4 Anwendung der Ordnungsschemata In diesem Abschnitt sollen einige grundsätzliche Anwendungsszenarien diskutiert sowie das generelle Vorgehen bei der Nutzung der aufgestellten Ordnungsschemata erläutert werden. Des Weiteren wird die konkrete Anwendung anhand eines exemplarischen Beispiels aufgezeigt. 4.1 Grundsätzliche Anwendungsmöglichkeiten Die Anwendung der Ordnungsschemata kann auf ganze Maschinenelemente (z. B. zur Betrachtung der triblogischen Funktion eines Wälzlagers) oder auf reduzierte Teilbereiche innerhalb der Maschinenelemente (z. B. Betrachtung des Wälzkontakts zwischen einer Kugel und einer Platte) erfolgen. Ein Tribosystem kann in diesem Zusammenhang auch die experimentelle Methode (also nicht nur das „was“, sondern auch das „wie“) umfassen. Die vorgestellten Ordnungsschemata können sowohl für die Triboforschung als auch die Tribotechnik gleichermaßen nützlich sein. Grundsätzlich lassen sich die aufgestellten Ordnungsschemata für folgende Anwendungsszenarien nutzen: 1. Möglichst vollständige/ ganzheitliche Analyse und Beschreibung von Tribosystemen (und/ oder experimentellen Methoden) mit dem Ziel • eines vollständigen Verständnisses eines tribologischen Systems sowie der damit verknüpften Wirkzusammenhänge, • der Übertragung von Erkenntnissen von der Modellebene auf reale Systeme (Herstellung einer Systemähnlichkeit oder Systemgleichheit), Aus Wissenschaft und Forschung 27 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Tribologische Ordnungsschemata und deren Anwendung (Teil 2) 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_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 24 Seite 27 4.2 Generelles Vorgehen Die Ordnungsschemata können wie morphologische Kästen genutzt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass die Kästen bereits mit Inhalt gefüllt sind und dass diese anstatt Funktionen und Wirkprinzipien Merkmale und Merkmalsausprägungen enthalten. Zur Veranschaulichung können die einzelnen Merkmalsausprägungen miteinander verbunden werden, wobei hier, im Vergleich zum „klassischen“ morphologischen Kasten, kein unmittelbarer funktionaler Zusammenhang zwischen den einzelnen Merkmalen bestehen muss. Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Anwendung der tribologischen Ordnungsschemata, zum Beispiel mit dem Ziel der Ableitung oder auch dem Erkennen alternativer Lösungen, kann wie folgt aussehen, wobei je nach Zielsetzung davon abgewichen werden kann bzw. einzelne Schritte auch übersprungen werden können. So können bestimmte Merkmale (z. B. Lastaufprägung, Lastverteilung) im Hinblick auf die Haftreibung bzw. das Losbrechverhalten wichtig sein, jedoch bei der Gleitreibung (z. B. aufgrund einer Angleichung/ Schmiegung der Kontaktflächen) eine untergeordnete Rolle spielen. 1. (Bestehendes) Tribosystem (oder experimentelle Methode) auswählen. 2. Je nach Zielsetzung entweder jedes Ordnungsschema oder gezielt nur einzelne Ordnungsschemata durchgehen. 3. Jedem Merkmal eine Merkmalsausprägung (falls nicht bekannt, ggf. ermitteln oder überspringen) zuordnen. Die einzelnen Merkmale nacheinander einordnen (in Bild 12 durch vertikale Pfeile von Merkmal zu Merkmal angedeutet), wobei einzelne Merkmale eine Mehrfachwahl (in horizontaler Richtung) erlauben oder auch übersprungen werden können. Einige Ordnungsschemata müssen für jedes Triboelement einzeln betrachtet werden (in Bild 12 durch vertikalen Pfeil von unten nach oben angedeutet). 4. Je nach Zielsetzung beim Durchgehen der einzelnen Merkmale entscheiden, welche Merkmale in erster Linie zur Beschreibung des Systems dienen und welche Merkmale, unter Berücksichtigung der Randbedingungen, zur Variation genutzt werden können/ sollen. 5. Merkmale zur Variation bestimmen und alternative Merkmalsausprägungen auswählen. 