [4] G. Ryk , Y. Kligerman, I. Etsion und A. Shinkarenko, Experimental Investigation of Partial Laser SurfaceTexturing for Piston-Ring Friction Reduction, Tribology Transactions, 48, (2005) [5] H. Ogawa, S. Sasaki, A. Korenaga, K. Miyake, M. Nakano und T. Murakami, Effects of surface texture size on the tribological properties of slideways, Proc. 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Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 Alternative Schmierstoff-Additive auf Basis von Mikroalgen Thomas Koch, Ralf Gläbe, Yvonne Sakka, Nina Nentwig, Juliane Filser, Antje Siol, Jan Köser, Jorg Thoeming, Shannon Mesing, Roland Larek, Insa Mannott, Antonio Gavalás-Olea, Imke Lang* Mit ihren zahlreichen Inhaltsstoffen bieten Mikroalgen eine vielversprechende Basis als nachhaltige Rohstoffquelle für technische Anwendungen. Das Forschungsvorhaben ALBINA (Algenbasiert - biologisch - nachwachsend) nimmt diese Ressource in den Fokus, um Additive für Schmierstoffanwendungen zu entwickeln. Das Forschungsziel ist die Extraktion, Identifikation und Bewertung von Substanzen aus Mikroalgen, welche konventionelle Additive in Schmierstoffen ersetzen sollen. Erprobt werden die Additive im ersten Schritt in Schmierstoffen zur Zerspanung und Umformung von Metallen, weitere Schmierstoffapplikationen können sich daran anschließen. Realisiert wird das Vorhaben durch die interdisziplinäre Kooperation aus fünf ingenieur- und naturwissenschaftlichen Forschungsstellen, gefördert von dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft. Begleitet und unterstützt wird das Vorhaben von Partnern aus der Schmierstoffindustrie. Schlüsselwörter Mikroalgen, Additive, Strukturanaloga, Extrazelluläre Polymere Substanz (EPS), Nachhaltigkeit, regenerative Ressource Alternative additives for lubricants based on microalgae With their numerous ingredients, microalgae offer a promising basis as a sustainable raw material source for technical applications. The research project ALBINA (algae-based - biological - renewable) focuses on this resource to develop additives for lubricant applications. The objective is the extraction, identification and evaluation of substances from microalgae, which are intended to replace conventionally used additives in lubricants. In the first step, the new developed additives are tested in lubricants for metal cutting and forming, further lubricant applications can follow. The project is realized through interdisciplinary cooperation of five research institutes from engineering and natural sciences. It is funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture. The project is accompanied and supported by partners from the lubricant industry. Keywords Microalgae, additives, structural analogues, extracellular polymer substance (EPS), sustainability, regenerative resource Kurzfassung Abstract * Dr.rer.nat. Thomas Koch 1 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5649-9328 Prof. Dr.-Ing. Ralf Gläbe 1 Dr.rer.nat. Yvonne Sakka 2 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-8581-0496 Nina Nentwig 2 Prof. Dr.rer.nat. Juliane Filser 2 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1535-6168 Dr.rer.nat. Antje Siol 3 Dr.rer.nat. Jan Köser 3 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-0427-8133 Prof. Dr.-Ing. Jorg Thöming 3 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5374-114X M.Eng. Shannon Mesing 4 Prof. Dr.-Ing. Roland Larek 4 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-2823-6237 M.Sc. Insa Mannott 5 Dr.rer.nat. Antonio Gavalás-Olea 5 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-6988-2177 Prof. Dr.rer.nat. Imke Lang 5 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5402-461X 1 Hochschule Bremen, Fakultät 5 Natur und Technik, Neustadtswall 30, 28199 Bremen 2 Universität Bremen, Allgemeine und Theoretische Ökologie, Leobener Str. 6, 28359 Bremen 3 Universität Bremen, Chemische Verfahrenstechnik, Leobener Str. 6, 28359 Bremen 4 Hochschule Wismar, Maschinenbau/ Verfahrens- und Umwelttechnik, Phillip-Müller-Str. 14, 23966 Wismar 5 Hochschule Bremerhaven, Algenbiotechnologie, An der Karlstadt 8, 27568 Bremerhaven TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 41 träglichkeit, lange Lebensdauer etc. Die Primär- und Sekundäranforderungen an Schmierstoffe und ihre Additive in der Metallbearbeitung, deren grundsätzlicher chemischer Aufbau sowie ihre anwendungsspezifischen Charakteristika sind ausreichend beschrieben. Daher wird hier auf die entsprechende Literatur verwiesen ([5] Möller, 2002; [6] Torbacke, 2014; [1] Czichos, 2015). Additive gehen in der Zerspanung und Umformung eine elektrochemische Wechselwirkung mit der zu bearbeitenden Metalloberfläche ein, um die erwünschten technischen Eigenschaften (Zerspan- und Umformleistung, Vermeidung von Verschweißungen, Korrosionsschutz etc.) zu gewährleisten. Die Art und Stärke der Wechselwirkung ist abhängig von den beteiligten Partnern der Metalloberfläche (Menge und Art der Legierungsbestandteile und Oxidstruktur der Metalloberfläche) und der chemisch-strukturellen Charakteristik der Schmierstoff-Additive [6] (Torbacke, 2014). Als Alternative zu mineralöl-basierten Additiven können Stoffe biogenen Ursprungs aus nachhaltigen Ressourcen einen positiven Effekt auf das Umweltverhalten und die Kennzeichnung einer Schmierstoffformulierung nehmen. Dieser Ansatzpunkt ist ein wichtiger Aspekt des hier beschriebenen Forschungsansatzes. Mikroalgen Zu den Mikroalgen werden mikroskopisch kleine, zumeist einzellige, phototrophe Organismen gezählt (Bild 1). Sie besiedeln sowohl Süß-, Brack- und Salzwasser als auch terrestrische Lebensräume. Es gibt zahlreiche Arten, die sich an besonders extreme Bedingungen angepasst haben. Bisher sind ca. 150.000 Algenarten bekannt und klassifiziert [7] (algaebase.org, 2020). Mit dieser Vielfalt bieten sie ein hohes Potenzial als Lieferanten für technisch relevante Stoffe und Substanzklassen. Aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses sind Mikroalgen hochproduktiv und damit geeignete Kandidaten für die Herstellung von erneuerbaren, biobasierten Ressourcen. Die Art und Zusammensetzung der nutzbaren Inhaltsstoffe ist dabei abhängig von der Art und kann über die Steuerung der Kultivierungsbedingungen gelenkt werden ([8] Aguirre, 2013; [9] Safafar, 2015; [10] Bellou, 2016). Die Kultivierung und Ernte von ca. 20 industriell genutzten Mikroalgenarten ist technisch etabliert und stellt somit für die Entwicklung neuer Anwendungsfelder eine wichtige Voraussetzung für eine nachhaltige Rohstoffproduktion sicher. Die Produktion von Mikroalgenbiomasse wird bisher insbesondere für die Lebensmitteltechnologie (Pigmente, Lipide) und in der Biotreibstoffbranche erforscht und kommerzialisiert ([11] D’Alessandro, 2016; [12] Roux, 2017). Mikroalgenarten wie Arthrospira platensis und Chlorella vulgaris sind für einen hohen Proteingehalt von bis zu 65 % der Trockensubstanz bekannt. Die Aminosäurezusammensetzung ähnelt der von kommerziell genutzten Protein-Pflanzen Aus Wissenschaft und Forschung 42 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 Ausgangslage Die Tribologie setzt sich als wissenschaftliche Disziplin mit der Beschreibung von Reibung, Verschleiß und Schmierung sowie der Entwicklung neuer Technologien wie der Optimierung von Schmierstoffen auseinander [1] (Czichos, 2015). Reibung entsteht bei der Relativbewegung zwischen zwei Oberflächen. Schmierstoffe werden eingesetzt, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren oder zu vermeiden. Sie sind ein fester, aber im Allgemeinen wenig beachteter und selten sichtbarer Bestandteil des täglichen Lebens. Ihre Aufgabe erfüllen Schmierstoffe direkt in Maschinen und Geräten wie bspw. Wälz- oder Gleitlagern von Motoren und Führungen, aber auch in Scharnieren von Gebrauchsgegenständen wie z.B. Möbeln und Kühlschränken. Indirekt sind sie über den Prozess der Herstellung von Gegenständen und Produkten wie z. B. Aluminiumfolie, Motorengehäuse, Batteriehüllen o. ä. am Alltag beteiligt. Ihre Bedeutung als alltagsrelevanter Faktor hat Hans Ernst bereits Anfang der 1950er Jahre für die Kühlschmierstoffe in der Metallbearbeitung benannt: „Directly or indirectly, it affects every aspect of our civilization. Every product we use, wear, or eat is related to metal cutting, either directly, in its own manufacture, or indirectly, through the manufacture of the machine that makes it“ [2] (Ernst, 1951). Durch die Reduktion von Reibung sind Schmierstoffe unmittelbar in die energetische Bilanz von kraftgetriebenen Prozessen eingebunden. So werden bspw. für den Betrieb elektrischer Motoren (Kompressoren, elektrische Antriebe, Pumpen, Lüfter) weltweit zwischen 43 % und 46 % des global produzierten Stroms verbraucht [3] (Waide, 2011). Damit stellt die Entwicklung neuer, verbesserter Konzepte zur Optimierung tribologischer Eigenschaften von Schmierstoffen und den darin enthaltenen Additiven einen zentralen Beitrag zur Einsparung von Energie dar. Die Verminderung von Verschleiß durch einen verbesserten Schmierstoff bewirkt darüber hinaus die Verlängerung der Betriebsdauer technischer Systeme, und leistet damit einen Beitrag zu deren nachhaltiger Nutzung. Schmierstoff-Additive in der Metallbearbeitung In der industriellen und gewerblichen Metallbearbeitung sind Schmierstoffe (Kühlschmierstoffe, Umformschmierstoffe, Minimalmengenschmierstoffe, Multifunktionsöle) in verschiedenen Bearbeitungsprozessen der Zerspanung und Umformung im Einsatz. Ihre Hauptaufgaben bestehen darin, die im Prozess entstehende Wärme schnell von dem Wirkort abzuführen, die Reibung im Prozess zwischen Werkstoff und Werkzeug zu reduzieren und die Späne zu transportieren [4] (VDI 3397 Blatt 1, 2007). Zu den weiteren Funktionen der Schmierstoffe gehört u.a. der Korrosionsschutz, das Emulgierverhalten, geringe Schaumneigung, eine gute Hautver- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 42 wie der Sojabohne und findet daher in der Lebensmittelindustrie, als Nahrungsergänzungsmittel und in der Futtermittelindustrie Verwendung ([13] Gutiérrez-Salmeán, 2015). Neben den Polysacchariden, Proteinen und Fettsäuren produzieren Mikroalgen auch Pigmente, Vitamine, Antioxidantien etc. die für Anwendungen sowohl in der Biotechnologie, der Nahrungs- und Futtermittelindustrie als auch in technischen Branchen von Interesse sind. Proteinbasierte Pigmente wie die Phycobiliproteine kommen als blaue oder rote Farbstoffe in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz. In der pharmazeutischen Industrie haben sie aufgrund ihrer anti-oxidativen und anti-inflammatorischen Wirkung an Bedeutung gewonnen ([14] Barka, 2016; [11] D’Alessandro, 2016). Das Marktvolumen für das Pigment Astaxanthin wurde bspw. für 2009 auf ca. 25 Mio. US$ geschätzt [15] (ALPAG, 2013). Chemisch gut charakterisiert und genutzt sind die sulfatierten Polysaccharide der Zellwand von makroskopischen Rot- und Braunalgen: Carrageen, Agar und Alginat. Diese werden seit Jahrzehnten kommerziell in Asien und Ostafrika gewonnen und genutzt [16] (Delattre, 2016). Die Kultivierung von Mikroalgen kann an Orten erfolgen, die nicht für die agrarökonomische Nutzung vorgesehen oder geeignet sind. Dies schließt Brachen und Konversionsflächen mit ein. Aufgrund ihrer hohen Produktivität beanspruchen Mikroalgen einen geringeren Flächenbedarf bei gleicher Ausbeute im Vergleich zu anderen Pflanzen. Der b e i l a n d g e b u n d e n e n Energiepflanzen zu diskutierende Tank-Teller- Konflikt kann bei der kommerziellen Nutzung von Mikroalgen also weitestgehend vernachlässigt werden [17] (Drucksache Deutscher Bundestag, 2019). Mikroalgen-basierte Strukturanaloga für Schmierstoffanwendungen Die Substitution konventioneller Schmierstoff-Additive durch ein regeneratives System von Bestandteilen aus Mikroalgen stellt das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ALBINA dar. Mikroalgen sind in der Lage, unterschiedlich strukturierte Stoffe aus den Gruppen der Polysaccharide, Proteine, Fettsäuren und Lipide zu synthetisieren, diese in ihren Zellen anzureichern und in ihre Umwelt abzugeben. Einige dieser Stoffe haben einen chemisch-strukturellen Aufbau ähnlich der konventionellen Additive. Diese Strukturen repräsentieren hier die Leitstrukturen für die Suche nach potenziell wirksamen Äquivalenten aus den Mikroalgen in dem Forschungsvorhaben ALBINA. Hierzu zählen insbesondere die schwefel- und phosphorhaltigen Bestandteile der gebräuchlichen Schmierstoff-Additive (z.B. CAS 68425-15-0, 68608-26-4, 68442-22-8, 72030-25-2). Die Protein- und Polysaccharidstrukturen der Mikroalgen verfügen zum Teil ebenfalls über natürlich eingebundene Schwefel-, Phosphor- und Sauerstoffatome. Sie stellen damit, aufgrund ihrer intramolekularen Ladungsverteilung, einen idealen Partner für die Wechselwirkungen mit der Metalloberfläche dar. Bild 2 zeigt beispielhaft die Struktur eines sulfatierten Polysaccharidmonomers aus der Extrazelluläre Polymere Substanz (EPS) der Mikroalge Porphyridium aerugineum [18] (Liberman, 2020). Diese Strukturanaloga sollen konventionelle Additive in tribologischen Anwendungen ersetzen und sie idealerweise in ihrer technischen Wirkung übertreffen. Aus Wissenschaft und Forschung 43 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 Bild 1: Mikroskopische Aufnahmen von zwei Mikroalgenstämmen. A = Porphyridium CCAP 1380_6; B = Rhodella_CCAP_1388_2. Quelle: Frau Prof. I. Lang, Hochschule Bremerhaven Bild 2: Beispiel eines sulfatierten Polysaccharidmonomers aus der Mikroalge Porphyridium aerugineum [18] (Liberman, 2020) TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 43 mit der Metalloberfläche. Die EPS stellt damit eine mögliche natürliche Ressource für Additivmoleküle dar. Eine Nutzung Mikroalgen-basierter Substanzen als Ersatz konventioneller Additive in technischen Anwendungen ist bisher nicht bekannt oder beschrieben. Aufgrund ihres chemisch strukturellen Aufbaus und ihrer Ladungsverteilung bietet jedoch ein Teil der von Mikroalgen synthetisierten Substanzen die Möglichkeit, als nachhaltig zu produzierende Strukturanaloga die aktuell verwendeten Additive in technischen Anwendungen zu ersetzen. Arad et al. konnten in ihren Untersuchungen zeigen, dass Heteropolymere sulfatierter Polysaccharide aus einer Rotalge sich sehr gut als Ersatz der Synovialflüssigkeit in Kniegelenken eignen. Hinsichtlich ihrer rheologischen und tribologischen Eigenschaften zeigten sie sich dem natürlich vorkommenden Hauptbestandteil Hyaluronsäure überlegen ([23] Arad, 2006; [24] Arad 2010). Forschungsvorhaben ALBINA Ein interdisziplinärer Zusammenschluss aus fünf Forschungsstellen untersucht in dem Forschungsvorhaben ALBINA das Potenzial, konventionelle Additive für Schmierstoffanwendungen durch Bestandteile aus Mikroalgen zu substituieren. Der interdisziplinäre Ansatz umfasst naturwissenschaftliche Institute (Algenbiotechnologie, Biotechnologie an der Hochschule Bremerha- Aus Wissenschaft und Forschung 44 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 Für Proteinstrukturen sind starke Wechselwirkungen mit der Metalloberfläche und positive Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis in der Zerspanung beschrieben und dokumentiert. Die starken Wechselwirkungen zwischen dem Additiv und der Metalloberfläche werden auf molekularer Ebene mit den Wasserstoffbrückenbindungen und den Vander-Waals-Kräften zwischen Bereichen mit hoher Ladungsdichte im Additiv und dem Metall beschrieben ([19] Reihmann, 2018; [20] Gauntlett, 2019). Diese postulierte Wechselwirkung ist exemplarisch für einen Ausschnitt eines Porphyran Moleküls in Bild 3 dargestellt. Ein Teil der Molekülbereiche, die eine mögliche Wechselwirkung eingehen können, ist grau hervorgehoben. Die Art der Wechselwirkung sowie die daran beteiligten Partner hängen in der Realität stark von der Metalloberfläche und deren Legierungsbestandteilen, den Umgebungsbedingungen (z.B. um die Bindungsstellen konkurrierende Moleküle, Lösungsmittel in dem das Molekül vorliegt, Anwesenheit von Sauerstoff etc.) und den sterischen Verhältnissen ab. Aus diesem Grund erfolgt hier nur eine einfache schematische Darstellung. Eine relevante Ressource zur Nutzung als Basis für Schmierstoff-Additive stellt die Extrazelluläre Polymere Substanz (EPS) dar. EPS wird von einer Vielzahl von Mikroalgen produziert und in deren direkte Umgebung ausgeschieden. Mit der EPS verändern Mikroalgen ihre direkte Umgebung. Sie schaffen sich ein geschütztes Mikrohabitat und damit einen Lebensraum, der ihnen viele Vorteile bietet. Die EPS dient u.a. dem Schutz vor Austrocknung, starken Schwankungen chemischer Parameter (pH-Wert, Salinität, osmotischer Druck), sie bietet Schutz vor Strahlung und mechanischem Stress sowie vermutlich auch vor dem zellulären Befall durch Viren und Pilze und stellt eine Grundlage für Symbiosen mit Bakterien dar ([21] Cho, 2015; [22] Ramanan, 2015). Die EPS besteht aus verschiedenen komplexen Molekülen wie Saccharidmono- und -polymeren, deren Derivaten (bspw. funktionalisiert mit Sulfatgruppen), Aminosäuren, Proteinen und lipophilen Bestandteilen. Entsprechend enthält die EPS viele Moleküle mit einer hohen Ladungsdichte und großer Affinität für Interaktionen Bild 3: Schematische Darstellung der Wechselwirkung algenbasiertes Molekül - Metalloberfläche. Für die Wechselwirkung wichtige Strukturen im algenbasierten Molekül sind grau hervorgehoben. