1 Problematik und Zielsetzung Im Rahmen der Entwicklung von (komplexen) technischen Produkten wird den tribologischen Aspekten häufig nur eine untergeordnete Beachtung geschenkt. Hierbei wird oft von vornherein auf Standardlösungen/ Fertiglösungen oder auf aus der Vergangenheit bewährte Lösungen zurückgegriffen. Dies kann zur Folge haben, dass die Lösungsvielfalt bereits im Vorfeld eingeschränkt und dadurch gegebenenfalls vorhandenes Potential nicht gänzlich ausgeschöpft wird. Um jedoch der immer stärker zunehmenden Forderung nach energieeffizienten und zuverlässigen Produkten gerecht zu werden, ist es erforderlich, bei der Entwicklung von Lösungen auch alle in diesem Zusammenhang relevanten tribologischen Aspekte sowie Beeinflussungsmöglichkeiten zu betrachten bzw. einzubeziehen. Reibung und Verschleiß sind bekanntlich Systemgrößen und keine Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel der E-Modul oder die Zugfestigkeit. Typischerweise erfordert jedes tribologische Problem eine gesonderte Betrachtung. Unerfahrenen Produktentwicklern/ Konstrukteuren fehlt oft das Wissen oder die Erfahrung, um beurteilen zu können, welche Einflussfaktoren bei einem tribologischen System besonders wichtig sind bzw. sein können. Daher wären universelle und gleichzeitig ausreichend detaillierte Ordnungsschemata (Systematiken) an Möglichkeiten zur Beschreibung und Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften (in erster Linie Reibung und Verschleiß) wünschenswert. Mit solch einem Werkzeug ließen sich dann beispielsweise Lösungsfelder für Teilbereiche konkreter tribologischer Problemstellungen systematisch generieren. In diesem Beitrag soll ein erster Ansatz zur ganzheitlichen Betrachtung und systematischen Auseinandersetzung mit tribologischen Systemen unter Zuhilfenahme von Ordnungsschemata geschaffen werden. Ist erst einmal eine ganzheitliche Systembetrachtung gegeben, so Aus Wissenschaft und Forschung 5 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Tribologische Ordnungsschemata und deren Anwendung (Teil 1) V. Krasmik, A. Seibel, J. Schlattmann* Eingereicht: 17. 7. 2017 Nach Begutachtung angenommen: 15. 9. 2017 Bei der Entwicklung neuer oder der Optimierung bestehender Produkte werden tribologische Aspekte häufig nur nachrangig behandelt. Für den Produktentwickler wäre ein ganzheitlicher Überblick an Beschreibungs- und Einflussmöglichkeiten von Tribosystemen wünschenswert. Im ersten Teil dieses Beitrags werden daher zunächst die wesentlichen Bestandteile eines Tribosystems durch Ordnungsschemata beschrieben. Im zweiten Teil werden die Anwendung und der Nutzen der Ordnungsschemata anhand der Ableitung einer tribologischen Lösung auf der Modellebene veranschaulicht. Schließlich wird die Lösung mittels eines exemplarischen Modellprüfsystems experimentell überprüft und diskutiert. Schlüsselwörter Tribologie, tribologische Ordnungsschemata, tribologische Lösungen, Produktentwicklung When developing new or optimizing existing products, tribological aspects are often handled subordinately. For the development engineer, an integrated overview with possibilities to describe and influence tribosystems would be desirable. For this reason, in the first part of this contribution, the essential elements of a tribological system are described in terms of classification schemes. In the second part, the application and the benefit of the classification schemes are demonstrated by deriving a tribological solution on the model level. Finally, using an exemplary model test setup, the solution is experimentally verified and discussed. Keywords Tribology, tribological classification schemes, tribological solutions, product development Kurzfassung Abstract * Dipl.-Ing. Viktor Krasmik Dr.-Ing. Arthur Seibel Professor Dr.