6. Verträglichkeit der ausgewählten Merkmalsausprägungen prüfen. 7. Alternative Lösungen bewerten (z. B. mittels der Punktwertmethode, ggf. Literaturrecherche heranziehen), auswählen und testen (z. B. mittels einfacher Modellprüfsysteme). 8. Vielversprechendste Variante konkretisieren und gegebenenfalls realisieren. Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 • der Gewährleistung einer Reproduzierbarkeit (falls z. B. Untersuchungen wiederholt werden sollen), • der Dokumentation/ Archivierung von Tribosystemen (z. B. zur Verwendung des Wissens bei Weiterentwicklungen/ Optimierungen oder zum Aufbau von Datenbanken), • der Systematisierung von tribologischen Lösungen in einem bestimmten Anwendungsgebiet (z. B. zur Verschaffung eines Überblicks) und • der Abstraktion eines Tribosystems sowie der Auswahl eines geeigneten Prüfsystems (z. B. Auswahl eines Modellprüfsystems mit vergleichbarer Beanspruchung). 2. Ableitung neuer (innovativer) oder alternativer tribologischer Lösungen (oder Prüfmethoden), zum Beispiel durch systematische Variation der Merkmale von Tribosystemen und/ oder experimentellen Methoden mit dem Ziel • der Entwicklung/ Optimierung von Tribosystemen (z. B. durch gezielte Substitution von Merkmalsausprägungen: Rollen anstatt Gleiten, Flüssigkeitsreibung anstatt Mischreibung), • der Erweiterung von Tribosystemen um weitere Teilfunktionen (z. B. smarte Tribosysteme mit Überwachungsfunktionen durch Sensorintegration) und • der Vermeidung „eingefahrener Gleise“ (z. B. durch gezielte Abweichung von üblichen oder genormten Methoden). 3. Systematische Analyse von Einflussgrößen (z. B. durch systematische Variation der Merkmale von Tribosystemen und/ oder der experimentellen Methoden) und deren Auswirkungen sowie experimentelle oder simulationsgestützte Überprüfung mit dem Ziel • der Generierung von strukturiertem Wissen (Erkenntnisse auf bestimmten Gebieten strukturieren und bereitstellen), • der Verknüpfung von Ordnungsschemata mit konkreten Erkenntnissen (Ordnungsschema erweitert um eine weitere Dimension), • der Aufstellung von konstruktiven Leitregeln/ Richtlinien (z. B. im Hinblick auf das tribologiegerechte Konzipieren), • der Verknüpfung von Ordnungsschemata mit konkreten konstruktiven Leitregeln/ Richtlinien oder Gleichungen (die den Zusammenhang beschreiben) und • der Identifikation von Lücken (z. B. noch nicht in Betracht gezogene Ansätze, Eigenschaften, Kombinationen), beispielsweise in noch unerforschten Bereichen. T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 24 Seite 28 4.3 Anmerkungen/ Einschränkungen Ein Ordnungsschema ist kein starres Gebilde und stellt in gewissem Umfang ein flexibel anpassbares Werkzeug dar. Je nach Anwendung kann es daher sinnvoll sein, das Ordnungsschema anzupassen bzw. anwendungsspezifisch, zum Beispiel zur Hervorhebung bestimmter Aspekte, in eine andere Ordnung zu bringen. Nicht alle Merkmale sind für die systematische Variation gleich gut geeignet. Einige Merkmale dienen in erster Linie zur Beschreibung oder Erfassung des Systems, während andere Merkmale gezielt variiert werden können. Inwiefern sich die einzelnen Merkmale variieren lassen, hängt stark von den Merkmalen ab. So sind grundlegende Merkmale wie zum Beispiel „Art der Bewegung“ oder „Typ der Belastung“ häufig vorgegeben (Randbedingungen des Systems), während Merkmale wie zum Beispiel „Verteilung der Belastung“ variiert werden können. Inwiefern ein Ordnungsschema richtig oder falsch ist, lässt sich nur schwer beurteilen. Auch bezüglich der Vollständigkeit lässt sich eine Aussage nur bedingt treffen. Grundsätzlich gilt, dass Ordnungsschemata unter Berücksichtigung des Fortschritts in der Technik und neuester Erkenntnisse auf