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 44 ven; Allgemeine und theoretische Ökologie sowie Chemische Verfahrenstechnik an der Universität Bremen) und ingenieurswissenschaftliche Einrichtungen (Maschinenbau/ Verfahrens- und Umwelttechnik an der Hochschule Wismar; Fertigungstechnologie & Fertigungsmesstechnik, Hochschule Bremen). Begleitet und unterstützt wird das Vorhaben in einem Arbeitskreis von Partnern aus der Schmierstoffindustrie. In dem Arbeitskreis befinden sich Additiv- und Schmierstoffhersteller und ein Branchenverband. Die beschriebene komplexe Fragestellung erfordert diesen fachübergreifenden Ansatz, um in enger Kooperation die Synergien der Forschungsstellen zu nutzen. Das Forschungsvorhaben ALBINA gliedert sich in 6 wesentliche Schritte. I. Die Auswahl von Mikroalgen verfolgt das Ziel, geeignete Mikroalgen zu identifizieren, aus denen Strukturanaloga zu den bekannten, konventionellen Schmierstoff-Additiven gewonnen werden können. II. Der zweite Schritt hat die Kultivierung der Mikroalgen im Fokus. Über verschiedene Kultivierungsverfahren (Batch, Fed-Batch, kontinuierlich) und der Einstellung physiologischer Parameter (phototroph, photoorganotroph) werden spezifische Bedingungen ermittelt, um eine hohe Ausbeute an Algenmaterial zu realisieren. Nach der Etablierung optimaler Bedingungen erfolgt ein Scale-up vom Laborzum Technikumsmaßstab, um ausreichend große Mengen Biomasse zu produzieren. III. Der dritte Schritt hat die Extraktion der Strukturanaloga zum Ziel. Die Aufarbeitung der EPS legt den Fokus auf die Isolierung der Polysaccharid-Strukturen. Ein Aufschluss der Zellen mittels ausgewählter chemischer und physikalischer Verfahren mit anschließender Separierung der Zellinhaltsstoffe dient der Aufbereitung von Proteinen und Fettsäuren. IV. Anschließend erfolgt in dem vierten Schritt die chemische Identifikation der extrahierten Substanzen. Angefangen bei dem Lösungsverhalten, der Separation und Aufbereitung mittels LLE / SPE, über chromatographische Methoden (GC-MS, HPLC-MS/ MS) mittels unterschiedlicher Probenaufgabeverfahren (Thermodesorption, Headspace, Pulse-Injection) und ggfs. einer chemischen Derivatisierung, sollen für die einzelnen Substanzklassen standardisierte Analysemethoden am Ende der Untersuchungen zur Verfügung stehen. V. Die ökotoxikologische Prüfung der extrahierten Substanzen steht im Mittelpunkt des fünften Schrittes. Das Verhalten, der Verbleib und die Wirkung der neu entwickelten Additive wird in den Kompartimenten Wasser und Boden untersucht. Dabei steht sowohl die akute als auch die langfristige Wirkung auf die Zielorganismen im Fokus. Die mikrobielle Abbaubarkeit und die Persistenz der Stoffe gehören mit zu dem Untersuchungsumfang. Die Untersuchungen werden gemäß der OECD-Richtlinien durchgeführt und berücksichtigen die Kriterien für eine Bewertung nach REACh. VI. Die Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit der neuen Additive wird im Labor- und Technikumsmaßstab in Prozessen der Umformung und Zerspanung bestimmt. In praxisnahen Untersuchungen werden die algenbasierten Schmierstoff-Additive, die sich in Laborversuchen als geeignet herauskristallisiert haben, in Technikumsversuchen zur Metallumformung (Streifenzugversuch, Ringstauchversuch, Gewindewalzen) auf ihre prozessrelevanten Eigenschaften geprüft. Die Leistungsbewertung in der spanabhebenden Metallbearbeitung erfolgt in einer Erweiterung des tribologischen Prüfverfahrens Tapping Torque Test. Dabei kommen die Prozesse Bohren ins Volle, Reiben, Fräsen und Gewindeschneiden unter Betrachtung der Prozesskräfte in X-, Y- und Z- Richtung, Momente M, der Torsion T im Labormaßstab mit geringen Schmierstoffvolumina zur Anwendung. Geeignete Additiv-Schmierstoff-Kombinationen werden danach im Technikum in Bohr-, Reib- und Fräsversuchen eingesetzt und ausgewertet. Zusammenfassung & Ausblick In dem interdisziplinären Ansatz des Forschungsvorhabens ALBINA wird eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Praxisrelevanz geschlagen. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung nachhaltiger und regenerativer Additive für Schmierstoffanwendungen auf Basis von Mikroalgen. Dabei wird primär eine verwertungsgeleitete Strategie der Technologieentwicklung verfolgt. Die Nutzung von Mikroalgen als regenerative und nachhaltige Rohstoffressource steht in kommerziellen Anwendungen noch am Anfang, hat aber in den letzten Jahren eine deutliche Ausbreitung in pharmazeutischen Anwendungen, der Lebensmittel- und Nahrungsergänzungsindustrie erfahren. Mikroalgen bieten die Möglichkeit auf Basis ihrer großen Bandbreite verschiedenster Inhaltsstoffe, als Rohstoffquelle auch für technische Produkte und Prozesse genutzt zu werden. Moleküle wie sulfatierte Polysaccharide, Proteine oder die Bestandteile, die phenolische Strukturen enthalten, sind geeignet, die bisher in Schmierstoffen verwendeten Additive zu ersetzen, die dort eine spezifische Funktion übernehmen. Sie können als Leistungsträger die technischen Eigenschaften von Schmierstoffen wie bspw. eine verbesserte Zerspan- oder Umformperformance, den Korrosionsschutz oder das Emulgierverhalten positiv beeinflussen. In dem Forschungsvorhaben ALBINA wird dies aktuell für die Anwendung Metallbearbeitung geprüft. Perspektivisch ist der Ersatz von tribologisch wirksamen Additiven in weiteren technischen Anwendungen wie Hydraulik-, Motoren- und Getriebeölen zu Aus Wissenschaft und Forschung 45 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 45 [10] Bellou, S.; Triantaphyllidou, I.-E.; Aggeli, D.; Elazzazy, A.M.; Baeshen, N.M.; Aggelis, G.: Microbial oils as food additives: recent approaches for improving microbial oil production and its polyunsaturated fatty acid content. Current Opinion in Biotechnology, 37, S. 24-35, 2016. [11] D’Alessandro, E.B.; Antoniosi Filho, N.R.: Concepts and studies on lipid and pigments of microalgae: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 58, S. 832- 841, 2016. [12] Roux, J.M.; Lamotte, H.; Achard, J.-L.: An Overview of Microalgae Lipid Extraction in a Biorefinery Framework. Energy Procedia, 112, S. 680-688, 2017. [13] Gutiérrez-Salmeán, G.; Fabila-Castillo, F.; Chamorro- Cevallos, G.: Nutritional and toxicological aspects of Spirulina (Arthrospira). Nutr Hosp., 32 (1), S. 34-40, 2015. [14] Barka, A.; Blecker, C.: Microalgae as a potential source of single-cell proteins. A review. Biotechnology, Agronomy, Society and Environment, 20, S. 427-436, 2016. [15] ALPAG: Marktanalyse Mikroalgenproduktion. Hrgs.: Algen-Parks Aktiengesellschaft, Berlin, 2013. [16] Delattre, C.; Pierre, G.; Laroche, C.; Michaud, P.: Production, extraction and characterization of microalgal and cyanobacterial exopolysaccharides. Biotechnology Advances, 34, S. 1159-1179, 2016. [17] Drucksache Deutscher Bundestag: Das Potenzial algenbasierter Kraftstoffe für den LKW-Verkehr, Bericht des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung (18. Ausschuss) gemäß § 56a der Geschäftsordnung, Drucksache 19/ 13474, 2019. [18] Liberman, G.N.; Ochbaum, G.; Mejubovsky-Mikhelis, M.; Bitton, R.; Arad, S.M.: Physico-chemical characteristics of the sulfated polysaccharides of the red microalgae Dixoniella grisea and Porphyridium aerugineum. International Journal of Biological Macromolecules, 145, S.1171-1179, 2020. [19] Reihmann, M.: New Protein Layer Technology and its use as Additive in Metalworking Fluids. 5 th ICIS & ELGI Industrial Lubricants Conference, Amsterdam, 20.06.2018. [20] Gauntlett, T.: Stretching the sinews of innovation. Lube`N`Greases EMEA, 13 (1), S. 10-14, 2019. [21] Cho, D.-H.; Ramanan, R.; Heo, J.; Lee, J.; Kim, B.-H.; Oh, H.-M.; Kim, H.-S.: Enhancing microalgal biomass productivity by engineering a microalgal-bacterial community. Bioressource Technology 175, S. 578-585, 2015. [22] Ramanan, R.; Kang, Z.; Kim, B.-H.; Cho, D.-H.; Jin, L.; Oh, H.-M.; Kim, H.-S.: Phycosphere bacterial diversity in green algae reveals an apparent similarity across habitats. Algal Research 8, S. 140-144, 2015. [23] Arad, S.; Rapoport, L.; Moshkovich, A.; Van Moppes, D.; Karpasas, M.; Golan, R.; Golan, Y.: Superior biolubricant from a species of red microalga. Langmuir, 22, S. 7313- 7317, 2006. [24] Arad, S.; Levy-Ontman, O.: Red microalgal cell-wall polysaccharides: biotechnological aspects. Current Opinion in Biotechnology, 21 (3), S-358-364, 2010. Aus Wissenschaft und Forschung 46 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0017 verfolgen. Zusammenfassend bietet die Nutzung von Stoffen aus Mikroalgen ein großes Potenzial, als nachhaltige Rohstoffquelle zu fungieren. Mikroalgen weisen eine höhere Flächenproduktivität verglichen mit Landpflanzen auf und können ohne den Verbrauch von Agrarflächen kultiviert werden. Die Nutzung von CO 2 aus Abgasen zur Wachstumssteigerung ist ein weiterer Aspekt, der sie für die Verwendung als Rohstoffquelle auszeichnet. Danksagung Die Mitglieder des Forschungsvorhabens ALBINA danken der Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR) sowie dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), das dieses Vorhaben durch einen Beschluss des deutschen Bundestages fördert. Literatur [1] Czichos, H., Habig, K.-H.: Tribologie-Handbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 4. Auflage, 2015. [2] Ernst, H.: Fundamental Aspects of Metal Cutting and Cutting Fluid Action. Annals of the New York Academy of Sciences, Volume 53, S. 936-961, 1951. [3] Waide, P.; Brunner, C.U.: Energy-efficiency policy opportunities for electric motor-driven systems. OECD, International Energy Agency, Working Paper, 2011. [4] VDI 3397 Blatt 1, Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 2007. [5] Möller, U.J.; Nasser, J.: Schmierstoffe im Betrieb. Springer Verlag Berlin Heidelberg 2. Auflage, 2002. [6] Torbacke, M.; Rudolphi, A. K.; Kassfeldt, E.: Lubricants Introduction to Properties and Performance, John Wiley & Sons Ltd., 2014. [7] www.algaebase.org (Abruf 29.03.2020) [8] Aguirre, A.-M.; Bassi, A.: Investigation of Biomass Concentration, Lipid Production, and Cellulose Content in Chlorella vulgaris Cultures Using Response Surface Methodology. Biotechnology and Bioengineering, 110 (8), S. 2114-2122, 2013. [9] Safafar, H.; van Wagenem, J.; Møller, P.; Jacobsen, C.: Carotenoids, Phenolic Compounds and Tocopherols Contribute to the Antioxidative Properties of Some Microalgae Species Grown on Industrial Wastewater. Marine Drugs, 13, S. 7339-7356, 2015. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 46 1 Einführung Oft wird behauptet, dass es Leonardo da Vinci war [1] der den ersten bedeutenden Beitrag zur Physik der Reibung geleistet hat, indem er das bekannte „Gesetz der trockenen Reibung“ formulierte: (a) Reibung ist proportional zum Gewicht; (b) Reibung hängt nicht von der Kontaktfläche ab; (c) das Verhältnis von Reibung zu Gewicht beträgt ungefähr 1/ 4. Diese Beobachtungen hat da Vinci in seinen persönlichen Tagebüchern festgehalten, sie wurden einer breiten Öffentlichkeit jedoch nicht bekannt und scheinen keine Auswirkung auf die Wissenschaft und das Ingenieurwesen seiner Zeit gehabt zu haben. Die erste Studie der Reibung, welche durch die Veröffentlichung in Abhandlungen der Pariser Akademie der Wissenschaften weit bekannt wurde und einen dauernden Einfluss auf die Wissenschaft und Ingenieurpraxis ausübte, war die Studie von Amontons von 1699 [2]. Gleich zu Beginn seiner Abhandlung formuliert Amontons die folgenden vier „Reibgesetze“: Zum einen, erhöht/ verringert sich der Reibwiderstand proportional zum Druck. Zweitens ist der durch Reibung verursachte Widerstand für Eisen, Kupfer, Blei und Holz gleich, solange sie mit einem Fett beschichtet sind. Drittens entspricht dieser Widerstand ungefähr einem Drittel des Drucks. Viertens hängt der Widerstand nicht von der Geschwindigkeit und anderen Bedingungen ab. Dies ist die klassische Formulierung des Gesetzes der trockenen Reibung wie sie in den meisten Schulbüchern über Physik zu finden ist. Die Proportionalität der Reibkraft zur Normalkraft wird verdient als „Gesetz von Amontons“ bezeichnet. Aus Wissenschaft und Forschung 47 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 Coulomb und Amontons und verallgemeinerte Reibgesetze Elena Popova, Valentin L. Popov* Das „Coulombsche Reibgesetz“, das in den meisten Lehrbüchern zu finden ist - die Reibkraft ist proportional zur Normalkraft und hängt nicht von Kontaktfläche und Geschwindigkeit ab - hat wenig mit der tatsächlichen Arbeit von Coulomb zu tun. Im Gegenteil, Coulomb stellte fest, dass die Unabhängigkeit des Reibungskoeffizienten von Geschwindigkeit, Normalkraft, Kontaktfläche und Rauheit nur eine erste, sehr grobe Näherung ist. Er unterschied zwischen Reibpaarungen, bei denen die Proportionalität der Reibkraft zur Normalkraft eine gute Näherung darstellt (z. B. Metall-Metall), und solchen, bei denen erhebliche Abweichungen von dieser Proportionalität bestehen (Holz auf Metall oder Holz auf Holz). Coulomb gibt einfache zweigliedrige Beziehungen an, die diese experimentellen Ergebnisse empirisch zusammenfassen. Ihre Weiterentwicklung führt zu den heute intensiv diskutierten verallgemeinerten Reibgesetzen. Schlüsselwörter Haftreibung, Gleitreibung, Reibungskinetik, Materialabhängigkeit, Wissenschaftsgeschichte Coulomb and Amontons and generalized friction laws The simple formulation of “Coulombʼs law of friction” which can be found in most textbooks—the force of friction is proportional to the normal force and does not depend on the contact area and velocity— has little to do with the real work of Coulomb. On the contrary, Coulomb found that Amontonsʼ law, as well as the independence of the coefficient of friction on velocity, normal force, contact area and roughness are only a first, very rough approximation. He differentiated between material couples (e.g. metal-metal), where the proportionality of the force of friction to the normal force is a good approximation, and other (wood on metal or wood on wood), where there are significant deviations from the proportionality. Coulomb gives simple two-term relations, which empirically summarize these experimental findings. Their further development leads to the generalized friction laws that are intensively discussed today. Keywords Static friction, sliding friction, kinetics of friction, material dependency, history of science Kurzfassung Abstract * Elena Popova, Prof. Dr. Valentin L. Popov Technische Universität Berlin, 10623 Berlin TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 47 Problemen zu bestimmen, soweit eine Mischung aus Berechnung und physikalischen Prinzipien dies zulässt.“ In dieser Arbeit berücksichtigte Coulomb nur die Haftreibung. Er schreibt: „Reibung und Kohäsion sind keine aktiven Kräfte wie die Schwerkraft, die immer ihre volle Wirkung entfalten, sondern nur passive Kräfte. Diese beiden Kräfte können durch die Grenzen ihrer Festigkeit charakterisiert werden... Ich gehe hier davon aus, dass die Festigkeit aufgrund von Reibung proportional zur Druckkraft ist, wie von Amontons festgestellt wurde, obwohl die Reibung bei großen Körpern nicht genau diesem Gesetz folgt. Aus dieser Annahme ergibt sich, dass die Reibung für Ziegelsteine drei Viertel der Druckkraft beträgt... “([6], Abschnitt IV). Der Schwerpunkt dieser ersten Abhandlung von Coulomb lag jedoch nicht auf Reibung, sondern auf der Mechanik und Festigkeit von Materialien. Von der Darstellungsform und den verwendeten mathematischen Mitteln kommt dieses erste Werk von Coulomb den modernen Lehrbüchern über die Festigkeitslehre sehr nahe. Bei der Behandlung der Festigkeit von Säulen betrachtet er zunächst unterschiedlich gerichtete Schnitte der Säule unter der Annahme einer Kohäsion, die nicht von der Druckkraft abhängt. Er findet den Schnitt mit der maximalen Tangentialspannung, indem er die Ableitung der Spannung in Bezug auf den Winkel auf Null setzt. So kommt er zum Ergebnis, dass die Säulen durch Scherung entlang von Flächen zerstört werden, die um 45° zur Achse der Säule geneigt sind. Anschließend verallgemeinert er seine Behandlung, indem er eine Scherfestigkeit einführt, die Kohäsions- und Reibungskomponenten aufweist, wobei die letztere proportional zur Druckkraft ist. In der gegenwärtigen Notation würden wir seine Annahme als τ = τ 0 + μσ N , (1) schreiben, wobei τ die Tangentialspannung ist, τ 0 die Tangentialfestigkeit bei der verschwindenden Normalspannung, σ N die Normalspannung in dem gegebenen Schnitt und μ der „interne Reibungskoeffizient“, welcher aus unabhängigen Experimenten bestimmt werden kann und von Coulomb für die von ihm auf Martinique benutzten Ziegelsteine zu μ ≈ 3/ 4 abgeschätzt wurde. Die Gleichung (1) wird in der Mechanik der granularen Medien und Böden standardmäßig benutzt (siehe z.B. [8], Chapter 20) und wird historisch korrekt als Coulombsches Bruchkriterium bezeichnet. Es ist interessant festzustellen, dass Coulomb dieses „Zweikomponenten- Gesetz“ für Festigkeit/ Reibung auch in seinen späteren Arbeiten benutzt. Er betrachtet also die „Festigkeit“ und die „Haftreibung“ aus der gleichen Perspektive. Der Unterschied besteht für ihn nur in der relativen Bedeutung der Kohäsions- und Reibungsbeiträge. 1774 wurde Coulomb nach La Houge in der Nähe des großen Hafens von Cherbourg (1774 - 1777) [5] und später (1777 - 1778) nach Besançon verlegt, wo er viel Aus Wissenschaft und Forschung 48 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 Das große Verdienst von Amontons war eine drastische Vereinfachung des sehr komplexen Phänomens der trockenen Reibung. Sein Reibgesetz war nur eine grobe Näherung und hatte einen rein empirischen Charakter, da es zu seiner Zeit keine adäquaten Ideen gab, die eine „Herleitung“ oder ein theoretisches Verständnis dieses Gesetzes ermöglichen würden. Auch heute noch werden sehr emotionale Diskussionen über die physikalische Herkunft des Gesetzes von Amontons geführt (siehe z.B. [3] und [4]). Man darf nicht vergessen, dass die allgemeine „Gültigkeit“ des Gesetzes von Amontons seiner extremen Grobheit zu verdanken ist: es ist eine „nullte Näherung“, welche die Realität nur qualitativ beschreibt und nicht zu gebrauchen ist sobald man detailliertere Informationen über die Reibkraft braucht. Ein viel gründlicheres und detaillierteres Verständnis des Phänomens Reibung in seiner gesamten Komplexität wurden von Charles Augustin Coulomb geliefert, eine Analyse dessen Werke im Fokus dieses Artikels steht. 