-Ing. habil. Josef Schlattmann Technische Universität Hamburg (TUHH) Arbeitsbereich Anlagensystemtechnik und methodische Produktentwicklung (AmP) 21073 Hamburg Anmerkung: Der vorliegende Beitrag enthält Auszüge aus dem aktuellen Promotionsvorhaben von V. Krasmik. T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 34 Seite 5 3 Tribologische Ordnungsschemata Tribologische Systeme können sehr vielfältig sein. Hierbei lassen sich zahlreiche Zusammenhänge und Beobachtungen mit diversen Abhängigkeiten feststellen. Um die Fülle an Informationen und Erkenntnissen zu überblicken und zielgerichtet nutzen zu können, bedarf es einer Ordnung. Aufbauend auf der systemanalytischen Betrachtungsweise von Czichos und Habig [1] sollen in diesem Kapitel Ordnungsschemata (Systematiken) für einzelne Teilbereiche/ Bestandteile (ordnende Gesichtspunkte) tribologischer Systeme aufgestellt werden. Da Ordnungsschemata, je nach Zielsetzung und Verwendungszweck, sehr vielfältig sein können, soll hier stets die gezielte Unterstützung des Produktentwicklers/ Konstrukteurs bei der systematischen Auseinandersetzung mit tribologischen Systemen hinsichtlich der Ableitung neuer tribologischer Lösungen im Fokus stehen. Merkmale von Ordnungsschemata lassen sich nicht immer eindeutig zuordnen bzw. können unterschiedlichen Ordnungsschemata oder ordnenden Gesichtspunkten zugeordnet werden. Daher stellen die Ordnungsschemata in diesem Beitrag eine mögliche Variante dar. Des Weiteren muss bedacht werden, dass ein Ordnungsschema eine gewisse Vorfixierung (andere Lösungen könnten übersehen werden bzw. die Aufmerksamkeit wird nur auf bestimmte Aspekte fokussiert) darstellt und den Eindruck einer Vollständigkeit vermittelt, die nicht zwangsläufig gegeben sein muss. Die Anwendung von Ordnungsschemata garantiert nicht, dass damit sämtliche Probleme analysiert und gelöst oder dass alle möglichen Lösungen gefunden werden können. Zur Darstellung der Ordnungsschemata wird eine an den morphologischen Kasten (vgl. [7, 8]) angelehnte Form gewählt. Prinzipiell sind auch andere Darstellungsbzw. Ordnungsformen, wie zum Beispiel die hierarchische Klassifikation, möglich. Da mit den Ordnungsschemata unter anderem Produktentwickler/ Konstrukteure angesprochen werden sollen, wird hier auf ein aus der Konstruktionsmethodik bewährtes und erprobtes Werkzeug zurückgegriffen. Damit sollen sowohl die Akzeptanz als auch die einfache Anwendung gewährleistet werden. Darüber hinaus erlaubt die gewählte Form den sofortigen Einsatz, und auch die intuitive Ableitung von Lösungsvarianten wird begünstigt. Die Ordnungsschemata gelten jeweils für einen ordnenden Gesichtspunkt, wie zum Beispiel „Belastung“ (vgl. Bild 3). Abweichend zum üblich bekannten morphologischen Kasten sind in der linken Spalte anstatt der Funktionen die unterscheidenden Merkmale und rechts davon die Merkmalsausprägungen (mit zusätzlicher Abstufung, falls erforderlich) angeordnet. Bei den Merkmalsausprägungen kann es sich um Lösungen, Wirkprinzipien oder beschreibende Eigenschaften handeln. Die unterschied- Aus Wissenschaft und Forschung 6 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 lassen sich beispielsweise gängige und aus der Produktentwicklung bekannte Methoden, wie zum Beispiel der morphologische Kasten und/ oder die Variation von Merkmalen, anwenden, um zielgerichtet neue und gegebenenfalls innovative tribologische Lösungen abzuleiten oder um bestehende Lösungen bezüglich der tribologischen Eigenschaften zu optimieren. 2 Stand der Technik Zur Auseinandersetzung mit tribologischen Systemen haben Czichos und Habig [1] die Systemanalyse herangezogen. Demnach lässt sich ein tribologisches System allgemein als Struktur mit eingehenden und ausgehenden Größen beschreiben. Wesentliche Bestandteile der Eingangsgrößen sind die operativen Größen (Beanspruchungskollektiv) und die Störgrößen. Die Ausgangsgrößen umfassen Nutzgrößen, Verlustgrößen und gegebenenfalls tribometrische Größen. Die Struktur setzt sich aus Elementen, Eigenschaften und Wechselwirkungen zusammen. Die wesentlichen Bestandteile lassen sich noch weiter aufteilen, wie zum Beispiel die Eigenschaften in