dem jeweiligen Gebiet ergänzt bzw. aktuell gehalten werden müssen. Die aufgestellten Ordnungsschemata liefern keine kausalen Zusammenhänge bzw. Rückschlüsse, inwiefern eine Veränderung eines bestimmten Merkmals ein anderes Merkmal (bezogen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten) beeinflusst. Bei der Komplexität tribologischer Systeme und der diversen Einflussfaktoren kann ein solches Unterfangen, wenn überhaupt, nur für vereinfachte Teilsysteme gelingen, und auch dann ist eine Übertragung der Zusammenhänge auf andere Systeme aufgrund des systemspezifischen Charakters nur bei Systemgleichheit vollständig möglich. Nichtsdestotrotz bedürfen neue Lösungen oder Optimierungsmaßnahmen in der Regel einer experimentellen oder simulationsgestützten Überprüfung. Am effizientesten lassen sich solche Überprüfungen zunächst auf der Modellebene mit der höchsten Abstraktion bzw. Vereinfachung durchführen. Davon ausgehend können dann die gewonnen Erkenntnisse und Zusammenhänge auf komplexere Systeme übertragen werden. Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Bild 12: Betrachtung der hochfrequenten Schwingungsanregung zur Beeinflussung von Reibung und Verschleiß mit Hilfe des Ordnungsschemas für „Belastung“ (nur für den Gegenkörper bzw. Zwischenstoff) T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 24 Seite 29 pischerweise im Ultraschallbereich mit Schwingungsfrequenzen ab 16 kHz) ins System bzw. die mechanische Schwingungsanregung der sich in Relativbewegung befindenden Körper mit verschiedenen Frequenzen und Amplituden ist eine häufig verwendete Methode für diesen Zweck (z. B. [16, 17, 18, 19]). Üblicherweise erfolgt die Einbringung der Ultraschallanregung am Grund- oder Gegenkörper. Hierbei kann es sich um einen trockenen oder geschmierten Kontakt handeln. Grundsätzlich kann die Anregung in bzw. parallel sowie senkrecht (in-plane) bzw. normal (out-of-plane) zur Bewegungsrichtung erfolgen. Eine Superposition/ Überlagerung der Elementarrichtungen ist ebenfalls möglich [20, 21, 22]. Stellvertretend soll an dieser Stelle die Konfiguration bzw. das Tribosystem aus [16] als „bekannte Lösung“ dienen, wobei auch andere Konfigurationen gleichermaßen geeignet wären. In der besagten Studie wurde ein Draht durch zwei sich verjüngende Düsen (Zieheisen/ Ziehsteine) gezogen, wobei eine der Düsen in Zugrichtung hochfrequent angeregt wurde. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass mit der Anregung der Düse die Reibungskärfte an dieser reduziert und somit geringere Zugkräfte zum Drahtziehen benötigt werden. Da es sich bei einer hochfrequenten Schwingungsanregung um eine Beanspruchung des Tribosystems handelt (zusätzlich zur eigentlichen Beanspruchung), erscheint eine Betrachtung dieses Aspekts mit Hilfe des Ordnungsschemas für „Belastung“ (Bestandteil der Eingangsgrößen eines Tribosystems) als zielführend. Dieses Ordnungsschema ist in Bild 12 dargestellt, wobei die Konfiguration aus [16] dort als „bekannte Lösung“ eingeordnet wurde. Dabei ist allerdings nur die hochfrequente Schwingungsanregung in Tangentialrichtung bezogen auf den Gegenkörper dargestellt. Alle anderen Bestandteile der Beanspruchung sind an dieser Stelle aus Gründen der Übersicht nicht berücksichtigt. Die Belastung durch die Schwingungsanregung erfolgt über den Grundkörper. Die Tangentiallast (Schwingungsanregung) wird in Form einer Geschwindigkeit vorgegeben. Die Aufprägung erfolgt extern (über einen Schwinger), und die Einleitung ist direkt (Schwinger ist direkt mit einer der sich verjüngenden Düsen verbunden). Die Verteilung der Last kann sowohl in der Angriffsfläche als auch in der Grenzfläche als ungleichmäßig (aufgrund der Verjüngung) angenommen werden. Die Art der Belastung ist