2 Arbeiten von Coulomb zur Reibung: ein historischer Überblick Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) ist eine der zentralen Persönlichkeiten in der Geschichte der Tribologie. Nach den ersten grundlegenden experimentellen Arbeiten von Amontons zur trockenen Reibung [2] erweiterte er essentiell unser Wissen über äußere Reibung und hat damit eine solide Grundlage für die künftige Forschung auf diesem Gebiet geschaffen - eine Grundlage, die bis heute Bestand hat. Es ist lehrreich die Biographie von Coulomb zu betrachten, um die Wurzeln seiner einflussreichen Arbeit zu verstehen. Die meisten seiner Arbeiten zur Reibung wurden in den Jahren zwischen 1773 und 1780 durchgeführt [5]. Die erste wissenschaftliche Arbeit von Coulomb war seine Abhandlung von 1773 „Zur Anwendung der Regeln von Maximum und Minimum auf einige statische Probleme, die für die Architektur relevant sind“ [6] (englische Übersetzung siehe [7]). Die in dieser Abhandlung dargestellten Forschungsergebnisse wurden von Coulomb auf Martinique erarbeitet, wo er zwischen 1764 und 1772 diente und den Bau von Fort Bourbon überwachte. Coulomb erinnerte sich an die Zeit, die er auf Martinique verbracht hatte: „Acht Jahre lang war ich (fast immer allein) für den Bau von Fort Bourbon und die Arbeit von 1.200 Menschen verantwortlich. Zu dieser Zeit befand ich mich oft in einer Lage, wo ich feststellen musste in welchem Maße sich Theorien, die auf Hypothesen oder Experimenten basieren, die in Miniaturform in einem physikalischen Labor erhalten wurden, in der Praxis sich als unbefriedigend herausstellen. Ich habe mein Leben der Forschung gewidmet, die für die Arbeit von Offizieren der Ingenieurtruppen verwendet werden können“, [5]. Im ersten Satz seiner Abhandlung schreibt Coulomb: „Ziel dieses Werkes ist es, die Wirkung von Reibung und Kohäsion bei einigen statischen TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 48 Freizeit hatte. Zu dieser Zeit erledigte Coulomb eine Reihe von Arbeiten für das Militärministerium. 1779 wurde Coulomb nach Marseille und 1779 - 1780 nach Rochefort verlegt, wo er eine Reihe von Experimenten zur Untersuchung der äußeren Reibung durchführte, deren Ergebnisse in der Abhandlung „Theorie des machines simple“ vorgestellt wurden, einer grundlegenden Arbeit zur Reibungstheorie [9]. 1781 erhielt Coulomb für diese Arbeit einen Preis der Pariser Akademie der Wissenschaften. Dies war bereits der zweite von Coulomb gewonnene Preis. Im Folgenden werden wir einige Ergebnisse dieser Arbeit nach der späteren Ausgabe von 1821 analysieren [9]. 1780 untersuchte Coulomb auch Reibung in Flüssigkeiten. Er stellte korrekt fest, dass die Reibungskraft in Flüssigkeiten proportional zur Geschwindigkeit bei sehr kleinen Geschwindigkeiten und zum Quadrat der Geschwindigkeit bei größeren Geschwindigkeiten ist und nicht von der Rauheit der Feststoffe abhängt, mit denen sie in Kontakt stehen. Im Fall von Flüssigkeiten vermutete er, dass es auch einen „kohäsiven“ Teil der Reibung geben kann, der nicht von der Geschwindigkeit abhängt [10]. Er konnte ihn jedoch nicht experimentell bestimmen. Diese intuitive Vorhersage hat sich später als teilweise richtig erwiesen, da man bei einigen „Fluiden“ in der Tat sowohl statische als auch viskose Reibungsteile identifizieren kann (wie z. B. bei weichen Elastomeren oder Fettschmierung). 1781 endete die Karriere von Coulomb als Ingenieur. Von dieser Zeit an beschäftigte er sich mit physikalischen Problemen (insbesondere, machte er seine berühmte Entdeckung des Gesetzes der Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen). Wie in [11],[12] gezeigt wird, kann diese „plötzliche“ Veränderung seines Forschungsgebiets logisch durch seine früheren Arbeiten erklärt werden. Durch die vorangegangenen Untersuchungen zur Torsion von Drähten hatte Coulomb ein sehr empfindliches Gerät zur Messung von Kräften geschaffen. Er hat dann seinen Aufbau für die Untersuchung der elastischen Eigenschaften von Drähten als Gerät zur Messung von Kräften „neu interpretiert“. Nach diesem Akt der „Exaptation“ begann Coulomb, verschiedene Kräfte zu messen, auch elektrische. Ein sehr berühmtes Porträt von Coulomb zeigt Coulomb mit seiner Torsionswaage. Dieses Porträt kann als Symbol seines Lebens angesehen werden, da es ein Objekt darstellt, das seine Studien zur Mechanik von Materialien und Elektrizität verbindet. 3 Die wichtigsten Erkenntnisse von Coulomb über trockene Reibung Coulomb beginnt seine wichtigste Arbeit über Reibung mit dem folgenden Satz: „Amontons scheint der erste Autor zu sein, der versucht hat, die Reibung und Steifigkeit von Seilen zur Berechnung von Maschinen abzuschätzen. Er glaubte durch seine Experimente herausgefunden zu haben, dass die Größe der Kontaktfläche die Reibung nicht beeinflusst, die somit nur von der Druckkraft der berührenden Teile abhängt: Er kommt zum Schluss, dass die Reibung in allen Fällen proportional zur Druckkraft ist“, [9]. Im Weiteren stellt Coulomb jedoch fest, dass andere Untersuchungen zeigen, dass das Amontons-Gesetz nicht genau ist und dass eine detaillierte Untersuchung erforderlich ist. Coulomb untersuchte die Reibungskraft als Funktion von vielen Faktoren, welche Gillmor [5] wie folgt zusammenfasst: 1. Materialien der kontaktierenden Körper 2. Oberflächenbeschaffenheit (poliert, rau) 3. Schmiermittel (Öl, Talg, Teer, Fett, Wasser) 4. Gewicht (Normalkraft) 5. Kontaktfläche 6. Verformungs- oder Kohäsionseffekte aufgrund der Ruhezeit 7. Geometrische Ausrichtung wechselwirkender Oberflächen (parallel oder senkrecht zur Holz maserung usw.) 8. Geschwindigkeit der Gleitbewegung 9. Verformung aufgrund der Geometrie der Oberflächen (Form der zusammenwirkenden Oberflächen planar, spitz, gekrümmt) 10. Temperatur, Luftfeuchtigkeit 11. Bewegungszustand (gleichmäßig oder stoßartig) 12. Luftdruck Die Untersuchung von Coulomb ist ein Beispiel für hervorragende experimentelle Arbeit, die anscheinend nicht von rein theoretischen Ideen oder einfachen Regeln geleitet wurde. Er untersuchte „ehrlich“ die Reibungskraft unter verschiedenen Bedingungen und versuchte, die Ergebnisse in einer Form darzustellen, die von Physikern und Ingenieuren verwendet werden kann. Abhängigkeit der statischen Reibungskraft von der Kontaktzeit Beginnen wir mit seinen Untersuchungen zur Haftreibung. Coulomb wusste, dass die statische Reibungskraft von der Zeit abhängt, die seit der ersten Berührung verstrichen ist. Er gibt daher niemals den Wert der statischen Reibungskraft an, sondern drei oder vier Werte: z.B. nach 1/ 2 Sekunde, 2 Sekunden, „10 Sekunden und einer Stunde“, siehe Bild 1. Die letzte Aussage bedeutet, dass die Reibungskraft nach 10 Sekunden ihr stationäres Niveau erreicht und sich nicht weiter ändert. Aus Wissenschaft und Forschung 49 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 49 gerung in [13] und [14] über die Eindringtiefe als Hauptparameter des Reibungsprozesses. Coulomb selbst hat jedoch nur sehr allgemeine empirische Zusammenhänge angegeben ([9], Kapitel II, S. 99): „1. Wenn Holz auf Holz ohne Schmierung gleitet, ist die Reibungskraft nach einer bestimmten Kontaktdauer direkt proportional zum Normaldruck. Die Kraft nimmt nur in den ersten Augenblicken des Kontakts zu, nach wenigen Minuten erreicht sie ein Maximum. 2. Wenn Holz auf Holz ohne Schmiermittel mit einer bestimmten Geschwindigkeit gleitet, ist die Reibungskraft ebenfalls proportional zum Normaldruck, aber selbst ihr maximaler Betrag ist viel geringer als der Betrag, der erforderlich ist, um die Verbindung zwischen den Oberflächen nach einiger Kontaktzeit zu lösen. Beispielsweise wird festgestellt, dass das Verhältnis der Kraft, die erforderlich ist, um den Kontakt zwischen zwei Eichenoberflächen nach einigen Minuten Kontakt zu unterbrechen, zur Gleitkraft 35: 22.3 beträgt. 3. Wenn Metall ohne Schmierung auf Metall gleitet, ist die Reibungskraft proportional zum Druck, aber ihr Wert ist der gleiche beim Losbrechen und Gleiten. 4. Die Ergebnisse für das Gleiten unterschiedlicher Oberflächen wie Holz auf Metall ohne Schmiermittel unterscheiden sich erheblich von den vorherigen, da die Reibungsintensität in Abhängigkeit von der Kontaktdauer langsam zunimmt und nach 4 bis 5 Tagen ihr Maximum erreicht, während sie für Metalle sofort den stationären Wert erreicht und für Holz in wenigen Minuten. Dieses Wachstum ist so langsam, dass der Reibungswiderstand bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten fast der gleiche ist wie bei einem Losbrechen oder Trennen nach 3 oder 4 Sekunden Kontakt. Bei Holz, das auf Holz ohne Schmiermittel gleitet, und bei Metall, das auf Metall gleitet, wirkt sich die Geschwindigkeit nur sehr schwach auf die Reibung aus: In diesem Fall nimmt die Reibung mit zunehmender Geschwindigkeit zu; während die Geschwindigkeit exponentiell zunimmt, nimmt die Reibung in einem arithmetischen Verlauf zu.“ 4 Coulomb und moderne Reibgesetze Der Hauptbeitrag von Coulomb zur Theorie der Reibung bestand darin, dass er auf der Grundlage einer Fülle experimenteller Daten das Amontons-Gesetz bestätigte, aber gleichzeitig seine begrenzte Natur aufgezeigt hat. Er untersuchte detailliert die schwachen Abhängigkeiten des Reibungskoeffizienten von verschiedenen Parametern wie Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit, Kontaktgröße sowie atmosphärische Bedingungen und zeigte, dass das Reibungsphänomen zu kompliziert ist, um durch eine einzige Gleichung beschrieben zu werden. In einigen begrenzten Bereichen externer Parameter gelang es ihm jedoch, die Reibung mit zweigliedrigen Glei- Aus Wissenschaft und Forschung 50 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 Abhängigkeit der Gleitreibungskraft von der Normalkraft und der Größe des Kontaktgebiets Coulomb untersuchte auch die Abhängigkeit des Gleitreibungskoeffizienten von der Normalkraft. Zu bemerken ist, dass Coulomb selbst nie den Begriff „Reibungskoeffizient“ verwendet hat, sondern häufig das Verhältnis der Normalkraft zur Reibungskraft, den „inversen Reibungskoeffizienten“, darstellt. In einem Fall beobachtet Coulomb eine Abnahme des Reibungskoeffizienten fast um den Faktor zwei durch Erhöhen der Normalkraft um den Faktor 35. In anderen Beispielen beobachtete er eine noch stärkere Abhängigkeit von der Normalkraft. Was die Abhängigkeit der Reibkraft von der Kontaktgröße betrifft, stellt Coulomb fest, dass in den meisten Fällen die Reibungskraft nicht sehr empfindlich zur Größe der Kontaktfläche ist, wie dies bereits von Amontons festgestellt wurde. In einigen Fällen stellte er jedoch eine ausgeprägte Abhängigkeit fest. Abhängigkeit von anderen Parametern Wie bereits oben erwähnt, hat Coulomb auch den Einfluss vieler anderer Faktoren untersucht und sich bemüht, diese in einer Form zusammenzufassen, die von Ingenieuren verwendet werden kann. In den meisten Fällen gelang es ihm, einfache zweigliedrige Gesetze des gleichen Typs wie Gl. (1) zu formulieren, wobei der erste Term den Hauptbeitrag und der zweite eine relativ schwache Abhängigkeit von der betroffenen Variablen (Zeit, Normalkraft, Geschwindigkeit, Größe des Kontakts...) beschrieb. Aus heutiger Sicht ist es interessant festzustellen, dass die wichtigsten Erkenntnisse von Coulomb über die Abhängigkeit der Reibungskraft von der Normalkraft und der scheinbaren Kontaktgröße wie folgt zusammengefasst werden können: Der Reibungskoeffizient für das gegebene Reibungspaar wird größer, wenn die Eindringtiefe zweier Körper kleiner wird (kleinere Kräfte, größere Kontaktflächen). Dies korreliert mit der Schlussfol- Bild 1: Typische Darstellung von Daten zur Reibungskraft in der „Théorie des machine simples“. Die Werte für jede Normalkraft werden für unterschiedliche Wartezeiten bis zum Zeitpunkt der Sättigung angegeben. Quelle: [9]. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 50 chungen zu beschreiben, von denen der erste Term eine Konstante und der zweite eine relativ schwache (oft logarithmische, wie im Fall der Geschwindigkeit) Abhängigkeit von dem betrachteten Parameter darstellt. Schematisch können seine Näherungen in der folgenden Form umformuliert werden μ = μ 0 + α ln F N + β ln υ + γ ln L + …, (2) wobei L die charakteristische Größe des Systems ist. Das Vorhandensein solcher Abhängigkeiten bedeutet, dass der stationäre Reibungskoeffizient (in einem begrenzten Bereich des Parameterraums) wie folgt geschrieben werden kann μ = μ 0 + ln (F α N υ β L γ ) (3) also abhängig von einer einzigen Variablen der Form F α N υ β L γ . Untersuchungen in den folgenden Jahrhunderten haben die Richtigkeit dieser allgemeinen Vorstellungen für tribologische Systeme verschiedener physikalischer Natur gezeigt. So kann der Reibungskoeffizient in geschmierten Systemen im Bereich der hydrodynamischen Schmierung als geschrieben werden [8], wobei η die dynamische Viskosität des Schmiermittels ist und D die charakteristische Größe des Systems. In diesem Fall, gemäß der Gleichung (3) gilt α = -1/ 2, β = 1/ 2 und γ = 1/ 2. In jüngster Zeit wurden Abhängigkeiten mit nur einer „Mastervariablen“ für die Elastomerreibung im Rahmen des Greenwood-Tabor- Grosch-Paradigmas gefunden, d.h. im Rahmen der Hypothese über die rheologische Natur der Elastomerreibung [15],[16]. Es wurde gezeigt [17],[18], dass sowohl für makroskopisch ebene als auch für makroskopisch gekrümmte Körper der Reibungskoeffizient in einem begrenzten Parameterbereich als Funktion einer Parameterkombination der Form F α N υ β L γ beschrieben werden kann, während die Konstanten α, β und γ von der jeweiligen Rheologie und der Form des Körpers abhängen können. Hervorzuheben ist, dass die Abhängigkeiten der Form (2) zum Konstruieren von verallgemeinerten Reibgesetzen auf rein empirischer Basis, ohne theoretischen Hintergrund, verwendet werden können. Solange die schwachen Abhängigkeiten der Form (2) additiv sind, kann das Masterkurvenverfahren angewendet werden. Zu bemerken ist, dass ähnliche Potenzgesetzgleichungen auch zur Beschreibung von Verschleiß vorgeschlagen und experimentell überprüft wurden [19]. 5 Verallgemeinertes Masterkurvenverfahren Die Idee, dass der Reibungskoeffizient vom Produkt bestimmter relevanten Material- und Belastungsparameter darstellbar ist, fand in der letzten Zeit eine Weiterentwicklung, die auf einer Verbindung von allgemeinen 2 / N vL F μ η ≈ theoretischen Ansätzen mit der reinen Empirik beruht. Aus der Reibungstheorie von Elastomeren kommt die Idee, dass der Reibungskoeffizient als Produkt von zwei Faktoren dargestellt werden kann: (4) wobei ∇ z der quadratische Mittelwert des Oberflächengradienten ist, a der mittlere Kontaktradius von „Asperiten“, υ die Gleitgeschwindigkeit und τ die charakteristische Relaxationszeit des Mediums [14]. In der Gleichung (4) hängen die Parameter Oberflächengradient und Radius der lokalen Kontakte nicht nur von der Eindringtiefe, sondern auch von der Oberflächenrauheit ab. Es ist praktisch unmöglich, diese Eigenschaften zu messen. Dies ist jedoch auch nicht erforderlich, da nur die durch Gleichung (4) gegebene allgemeine Struktur wichtig ist. Es ist ausreichend zu wissen, dass diese Größen ausschließlich durch die Eindringtiefe bestimmt werden [14]. Die Relaxationszeit beschreibt die Rheologie des Materials und ist temperaturabhängig. Daher kann die Gleichung (4) als Funktion der Eindringtiefe d und der Temperatur T umgeschrieben werden (5) In einer doppel-logarithmischen Skala nimmt sie die Form (6) an, mit Φ (·) = logΨ(exp(·)). Diese Form führt logisch zum verallgemeinerten Masterkurvenverfahren und schlussendlich zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten als Funktion der Gleitgeschwindigkeit, der Temperatur und der Eindringtiefe. Gemäß (6) haben die Kurven von logμ in Abhängigkeit von logυ für verschiedene Temperaturen und Eindringtiefen dieselbe Form, die nur entlang der vertikalen oder horizontalen Achse verschoben wird. Wenn wir die Kurven horizontal um den Faktor logτ (T) - loga (d) und vertikal um den Faktor log ∇ z (d) verschieben, erzeugen wir eine einzige „Masterkurve“. Somit wird rein empirisch die komplette Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Temperatur, der Geschwindigkeit und der Normalkraft bestimmt! Die Wirksamkeit dieses Verfahrens bei der Anwendung auf die Geschwindigkeits- und Normalkraftabhängigkeit der Reibung wurde experimentell in [14] bestätigt. 6 Was Coulomb nicht geschafft hat Was Coulomb nicht geschafft hat, ist eine Vereinheitlichung der statischen und kinetischen Reibung. Er entdeckte die Zeitabhängigkeit der statischen Reibungskraft und die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Gleitreibungskraft, betrachtete diese Abhängigkeiten jedoch nicht als Manifestationen derselben Physik. Verbindung Aus Wissenschaft und Forschung 51 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 , v z a τ μ Ψ ⎛ ⎞ = ∇ ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . ( ) ( ) ( ) v T z d a d τ μ Ψ ⎛ ⎞ ⋅ = ∇ ⋅ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ( ) ( ) ( ) ( ) log log log log log z d v T a d μ Φ τ − ∇ = + − TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 51 Coulomb hat uns ein Arbeitsprogramm hinterlassen, welches die tribologische Gemeinschaft noch nicht abgearbeitet hat. Die Formulierung effektiver theoretischer und empirischer Verfahren zur Konstruktion „verallgemeinerter Reibgesetze“, einschließlich der Abhängigkeiten von der Normalkraft und der Form, bleibt in der modernen Tribologie ein heißes Thema. Dieser Beitrag basiert auf der Publikation [26] und erweitert diese durch zusätzliche historische Hintergründe. 8 Literatur [1] Dowson, D. History of Tribology. Longman Group Limited, London, 1979, 678 pp. [2] Amontons, G. De la resistance cause’e dans les machines (About Resistance and Force in Machines). Mem. l’Acedemie R. A, 257-282 (1699). [3] Barber, J.R. Multiscale Surfaces and Amontons’ Law of Friction. Trib. Lett. 49, 539-543 (2013). 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Jahrgang · 3/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0018 beider Abhängigkeiten geschah viel später, in den 1970er Jahren in den Werken von Dieterich [20], sowie Rice und Ruina [21]. Dieterich und Ruina zeigten, dass die Vereinheitlichung der statischen und kinetischen Reibung durch die Einführung einer zusätzlichen internen Zustandsvariablen erreicht werden kann. Die Gleichungen von Dieterich-Ruina sehen sehr ähnlich zu (2) aus, enthalten jedoch eine zusätzliche Differentialgleichung, mit der die im Reibungskontakt ablaufenden Prozesse auch ohne Relativbewegung beschrieben werden können. Dieses theoretische Schema hat einen sehr einfachen und robusten theoretischen Hintergrund [22]. Das Konzept von Dieterich und Ruina erwies sich als sehr erfolgreich und wurde für verschiedene Materialien in einem sehr breiten Geschwindigkeitsbereich bestätigt [23]. 