Struktur-, Form- und Stoffeigenschaften. Auf dieser Ebene ist es schließlich möglich, Ordnungsschemata mit ausreichendem Detailgrad aufzustellen. Bezüglich verschiedener Gestaltungsrichtlinien beim Konstruieren haben Ehrlenspiel und Meerkamm [2], neben vielen anderen, das „tribologiegerechte Konstruieren“ als mögliche Hauptforderung aufgeführt und verweisen dabei auf das Tribologie-Handbuch von Czichos und Habig [1]. Seiler et al. [3] haben „Design for Friction Reduction“ als DfX(Design for X)-Methode formuliert und drei wesentliche Ansätze zur Reduzierung von Reibung bzw. Erhöhung des Wirkungsgrads von Tribosystemen (am Beispiel eines Wälzlagers) aufgestellt: Reibung vermeiden, Reibung durch konstruktive Maßnahmen reduzieren und Reibung durch Optimierung von Kontaktstellen reduzieren. Seibel [4] hat die neuesten Erkenntnisse auf dem Gebiet der Haftreibung strukturiert und als allgemeine konstruktive Leitregeln formuliert. Ein grundsätzlicher Überblick über mögliche Maßnahmen zur Beeinflussung und Reduzierung von Verschleiß kann [5] entnommen werden. Bei den aufgeführten Maßnahmen handelt es sich um generelle Hinweise. Gezielte Maßnahmen zur Beeinflussung von Verschleißmechanismen wurden in [6] zusammengetragen. Wie der kurze Überblick zum tribologiegerechten Konstruieren zeigt, weisen die konstruktiven Leitregeln/ Richtlinien keine einheitliche Form auf, variieren in ihrem Konkretisierungsgrad und decken nicht das vollständige Gebiet der Tribologie, sondern nur einige wenige Teilbereiche ab. Eine ganzheitliche und systematische Unterstützung des Produktentwicklers/ Konstrukteurs, insbesondere bei der Ableitung neuer und innovativer tribologischer Lösungen, ist damit nicht gegeben. T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 34 Seite 6 lichen Schattierungen der Felder der Merkmalsausprägungen dienen zur Abstufung, so dass die Felder ohne Schattierung den höchsten Detailgrad darstellen. Tribologische Merkmale stellen im Rahmen dieses Beitrags charakteristische Eigenschaften eines Tribosystems dar und können verschiedene Merkmalsausprägungen annehmen. So ist beispielsweise die „Art der Bewegung“ ein Merkmal (vgl. Bild 2), und die dazugehörigen Merkmalsausprägungen sind „Translation“ und „Rotation“. Da Tribosysteme aus mehreren Elementen bestehen, müssen einige Ordnungsschemata (z.B. „Belastung“, vgl. Bild 3) für jedes Element einzeln betrachtet werden. Abweichend zum klassischen Ordnungsschema ist in den nachfolgend aufgezeigten Ordnungsschemata daher eine zusätzliche Zeile vorgesehen, die eine Unterscheidung bezüglich der relevanten Elemente erlaubt. Einige Merkmalsausprägungen sind qualitativer Art (z.B. Art der Belastung: dynamisch, vgl. Bild 3) und erfordern zur vollständigen Konkretisierung eine exakte Angabe bzw. eine quantitative Beschreibung (zur Beschreibung was sich hinter „dynamisch“ verbirgt). Da solch ein Vorgehen den Detailgrad der Ordnungsschemata sehr schnell unübersichtlich machen würde, wird an dieser Stelle auf quantitative Ausprägungen, wie zum Beispiel konkrete Werte für Kräfte oder die Dauer, verzichtet. Bei der Auseinandersetzung mit konkreten Tribosystemen sollten jedoch alle Merkmale, sofern bekannt, so präzise wie möglich beschrieben oder quantifiziert werden, so dass beispielsweise eine Einordnung, Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit möglich sind. Bei der Aufstellung von Ordnungsschemata können unterschiedliche Detailgrade gewählt werden. Ein niedriger Detailgrad verschafft zwar Überblick, ist aber aus praktischer Sicht (zur konkreten Problemlösung) weniger nützlich. Ein hoher Detailgrad kann zwar für ein spezielles Problem nützlich sein, dafür aber zu unübersichtlich erscheinen. In diesem Beitrag wird ein Detailgrad gewählt, der (anhand der Merkmalsausprägungen) auf eine mögliche Umsetzung schließen lässt, ohne dabei ausgestaltete Lösungen (zur Vermeidung einer Vorfixierung) vorzugeben. Die Inhalte der tribologischen Ordnungsschemata basieren zum Teil auf Standardwerken zum Thema Tribologie (z.B. [1, 9, 10, 11, 12]) und zum Teil auf eigenen Schlussfolgerungen sowie Erfahrungen. In diesem Zusammenhang sind in erster Linie konventionelle Methoden und Hilfsmittel und insbesondere Kollektionsverfahren (z.B. Literaturrecherche, Auswertung von Veröffentlichungen, Auswertung von Normen) zum Einsatz gekommen, bevor dann darauf aufbauend die Ordnungsschemata systematisch aufgestellt wurden. 