dynamisch, wobei die Tangentiallast oszilliert. Die Kontaktstelle wird durch die Schwingungsanregung permanent und zyklisch beansprucht. Wie die „bekannte Lösung“ stellvertretend im Ordnungsschema zeigt, wird typischerweise der Grund- oder Gegenkörper einer hochfrequenten Schwingungsanregung ausgesetzt. Eine weitere und bisher nicht näher untersuchte Möglichkeit, hochfrequente Schwingungen Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 4.4 Anwendungsbeispiel: Beeinflussung von Reibung und Verschleiß durch Schwingungsanregung Zur Veranschaulichung der konkreten Anwendung von Ordnungsschemata wird der Schwerpunkt an dieser Stelle auf die Ableitung einer tribologischen Lösung auf der Modellebene gelegt. Das Ziel ist die Ableitung einer neuen und gegebenenfalls innovativen Lösung und der dazugehörigen experimentellen Methoden, die über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird daher ein einfaches tribologisches Modellprüfsystem (Kugel-Prisma- Prüfsystem gemäß ISO 7148-2 [15]) gewählt. Der Fokus liegt auf der beispielhaften Anwendung der Ordnungsschemata und weniger auf dem Modellprüfsystem. An dieser Stelle sei angemerkt, dass prinzipiell auch andere Prüfsysteme ebenfalls geeignet sind und dass das verwendete Prüfsystem keine Besonderheiten oder Alleinstellungsmerkmale mit sich bringt, die dessen Verwendung besonders rechtfertigen. Die Modellebene als Ausgangspunkt hat den Vorteil, dass sie im Vergleich zu konkreten technischen Tribosystemen in ihrer Komplexität überschaubar ist und mit vergleichsweise wenig Aufwand realisiert und zur experimentellen Überprüfung von tribologischen Zusammenhängen eingesetzt werden kann. Damit lassen sich neue Lösungen oder Ansätze effizient überprüfen. Die dabei gewonnen Ergebnisse bilden typischerweise die Ausgangsbasis für die nächsten Schritte, wie zum Beispiel die Übertragung der Erkenntnisse auf komplexere Systeme. Als Ausgangspunkt wäre aber auch ein konkretes tribologisches System mit dem Ziel der Weiterentwicklung und/ oder Optimierung grundsätzlich geeignet. Zur vollständigen Erfassung und Beschreibung eines Tribosystems ist es erforderlich, alle Ordnungsschemata, die das System betreffen, zu berücksichtigen. Des Weiteren lässt sich prinzipiell, abhängig von der Anzahl der Merkmale und der Ausprägungen, eine Vielzahl an Lösungen durch eine systematische Variation aller Merkmale ableiten. Da an dieser Stelle jedoch der Schwerpunkt nicht auf der vollständigen Beschreibung, sondern auf der exemplarischen Ableitung alternativer Lösungen liegt, werden bei dem nachstehend aufgeführten Beispiel nur das jeweils relevante/ betroffene Ordnungsschema und jeweils nur eine Lösung aufgeführt. 4.4.1 Betrachtung mit Ordnungsschemata In vielen technischen Anwendungen, wie zum Beispiel dem Drahtziehen, Bohren, Pressen oder Schneiden, ist die aktive Kontrolle und Reduktion von Reibungskräften im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Qualität von hoher Relevanz. Die zusätzliche/ überlagerte Einbringung einer hochfrequenten Schwingungsanregung (ty- T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 25 Seite 30 in ein Tribosystem zur Beeinflussung der Reibung einzuleiten, bildet die Anregung des Zwischenstoffs. Voraussetzung dafür ist, dass es sich um ein Tribosystem mit einem Zwischenstoff handelt, welcher durch die eingebrachten Schwingungen angeregt werden kann. In Bild 12 ist dieser Ansatz als „neue Lösung“ aufgezeigt. Hierbei wird der Ultraschallschwinger nicht an einem der beiden Körper in Relativbewegung zueinander angebracht („bekannte Lösung“), sondern stattdessen in den flüssigen Zwischenstoff (Schmierstoff) getaucht, um diesen anzuregen. Die hochfrequente Anregung durch den Schwinger erzeugt Über- und Tiefdruckwellen