7 Schlussfolgerung Zunächst sei bemerkt, dass die einfache Formulierung des „Coulombschen Reibgesetzes“, die in den meisten Lehrbüchern zu finden ist - die Reibungskraft ist proportional zur Normalkraft und hängt nicht von der Kontaktfläche und der Geschwindigkeit ab - wenig mit der wirklichen Arbeit von Coulomb zu tun hat. Im Gegenteil, Coulomb stellte fest, dass das Amontons’sche Gesetz sowie die Unabhängigkeit des Reibungskoeffizienten von Geschwindigkeit, Normalkraft, Kontaktfläche und Rauheit nur eine erste, sehr grobe Näherung ist. Er unterschied zwischen materiellen Paaren (z. B. Metall- Metall), bei denen das Amontons-Gesetz eine gute Näherung darstellt, und anderen (Holz auf Metall oder Holz auf Holz), bei denen erhebliche Abweichungen vom Amontons-Gesetz bestehen. In allen Fällen sind die Abhängigkeiten jedoch relativ schwach. In der heutigen Sprache würden wir sagen, dass sie logarithmischen Charakter haben: Die geometrischen und Belastungsparameter müssen um mehrere Größenordnungen geändert werden, um eine Änderung des Reibungskoeffizienten um den Faktor zwei zu erreichen. Coulomb gibt auch einfache zweigliedrige Beziehungen an, die diese experimentellen Ergebnisse empirisch zusammenfassen. Einige der von Coulomb festgestellten Abhängigkeiten wurden auch in den folgenden Jahren eingehend untersucht, insbesondere die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Reibungskoeffizienten. Der Grund dafür kann in der Bedeutung der Geschwindigkeitsabhängigkeit für die dynamische Stabilität von Reibungssystemen liegen. Die explizite Abhängigkeit von der Zeit (Reibungskinetik) wurde seit den Arbeiten von Dieterich untersucht. Die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Normalkraft ist ein Bereich, der sich erst zu entwickeln beginnt [24],[25]. Die Abhängigkeit der Reibungskraft von der Größe des Systems wurde noch nicht systematisch untersucht. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 52 [14] Popov, V.L., Voll, L., Kusche, S., Li, Q., Rozhkova, S.V. Generalized master curve procedure for elastomer friction taking into account dependencies on velocity, temperature and normal force. Tribology International 120, 376-380 (2018) [15] Greenwood, J.A., Tabor, D. The friction of hard sliders on lubricated rubber - the importance of deformation losses. Proc. Roy. Soc. London. 71, 989-1001 (1958). [16] Grosch, K.A. Relation between Friction and Visco-Elastic Properties of Rubber. Proc. Roy. Soc. London A. 274, 21- 39 (1963). [17] Li Q., Popov M., Dimaki A., Filippov A.E., Kürschner S., Popov V.L. Friction between a viscoelastic body and a rigid surface with random self-affine roughness. Phys. Rev. Lett. 111, 034301 (2013). [18] Popov, V.L., Voll, L., Li,Q., Chai, Y.S. & Popov, M. 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Die Sessions werden moderiert und auch Fragen können online gestellt werden. Um auch Pausengespräche zu ermöglichen, sollen mehrere Chatrooms zur Verfügung stehen. Wir sind gespannt, wie diese Veranstaltungsform bei den Teilnehmern ankommen wird. Auch online sind das DFG-Schwerpunktprogramm „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ und das BMWi-Forschungsfeld „Tribologie“ wieder mit eigenen Sessions vertreten. Ein neuer Themenbereich dreht sich um die Haptik und taktile Wahrnehmung von Oberflächen. Dieses sehr dynamisch wachsende Gebiet wird in den kommenden Jahren sicher noch an Bedeutung zunehmen. Selbstverständlich kommen auch im Jahr 2020 die meisten Vorträge aus den Kernthemen der Tribologie: • Tribologische Systeme • Tribometrie • Datenbanken und Datenanalyse • Werkstoffe und Werkstofftechnologien • Dünne Schichten und Oberflächentechnologien • Schmierstoffe und Schmierungstechnik • Zerspanungs- und Umformtechnik • Maschinenelemente und Antriebstechnik • Dichtungstechnik • Tribologie in der Fahrzeugtechnik • Biotribologie, Life Science Auf der Tagung wird auch die Fortschreibung der GfT- Tribologiestudie unter dem Motto „Verschleißschutz und Nachhaltigkeit“ vorgestellt. Diese trägt der Tatsache Rechnung, dass obwohl die Corona-Pandemie im Moment als größte globale Bedrohung wahrgenommen wird, in absehbarer Zeit wieder die langfristigen globalen Probleme wie Klimawandel, Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung in den Vordergrund treten. Dabei zeichnet sich ab, dass die Nachhaltigkeit im Lebenszyklus von Produkten das bestimmende Thema der kommenden Jahrzehnte sein wird. Die entscheidende Rolle, die der Tribologie dabei zukommt, wird nicht nur in der Fortschreibung der Studie deutlich, sondern spiegelt sich auch in einem Plenarvortrag und diversen Beiträgen des Tagungsprogramms wider. Auch im nächsten Jahr soll dieses Thema schwerpunktmäßig aufgegriffen werden und wir hoffen, alle Teilnehmer dann auch wieder persönlich an gewohnter Stelle in Göttingen begrüßen zu können. Das Kurzproramm der 61. Tribologie-Fachtagung finden sie auf den folgenden Seiten. Das vollständige Programmheft, Anmeldeformulare und weitere Informationen finden Sie auf der GfT-Webseite www.gft-ev.de. Ihre GfT-Geschäftsstelle Mitteilungen der GfT 61. Tribologie-Fachtagung Teilnahme online vom 28. bis 30. September 2020 TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 54 Nachrichten 55 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Sehr geehrte Damen und Herren, das Leben der Tribologen geht weiter auch in Zeiten einer Pandemie. Diese Devise galt für den Vorstand der Gesellschaft für Tribologie von Anfang an. Wir wollen allen eine Plattform zum Austausch neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse bieten, auch den Risikogruppen und denen, die mit Reiseverbot belegt sind. Da eine duale Tagung, Präsenz und Online, die Wirtschaftlichkeit der GfT infrage gestellt hätte, haben wir uns entschlossen, die Tagung nur online durchzuführen. Corona hat uns allen vor Augen geführt, wie die Abläufe der Wissenschaft sich von denen der Politik unterscheiden. Beiden gleich ist der Weg ins Unbekannte. Die Wissenschaft stellt sich der Diskussion der Fachleute, stellt sich damit selbst infrage, sucht die Erkenntnis durch den Beweis und sei es der des Gegenteils. Politik sucht den Ausgleich der Interessen unterschiedlicher Gruppen und bezieht die Wissenschaft darin mit ein. Die Wissenschaft ist eine der rationalen Stimmen in der Entscheidungsfindung. Wie wir in der Kommunikation in der Krise sehen können, wird der Wissenschaft desto mehr Beachtung geschenkt, je verständlicher und unaufgeregter sie ist. Ein Podcast zu Virologie mit dutzenden Folgen - wer hätte gedacht, dass das ein Renner sein kann? Wie hier nicht nur das Thema Corona, sondern zugleich die wissenschaftliche Arbeitsweise präsentiert wird, ist so gut gelungen, dass es wohl lange nachwirken wird. Es ist spannend, dem Forscher über die Schulter zu schauen, seinen Gedanken zu folgen, seine Detektivarbeit nachzuvollziehen. Wir können uns daran ein Beispiel nehmen. Die Vorträge der Tagung werden nicht nur live übertragen werden, sondern werden auch später immer wieder abgerufen werden können. Damit gehen wir einen Schritt in Richtung Podcast und gehen damit nicht nur der Generation YouTube einen Schritt entgegen. Die gesellschaftliche Relevanz unserer Forschung zu betonen, hat Peter Jost der Tribologie mit in die Wiege gelegt. Heute würde er mit Sicherheit die modernen Kommunikationswege nutzen, um den Beitrag der Tribologie zu den brennenden Themen der Menschheit in der Welt bekannt zu machen. Auch wenn der Corona-Virus im Moment das alles beherrschende Thema ist, werden in absehbarer Zeit wieder die langfristigen globalen Bedrohungen wie Klimawandel, Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung in den Vordergrund treten. Da wir nur eine Erde haben und sie auch unseren Kindern und Enkeln in bewohnbarem Zustand hinterlassen möchten, wird Nachhaltigkeit das bestimmende Thema der kommenden Jahrzehnte sein. Dies ist zugleich der Wesenskern der Tribologie und deshalb haben wir „Verschleißschutz und Nachhaltigkeit“ zum Thema der Fortschreibung der GfT-Tribologiestudie und zu einem Schwerpunkt der Tagung gemacht, der sich in einem Plenarvortrag und diversen Beiträgen des Tagungsprogramms wiederfinden. Es ist ja nicht damit getan, zu wissen, welche Potentiale zur Ressourcenschonung und nachhaltigem Wirtschaften in der Tribologie stecken; erst, wenn aus Potentialen eine reale, breite Anwendung geworden ist, haben wir Tribologen unsere gesellschaftliche Aufgabe erfüllt. So wie die Virologen ihre Stimme zur Geltung gebracht haben, und Deutschland heute vergleichsweise sehr gut in der Pandemie dasteht. Insgesamt hoffen wir, trotz des ungewöhnlichen Formats, ein attraktives Programm zusammengestellt zu haben und würden uns freuen, Sie online an den Tagen vom 28. bis 30. September 2020 zur 61. Tribologie- Fachtagung begrüßen zu können. Dr.-Ing. Christoph Wincierz, Vorsitzender des Vorstands der GfT Dr. Thomas Gradt, Geschäftsführer der GfT Mitteilungen der GfT 61. Tribologie-Fachtagung Aus dem Vorwort des Tagungsprogramms TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 55 Nachrichten 56 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Mitteilungen der GfT 61. Tribologie-Fachtagung 2020 - Kurzprogramm (Änderungen vorbehalten) Gesellschaft für Tribologie e.V. - E-Mail: tribologie@gft-ev.de - Internet: www.gft-ev.de 1 Montag, 28. September 10: 00 Uhr Saal A Meeting-Point - Testmöglichkeiten 13: 00 Uhr 13: 10 Uhr 13: 30 Uhr 13: 45 Uhr Saal A Eröffnung: Dr. Christoph Wincierz, Vorsitzender GfT Vorstand, Begrüßung Vorstellung der GfT- Studie „Tribologie in Deutschland - Verschleißschutz und Nachhaltigkeit“ Preisverleihung GfT - Förderpreise Preisverleihung Georg-Vogelpohl-Ehrenzeichen 15: 00 Uhr Saal A van Leeuwen H., Universität Eindhoven - Harmen Blok‘s lasting influence on tribology Krapfl T., Evonik Resource Efficiency GmbH, Darmstadt - Life cycle analysis of an efficient hydraulic fluid 17: 30 Uhr Saal A Mitgliederversammlung Dienstag, 29. September Di, 29.09. Saal A Saal B Saal C Saal D Saal E - Start 08: 30 Uhr Tribologische Systeme Maschinenelemente & Antriebstechnik Haptik Datenbanken Vorstellung SPP 2074 09: 00 Schmierfettmodell zur CFD- Simulation von fettgeschmierten Wälzlagern Lühe R. - OVGU Magdeburg Feasibility of Microstructures on Rolling Bearing Surfaces Pape F. - LU Hannover, IMKT Tribological Loads on Displays / test and damage analysis for visible and imperceptible damage on the display surface Weinhold W. - Institut for Surface and Product Analysis, Innowep Quantitative key characteristics of transfer films and how they correlate/ relate to tribo-performance Keller A. - Kompetenzzentrum Tribologie, HS Mannheim; „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ 09: 30 Efficient methods for elastohydrodynamic simulations of ball bearing contacts Neu M. pmd TU Darmstadt WEC formation under high dynamic operation conditions Dawoud M. - TU-Clausthal, Institut für Tribologie Fingertip friction and tactile perception Bennewitz R. - INM Leibniz Institute for New Materials tribAIn - An ontology for knowledge representation in the domain of tribology Kügler P. - FAU Erlangen KTmfk 10: 00 Stable nanostructured particle-based formulated lubricants for IGO and driveline applications Wieber S. - Evonik Industries AG Experimentelle und computergestützte Untersuchung des Reibungs- und Verschleißverhaltens graphitgeschmierter Axialwälzlager Joerger A., - KIT, IPEK Oberflächen und taktile Wahrnehmung: Fusion von Technologie und Bewusstsein Beau P. - Volkswagen AG/ Group Innovation With explorative data analysis and data mining to highly effective polymer tribo-coatings Buling A. - ELB Eloxalwerk Ludwigsburg Helmut Zerrer GmbH 10: 30 PAUSE Schmierstoffe & Schmierungstechnik Dünne Schichten & Oberflächentechnologien „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ 10: 45 Verhaltenssteuerung technischer Systeme durch elektrochemische Potentiale unter Nutzung ionischer Flüssigkeiten Abicht J. - Fraunhofer IWU Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften durch Zahnradverformung und Lagerlastverteilung in mehrfach gelagerten Planeten Dimov G. - TU Kaiserslautern, MEGT Funktionales Profil von Gleisschmierstoffen im Zweischeibenprüfstand Woydt M. - Matrilub; Schneider A. - Optimol Tribological Potential of DLC coated Polymers in Highly-Loaded Contacts Maier E. - TU München 11: 15 Systems Engineering in der Tribologie: Die Vernetzung von Methoden zur Beantwortung systemrelevanter Fragestellungen Walch S. - TU Graz Transferability of component tests to systems based on the example of plain bearings in planetary gearboxes Marheineke J. - RWTH Aachen, MSE Investigation on tribological behaviour of lubricating greases composed by different bio-based polymer thickeners Vafaei S. - RWTH Aachen; Friction and Contact Temperature in Highly-Loaded Contacts under Dry Lubrication Hofmann S. - TU München 11: 45 Vorkonditionierung trockenlaufender Reibpaarungen für eine stabile Reibfunktion im Feld Fehrenbacher R. - IPEK am KIT Investigation of Traction Experiment Set Up on the Resulting Traction Curves and Fluid Properties Derived from such Measurements Bader N. - LU Hannover, IMKT Vorstellung eines allgemeinen Verfahrens zur Bestimmung der Gebrauchsdauer von Schmierfette in Wälzlagern Reichmann F. - Carl Bechem GmbH Post-annealing of nitrogen doped MoSx thin films Wittig A. - TU Dortmund 12: 15 PAUSE hier 13: 10 Uhr! 13: 00 The legacy of Coulomb and Amontons and generalized laws of friction Popov V.L. - TU Berlin Auslegung und Zustandsüberwachung ungeschmierter, angetriebener Laufrollen Wenzel J., - TU Darmstadt, pmd In-Situ studies on the adsorption of Lubricant Additives Eickworth J., - Fraunhofer IWM Tribochemische Wechselwirkung von (Cr,Al,W,Cu)N- Schichten mit unadditivierten industriellen Schmierstoffen Welters M. - RWTH Aachen, IOT „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ 13: 30 Ein Kommentar zum mehrachsigen Spannungszustand im reibungsfrei überrollten Kontakt elastischer Körper und zur Anwendung von Vergleichsspannungshypothesen Jüttner M. - FAU Erlangen-Nürnber Untersuchung des dynamischen Reibverhaltens beim schlagenden Anziehen von Schraubenverbindungen Wettstein A. - KIT, IPEK Oft missverstanden: Ölreinheit. Grenzen und Möglichkeiten der Partikelzählung Heine C. - OELCHECK GmbH Einfluss laserinduzierter Veränderungen der Materialchemie auf das tribologische Verhalten einer Titanlegierung Kümmel D. - KIT, IAM-CMS 14: 00 Erweiterungen tribologischer Modellierungen zur Abbildung reibungsselbsterregter Schwingungen Falke T. - TU Bergakademie Freiberg, IMKF Oil film temperature of Offset 8-Lobe Journal Bearing Strzelecki St. - TH Lodz, Institut für Maschinenkonstruktion Lab scale determination of lubricants ageing and its effects Halenahally Veeregowda D., - Ducom Instruments 14: 30 PAUSE hier 13: 10 Uhr! TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 56 Nachrichten 57 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Mitteilungen der GfT 61. Tribologie-Fachtagung 2020 - Kurzprogramm (Änderungen vorbehalten) Gesellschaft für Tribologie e.V. - E-Mail: tribologie@gft-ev.de - Internet: www.gft-ev.de 2 Dienstag, 29. September Di, 29.09. Saal A Saal B Saal C Saal D Saal E - Start 08: 30 Uhr Werkstoffe & Werkstofftechnologien „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ 14: 45 Ganzheitliche Ansätze zur Optimierung von tribologischbela steten Oberflächen anhand automobilindustrieller Beispiele Beau P., Kolmer P. - Volkswagen AG/ Group Innovation Alloys slip-rolling resistant up to P0max of 3.920 MPa under lubricated conditions Woydt M. - Matrilub Vergleich von Verfahren zur Charakterisierung der elektrischen Schmierstoffeigenschaften Bechev D. - LUBRICANT CONSULT GmbH 15: 15 Analyse der mechanischen Kontaktbelastung von Schraubenrotoren mittels einer isogeometrischen Randelementmethode Aurich D. - TU Dortmund, FG Fluidtechnik Analytische Charakterisierung der Oberflächen- Korrosion von Cobalt-basierten Legierungen unter (Hoch-) Temperatur-Reibbelastung Wahl M. - IFOS GmbH Programming Viscosity in Silicone Oils: Reversible Tuning of Friciton via Rheological Properties Gäbert C. - Fraunhofer CPM 15: 45 Einfluss der Umgebungsatmosphäre auf die tribologischen Eigenschaften von Titan Raumel S. - LU Hannover, IMPT Studying the Validity of 3D printed Metals as a Basis of Hydrodynamic Journal Bearings Heinlein R.- Kompetenzzentrum Tribologie, HS Mannheim Mittwoch, 30. September Mi, 30.09. Saal A Saal B Saal C Saal D Tribometrie Werkstoffe & Werkstofftechnologien Fahrzeugtechnik Forschungsfeld Tribologie 09: 00 Experimentelles Prüfverfahren an einem Vierlagerprüfstand zur Ermittlung des Reibungsmomentes einer einzelnen Angular Roller Unit unter axialer und radialer Last Wirsching S. - FAU, KTmfk; Einfluss der Faserorientierung auf die tribologischen Eigenschaften von PEEK-Compounds im Gleitkontakt mit Stahl Huang M. - Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe Tribologie von mit Ammoniak vorkonditionierten Gleitlacken Göllner S. - Robert Bosch GmbH Begrüßung und Einführung 09: 30 Performance of solid lubricants under fretting Buse H. - Hochschule Mannheim Mg(OH)2 als neuer triboaktiver Füllstoff — Einfluss des Füllstoffgehalts auf die Leistungsfähigkeit von Polyamid 66 und 46 basierten Compounds Kamerling S. - Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, TUK Einfluss schwingungsinduzierter Vorschädigungen auf die Lebensdauer von Wälzlagern Grebe M.