3.1 Ordnungsschema für ein tribologisches System Wie aus dem Stand der Technik (vgl. [1, 9]) bekannt ist, lässt sich ein Tribosystem aus systemanalytischer Sicht Aus Wissenschaft und Forschung 7 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 1: Ordnungsschema für die „systemanalytische Beschreibung eines tribologischen Systems“ in Anlehnung an [1, 9] T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 7 sich auf die ganzheitliche Beschreibung und Ableitung neuer tribologischer Lösungen. Nichtsdestotrotz wird eine möglichst neutrale und allgemeine Formulierung sowie Darstellungsform gewählt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird jedoch an ausgewählten Stellen auf einen hohen Konkretisierungsgrad bewusst verzichtet und auf entsprechende Literatur verwiesen. 3.2 Ordnungsschemata für die Eingangsgrößen 3.2.1 Operative Größen Die operativen Größen (Beanspruchungskollektiv) setzen sich aus der Bewegung und der Belastung zusammen. Bewegung Die grundsätzlichen Elementarformen der Bewegung sind in Bild 2 als Ordnungsschema dargestellt. Die Auflistung dieser Ausprägungen kann in diversen Standardwerken zur Tribologie (z.B. [1]) gefunden werden, so dass dieses Ordnungsschema prinzipiell als vollständig aufgefasst werden kann. • Art: Handelt es sich bei der Bewegung um Translation oder Rotation? • Form: Welche Bewegungsform liegt vor und ist diese gegebenenfalls überlagert (z.B. Wälzen: Gleiten und Rollen)? Aus Wissenschaft und Forschung 8 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 in seine wesentlichen Bestandteile aufgliedern. In Anlehnung daran ist in Bild 1 ein Ordnungsschema für die systemanalytische Beschreibung eines tribologischen Systems aufgezeigt. Die schattierten Bestandteile stellen ordnende Gesichtspunkte dar. Die Funktion von Tribosystemen kann bezüglich drei Funktionsklassen (energie-, stoff- und informationsumsetzend) differenziert werden. Die konkreten Funktionen sind im Wesentlichen leiten/ führen, übertragen/ wandeln und hemmen/ halten von Kräften/ Drehmomenten und/ oder Bewegungen. Zur Realisierung der Funktionen wird eine Tribostruktur benötigt, welche sich aus Elementen und deren Eigenschaften zusammensetzt. Die auf die Tribostruktur einwirkenden Eingangsgrößen bewirken Wechselwirkungen zwischen den Elementen, welche ebenfalls ein Bestandteil der Tribostruktur sind. Die aus dem System aufgrund der Wechselwirkungen austretenden Größen sind die Ausgangsgrößen. Aus dem Vergleich diverser Tribosysteme sowie aus der Analyse von tribologischen Studien lässt sich ableiten, welche Bestandteile eines Tribosystems typischerweise variiert werden bzw. in welchem Bereich die größten Unterschiede vorliegen. Daraus kann geschlossen werden, welche Bestandteile am ehesten geordnet bzw. systematisiert werden sollten. Im Bereich der Eingangsgrößen konnten als solche die Bewegung und die Belastung (operative Größen) und im Bereich der Tribostruktur die Eigenschaften (Struktur-, Form- und Stoffeigenschaften) und die tribologischen Prozesse identifiziert werden. Im Bereich der Ausgangsgrößen sind das in erster Linie tribometrische Größen (Reibungs-, Verschleiß- und triboinduzierte Messgrößen). Um die Betrachtung auf die tribologische Prüfung auszuweiten, sollen außerdem auch die generellen Prüfmethoden in Bezug auf die tribometrischen Größen einbezogen werden. Alle anderen Bestandteile sind zwangsläufige Resultate (wie z.B. die Funktionsgrößen), die sich aus der Wechselwirkung der veränderlichen Bestandteile ergeben, und somit