- HS Mannheim, Kompetenzzentrum Tribologie Optimierung tribologischer Eigenschaften von ta-C-Schichten durch Dotierung Weihnacht V. - Fraunhofer IWS 10: 00 Tribologische Optimierung einer Gleitlagerpaarung mittels Modellversuch: Ein Anwendungsbeispiel aus der Industrie Schachtschneider P. - IMS Gear SE & Co.KGaA Wärmehaushalt von Kunststoff-Metall-Paarungen in unterschiedlichen Prüfkonfigurationen Ecke N. - Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, TUK Atomistisches Design von Schmierstoffen: von der Tribochemie zur Nanorheologie Moseler M. - Fraunhofer IWM 10: 30 PAUSE Dichtungstechnik 10: 45 Realitätsnahe Kratzanalyse Schary J. - Innowep GmbH Verschleißverhalten von additiv gefertigten Kunststoff- Kunststoff Gleitpaarungen Harden F. - TH Lübeck Best practice for individual test design based on given application parameters and damage analysis on radial shaft seals Merkle L. - Universität Stuttgart, IMA Increasing gearbox efficiency of battery electric vehicles with watercontaining fluids Sedlmair M. - TU München, FZG 11: 15 Einfluss der Prüftechnik auf die Ergebnisse von Tribologischen Versuchen am Beispiel von Stahl und Aluminiumoxidkeramik Hauschild J. - PKT/ TUHH Chemisch gekoppelte Öl-PTFE-PA66-Werkstoffe alsneuartige tribologische Materialien Nguyen T.D. - Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V How to measure the radial load of radial lip seals Feldmeth S. - Universität Stuttgart, IMA Wear-corrosion characterization of Ni-W and Ni-Mo alloys electrodeposited from alkaline citrate electrolytes Santos dos C. B. - Fraunhofer IPA 11: 45 Einfluss von Strahlenmodifiziertem PTFE auf die tribologischen Eigenschaften von Polyamiden Simo Kamga L. - TU Kaiserslautern Wasserhaltige Getriebe- und Kühlfluide für die E-Mobilität Rausch J. - Fuchs Schmierstoffe GmbH 12: 15 Pause 12: 30 Saal A Abschlussveranstaltung: Werner Stehr : „ An der Grenze der tribologischen Prüfung “ Schlusswort und Verabschiedung durch Christoph Wincierz TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 57 Nachrichten 58 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Der Schwerpunkt der „Jungen Tribologen“ liegt auf der Annäherung junger Wissenschaftler an das Gebiet der Tribologie. Damit möchte der Arbeitskreis das Gebiet der Tribologie und die permanente Verbreitung des tribologischen Wissens unterstützen. Zusätzlich wollen wir jungen Menschen eine Plattform bieten, um ein Netzwerk für den Erfahrungs- und Wissensaustausch in einer lockeren und freundlichen Atmosphäre aufzubauen und durch einfach gestaltete Experimente die Tribologie einem breiten Publikum darzulegen. Die Organisation, Gestaltung und Umsetzung tribologischer Experimente wird aktuell von fünf Mitgliedern der Arbeitsgruppe verantwortet. In der Regel wird jährlich ein Experiment auf der Tribologie Fachtagung in Göttingen einem breiten Publikum vorgestellt, zusätzlich dienen diese auch als Vorführobjekt an Universitäten und Hochschulen. Mit den Experimenten werden grundlegende tribologische Problemstellungen untersucht, um unterschiedliche Auswirkungen der tribologischen Systemelemente aufzuzeigen. Bisher wurden bereits fünf Generationen von Experimenten aufgebaut. Die zweite Generation wollen wir nun vorstellen Im Jahr 2013 entwickelte der Koreaner Dong Nguyen die App „Flappy Bird“, die zu einem absoluten Massenschlager wurde und zeitweise im Ranking der am meisten heruntergeladenen Apps auf Platz 1 stand. Das Spiel hatte ein derart hohes Suchtpotential, dass der Entwickler die App bereits kurze Zeit später wieder aus den Stores entfernte. Ein Spiel mit ähnlichem Suchtpotenzial wurde im Jahr 2016 auf der 57. Tribologie-Fachtagung der Gesellschaft für Tribologie e. V. vorgestellt. Mit dem Versuchsaufbau in Bild 1 wurden die motorischen und haptischen Fähigkeiten wie auch die Ausdauer der Teilnehmer auf die Probe gestellt. Durch die Auswahl zweier unterschiedlicher Polymere, welche auf einem Bleistift fixiert werden konnten, und eine Aufteilung in vier unterschiedliche Oberflächenzonen auf dem Grundkörper, standen die Teilnehmer nun vor der Herausforderung den Parcours mit der von ihnen erzeugten Reibungszahl zu bewältigen. Der Parcours bestand aus schwarzen Balken als Hindernisse, welche nicht berührt werden durften. Während die Zeit läuft, bewegt sich die rote Linie von links nach rechts durch das Bild. Der Spieler muss diese durch das Einstellen der Reibungszahl auf und ab bewegen. Durch das Erhöhen des Reibwertes bewegt sich die Linie ebenfalls nach oben, durch die Senkung des Reibwertes bewegt sie sich nach unten. Mittels einer 3D-Kraftmessplatte wurden Normalkraft und Reibungskraft aufgezeichnet. Durch etwas Programmieraufwand (bei diesem Experiment war dieser erheblich! ) und Hilfe von LabView wurden die erzeugte Reibungszahl in Echtzeit angezeigt und nach Abschluss (Kontakt mit einem Hindernis) wurde das erreichte Level automatisch abgespeichert. Natürlich wäre die Aufgabe für erfahrene Tribologen viel zu einfach, daher wurde der Schwierigkeitsgrad extra für die Fachtagung angepasst. Die mit v 1-4 gekennzeichneten Hindernisse in Bild 2 wurden mit einem Zufallsfaktor programmiert, d. h., die Hindernisse bewegten sich unterschiedlich schnell zueinander und verringerten so den Abstand, so dass die Teilnehmer in Echtzeit auf die Veränderung reagieren mussten. Wie so häufig auch in der Realität müssen sich Tribologen mit spontanen Veränderungen in technischen Mitteilungen der GfT | Junge Tribologen Spiel, Spaß und Spannung im Auftrag der Tribologie: Experimente der Jungen Tribologen Bild 1: Experiment - „die richtige Reibung zur richtigen Zeit“ TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 58 Nachrichten 59 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Systemen auseinandersetzten und „ad hoc“ Theorien entwickeln bzw. eine Abstellmaßnahme definieren. Da die Oberflächentopographie neben der Gleitgeschwindigkeit einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Reibung hat, wurde der Grundkörper auf der Messplatte in vier Zonen aufgeteilt, wie in Bild 3 zu sehen. Zone 1 = Unbearbeitet / Zone 2 = Sandgestrahlt Zone 3 = Schleifpapier 2000 / Zone 4 = Schleifpapier 60 Da nun drei direkt durch den Teilnehmer beeinflussbare Stellgrößen für die Veränderung der Reibungszahl zur Verfügung standen, konnten nun die Teilnehmer ihre tribologischen Skills voll und ganz ausspielen. Neben der Gleitgeschwindigkeit und Axialkraft, welche sicherlich sehr stark von der Motivation und der Verfassung der Teilnehmer abhängig war, konnte nun durch gezieltes Einsetzen von den oben beschriebenen Oberflächenzonen die Reibungszahl gezielt und in Echtzeit an den Parcours angepasst werden. Unabhängige Beobachter erzählten häufig, dass es immer wieder zu schweißtreibenden Challenges der Teilnehmer untereinander kam. Da die statische Reibungszahl hier mit Abstand die einfachste Möglichkeit gewesen wäre, den Parcours zu bewältigen, wurde natürlich im Hintergrund die erzeugte Reibungszahl bei Stillstand mit dokumentiert und bei der Auswertung berücksichtigt! Somit war es auch nicht verwunderlich, dass einige Teilnehmer über das gespeicherte Ergebnis erstaunt waren, bei der Spielbeschreibung wurde dieser Hinweis natürlich nur im kleingedruckten erwähnt. Aber auch hier findet sich wieder eine Analogie zur Realität, denn der Teufel steckt häufig im Detail und die einfachsten Lösungen führen nicht immer zum gewünschten Ergebnis. Zusammenfassend können wir sagen, dass die Tribologie nicht nur ein Werkzeug im wissenschaftlichen bzw. technischen Bereich ist, sondern auch als spannendes Tool für #SpielSpaßundSpannung herangezogen werden kann, um schon frühzeitig den Nachwuchs für dieses interdisziplinäre Fachgebiet zu begeistern. Daher haben sich die Jungen Tribologen zum Ziel gesetzt, mit einfachen Experimenten und Beispielen komplexe Phänomene im Bereich der Tribologie erlebbar zu machen, um die Sensibilität und das Bewusstsein für dieses Wissenschaftsgebiet zu fördern und „Tribologie wieder sexy zu machen“! Fortsetzung weiterer Experimente folgt… Autoren: Anton Kalimullin, Sebastian Wandel, Max Baumann, Dennis Mallach, Stephan Henzler Bild 4: Oberflächentopographie nach Bearbeitung mit Schleifpapier Bild 3: Hilfestellung - unterschiedliche Oberflächenzonen Bild 2: Schwierigkeitsgrad - bewegte Hindernisse TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 59 Nachrichten 60 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Das traditionelle Symposium der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft fand 2019 auf Einladung des ÖTG-Mitglieds und COMET-Projektpartners V-Research in Dornbirn, Vorarlberg, statt. Die Fachtagung widmete sich schwerpunktmäßig der Frage „Tribologie - Impulse durch Digitalisierung? “ Die wissenschaftliche Leitung von AC 2 T präsentierte die Forschungsleitlinien des Exzellenzzentrums für Tribologie, der „Forschungstochter“ der ÖTG, im COMET- Programm „Customized Tribology for Industrial Innovations: InTribology - Research Perspectives 2020- 2028“. Dem Aspekt der digitalen Transformation und der Integration der „Data Science“ in der Tribologie wird hierbei besondere Beachtung geschenkt. Das neue Forschungsprogramm „InTribology“ wurde im April 2020 am Exzellenzzentrum für Tribologie (AC 2 T research GmbH) gestartet. Insgesamt steht für den Zeitraum April 2020 bis März 2024 vorwiegend für applikationsorientierte Forschung für Partner aus der Wirtschaft und gemeinsam mit diesen ein Budget von ca. 43 Mio. EUR zur Verfügung. Viele Forschungsthemen, v. a. betreffend „Friction Optimized Devices“, „Wear Reduction Strategies for Industry“, „Sustainable Lubrication“ sowie „Synaptic Tribology“, also die umfassende Anwendung und Methodenentwicklung zur digitalen Transformation in der Tribologie, wurden bereits zusammen mit Unternehmen- und Wissenschaftspartnern initiiert. Sie haben Interesse dem InTribology-Konsortium beizutreten? Bei Interesse an einer Projektzusammenarbeit wenden Sie sich bitte an die AC 2 T-Geschäftsführung (Prof. Dr. Andreas P AUSCHITZ , andreas.pauschitz@ac2t.at). Mitteilungen der ÖTG Österreichische Tribologie-Tagung (ÖTG-Symposium 2019) - 21.11.2019 Ehrung für KLÜBER Lubrication Austria GmbH - 40 Jahre ÖTG-Mitglied Klüber-Geschäftsführer Wolfgang C HRISTANDL (re) erhält die Ehrenurkunde „40 Jahre ÖTG-Mitglied“ von ÖTG-Vorstandsmitglied Univ.-Prof. Dr. Friedrich F RANEK (Mitte), zukünftiger Klüber-Vertreter bei der ÖTG Dipl.-Ing. Hermann S IEBERT (li) © KLÜBER, Salzburg Die wissenschaftliche Leitung von AC 2 T - Priv.-Doz. Dr. Nicole D ÖRR und Dr. Ewald B ADISCH - bei ihrer Präsentation zum künftigen Forschungsprogramm „InTribology“ © ÖTG / M. L IND Prof. F RANEK freute sich, die Urkunde Herrn Dipl.-Ing. Wolfgang C HRISTANDL , Geschäftsführer von K LÜBER Salzburg, zu überreichen, der das Jubiläums-mitglied nunmehr seit 10 Jahren in der ÖTG vertritt. K LÜBER hat stets in besonderer Weise die Arbeit der ÖTG mit Interesse begleitet und aktiv unterstützt. Dies war vor allem in Zeiten besonderer Vorhaben, wie der Organisation des Tribologie-Weltkongresses WTC 2001 in Wien oder der Vorbereitung zur Gründung eines österreichischen Tribologie-Kompetenzzentrums, hilfreich und machte das Interesse der einschlägigen Wirtschaft an der „Präsenz der Tribologie“ in Österreich glaubhaft. Herr Dipl.-Ing. C HRISTANDL betonte das Engagement von K LÜBER als Schmierstoffhersteller zur Förderung der Tribologie und der Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen, die insbesondere durch den KLÜBER-Stammbetrieb in München wahrgenommen wird. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 60 Nachrichten 61 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 V.l.n.r.: Josef W EINBUB , Andrea S EIDL , Albana I LO , Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Kurt M ATYAS , Vizerektor Studium & Lehre, Aaron Maxwell A NDREWS , Nicole D ÖRR © L IST / TU Wien Verleihung der venia docendi an Dr. Nicole D ÖRR - 20.01.2020 Im Rahmen ihrer Habilitationsarbeit hat sich Dr. Nicole D ÖRR , Erste Vize-Präsidentin der ÖTG, mit „Lubricants and Tribosurfaces - Advanced Analytical Chemistry to Bridge the Gap between Lubricant Composition and Performance“ beschäftigt und die Ergebnisse ihrer diesbezüglichen Forschungstätigkeit an der TU Wien am 13.12.2019 vor der Habilitationskommission unter dem Vorsitz von Prof. Herbert D ANNINGER präsentiert. Nicole D ÖRR hat die Lehrbefugnis (venia docendi) für das Fach „Tribologie“ verliehen bekommen und wurde dem Institut für Chemische Technologien und Analytik der Technischen Universität Wien zugeordnet. Die feierliche Übergabe des Bescheides erfolgte am 20.01.2020 durch Herrn Prof. Kurt M ATYAS , Vizerektor Studium & Lehre, im Beisein von weiteren Forscherinnen und Forschern der TU Wien. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 61 Nachrichten 62 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Mitteilungen der ÖTG ÖSTERREICHISCHE TRIBOLOGISCHE GESELLSCHAFT ÖTG-SYMPOSIUM 2020 i m H y b r i d m o d u s - V o r O r t u n d o n l i n e Tribologie in Industrie und Forschung Effizienter durch Kooperation Donnerstag, 19. November 2020 / 9: 30 bis 16: 00 Technologie- und Forschungszentrum (tfz) Wiener Neustadt 2700 Wiener Neustadt ,Viktor-Kaplan-Straße 2/ A MOTIVATION UND THEMENSCHWERPUNKTE DIESER VERANSTALTUNG Basierend auf dem aktuellen sozialen, wirtschaftlichen und technischen Wandel stellen sich neue Herausforderungen für die Forschung und Entwicklung in der Tribologie. Wissenschaftliche Methoden und höchst anspruchsvolle, spezialisierte Forschungsansätze und die daraus erarbeiteten Lösungen unterstützen die vielfältigen Aufgabenstellungen aus dem produktbzw. produktionsnahen Bereich und insgesamt der modernen industriellen Technologien, insbesondere die Ökologisierung und Digitalisierung betreffend. Neue Fertigungstechniken, wie z. B. additive Technologien, integriertes Design, maßgeschneiderte Werkstoffe, neue Schmierungskonzepte, ökologische Anforderungen sowie der weitreichende Wandel in der Antriebstechnik, insbesondere E-Mobilität und alternative Kraftstoffe, sind Betätigungsfeld, Herausforderung und Chance für die Tribotechnik(er) von heute und morgen. Das ÖTG-Symposium 2020 bietet zahlreiche Vorträge (Deutsch oder Englisch), Poster-Präsentationen von Fachleuten aus der industriellen Praxis sowie von Forschungs- und Entwicklungsinstitutionen. Als Abrundung bieten wir Führungen durch die Labors am Kompetenzzentrum für Tribologie und weiteren Forschungseinrichtungen in den Bereichen Werkstoffcharakterisierung, 3D-Druck-Technologie und Oberflächentechnik an. Ziel-Branchen: Fahrzeugtechnik, Maschinen-/ Anlagenbau, Antriebstechnik, Automatisierungstechnik, Werkstofftechnik, Schmierstoff- und Oberflächentechnik, Fertigungstechnik, Anwendungstechnik Teilnahmeentgelt (exkl. 10 % MwSt.) Teilnahmeentgelt pro Person Vor Ort Online ÖTG-Mitglieder € 170,- € 120,- Ohne ÖTG-Mitgliedschaft € 300,- € 150,- Teilnehmer im Rahmen der ÖTG-Firmenmitgliedschaft € 0,- € 0,- Studierende € 100,- € 20,- Im Teilnahmeentgelt sind bei der Vor-Ort-Teilnahme Pausengetränke und ein Mittagsimbiss enthalten. VERANSTALTER Österreichische Tribologische Gesellschaft office@oetg.at / www.oetg.at in Zusammenarbeit mit AC2T research GmbH - Exzellenzzentrum für Tribologie www.ac2t.at TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 62 Nachrichten 63 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Versuche in Testständen, wie z. B. für Lager, Getriebe, Pumpen und Motoren, werden in der Regel aus Gründen der Verfügbarkeit mit frischen Schmierstoffen betrieben. Die Beurteilung von deren Leistungsfähigkeit bei längerer Einsatzdauer und somit die Abschätzung der (verbleibenden) Lebensdauer erfordert Langzeittests, die aus Kostengründen zumeist nicht durchführbar sind. AC 2 T research GmbH hat in einer Firmenkooperation einen Alterungsreaktor entwickelt, mit dem Schmierstoffe in großer Menge bis 200 Liter reproduzierbar gealtert werden können. Somit kann der Einfluss des Gebrauchtzustands des Schmierstoffes auf die Komponenten gezielt und rasch festgestellt werden. Mitteilungen der ÖTG Testöle mit definiertem Gebrauchtzustand Design und Installation des Alterungsreaktors zur Herstellung von Testölen © AC 2 T Wie für Motoröle nebenstehend beispielhaft illustriert, sind Gebrauchtöle für Tests normalerweise mit erheblichem Aufwand und nur in geringen Mengen zu gewinnen. Aufbauend auf dem gewünschten Eigenschaftsprofil eines Testöls produziert die Großmengenalterung dieses „fassweise“. Dadurch sind Testserien mit deutlich verbesserter Vergleichbarkeit realisierbar. Die Effekte unterschiedlicher Zustände des Schmierstoffes werden in Kurzzeittests ermittelt. Die Optimierung von Komponenten kann bereits in der frühen Phase der Entwicklung erfolgen. Die Testöle ermöglichen somit eine Kostenreduktion. Sie benötigen Testöle mit definierten Eigenschaften bzw. definiertem Gebrauchtzustand? Bitte wenden Sie sich an Dr. Marcella F RAUSCHER (marcella.frauscher@ac2t.at). TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 63 Nachrichten 64 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 2020 STLE International Award Recipient - Dr. Ali Erdemir (June 17, 2020) Over the past three decades, Dr. Erdemir has established himself as a pioneering and distinguished scientist in materials science, surface engineering, tribology and related disciplines. His dedicated and multidisciplinary research has resulted in several key discoveries for which many awards, honors, and patents have been bestowed. His international reputation as a pioneering tribologist elevated his stature to the elected membership of the National Academy of Engineering in 2019, the Presidency of the International Tribology Council in 2017 and STLE in 2016. This year STLE honors Dr. Ali Erdemir with the society’s highest technical award, The International Award. Dr. Erdemir has had major impact on materials science, mechanical engineering, surface engineering and tribology, nano-structured and -composite materials and coatings, physical and chemical vapor deposition, solid/ liquid lubrication, superlubricity, surface science, diamond and diamondlike carbon films, engine tribology, low-dimensional materials. Outstanding contributions to the arts and sciences in these areas have resulted in several breakthrough discoveries and have had a significant positive impact on further understanding of the fundamental friction and wear mechanisms of numerous novel materials, coatings, and lubricants (many of which are patented and licensed to industry). In early 2020, Erdemir joined Texas A&M as a TEES (Texas A&M Engineering Experiment Station) Eminent Professor from Argonne National Laboratory, where he served as a distinguished fellow and senior scientist. He received his bachelor’s degree from Istanbul Technical University in metallurgical engineering and his master’s and doctoral degrees in materials science and engineering from the Georgia Institute of Technology. His current research is directed toward the development of novel tribological technologies for a broad range of applications in manufacturing, transportation, and other energy conversion and utilization systems. P.M. Ku Award Recipient - Dr. Martin Webster (June 17, 2020) Dr. Martin N. Webster is the 41 st recipient of the STLE P.M. Ku Award, which recognizes outstanding and selfless achievements for the Society. It is given to the STLE member who most typifies the dedicated spirit of former President P.M. Ku, who worked tirelessly to promote and advance the mission of STLE. After serving on a variety of technical and administrative committees, Webster was elected to the Board of Directors in 2006, served as STLE President in 2015-16 and was named an STLE Fellow in 2019. He is a senior research associate at ExxonMobil Research and Engineering in Annandale, NJ (USA) and has been a member for 30 years. Meet STLE’s New Fellows (June 30, 2020) Only 184 individuals currently hold the membership grade of Fellow, which recognizes STLE members who have made a significant impact in the field of tribology and/ or lubrication engineering. The newest members of this distinguished group, who were approved by the STLE Board of Directors in May, are: Vasilios Bakolas Principal Expert Bearings R&D, Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach, Germany Seong Kim Dean’s Fellow Professor of Chemical Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA Ashlie Martini Professor of Mechanical Engineering, University of California, Merced, Merced, CA Fellows candidate must meet a standard for outstanding personal achievements through significant contributions in management, education, research or technological areas. The individual are recognized as an outstanding authority, as shown by patents, books, articles published, or papers presented, or because they have been responsible for significant and widely known improvements in the field. Accomplishments must be beyond those typically expected of a scientist or engineer in the field of tribology and/ or lubrication engineering. Mitteilungen der STLE * Society of Tribologists and Lubrication Engineers gibt Ehrungen für 2020 bekannt * STLG Society of Tribologists and Lubrication Engineers stle.org TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 64 Patentumschau 65 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 DE000060022309T2 F16C 33/ 66 Hoya, Shigenori, Naganoken, JP; Matsuoka, Hideki, Naganoken, JP Minebea Co., Ltd., Nagano, JP Kugellager und Schmierungsverfahren Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kugellager und ein Schmierverfahren desselben, insbesondere, das Kugellager welches widerstandsfähig ist gegen Oberflächenverschleiss, wenn es nicht rotiert und welches Schmiereigenschaften hat, wenn es rotiert, indem es Schmierfette mit unterschiedlichen Eigenschaften. DE000060025419T2 F02F 3/ 22 Bock, c/ o Caterpillar Inc., Allyn P., Peoria, Illinois 61629-6490, US; Kruse, c/ o Caterpillar Inc., Brian K., Peoria, Illinois 61629-6490, US Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US Kolbenbolzenschmierung für Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Schmierung von Verbrennungsmotoren mit sich hin und her bewegenden Kolben, und insbesondere auf die Kolbenbolzenschmierung in solchen Motoren. DE000060209678T2 F16C 11/ 06 Reniau, Gregory, 31170 Tournefeuille, FR Airbus France, Toulouse, FR Schmierungsvorrichtung für Gelenklager Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zur Durchführung einer Schmierung eines eine Gelenkkugel umfassenden Lagers aufweist. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, welche die Schmierung eines Kugelgelenks im geschlossenen Kreislauf auf automatische Weise bei Drehbewegungen einer von dem Lager getragenen Achse ermöglicht. DE000060208927T2 F16H 57/ 04 CSATA, Attila, S-443 50 Lerum, SE; NYLUND, Clas, S-416 73 Göteborg, SE Volvo Lastvagnar AB, Göteborg/ Gotenburg, SE Vorrichtung zur Schmierung von Zahnrädern Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schmierung von Zahnrädern nach dem Oberbegriff des nachstehenden Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Vorrichtung zur Schmierung von Zahnrädern, bei der die Zahnräder in verschiedenen Arten von schwer belasteten Getrieben angeordnet sind, z. B. einem Planetengetriebe. DE000060307052T2 C10M 173/ 00 Haupert, Amy, St. Paul, MN 55104, US; Hei, Person, Kim, Baldwin, WI 54002, US; LI, Minyu, Oakdale, MN 55128, US Ecolab Inc., St. Paul, Minn., US Kettenschmiermittel Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel, das zur Verwendung bei einem Fördersystem geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fördergerät-Schmiermittel, das die Gleitfähigkeit von sich bewegenden Förderern durch Schmierung der Raupenketten oder Bänder erhöht. DE000060120815T2 F16D 3/ 06 Bondioli, Edi, I-46029 Suzzara, Mantova, IT Bondioli, Edi, Suzzara, Mantova, IT Teleskopkardanwelle mit einem Fettschmierungssystem In einigen mechanischen Baugruppen; wie zum Beispiel und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, in Teleskopkardanwellenbaugruppen zur Antriebsübertragung; ist Schmierung an mehreren Stellen erforderlich, wofür unter Druck injiziertes Fett verwendet wird. DE000060120403T2 F01M 1/ 16 PARO, Daniel, FIN-66530 Kvevlax, FI Wärtsilä Finland Oy, Vaasa, FI Vorrichtung und Verfahren zur Schmierung einer Kolbenmaschine Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schmierung einer Kolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Schmierung einer Kolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Kolbenmaschine gemäß Anspruch 11. DE000060125375T2 E21B 17/ 00 Luecke, Matthias, 3Ä0161 Hannover, DE; Reinholdt, Bernd, 30569 Hannover, DE Weatherford/ Lamb, Inc., Houston, Tex., US Rohrleitungsreinigung und -schmierung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Reinigung und Schmierung von Rohrleitungen und speziell, obgleich nicht notwendigerweise, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Reinigung und Schmierung von Rohrleitungen, die in der Erdölindustrie eingesetzt werden. Erklärung Für jedes veröffentlichte Patent ist der Informationstext nach folgender Reihenfolge gegliedert: Veröffentlichungs-Nummer; IPC - Hauptklasse; Erfinder; Anmelder / Inhaber; Titel der Erfindung / des Patents; Abstract. Patentumschau TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 65 Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft 1 / 2020 Schmierstoff + Schmierung Schwerpunktthema: Schmierungsmanagement Weitere Themen: Mischbarkeit & Verträglichkeit, Schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten SCHMIERSTOFF SCHMIERUNG 1 20 Eine Zeitschrift des Verband Schmierstoff-Industrie e. V. Egal, welches Abenteuer dich antreibt - AVISTA Schmierstoffe geben dir das gute Gefühl, die beste Wahl getroffen zu haben. www.avista-lubes.de Egal, welches Abenteuer dich antreibt - Egal, welches Abenteuer dich antreibt - Egal, welches Abenteuer dich antreibt - Egal, welches Abenteuer dich antreibt - Egal, welches Abenteuer dich antreibt - Egal, welches Abenteuer dich antreibt - 06.02.2020 16: 03: 16 06.02.2020 16: 03: 16 22.06.2020 14: 11: 26 22.06.2020 14: 11: 26 SCHMIERSTOFF + SCHMIERUNG Erscheinungsweise: 4 x jährlich Sprache: deutsch Der Bezug ist kostenfrei Die Zeitschrift steht OpenAccess unter sus.expert Heft 1 (2020) Schwerpunktthema: Schmierungsmanagement 52 Seiten  Weitere Infos zur SCHMIERSTOFF + SCHMIERUNG unter sus.expert  Infos zum Aboservice per eMail an abo@narr.de  Infos zur Anzeigenschaltung: Stefanie Richter Tel.: +49 (0)89 85853 813, Fax: +49 (0)89 85853 888, eMail: richter@narr.de  Infos zu redaktionellen Beiträgen: Ulrich Sandten Tel.: +49 (0)7071 97 97 56, Fax: +49 (0)7071 97 97 11, eMail: sandten@verlag.expert expert verlag GmbH \ Dischingerweg 5 \ 72070 Tübingen \ Tel. +49 (0)7071 97 97 0 \ Fax +49 (0)7071 97 97 11 \ info@verlag.expert \ www.expertverlag.de Stand: August 2020 · Änderungen und Irrtümer vorbehalten! Die Fachzeitschri� SCHMIERSTOFF + SCHMIERUNG bietet einen umfassenden Überblick über alle Themen der Schmiersto�ranche. Dabei werden neueste Trends und Technologien ebenso behandelt wie grundlegendes Basiswissen und wirtscha�liche Entwicklungen. SCHMIERSTOFF + SCHMIERUNG richtet sich insbesondere an Leserinnen und Leser aus der Praxis. Anwender von Schmierstoffen und Hersteller von Schmiermi�eln erhalten durch unsere Zeitschri� ebenso fundierte Fachinforma�onen wie Dienstleister im Bereich Öl sowie jene, die in Schmierstofflaboren und Industrieservice-Unternehmen tä�g sind. Auch Tä�ge des Handels und des Außendienstes in der Schmiersto�ranche finden hier eine aufschlussreiche Lektüre. \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus NEU SuS_Anzeige_A4.indd 1 SuS_Anzeige_A4.indd 1 18.08.2020 16: 35: 19 18.08.2020 16: 35: 19 Normen 67 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 1 Normen der Schmierungstechnik 1.1 Nationale Normen und Entwürfe 1.1.1 DIN-Normen Z DIN EN ISO 4259-1: 2018-04 Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 1: Bestimmung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren (ISO 4259-1: 2017); Deutsche Fassung EN ISO 4259-1: 2017 Zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 4259- 1: 2020-02 ZE DIN EN ISO 4259-1/ A1: 2019-04 Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 1: Bestimmung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren - Änderung 1 (ISO 4259- 1: 2017/ DAM 1: 2019); Deutsche und Englische Fassung EN ISO 4259-1: 2017/ prA1: 2019 DIN EN ISO 4259-1: 2020-02 Print: 206,40 EUR/ Download: 170,90 EUR Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 1: Bestimmung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren (ISO 4259-1: 2017 + Amd 1: 2019); Deutsche Fassung EN ISO 4259-1: 2017 + A1: 2019 Petroleum and related products - Precision of measurement methods and results - Part 1: Determination of precision data in relation to methods of test (ISO 4259-1: 2017 + Amd 1: 2019); German version EN ISO 4259-1: 2017 + A1: 2019 Ersatz für DIN EN ISO 4259-1: 2018-04 Gegenüber DIN EN ISO 4259-1: 2018-04 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Unterabschnitte 5.3.1, 6.3.2, 6.3.3.2, 6.4.3 und 6.5 aktualisiert; b) neue Gleichung (3) hinzugefügt und folgende Gleichungen neu nummeriert; c) Bild 1 aktualisiert; d) neuer Unterabschnitt 6.6 hinzugefügt; e) Tabelle F.2 aktualisiert. Dieses Dokument legt die Vorgehensweise für die Auslegung von Ringversuchen (ILS) und die Abschätzung von Präzisionsdaten für ein durch den Ringversuch festgelegtes Prüfverfahren festgelegt. Im Besonderen werden die maßgeblichen statistischen Begriffe definiert (Abschnitt 3) und die notwendigen Maßnahmen für die Planung von Ringversuchen zur Bestimmung der Präzision eines Prüfverfahrens (Abschnitt 4) sowie das Verfahren zur Berechnung der Präzision aus den Ergebnissen einer derartigen Studie (Abschnitte 5 und 6) festgelegt. Z DIN EN ISO 4259-2: 2018-04 Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 2: Anwendung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren (ISO 4259-2: 2017); Deutsche Fassung EN ISO 4259-2: 2017 Zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 4259- 2: 2020-02 ZE DIN EN ISO 4259-2/ A1: 2019-04 Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 2: Anwendung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren - Änderung 1 (ISO 4259- 2: 2017/ DAM 1: 2019); Deutsche und Englische Fassung EN ISO 4259-2: 2017/ prA1: 2019 DIN EN ISO 4259-2: 2020-02 Print: 126,70 EUR/ Download: 104,60 EUR Mineralölerzeugnisse - Präzision von Messverfahren und Ergebnissen - Teil 2: Anwendung der Präzisionsdaten von Prüfverfahren (ISO 4259-2: 2017 + Amd 1: 2019); Deutsche Fassung EN ISO 4259-2: 2017 + A1: 2019 Petroleum and related products - Precision of measurement methods and results - Part 2: Interpretation and application of precision data in relation to methods of test (ISO 4259-2: 2017 + Amd 1: 2019); German version EN ISO 4259-2: 2017 + A1: 2019 Ersatz für DIN EN ISO 4259-2: 2018-04 Gegenüber DIN EN ISO 4259-2: 2018-04 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Abkürzung im Begriff 3.1 und an mehreren Stellen im Dokument geändert; b) Unterabschnitte 4.4.1, 4.4.2, 6.3.4, und 7.5 aktualisiert; c) Bild 2 und Bild 3 aktualisiert; d) Erläuterung zu Gleichung (A.2) geändert. Dieses Dokument legt die Vorgehensweise für die Anwendung von Abschätzungen für die Präzision eines Prüfverfahrens nach ISO 4259-1 fest. Insbesondere definiert es die Verfahren für die Festlegung von Spezifikationsgrenzen einer Eigenschaft auf der Grundlage der Präzision eines Prüfverfahrens, wenn diese Eigenschaft unter Anwendung eines vorgegebenen Prüfverfahrens bestimmt wird, sowie die Bestimmung der Konformität mit der Spezifikation im Fall von widersprüchlichen Prüfergebnissen zwischen Lieferant und Abnehmer. Andere Anwendungen für die Präzision dieses Prüfverfahrens sind kurz beschrieben, ohne aber auf die zugehörigen Verfahrensweisen einzugehen. Z DIN ISO 13357-1: 2009-04 Mineralölerzeugnisse - Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen - Teil 1: Verfahren für Öle in Gegenwart von Wasser (ISO 13357-1: 2002) Normen TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 67 Normen 68 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Zurückgezogen, ersetzt durch DIN ISO 13357-1: 2020- 02 DIN ISO 13357-1: 2020-02 Print: 83,50 EUR/ Download: 69,20 EUR Mineralölerzeugnisse - Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen - Teil 1: Verfahren für Öle in Gegenwart von Wasser (ISO 13357-1: 2017) Petroleum products - Determination of the filterability of lubricating oils - Part 1: Procedure for oils in the presence of water (ISO 13357-1: 2017) Ersatz für DIN ISO 13357-1: 2009-04 Gegenüber DIN ISO 13357-1: 2009-04 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Nationaler Anhang NA „Literaturhinweise“ überarbeitet und ergänzt; b) Nationaler Anhang NB „Nationale Hinweise zu Unterabschnitt 11.2“ hinzugefügt; c) normative Verweisungen aktualisiert; d) Abschnitt 3 „Begriffe“ Datenbanken ergänzt; e) Abschnitt 6 „Prüfeinrichtungen“ überarbeitet einschließlich alternativer Membranen, um die weitere Verwendung dieses Dokuments zu ermöglichen; f) Abschnitt 9 „Verfahren“ hinsichtlich der Behandlung zwischen den Prüfungen präzisiert; g) Anhang A „Geeignetes Verfahren für das Anbringen von Strichteilungen auf einem Messzylinder“ hinsichtlich Prüfeinrichtung und Verfahren überarbeitet; h) Literaturhinweise ergänzt; i) redaktionelle Überarbeitung des gesamten Dokuments. Dieses Dokument legt ein Verfahren für die Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen und besonders von Hydraulikölen in Gegenwart von Wasser fest. Z DIN ISO 13357-2: 2008-09 Mineralölerzeugnisse - Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen - Teil 2: Verfahren für Trockenöle (ISO 13357-2: 2005) Zurückgezogen, ersetzt durch DIN ISO 13357-2: 2020-02 DIN ISO 13357-2: 2020-02 Print: 83,50 EUR/ Download: 69,20 EUR Mineralölerzeugnisse - Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen - Teil 2: Verfahren für trockene Öle (ISO 13357-2: 2017) Petroleum products - Determination of the filterability of lubricating oils - Part 2: Procedure for dry oils (ISO 13357-2: 2017) Ersatz für DIN ISO 13357-2: 2008-09 Gegenüber DIN ISO 13357-2: 2008-09 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Nationaler Anhang NA „Literaturhinweise“ überarbeitet und ergänzt; b) Nationaler Anhang NB „Nationale Hinweise zu Abschnitt 1, Abschnitt 9, Abschnitt 11“ hinzugefügt; c) normative Verweisungen aktualisiert; d) Abschnitt 3 „Begriffe“ Datenbanken ergänzt sowie „Filtrierbarkeit“ überarbeitet; e) Abschnitt 6 „Prüfeinrichtungen“ überarbeitet einschließlich alternativer Membranen, um die weitere Verwendung dieses Dokuments zu ermöglichen; f) Abschnitt 7 „Proben und Probenahme“ hinsichtlich der Temperatur überarbeitet; g) Abschnitt 9 „Durchführung“ hinsichtlich der Durchführung der Prüfung überarbeitet; h) Abschnitt 10 „Berechnungen“, Abschnitt 11 „Angabe der Ergebnisse“ und Abschnitt 12 „Präzision“ durch redaktionelle Änderungen präzisiert; i) Anhang A „Geeignetes Verfahren für das Anbringen von Strichteilungen auf einem Messzylinder“ hinsichtlich Prüfeinrichtung und Durchführung überarbeitet; j) Literaturhinweise ergänzt; k) redaktionelle Überarbeitung des gesamten Dokuments. Dieses Dokument legt ein Verfahren für die Bestimmung der Filtrierbarkeit von Schmierölen und besonders von Hydraulikölen fest. Das Verfahren bezieht sich ausschließlich auf Mineralöle, da aus anderen Materialien hergestellte Fluide (z. B. schwer entflammbare Flüssigkeiten) unter Umständen nicht mit den spezifizierten Prüfmembranen verträglich sein könnten. E DIN ISO 15380: 2020-01 Print: 98,80 EUR/ Download: 81,60 EUR Schmierstoffe, Industrieöle und verwandte Produkte (Klasse L) - Familie H (Hydraulische Systeme) - Anforderungen für Hydraulikflüssigkeiten der Kategorien HETG, HEPG, HEES und HEPR (ISO 15380: 2016); Text Deutsch und Englisch Lubricants, industrial oils and related products (class L) - Family H (Hydraulic systems) - Specifications for hydraulic fluids in categories HETG, HEPG, HEES and HEPR (ISO 15380: 2016); Text in German and English Vorgesehen als Ersatz für die 2015-11 zurückgezogene Norm DIN ISO 15380: 2004-05 Erscheinungsdatum: 2019-12-06 Einsprüche bis 2020-01-29 Gegenüber DIN ISO 15380: 2004-05 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Dokument technisch überarbeitet; b) Norm redaktionell überarbeitet. Dieses Dokument legt die Anforderungen an umweltverträgliche Druckflüssigkeiten fest. Es ist für hydraulische Systeme anwendbar, insbesondere für Systeme der Fluidtechnik. Dieses Dokument dient als Richtlinie sowohl für Lieferanten und Endverbraucher umweltverträglicher Druckflüssigkeiten als auch für Ausrüstungshersteller hydraulischer Systeme und Anlagen. Dieses Dokument legt Anforderungen für umweltverträgliche Druckflüssigkeiten zum Zeitpunkt der Anlieferung fest. ISO 6743-4 bestimmt die Klassifikation von Flüssigkeiten für Anwendungen in der Fluidtechnik. Von den in ISO 6743-4 enthaltenen Gruppen werden in dieser Internationalen Norm nur vier Arten umweltverträglicher Druckflüssigkeiten erfasst. Dies sind