nur indirekt beeinflussbar. Für diese Bestandteile (z.B. Störgrößen, Funktionsgrößen, Verlustgrößen) wurde der höchste Detailgrad (keine Schattierung in Bild 1) gewählt, so dass auf ein separates Ordnungsschema verzichtet werden kann. Nachfolgend erfolgt eine Erläuterung der für die wesentlichen Bestandteile eines Tribosystems aufgestellten Ordnungsschemata. Ihre unterscheidenden Merkmale werden in Form von Fragen beschrieben und falls erforderlich näher konkretisiert. Die Inhalte und die Darstellung orientieren sich an der anfangs geschilderten Zielsetzung und konzentrieren Bild 2: Ordnungsschema für „Bewegung“ Belastung Die Bewegung und Belastung bauen aufeinander auf bzw. bedingen sich gegenseitig, wobei bei der Belastung eine elementweise Betrachtung als sinnvoll erscheint. In Bild 3 ist das entsprechende Ordnungsschema aufgezeigt. • Elemente: Welche Elemente sind involviert (elementweise Betrachtung)? • Typ: Um welche Belastung handelt es sich und wie wird diese realisiert? ◦ Grundsätzlich kann der Belastungstyp bezüglich Normallast, Tangentiallast, Temperatur sowie Druck unterteilt werden. ◦Die Tangentiallast kann beispielsweise durch eine T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 8 Weg-, Geschwindigkeits- oder Kraftvorgabe realisiert werden. ◦Durch Mehrfachwahl lassen sich Systeme beschreiben, in welchen sowohl der Grundals auch der Gegenkörper in Bewegung sind (z.B. Zahnradpaarung). ◦Durch die Möglichkeit der Mehrfachwahl wird auch eine zusammengesetzte Belastung (aus Normal- und Tangentiallast, z.B. schräg zur Normalenrichtung angreifende Kraft) berücksichtigt. • Aufprägung: Wird die Last intern (z.B. durch die Gewichtskraft des Grundkörpers) oder extern (z.B. durch eine Spindel) aufgeprägt? • Einleitung: Wird die Last direkt (z.B. direkt am jeweiligen Element) oder indirekt (z.B. über eine elastische Feder) eingeleitet? • Anordnung: Wie ist die Last bezogen auf die Angriffsfläche angeordnet? • Verteilung (Angriffsfläche): Wie ist die Last bezogen auf die Angriffsfläche verteilt (z.B. gleichmäßig, dreiecksförmig, parabelförmig)? • Verteilung (Grenzfläche): Wie ist die Last bezogen auf die Kontaktbzw. Grenzfläche verteilt (setzt die Kenntnis der Kontaktfläche voraus)? • Art: Ist die Last statisch, dynamisch oder stoßartig? • Verlauf: Wie verhält sich die Last über der Zeit oder dem Weg, und gibt es Besonderheiten (z.B. Entlastung bei Zwischenstopps)? • Kontaktbeanspruchung: Wird der Kontakt permanent (fortwährend), zyklisch (mit Unterbrechungen) oder initial (stets neue Fläche) beansprucht? 3.3 Ordnungsschemata für die Tribostruktur 3.3.1 Eigenschaften Die Eigenschaften der Tribostruktur setzen sich aus den Struktur-, Form- und Stoffeigenschaften zusammen. Die Ordnungsschemata sind in den Bildern 4, 5 und 6 aufgeführt. Struktureigenschaften Die Struktureigenschaften (vgl. Bild 4) beschränken sich auf die grundsätzliche Erfassung der tribologischen Struktur als Ganzes. • Elemente: Aus welchen Elementen setzt sich die Struktur zusammen? Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 3: Ordnungsschema für „Belastung“ T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 9 Schiene) oder geschlossene Grenzfläche (z.B. Welle- Buchse)? • Kontaktanzahl: Wie viele (makroskopische) Kontaktstellen liegen insgesamt vor? ◦Das System Rad-Schiene weist beispielsweise prinzipiell einen Kontakt und das System Kugellager mehrere Kontakte auf. Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 • Skala: Welcher Dimensionsbereich wird in Betracht gezogen? • Systemart: Handelt es sich um ein offenes (z.B. Fördersystem) oder ein geschlossenes System (z.B. Getriebe)? • Grenzfläche: Handelt es sich um eine offene (z.B. Rad- Bild 4: Ordnungsschema für „Struktureigenschaften“ Bild 5: Ordnungsschema für „Formeigenschaften“ T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 10 Formeigenschaften Die Formeigenschaften (vgl. Bild 5) sind eng an die Kontaktmechanik geknüpft. Vertiefende Ausführungen zu Wirkgeometrien und -flächen für einfache tribologische Modellsysteme können [13] entnommen werden. Für die Betrachtung einfacher elastischer Kontaktprobleme (z.B. Kugel-Platte, Zylinder-Platte, Zylinder-Zylinder) kann vereinfachend die Hertzsche Kontaktmechanik herangezogen werden [12]. • Elemente: Welche Elemente sind involviert (elementweise Betrachtung)? • Bewegung: Welche Elemente sind in Bewegung bzw. wie verhalten sich diese (z.B. Verbleib von Partikeln in der Grenzfläche)? • Anzahl der Elemente: Wie häufig kommen die Elemente vor? • Kontaktanzahl: Wie viele makroskopische Kontaktstellen liegen pro Element vor? • Geometrie/ Grundform: Durch welche Grundform lassen sich die Elemente approximieren? • Kontaktart: Welche Kontaktart liegt vor? • Kontaktform: Welche Kontaktform (Schmiegung) liegt vor? • Eingriffsverhältnis: Wie ist das Verhältnis der Tribokontaktzur Gesamtlauffläche? • Kontaktfläche: Wie verteilt sich die wahre Kontaktfläche bezogen auf die scheinbare Kontaktfläche (z.B. Konzentration am Rand)? • Kontaktspannung: Wie verteilt sich die Kontaktspannung bezogen auf die scheinbare Kontaktfläche (z.B. Konzentration am Rand)? • Achslage/ Orientierung: Wie sind die Hauptachsen der Elemente zueinander orientiert? Stoffeigenschaften Die Stoffeigenschaften (vgl. Bild 6) lassen sich in Volumeneigenschaften, oberflächennahe und weitere Eigenschaften aufgliedern. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl an Stoffeigenschaften, die aufgeführt werden können. Inwiefern diese Eigenschaften tribologisch relevant Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 6: Ordnungsschema für „Stoffeigenschaften“ T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 11 werden, zum Beispiel durch eine Veränderung des Beanspruchungskollektivs oder der Tribostruktur. Daher haben tribologische Prozesse in diesem Zusammenhang einen beschreibenden sowie einordnenden Charakter. Typischerweise müssen die tribologischen Prozesse im Rahmen der Triboprüfung (Reibungs- und Verschleißanalyse) mittels geeigneter Prüfmethoden identifiziert werden. Sobald diese bekannt sind, können entsprechende Anpassungen am Beanspruchungskollektiv (falls möglich) oder der Tribostruktur vorgenommen werden. Damit die tribologischen Prozesse gezielt in die gewünschte Richtung (z.B. Flüssigkeitsreibung anstatt Mischreibung) verändert werden können, müssen die relevanten Einflussparameter (kausalen Zusammenhänge) bekannt oder zuvor ermittelt worden sein. In Bild 7 ist das Ordnungsschema für „tribologische Prozesse“ aufgeführt. • Kontaktzustand: In welchem Zustand befindet sich der Kontakt und liegen Besonderheiten (z.B. Vorbelastung) vor? • Reibungsart: Welche Reibungsart (einzeln/ überlagert) herrscht vor? • Reibungszustand: Welcher Reibungszustand liegt vor? • Verschleißart: Welche Verschleißart liegt vor? • Verschleißmechanismus: Welche Verschleißmechanismen treten auf? Da tribologische Prozesse variieren bzw. sich aus unterschiedlichen (zeitlichen) Phasen zusammensetzen können, muss entweder ein konkreter Zeitbereich (z.B. Einlaufphase, stationäre Phase) ausgewählt werden, oder es müssen für die unterschiedlichen Phasen jeweils separate Betrachtungen angestellt werden. Häufig liegen auch Überlagerungen der einzelnen Vorgänge vor, so dass eine klare Abgrenzung nicht immer möglich ist. 3.4 Ordnungsschemata für die Ausgangsgrößen 3.4.1 Tribometrische Größen Da tribometrische Größen keine Nutzgrößen im klassischen Sinne darstellen, werden diese üblicherweise der tribologischen Prüfung zugeordnet bzw. bei der tribologischen Prüfung verwendet. An dieser Stelle werden diese jedoch als Ausgangsgrößen des Tribosystems aufgefasst und daher auch als solche eingeordnet. Zwar kann ein Tribosystem die gewünschten Nutzgrößen aufweisen, allerdings können erst mittels der tribometrischen Größen Aussagen hinsichtlich des Reibungs- und Verschleißverhaltens und damit beispielsweise bezüglich der Gebrauchsdauer oder der Zuverlässigkeit getroffen werden. Anhand der tribometrischen Größen können daher die im Tribosystem auftretenden tribolo- Aus Wissenschaft und Forschung 12 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 sind, lässt sich pauschal nicht beantworten und kann von System zu System stark variieren. In Bild 6 ist eine Auswahl an (wesentlichen) Eigenschaften zusammengetragen, welche jedoch bei Bedarf ergänzt werden sollte. Je umfangreicher die Auswahl ist, desto mehr Systeme lassen sich damit erfassen und desto ganzheitlicher ist das Ordnungsschema. Damit lässt sich dann eine Fülle an Tribosystemen, in denen zum Beispiel der Grund- und der Gegenkörper aus unterschiedlichen Materialien mit gänzlich verschiedenen Eigenschaften bestehen (z.B. Seilreibung, Sandreibung), erfassen. Ein Nachteil der Vielfalt ist, dass damit die Variationsmöglichkeiten ebenfalls zunehmen. Um die Übersichtlichkeit nicht zu verlieren, sollte sich die Variation der Merkmalsausprägungen bei der praktischen Anwendung auf konkrete Teilbereiche innerhalb der tribologisch relevanten Eigenschaften beschränken. Bei Zwischenstoffen (z.B. flüssige Schmierstoffe, Fettschmierstoffe, Festschmierstoffe) ergibt sich beispielsweise durch die zahlreichen Merkmale, wie die Zusammensetzung, die beigemischten Additive, die jeweiligen Anteile sowie die damit verknüpften spezifischen Eigenschaften, eine Vielzahl an Einflussmöglichkeiten, die in einem Ordnungsschema kaum alle erfasst werden können. Daher wird an dieser Stelle auf Ordnungsschemata, die sich mit der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnik (Erforschung und Entwicklung von Materialien und Werkstoffen) überschneiden, bewusst verzichtet. • Elemente: Welche Elemente sind involviert (elementweise Betrachtung)? • Material: Aus welchem Material bestehen die Elemente? • Eigenschaften: Welche tribologisch relevanten Eigenschaften liegen vor? ◦Hier muss je nach Anwendung und Relevanz eine entsprechende Auswahl an Eigenschaften getroffen werden. ◦Abhängig vom Zwischenstoff und Umgebungsmedium bedarf es unter Umständen einer entsprechenden Ergänzung der Ausprägungen. 3.3.2 Wechselwirkungen Tribologische Prozesse Die tribologischen Prozesse (Reibungs- und Verschleißvorgänge) sind das Resultat aus den Wechselwirkungen zwischen den Elementen der Tribostruktur unter dem Einwirken des Beanspruchungskollektivs. Zugleich können die Eigenschaften der Tribostruktur durch die Wechselwirkungen beeinflusst und verändert werden. Die in einem Tribosystem ablaufenden tribologischen Prozesse können nur indirekt beeinflusst oder variiert T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 12 gischen Prozesse, zumindest in gewissem Umfang, erfasst und charakterisiert werden. Unter der Berücksichtigung, dass es sich um systemspezifische Kenngrößen handelt, können damit Vorgänge analysiert, Vergleiche durchgeführt oder Tendenzen abgeleitet werden. Tribometrische Größen können jedoch nicht dazu genutzt werden, das Tribosystem direkt zu beeinflussen. Allerdings können sie Rückschlüsse auf die Reibungs- und Verschleißvorgänge geben und somit, neben den Nutzgrößen, als Bewertungsgrößen (z.B. bei einer Merkmalvariation) herangezogen werden. Die entsprechenden Ordnungsschemata dienen daher als eine allgemeine Übersicht (in Anlehnung an einen Katalog), um geeignete und relevante Größen zur tribometrischen Charakterisierung (bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens und indirekt hinsichtlich der Tribostruktur oder des Beanspruchungskollektivs) eines tribologischen Systems auszuwählen. Die Ordnungsschemata für die Reibungs-, Verschleiß- und triboinduzierten Messgrößen sind in den Bildern 8, 9 und 10 aufgeführt. Reibungsmessgrößen • Haften: Mit welcher Größe soll das Haften charakterisiert werden? • Gleiten: Mit welcher Größe soll das Gleiten charakterisiert werden? • Weiteres: Gibt es weitere/ systemspezifische Merkmale/ Größen, die zur Charakterisierung herangezogen werden