die Kategorien HETG, HEPG, HEES, und HEPR. TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 68 Normen 69 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 E DIN ISO 22286: 2020-01 Print: 68,30 EUR/ Download: 56,60 EUR Mineralölerzeugnisse und Schmierstoffe - Bestimmung des Tropfpunktes von Schmierfetten mit einem automatischen Prüfgerät (ISO 22286: 2018); Text Deutsch und Englisch Petroleum products and lubricants - Determination of the dropping point of grease with an automatic apparatus (ISO 22286: 2018); Text in German and English Erscheinungsdatum: 2019-12-20 Einsprüche bis 2020-02-13 Dieses Dokument legt ein Verfahren für die Bestimmung des Tropfpunktes von Schmierfetten mit einem automatischen Gerät fest. Z DIN 51451: 2004-09 Prüfung von Mineralölerzeugnissen und verwandten Produkten - Infrarotspektrometrische Analyse - Allgemeine Arbeitsgrundlagen Zurückgezogen, ersetzt durch DIN 51451: 2020-02 DIN 51451: 2020-02 Print: 83,50 EUR/ Download: 69,20 EUR Prüfung von Mineralölerzeugnissen und verwandten Produkten - Infrarotspektrometrische Analyse - Allgemeine Arbeitsgrundlagen Testing of petroleum products and related products - Analysis by infrared spectrometry - General working principles Ersatz für DIN 51451: 2004-09 Gegenüber DIN 51451: 2004-09 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Wegfall der Gitter-Geräte, da sie heute nur noch in Ausnahmefällen verwendet werden; b) Aufnahme der ATR-Technik; c) redaktionelle Überarbeitung. Dieses Dokument legt die allgemeinen Arbeitsgrundlagen der infrarotspektrometrischen Analyse für die Prüfungen von Mineralölerzeugnissen und verwandten Produkten fest. Z DIN 51834-4: 2012-06 Prüfung von Schmierstoffen - Tribologische Prüfung im translatorischen Oszillations-Prüfgerät - Teil 4: Bestimmung von Reibungs- und Verschleißmessgrößen für Schmieröle mit der Zylinderrolle-Ebene-Geometrie Zurückgezogen, ersetzt durch DIN 51834-4: 2020-01 DIN 51834-4: 2020-01 Print: 60,80 EUR/ Download: 50,30 EUR Prüfung von Schmierstoffen - Tribologische Prüfung im translatorischen Oszillations-Prüfgerät - Teil 4: Bestimmung von Reibungs- und Verschleißmessgrößen für Schmieröle mit der Zylinderrolle-Ebene-Geometrie Testing of lubricants - Tribological test in the translatory oscillation apparatus - Part 4: Determination of friction and wear data for lubricating oils with the cylindrical roller-disk geometry Ersatz für DIN 51834-4: 2012-06 Gegenüber DIN 51834-4: 2012-06 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) die normativen Verweisungen wurden aktualisiert; b) SRV 5 wurde hinzugefügt; c) Präzisionsangaben wurden aufgenommen; d) das Dokument wurde redaktionell überarbeitet. Dieses Dokument legt ein Verfahren zur Bestimmung von Reibungs- und Verschleißmessgrößen für Schmieröle mit der Zylinderrolle-Ebene-Geometrie fest. 1.2 Internationale Normen und Entwürfe 1.2.1 EN-Normen ZE prEN ISO 14935: 2019-03 Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung der Nachbrennzeit schwer entflammbarer Flüssigkeiten an einem Docht (ISO/ DIS 14935: 2019) Zurückgezogen, ersetzt durch FprEN ISO 14935: 2019- 12 E FprEN ISO 14935: 2019-12 Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung der Nachbrennzeit schwer entflammbarer Flüssigkeiten an einem Docht (ISO/ FDIS 14935: 2019) Petroleum and related products - Determination of wick flame persistence of fire-resistant fluids (ISO/ FDIS 14935: 2019) Vorgesehen als Ersatz für EN ISO 14935: 1998-05; Ersatz für prEN ISO 14935: 2019-03 E prEN 15199-1: 2019-12 Mineralölerzeugnisse - Gaschromatographische Bestimmung des Siedeverlaufes - Teil 1: Mitteldestillate und Grundöle Petroleum products - Determination of boiling range distribution by gas chromatography method - Part 1: Middle distillates and lubricating base oils Vorgesehen als Ersatz für EN 15199-1: 2006-10 Einsprüche bis 2020-03-05 1.2.2 ISO-Normen ZE ISO 6614 DAM 1: 2019-04 Mineralölerzeugnisse - Bestimmung des Wasserabscheidevermögens von Mineralölen und synthetischen Flüssigkeiten; Änderung 1 ISO 6614 AMD 1: 2019-12 19,00 EUR Mineralölerzeugnisse - Bestimmung des Wasserabscheidevermögens von Mineralölen und synthetischen Flüssigkeiten; Änderung 1 Petroleum products - Determination of water separability of petroleum oils and synthetic fluids; Amendment 1 Änderung von ISO 6614: 1994-12 ZE ISO 9120 DAM 1: 2019-04 Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung des Luftabscheidevermögens von Dampftur- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 69 Normen 70 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 binen- und anderen Ölen - Impinger-Verfahren; Änderung 1 ISO 9120 AMD 1: 2019-12 19,00 EUR Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung des Luftabscheidevermögens von Dampfturbinen- und anderen Ölen - Impinger-Verfahren; Änderung 1 Petroleum and related products - Determination of airrelease properties of steam turbine and other oils - Impinger method; Amendment 1 Änderung von ISO 9120: 1997-12 ZE ISO/ DIS 14935: 2019-03 Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung der Nachbrennzeit schwer entflammbarer Flüssigkeiten an einem Docht Zurückgezogen, ersetzt durch ISO/ FDIS 14935: 2019-12 E ISO/ FDIS 14935: 2019-12 68,50 EUR Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte - Bestimmung der Nachbrennzeit schwer entflammbarer Flüssigkeiten an einem Docht Petroleum and related products - Determination of wick flame persistence of fire-resistant fluids Vorgesehen als Ersatz für ISO 14935: 1998-05; Ersatz für ISO/ DIS 14935: 2019-03 2 Sonstige tribologisch relevante Normen 2.1 Nationale Normen und Entwürfe 2.1.1 DIN-Normen E DIN EN 13103-1/ A1: 2020-02 Print: 68,30 EUR/ Download: 56,60 EUR Bahnanwendungen - Radsätze und Drehgestelle - Teil 1: Konstruktionsverfahren für außengelagerte Radsatzwellen; Deutsche und Französische Fassung EN 13103- 1: 2017/ prA1: 2020 Railway applications - Wheelsets and bogies - Part 1: Design method for axles with external journals; German and French version EN 13103-1: 2017/ prA1: 2020 Vorgesehen als Änderung von DIN EN 13103-1: 2019- 02 Erscheinungsdatum: 2020-01-17 Einsprüche bis 2020-03-10 Diese Europäische Norm: - gibt Kräfte und Momente an, die aufgrund der Massenwirkungen sowie der Antriebs und Bremsbedingungen zu berücksichtigen sind; - gibt das Verfahren zur Spannungsberechnung außengelagerter Radsatzwellen an; - legt die höchstzulässigen Spannungen für die Stahlgüten EA1N, EAT1T und EA4T nach EN 13261 fest, die in die Berechnung einzusetzen sind; - beschreibt die Vorgehensweise zur Ermittlung der höchstzulässigen Spannungen für andere Stähle; - ermöglicht die Berechnung der Durchmesser der verschiedenen Wellenabschnitte und definiert die bevorzugten Formen und Übergänge, um ein sicheres Betriebsverhalten zu erreichen. Diese Europäische Norm gilt für: - Radsätze nach EN 13261; - Treibrad und Laufradsatzwellen; - alle Spurweiten. Z DIN ISO 13778: 2000-06 Gleitlager - Qualitätssicherung von dünnwandigen Lagerschalen - Zusammenbau von Lagern mit dem Ziel, engere Lagerspiele zu erreichen (ISO 13778: 1999) Zurückgezogen, ersetzt durch DIN ISO 13778: 2020-01 DIN ISO 13778: 2020-01 Print: 68,30 EUR/ Download: 56,60 EUR Gleitlager - Qualitätssicherung von dünnwandigen Lagerschalen - Zusammenbau von Lagern mit dem Ziel, engere Lagerspiele zu erreichen (ISO 13778: 2017) Plain bearings - Quality assurance of thin-walled half bearings - Selective assembly of bearings to achieve a narrow clearance range (ISO 13778: 2017) Ersatz für DIN ISO 13778: 2000-06 Gegenüber DIN ISO 13778: 2000-06 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Anpassung an ISO-Regularien; b) Aktualisierung der Abschnitte 3, 5 und 6. Das Dokument legt die ausgewählte Montage von Kurbelwellenanlagen für Kurbelwellen (mit Lagern nach ISO 3548-1) fest. E DIN EN 14198/ A2: 2020-02 Print: 45,30 EUR/ Download: 37,40 EUR Bahnanwendungen - Bremsen - Anforderungen an die Bremsausrüstung lokbespannter Züge; Deutsche und Englische Fassung EN 14198: 2016+A1: 2018/ prA2: 2020 Railway applications - Braking - Requirements for the brake system of trains hauled by locomotives; German and English version EN 14198: 2016+A1: 2018/ prA2: 2020 Vorgesehen als Änderung von DIN EN 14198: 2019-02 Erscheinungsdatum: 2020-01-17 Einsprüche bis 2020-03-10 Diese Europäische Norm legt grundsätzliche Anforderungen an die Bremsung von lokbespannten Zügen fest: - Für lokbespannte Züge zur Verwendung im allgemeinen Betrieb wird jedes Fahrzeug mit einem herkömmlichen Bremssystem mit einer Hauptluftleitung, die mit dem UIC-Bremssystem kompatibel ist, ausgestattet. - Für lokbespannte Züge zur Verwendung in festen oder vordefinierten Zugverbänden sind die Anforderungen bezüglich Fahrzeug und Zug notwendig. Im Falle eines UIC-Bremssystems ist diese Norm anwendbar, falls nicht, greift die Normreihe EN 16185 oder die Normreihe EN 15734. Im Zweifelsfall kann die UIC- Bremsenarchitektur, die in dieser Norm beschrieben wird, für Bremsen von Triebzügen und Hochgeschwindigkeitszügen sowie für städtische Eisenbahnen, wie in EN 13452, EN 16185 und EN 15734 beschrieben, verwendet werden. Diese Europäische Norm berücksichtigt ebenfalls die elektrischen und elektronischen Steue- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 70 Normen 71 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 rungs- und Regelungsfunktionen sowie zusätzliche Bremssysteme, wie dynamische Bremsen und kraftschlussunabhängige Bremsen. Die Anforderungen an das Bremssystem von schienengebundenen Maschinen sind in EN 14033-1 enthalten. Diese Europäische Norm gilt nicht für Bremssysteme der Schienenfahrzeuge des öffentlichen Nahverkehrs nach EN 13452-1. 2.1.1.1 Übersetzungen DIN EN ISO 3252: 2019-12 Print: 165,70 EUR/ Download: 137,00 EUR Powder metallurgy - Vocabulary (ISO 3252: 2019) Pulvermetallurgie - Begriffe (ISO 3252: 2019) DIN 5405-1: 2016-12 Print: 94,80 EUR/ Download: 78,40 EUR Rolling bearings - Needle roller bearings - Part 1: Needle roller and cage assemblies Wälzlager - Nadellager - Teil 1: Radial-Nadelkränze DIN 5405-2: 2019-04 Print: 76,10 EUR/ Download: 62,80 EUR Rolling bearings - Needle roller bearings - Part 2: Thrust needle roller and cage assemblies Wälzlager - Nadellager - Teil 2: Axial-Nadelkränze DIN 5405-3: 2016-12 Print: 66,20 EUR/ Download: 54,70 EUR Rolling bearings - Needle roller bearings - Part 3: Thrust washers Wälzlager - Nadellager - Teil 3: Axialscheiben DIN ISO 12132: 2019-12 Print: 85,40 EUR/ Download: 78,70 EUR Plain bearings - Quality assurance of thin-walled halfbearings - Design FMEA (ISO 12132: 2017) Gleitlager - Qualitätssicherung von dünnwandigen Lagerschalen - Konstruktions-FMEA (ISO 12132: 2017) DIN EN 13001-3-4: 2019-12 Print: 265,10 EUR/ Download: 219,40 EUR Cranes - General design - Part 3-4: Limit states and proof of competence of machinery - Bearings Krane - Konstruktion allgemein - Teil 3-4: Grenzzustände und Sicherheitsnachweise für Maschinenbauteile - Lager 2.2 Internationale Normen und Entwürfe 2.2.1 EN-Normen ZE FprEN ISO 10070: 2019-09 Metallpulver - Bestimmung der spezifischen Außenoberfläche durch Messung der Permeabilität von Luft in einem Pulverbett unter gleichförmigen Strömungsbedingungen (ISO/ FDIS 10070: 2019) EN ISO 10070: 2019-12 Metallpulver - Bestimmung der spezifischen Außenoberfläche durch Messung der Permeabilität von Luft in einem Pulverbett unter gleichförmigen Strömungsbedingungen (ISO 10070: 2019) Metallic powders - Determination of envelope-specific surface area from measurements of the permeability to air of a powder bed under steady-state flow conditions (ISO 10070: 2019) ZE prEN 13001-3-8: 2018-05 Krane - Konstruktion allgemein - Teil 3-8: Grenzzustände und Sicherheitsnachweise für Maschinenbauteile - Wellen E FprCEN/ TS 13103-2: 2019-12 Bahnanwendungen - Radsätze und Drehgestelle - Teil 2: Konstruktionsleitfaden für innengelagerte Radsatzwellen Railway applications - Wheelsets and bogies - Part 2: Design method for axles with internal journals ZE EN 16185-1/ prA1: 2017-04 Bahnanwendungen - Bremssysteme für Triebzüge - Teil 1: Anforderungen und Definitionen Zurückgezogen, ersetzt durch EN 16185-1/ FprA1: 2020- 01 E EN 16185-1/ FprA1: 2020-01 Bahnanwendungen - Bremssysteme für Triebzüge - Teil 1: Anforderungen und Definitionen Railway applications - Braking systems of multiple unit trains - Part 1: Requirements and definitions Ersatz für EN 16185-1/ prA1: 2017-04; vorgesehen als Änderung von EN 16185-1: 2014-12 2.2.2 ISO-Normen ZE ISO/ DIS 3046-6: 2019-04 Reciprocating internal combustion engines - Performance - Part 6: Overspeed protection Zurückgezogen, ersetzt durch ISO/ FDIS 3046-6: 2019- 12 E ISO/ FDIS 3046-6: 2019-12 45,00 EUR Reciprocating internal combustion engines - Performance - Part 6: Overspeed protection Vorgesehen als Ersatz für ISO 3046-6: 1990-10; Ersatz für ISO/ DIS 3046-6: 2019-04 ZE ISO/ DIS 4548-5: 2019-05 Methods of test for full-flow lubricating oil filters for internal combustion engines - Part 5: Test for cold start simulation and hydraulic pulse durability Zurückgezogen, ersetzt durch ISO/ FDIS 4548-5: 2019- 12 E ISO/ FDIS 4548-5: 2019-12 68,50 EUR Methods of test for full-flow lubricating oil filters for in- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 71 Normen 72 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 ternal combustion engines - Part 5: Test for hydraulic pulse durability Vorgesehen als Ersatz für ISO 4548-5: 2013-07; Ersatz für ISO/ DIS 4548-5: 2019-05 Z ISO 6336-1: 2006-09 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 1: Grundnorm, Einführung und allgemeine Einflussfaktoren Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-1: 2019-11 Z ISO 6336-1 Technical Corrigendum 1: 2008-06 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 1: Grundnorm, Einführung und allgemeine Einflussfaktoren Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-1: 2019-11 ZE ISO/ FDIS 6336-1: 2019-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 1: Grundnorm, Einführung und allgemeine Einflussfaktoren SO 6336-1: 2019-11 234,00 EUR Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 1: Grundnorm, Einführung und allgemeine Einflussfaktoren Calculation of load capacity of spur and helical gears - Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors Ersatz für ISO 6336-1: 2006-09 und ISO 6336-1 Technical Corrigendum 1: 2008-06 Z ISO 6336-2: 2006-09 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 2: Berechnung der Oberflächentragfähigkeit (Grübchenbildung) Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-2: 2019-11 Z ISO 6336-2 Technical Corrigendum 1: 2008-06 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 2: Berechnung der Oberflächentragfähigkeit (Grübchenbildung) Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-2: 2019-11 ZE ISO/ FDIS 6336-2: 2019-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 2: Berechnung der Grübchentragfähigkeit ISO 6336-2: 2019-11 186,80 EUR Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 2: Berechnung der Grübchentragfähigkeit Calculation of load capacity of spur and helical gears - Part 2: Calculation of surface durability (pitting) Ersatz für ISO 6336-2: 2006-09 und ISO 6336-2 Technical Corrigendum 1: 2008-06 Z ISO 6336-3: 2006-09 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 3: Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-3: 2019-11 Z ISO 6336-3 Technical Corrigendum 1: 2008-06 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 3: Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-3: 2019-11 IZE ISO/ FDIS 6336-3: 2019-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 3: Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit ISO 6336-3: 2019-11 210,40 EUR Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 3: Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit Calculation of load capacity of spur and helical gears - Part 3: Calculation of tooth bending strength Ersatz für ISO 6336-3: 2006-09 und ISO 6336-3 Tech Z ISO 6336-6: 2006-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 6: Betriebsfestigkeitsrechnung Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-6: 2019-11 Z ISO 6336-6 Technical Corrigendum 1: 2007-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 6: Betriebsfestigkeitsrechnung; Korrektur 1 Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 6336-6: 2019-11 ZE ISO/ FDIS 6336-6: 2019-08 Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 6: Betriebsfestigkeitsrechnung ISO 6336-6: 2019-11 186,80 EUR Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 6: Betriebsfestigkeitsrechnung Calculation of load capacity of spur and helical gears - Part 6: Calculation of service life under variable load Ersatz für ISO 6336-6: 2006-08 und ISO 6336-6 Technical Corrigendum 1: 2007-08 ZE ISO/ DIS 6621-2: 2018-02 Verbrennungskraftmaschinen - Kolbenringe - Teil 2: Prüfung der Qualitätsmerkmale Zurückgezogen, ersetzt durch ISO/ FDIS 6621-2: 2019- 12 E ISO/ FDIS 6621-2: 2019-12 163,00 EUR Verbrennungskraftmaschinen - Kolbenringe - Teil 2: Prüfung der Qualitätsmerkmale Internal combustion engines - Piston rings - Part 2: In- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 72 Normen 73 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 spection measuring principles Vorgesehen als Ersatz für ISO 6621-2: 2003-11; Ersatz für ISO/ DIS 6621-2: 2018-02 E ISO/ DIS 6621-3: 2019-11 68,50 EUR Verbrennungsmotoren - Kolbenringe - Teil 3: Materialspezifikationen Internal combustion engines - Piston rings - Part 3: Material specifications Vorgesehen als Ersatz für ISO 6621-3: 2000-09 Einsprüche bis 2020-02-11 Z ISO 10070: 1991-12 Metallpulver; Ermittlung der spezifischen Außenoberfläche durch Messung der Luftdurchlässigkeit einer Pulverprobe unter gleichförmigen Strömungsbedingungen Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 10070: 2019-12 ZE ISO/ FDIS 10070: 2019-09 Metallpulver - Bestimmung der spezifischen Außenoberfläche durch Messung der Permeabilität von Luft in einem Pulverbett unter gleichförmigen Strömungsbedingungen ISO 10070: 2019-12 104,00 EUR Metallpulver - Bestimmung der spezifischen Außenoberfläche durch Messung der Permeabilität von Luft in einem Pulverbett unter gleichförmigen Strömungsbedingungen Metallic