können? Verschleißmessgrößen • Betrag: Mit welcher Größe soll der Verschleißbetrag charakterisiert werden? • Rate: Mit welcher Größe soll die Verschleißrate charakterisiert werden? • Dauer/ Durchsatz: Mit welcher Größe soll die Gebrauchsdauer charakterisiert werden? • Weiteres: Gibt es weitere/ systemspezifische Merkmale/ Größen, die zur Charakterisierung herangezogen werden können? Triboinduzierte Messgrößen Triboinduzierte Messgrößen sind Messgrößen, die indirekt Aufschluss über Vorgänge oder Veränderungen im Tribosystem, bedingt durch tribologische Prozesse, geben können. In geschmierten Systemen können tribologische Prozesse beispielsweise zu Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Schmiermittels führen. Anhand einer Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit beispielsweise kann auf den Schmiermittelzustand, wie etwa die Alterung, geschlossen werden. Aus Wissenschaft und Forschung 13 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 7: Ordnungsschema für „tribologische Prozesse“ T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 13 Auf eine Aufschlüsselung der verschiedenen Messgrößen soll an dieser Stelle verzichtet und auf das nachfolgende Ordnungsschema zu „Prüfmethoden“ verwiesen werden. Prüfmethoden Als Ergänzung zum oberen Ordnungsschema zeigt Bild 11 ein (vereinfachtes und vom Messprinzip losgelöstes) Ordnungsschema für „Prüfmethoden“. Auf konkrete Messprinzipien soll an dieser Stelle nicht Aus Wissenschaft und Forschung 14 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Unter Umständen lassen sich die Veränderungen auch konkreten tribologischen Vorgängen zuordnen. Akustische Emissionen eines Tribosystems können Hinweise auf Oberflächenfehler in der Kontaktfläche (Laufbahn) oder auf reiberregte Schwindungen geben. Typischerweise deuten solche Messgrößen Veränderungen des tribologischen Zustands (Tribozustand) an und können als Indikatoren für Gegenmaßnahmen (z.B. Wartung) dienen. • Tribozustand: Welche prinzipielle Messgröße soll zur Erfassung des Tribozustands herangezogen werden? Bild 8: Ordnungsschema für „Reibungsmessgrößen“ Bild 9: Ordnungsschema für „Verschleißmessgrößen“ Bild 10: Ordnungsschema für „triboinduzierte Messgrößen“ T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 14 näher eingegangen werden. Genauere Ausführungen zu diesem Thema können zum Beispiel [14] entnommen werden. • Elemente: Welche Elemente sind bei der Messung involviert (elementweise Betrachtung)? • Tribologische Prozesse: Welche tribologischen Prozesse sollen erfasst werden? • Messgröße: Welche Messgröße soll erfasst werden? • Messstelle: Wie bzw. an welcher Stelle erfolgt die Messung? • Erfassungsart: Wie werden die Größen erfasst? • Zeitpunkt: Wann erfolgt die Messung? Literatur [1] H. C ZICHOS UND K.-H. H ABIG : Tribologie-Handbuch. Vieweg Verlag, Braunschweig,1992. [2] K. E HRLENSPIEL UND H. M EERKAMM : Integrierte Produktentwicklung. Carl Hanser Verlag, München, 2013. [3] K. S EILER , S. T REMMEL UND S. W ARTZACK : Design for Friction Reduction. In: Krause, D., Paetzold, K. und Wartzack, S. (Hrsg.): Design for X - Beiträge zum 25. DfX-Symposium. Hamburg, 2014, S. 297-312. [4] A. S EIBEL : Konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der Haftreibung in tribologischen Systemen. Konstruktion 68 (2016), Nr. 7-8, S. 72-74. [5] H. P EEKEN : Die tribologisch richtige Konstruktion. VDI- Z 118 (1976), Nr. 5, S. 201-250. [6] K.-H. H ABIG : Grundlagen des Verschleißes unter besonderer Berücksichtigung der Verschleißmechanismen. In: Czichos, H. (Hrsg.): Reibung und Verschleiß von Werkstoffen, Bauteilen und Konstruktionen. Expert Verlag, Grafenau, 1982, S. 53-74. [7] G. P AHL , W. B EITZ , J. F ELDHUSEN UND K.-H. G ROTE : Konstruktionslehre. Springer Verlag, Berlin, 2007. [8] F. Z WICKY : Entdecken, Erfinden, Forschen im morphologischen Weltbild. Droemer Knaur, München, 1966. [9] G FT : GfT-Arbeitsblatt 7: Tribologie. 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