powders - Determination of envelope-specific surface area from measurements of the permeability to air of a powder bed under steady-state flow conditions Ersatz für ISO 10070: 1991-12 E ISO/ FDIS 12130-2: 2019-11 104,00 EUR Gleitlager - Hydrodynamische Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 2: Grundlagen zur Berechnungen von Axial-Kippsegmentlagern Plain bearings - Hydrodynamic plain tilting pad thrust bearings under steady-state conditions - Part 2: Functions for calculation of tilting pad thrust bearings Vorgesehen als Ersatz für ISO 12130-2: 2013-09 E ISO/ FDIS 12130-3: 2019-11 45,00 EUR Gleitlager - Hydrodynamische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 3: Richtwerte für die Berechnung von Axial-Kippsegmentlagern Plain bearings - Hydrodynamic plain tilting pad thrust bearings under steady-state conditions - Part 3: Guide values for the calculation of tilting pad thrust bearings Vorgesehen als Ersatz für ISO 12130-3: 2001-11 Z ISO 12168-1: 2001-12 Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 1: Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 12168-1: 2019-11 ZE ISO/ FDIS 12168-1: 2019-07 Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 1: Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten ISO 12168-1: 2019-11 163,00 EUR Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 1: Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten Plain bearings - Hydrostatic plain journal bearings without drainage grooves under steady-state conditions - Part 1: Calculation of oil-lubricated plain journal bearings without drainage grooves Ersatz für ISO 12168-1: 2001-12 Z ISO 12168-2: 2001-12 Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 2: Kenngrößen für die Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten Zurückgezogen, ersetzt durch ISO 12168-2: 2019-11 ZE ISO/ FDIS 12168-2: 2019-07 Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 2: Kenngrößen für die Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten ISO 12168-2: 2019-11 104,00 EUR Gleitlager - Hydrostatische Radial-Gleitlager im stationären Betrieb - Teil 2: Kenngrößen für die Berechnung von ölgeschmierten Gleitlagern ohne Zwischennuten Plain bearings - Hydrostatic plain journal bearings without drainage grooves under steady-state conditions - Part 2: Characteristic values for the calculation of oillubricated plain journal bearings without drainage grooves Ersatz für ISO 12168-2: 2001-12 3 Vorhaben 3.1 DIN-Normenausschuss Materialprüfung (NMP) Prüfung von Schmierstoffen - Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit von Schmierfetten - Beschleunigtes Verfahren; NA 062-06-52 AA <06235636> Dieses Dokument legt ein Verfahren zur Bestimmung der Oxidationsstabilität von Schmierfetten unter beschleunigten Bedingungen bei 140°C und 160°C fest. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 1: Allgemeine Angaben; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235840> Dieses Dokument legt allgemeine Angaben zur Klassifizierung von Schmierstoffen und verwandte Stoffen fest. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 2: Schmieröle, die überwiegend im Industriebereich eingesetzt werden; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235841> TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 73 Normen 74 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 Dieses Dokument legt die Klassifizierung von Schmierölen, die überwiegend im Industriebereich eingesetzt werden, fest. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 3: Schmieröle, die überwiegend im Automotivbereich eingesetzt werden; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235842> Dieses Dokument legt die Klassifizierung von Schmierölen, die überwiegend im Automotivbereich eingesetzt werden, fest. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 4: Schmierfette und Pasten; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235843> Dieses Dokument legt die Klassifizierung von Schmierfette und Pasten fest. Die Klassifizierung der einzelnen Schmierstoffgruppen und der prinzipielle Aufbau der Kurzbezeichnung für Schmierfette und Pasten in bis zu 3 Bezeichnungsblöcke (A, B, C) wird in DIN 51502-1 festgelegt. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 5: Bearbeitungsmedien; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235844> Dieses Dokument legt die Klassifizierung von Bearbeitungsmedien fest. Die Klassifizierung der einzelnen Schmierstoffgruppen und der prinzipielle Aufbau der Kurzbezeichnung für Bearbeitungsmedien in bis zu 3 Bezeichnungsblöcke (A, B, C) wird in DIN 51502-1 festgelegt. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 6: Druckflüssigkeiten; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235845> Dieses Dokument legt die Klassifizierung von Druckflüssigkeiten fest. Die Klassifizierung der einzelnen Schmierstoffgruppen und der prinzipielle Aufbau der Kurzbezeichnung für Druckflüssigkeiten in bis zu 3 Bezeichnungsblöcke (A, B, C) wird in DIN 51502-1 festgelegt. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 7: Sonstige Medien; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235846> Dieses Dokument legt die Klassifizierung von sonstigen Medien fest. Die Klassifizierung der einzelnen Schmierstoffgruppen und der prinzipielle Aufbau der Kurzbezeichnung für sonstigen Medien in bis zu 3 Bezeichnungsblöcke (A, B, C) wird in DIN 51502-1 festgelegt. Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 8: Schmierstoffeinsatztabelle; NA 062-06-51 AA <06235847> Dieses Dokument legt den Aufbau und den Inhalt einer Schmierstoffeinsatztabelle (SET) zur schmierstellenbezogenen Dokumentation unter Beachtung der genormten Standards fest. Prüfung von Schmierstoffen - Bestimmung der scheinbaren Viskosität von Getriebeölen bei niedriger Temperatur mit dem Brookfield-Viskosimeter (Flüssigkeitsbadmethode); (DIN 51398: 1983-07); NA 062-06-61 AA <06235860> Dieses Dokument legt ein Prüfverfahren zur Bestimmung der scheinbaren Viskosität von Getriebeölen bei niedriger Temperatur mit dem Brookfield-Viskosimeter (Flüssigkeitsbadmethode) fest. 3.2 DIN-Normenausschuss Wälz- und Gleitlager (NAWGL) Gleitlager - Härteprüfung an Lagermetallen - Teil 1: Verbundwerkstoffe (ISO 4384-1: 2012); (DIN ISO 4384- 1: 2014-07); NA 118-02-02 AA <11800552> Dieser Teil der ISO 4384 legt die Parameter für die Härteprüfung von Verbundwerkstoffen für Gleitlager aus Stahl und Lagermetall mit Lagermetallen auf Kupfer- und Aluminium-Basis fest, die nach einem Gieß-, Sinter- oder Plattierverfahren hergestellt wurden. Sie stellt eine Ergänzung der bestehenden ISO-Härteprüfnormen dar und enthält deshalb nur die Erweiterungen und Einschränkungen, die diesen gegenüber zu beachten sind. Das angewendete Prüfverfahren richtet sich nach der Dicke der Lagermetallschicht, ihrer Härte und ihrem Gefügezustand. 3.2.1 Zurückziehung DIN-Normenausschuss Materialprüfung (NMP) Prüfung von Schmierstoffen - Bestimmung von Kraftstoffanteilen in gebrauchten Motorenölen - Gaschromatographisches Verfahren; (DIN 51454: 2015-10); NA 062-06-63 AA <06235347> Prüfung von Schmierstoffen - Prüfverfahren - Teil 4: Bestimmung des Pflanzenölanteils in gebrauchten Dieselmotorenölen mittels infrarotspektrometrischem Verfahren; (DIN 51639-4: 2010-02); NA 062-06-63 AA <06235362> Prüfung von Schmierstoffen - Bestimmung des Fließdruckes von Schmierfetten mit dem Verfahren nach Kesternich - Teil 2: Automatisches Verfahren; (DIN 51805-2: 2016-09); NA 062-06-52 AA <06235387> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 1: Allgemeine Angaben; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235501> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 2: Schmieröle, die überwiegend im Industriebereich eingesetzt werden; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235502> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 3: Schmieröle, die überwie- TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 74 Normen 75 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 gend im Automotivbereich eingesetzt werden; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235503> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 4: Schmierfette und Pasten; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235504> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 5: Bearbeitungsmedien; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235505> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 6: Druckflüssigkeiten; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235506> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 7: Sonstige Medien; (DIN 51502: 1990-08); NA 062-06-51 AA <06235507> Schmierstoffe und verwandte Stoffe - Klassifizierung von Schmierstoffen - Teil 8: Schmierstoffeinsatztabelle; NA 062-06-51 AA <06235508> Prüfung von Schmierstoffen - Prüfung im Shell-Vierkugel-Apparat - Teil 6: Bestimmung der Scherstabilität von polymerhaltigen Schmierölen; (DIN 51350-6: 1996- 08); NA 062-06-61 AA <06235513> Prüfung von Schmierstoffen - Bestimmung der scheinbaren Viskosität von Getriebeölen bei niedriger Temperatur mit dem Brookfield-Viskosimeter (Flüssigkeitsbadmethode); (DIN 51398: 1983-07); NA 062-06-61 AA <06235515> Prüfung von Mineralölen und anderen brennbaren Flüssigkeiten - Bestimmung des Flammpunktes im geschlossenen Tiegel, nach Abel-Pensky; (DIN 51755: 1974-03); NA 062-06-42 AA <06235516> Prüfung von Schmierstoffen und verwandten Erzeugnissen - Bestimmung des Wasserabscheidevermögens nach Dampfbehandlung - Prüfung von Schmierölen und schwerentflammbaren Flüssigkeiten; (DIN 51589- 1: 1991-03); NA 062-06-61 AA <06235525> Prüfung von Isolierölen - Prüfung auf korrosiven Schwefel - Silberstreifenprüfung; (DIN 51353: 1985- 12); NA 062-06-61 AA <06235526> Prüfung von Mineralölen und verwandten Erzeugnissen - Bestimmung der Thermostabilität von ungebrauchten Wärmeträgermedien; (DIN 51528: 1998-07); NA 062- 06-61 AA <06235527> Prüfung von Mineralölen und verwandten Stoffen - Bestimmung des Viskosität-Temperatur-Verhaltens - Richtungskonstante m; (DIN 51563: 2011-04); NA 062-06-61 AA <06235537> Prüfung von Mineralölerzeugnissen - Bestimmung des Bleigehaltes (Gesamtblei) von Ottokraftstoffen mit einer Massenkonzentration an Blei über 25 mg/ l - Wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA); (DIN 51769-6: 1990-11); NA 062-06-12 AA <06235566> 4 Erklärung über die technischen Regeln Soweit bekannt sind zu den einzelnen Dokumenten Preise angegeben. Ein Preisnachlass auf DIN-Normen und DIN SPEC wird gewährt für Mitglieder des DIN in Höhe von 15 % und für Angehörige anerkannter Bildungseinrichtungen (Bestellung muss mit Nachweis versehen sein) in Höhe von 50 %. Alle DIN-Normen, DIN-Norm-Entwürfe, DIN SPEC und Beiblätter können ohne Mehrpreis im Monatsabonnement bezogen werden. Bei der Bestellung ist die genaue Bezeichnung des Fachgebietes, möglichst unter Verwendung der ICS-Zahlen, anzugeben (siehe DIN- Mitt. 72. 1993, Nr. 8, S. 443 bis 450). Ein Anschriftenverzeichnis der Stellen im Ausland, bei denen Deutsche Normen eingesehen und bestellt werden können, wird vom Beuth Verlag GmbH, AuslandsNormen-Service, 10772 Berlin, kostenlos abgegeben. Die Ausgabedaten der anderen technischen Regeln sind nicht immer identisch mit ihrem Erscheinungstermin oder mit dem Beginn ihrer Gültigkeit. Um eine möglichst vollständige Information zu geben, werden Entwürfe von anderen technischen Regeln auch bei bereits abgelaufener Einspruchsfrist angezeigt. Voraussetzung für die Aufnahme einer Titelmeldung in die DITR-Datenbanken ist das Vorliegen eines Belegexemplars der technischen Regel. Alle regelerstellenden Organisationen werden daher gebeten, Belegstücke zu Veränderungen ihrer Regelwerke mit Preisangabe an folgende Anschrift zu senden: Deutsches Informationszentrum für technische Regeln (DITR), 10772 Berlin. Erklärung der im DIN-Anzeiger für technische Regeln verwendeten Vorzeichen: V = DIN SPEC (Vornorm) F = DIN SPEC (Fachbericht) P = DIN SPEC (PAS) A = DIN SPEC (CWA) G = Geschäftsplan (GP → einer DIN SPEC (PAS)) E = Entwurf M = Manuskriptverfahren C = Corrigendum/ Berichtigung Ü = Übersetzung B = Beabsichtigte Zurückziehung (BV → einer Vornorm, BE → eines Entwurfs) Z = Zurückziehung (ZV → einer Vornorm, ZE → eines Entwurfs) TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 75 Normen 76 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 3/ 2020 4.1 Europäische und internationale Normungsergebnisse 4.1.1 Europäische Normen Der Druck der vom Europäischen Komitee für Normung (CEN) angenommenen EN als DIN-EN-Norm ist vorgesehen. Bis zu deren Veröffentlichung kann das Vormanuskript in deutscher Sprachfassung (falls vorhanden) beim Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin, gegen Kostenbeteiligung bezogen werden. Der Druck der vom Europäischen Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) angenommenen EN und HD als DIN-ENbzw. DIN-EN-Norm mit VDE-Klassifizierung ist in Vorbereitung. Bis zu deren Veröffentlichung kann das Vormanuskript bei der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE, Stresemannallee 15, 60596 Frankfurt, gegen Kostenbeteiligung bezogen werden. 4.1.2 Europäische Norm-Entwürfe Die spätere Übernahme der von CEN und CENELEC veröffentlichten Norm-Entwürfe (prEN) und der von CENELEC herausgegebenen HD-Entwürfe (prHD) in das Deutsche Normenwerk ist vorgesehen. Hinsichtlich der Schlussentwürfe (prEN) von CEN, die ohne Einspruchsfristen angezeigt werden, können Vormanuskripte in deutscher Sprachfassung (falls vorhanden) zu den angegebenen Preisen bezogen werden. Bei Dokumenten, die im Parallelen Umfrageverfahren bei IEC und CENELEC erschienen sind, ist in Klammern die Nummer des IEC-Dokumentes angegeben. Diese Entwürfe können bei der DKE gegen Kostenbeteiligung bezogen werden. Stellungnahmen sind bis zum angegebenen Termin an die DKE zu richten. Die vom ETSI veröffentlichten Entwürfe für Europäische Normen (prEN) sollen später in das Deutsche Normenwerk übernommen werden. Diese Entwürfe (überwiegend in englischer Sprache) können bei der DKE gegen Kostenbeteiligung bezogen werden. Stellungnahmen sind bis zum angegebenen Termin an die DKE zu richten. 4.1.3 Internationale Normen und Norm-Entwürfe Die Ergebnisse der Arbeit der Internationalen Organisation für Normung (ISO) und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) sowie der ISO/ IEC-Arbeit können im DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, IEC- Normen und IEC-Entwürfe zusätzlich bei der DKE eingesehen werden. Die Ergebnisse der ISO- und IEC-Arbeit sind in Englisch und/ oder Französisch erhältlich. Sie liegen in deutscher Übersetzung vor, wenn sie gleichzeitig als Europäische Normen oder DIN-ISO- oder DIN-IEC-Normen übernommen werden. Europäische und Internationale Technische Spezifikationen (TS) und Berichte (TR) sowie Internationale öffentlich verfügbare Spezifikationen (PAS) Europäische und Internationale Technische Spezifikationen werden herausgegeben, wenn ein Norm-Entwurf keine ausreichende Zustimmung zur Veröffentlichung als Norm erreichen konnte oder wenn sich ein zu normender Gegenstand noch in der Entwicklungs- oder Erprobungsphase befindet. Europäische und Internationale Technische Berichte dienen zur Bekanntmachung bestimmter Daten, die für die europäische bzw. internationale Normungsarbeit von Nutzen sind. Europäische Technische Spezifikationen werden in der Regel als DIN SPEC (Vornorm) übernommen. Europäische und Internationale Technische Spezifikationen werden spätestens drei Jahre nach ihrer Veröffentlichung mit dem Ziel überprüft, die für die Herausgabe einer Norm erforderliche Einigung anzustreben. Europäische Technische Berichte können bei Bedarf als DIN SPEC (Fachbericht) übernommen werden. Internationale öffentlich verfügbare Spezifikationen (PAS) können von der ISO herausgegeben werden, wenn sich ein Thema noch in der Entwicklung befindet oder wenn aus einem anderen Grund derzeit noch keine Internationale Norm veröffentlicht werden kann. Eine PAS kann auch ein in Zusammenarbeit mit einer externen Organisation erarbeitetes Dokument sein, das nicht den Anforderungen einer Internationalen Norm entspricht. Diese Dokumente sind Ergebnisse von Arbeiten europäischer oder internationaler Expertengruppen (Workshops) im Rahmen von CEN/ CENELEC und ISO/ IEC, jedoch außerhalb der Technischen Komitees. Sie liegen, falls nicht anders angegeben, in englischer Fassung vor. 5 Herausgeber und Bezugsquellen 5.1 Deutsche Normen Herausgeber: DIN Deutsches Institut für Normung e. V., 10772 Berlin Bezug: Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin 5.2 Europäische Normen Herausgeber: European Committee for Standardization (CEN), 17,Avenue Marnix, 1000 BRUXELLES, BELGIEN Bezug: Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin 5.3 ISO-Normen Herausgeber: International Organization for Standardization, Case postale 56, 1211 GENÈ VE 20, SCHWEIZ- Bezug: Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin TuS_3_2020.qxp_TuS_3_2020 18.08.20 11: 24 Seite 76 ISSN 0724-3472 Aus Forschung und Praxis www.expertverlag.de Stefan Thielen, Bernd Sauer Thermo-Elastohydrodynamische Simulation von Radialwellendichtringen Thermo-Elastohydrodynamic Simulation of Shaft Seals Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Christian Kalscheuer, Matthias Thiex Steigerung der Leistungsfähigkeit technischer Kunststoffe durch DLC-Beschichtungen Performance enhancement of engineering plastics through DLC coatings Sven Wirsching, Sebastian Schwarz, Stephan Tremmel Use of analytically describable geometries to calculate the contact between rolling element face and rib in bearing simulations Volker Franke, Thomas Kuntze Beeinflussen von Reibung und Verschleiß durch mikrostrukturierte Oberflächen Controlling friction and wear by micro-patterned surfaces Thomas Koch, Ralf Gläbe, Yvonne Sakka, Nina Nentwig, Juliane Filser, Antje Siol, Jan Köser, Jorg Thoeming, Shannon Mesing, Roland Larek, Insa Mannott, Antonio Gavalás-Olea, Imke Lang Alternative Schmierstoff-Additive auf Basis von Mikroalgen Alternative additives for lubricants based on microalgae Elena Popova, Valentin L. Popov Coulomb und Amontons und verallgemeinerte Reibgesetze Coulomb and Amontons and generalized friction laws