innerhalb des Schmierstoffs. Zunächst wird der Schmierstoff komprimiert und dann auseinandergezogen. Das führt zu Vakuumblasen/ Kavitäten, welche dann zusammenbrechen/ implodieren und lokale hohe Temperatur- und Druckgradienten bewirken. Da sich die „neue Lösung“ auf das Kugel-Prisma-Prüfsystem und nicht auf das Ausgangssystem (sich verjüngende Düse) bezieht, liegt bei der „neuen Lösung“ eine exzentrische Anordnung vor. Die Verteilung der Last an der Angriffsfläche (Kontakt zwischen Schwinger und Fluid) ist gleichmäßig, während ihre Verteilung in der Grenzfläche (Kontakt zwischen Kugel und Prüfplättchen) nicht bekannt ist. Die restlichen Merkmale der beiden Lösungen sind nicht gänzlich identisch, können an dieser Stelle jedoch vernachlässigt werden. 4.4.2 Experimentelle Methode Für die experimentelle Untersuchung der „neuen Lösung“ wird ein geschmiertes Kugel-Prisma-Prüfsystem verwendet. Es soll der Einfluss einer hochfrequenten Schwingungsanregung des Schmierstoffs auf das Reibungs- und Verschleißverhalten einer exemplarischen Metall-Metall-Paarung untersucht werden. Die Untersuchung stellt eine Machbarkeitsstudie dar, losgelöst von einer konkreten Anwendung. Experimenteller Aufbau Der gesamte Versuchsaufbau besteht aus einem Rotationstribometer und einem Kugel-Prisma-Prüfsystem. Hierbei wird eine rotierende Kugel gegen zwei Prüfplättchen, welche sich in einem prismenförmigen Probenhalter befinden, gedrückt. Die wesentliche Erweiterung stellt der Ultraschallschwinger (Ultraschallwandler) dar. Des Weiteren ist das System geschmiert. Die wesentlichen Komponenten sind in Bild 13 schematisch dargestellt. Der Ultraschallschwinger besteht aus piezokeramischen Elementen, die zwischen metallischen Resonanzkörpern eingespannt sind. Die Erregung des Schwingers erfolgt durch einen Hochfrequenzgenerator, welcher die Netzfrequenz in eine höhere Frequenz umwandelt. Mit der wechselnden Polarität des elektrischen Wechselfeldes ändert sich die Dicke der piezokeramischen Elemente, sodass mechanische Schwingungen gleicher Frequenz entstehen. Drei verschiedene Positionen/ Ausrichtungen des Ultraschallschwingers wurden untersucht: Position A (Schwinger ist im Schmierstoff eingetaucht und zeigt in horizontale Richtung bzw. z-Richtung), Position B (Schwinger ist im Schmierstoff eingetaucht und zeigt in vertikale Richtung bzw. y-Richtung) und Position C (Schwinger ist außen an der Wanne angebracht, ohne direkten Kontakt zum Schmierstoff). Der Gesamtgleitweg betrug ca. 96 m, wobei jeder Versuch aus einer Einlaufphase (0 − 48 m) ohne Ultraschallanregung und einer Testphase (48 − 96 m) mit phasenweiser Ultraschallanregung bestand. Der Ultraschallschwinger (Frequenz: 40 kHz, Amplitude: 10 µm, Leistung: 50 W) wurde während der Testphase sechs Mal phasenweise bzw. intermittierend für 1.6 m alle 8 m betrieben. Die aufgebrachten Normalkräfte (F N,ges ) wurden im Bereich von 35.4 bis 141.4 N und die Relativgeschwindigkeit (v) im Bereich von 6.7 bis 53.3 mm/ s variiert. Die Versuche erfolgten bei einer Raumtemperatur von 21 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 %. Verwendete Materialien Die Prüfplättchen (20 mm × 8 mm × 2 mm) wurden aus Kupfer(Cu)-Blech präpariert, und die Kugel (Durchmesser: 12 mm) war aus Wälzlagerstahl (100Cr6) gefertigt. Aus Wissenschaft und Forschung 31 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Bild 13: Schematische Darstellung des verwendeten Prüfaufbaus für die hochfrequente Schwingungsanregung des Schmierstoffs. T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 25 Seite 31 stoff B) auszuschließen und aufgrund des vergleichsweise stabilen Verlaufs der Reibungszahl über dem Gleitweg, wurden die folgenden Versuche mit Schmierstoff A durchgeführt. Wie Bild 14 (untere Hälfte) zeigt, nimmt für höhere Gleitgeschwindigkeiten der Abfall der Reibungszahl während der Anregungsphasen ab, so dass bei v = 53.3 mm/ s fast kein Effekt mehr feststellbar ist. Für steigende Normalkräfte lässt sich eine ähnliche Tendenz ableiten. Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Der Probenhalter befand sich in einer mit Schmierstoff gefüllten Wanne (150 ml). Als Schmierstoffe wurden ein handelsübliches Weißöl auf Mineralölbasis (Schmierstoff A, kinematische Viskosität: 17 − 23 mm 2 / s bei 40 °C), ein Hydrauliköl auf Mineralölbasis mit zinkfreien Verschleißschutzadditiven (Schmierstoff B, kinematische Viskosität: 46 mm 2 / s bei 40 °C) und ein Petroleumbenzin/ Petrolether (Schmierstoff C) verwendet 4.4.3 Ergebnisse und Diskussion Da in erster Linie der Effekt der Anregung des Schmierstoffs mittels Ultraschallschwingungen untersucht werden sollte, werden nachfolgend nur die Testphase bzw. die Verläufe der Reibungszahl während der Testphase betrachtet. In Bild 14 ist der Einfluss verschiedener Positionen des Ultraschallschwingers, verschiedener Schmierstoffe, verschiedener Geschwindigkeiten und verschiedener Normalkräfte anhand repräsentativer Verläufe der Reibungszahl aufgezeigt. Die aktiven Phasen des Schwingers sind dabei durch graue Abschnitte gekennzeichnet. Während für Position C nur marginale Effekte zu beobachten sind, lassen sich für Positionen A und B klar erkennbare Effekte bzw. Abfälle in den Reibungszahlverläufen während der aktiven Phasen des Schwingers feststellen. Die Abfälle der Reibungszahl sind für Position A (Schwinger zeigt in Richtung der Kontaktpunkte) am deutlichsten bzw. stärksten ausgeprägt. Daher wurden die weiteren Versuche mit Position A durchgeführt. Für die zwei Schmierstoffe auf Mineralölbasis lassen sich weniger stark schwankende Reibungszahlverläufe im Vergleich zum Petroleumbenzin beobachten. Allerdings sind die Abfälle der Reibungszahl für Petroleumbenzin während der Anregungsphasen betragsmäßig stärker ausgeprägt. Um Einflüsse durch Additive (Schmier- Bild 14: Repräsentative Verläufe der Reibungszahl (von oben nach unten) für unterschiedliche Positionen des Schwingers (Schmierstoff A, F N,ges = 35.4 N, v = 13.3 mm/ s), für unterschiedliche Schmierstoffe (Position A, F N,ges = 70.7 N, v = 13.3 mm/ s), für unterschiedliche Gleitgeschwindigkeiten (Position A, Schmierstoff A, F N,ges = 35.4 N) und für unterschiedliche Normalkräfte (Position A, Schmierstoff A, v = 13.3 mm/ s). T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 25 Seite 32 Prinzipiell können für alle untersuchten Konfigurationen Abfälle im Reibungszahlverlauf während der Anregungsphasen festgestellt werden. Nach den Anregungsphasen (Schwinger wird ausgeschaltet) „erholen“ sich die Verläufe und erreichen wieder die vorherigen Zustände/ Niveaus. Die Mittelwerte der Reibungszahlen und der Durchmesser der Verschleißkalotten auf den Prüfplättchen resultierend aus den Versuchen mit und ohne Ultraschallanregung sind in Bild 15 aufgezeigt. Um Einlaufeffekte auszuschließen, wurde für die Berechnung der Mittelwerte der Reibungszahlen nur die Testphase berücksichtigt. Für den untersuchten Parameterbereich kann unter der Einwirkung von Ultraschallschwingungen sowohl für die Reibungszahl als auch für den Kalottendurchmesser eine Abnahme festgestellt werden. Wie genau die durch die hochfrequente Schwingungsanregung resultierenden Vorgänge im Schmierstoff (Über- und Tiefdruckwellen, Kavitäten und hohe Temperatur- und Druckgradienten) miteinander wechselwirken und die Reibungs- und Verschleißvorgänge beeinflussen, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden und bedarf einer tiefergehenden Untersuchung (z. B. Messung der Schmierstofftemperatur nahe der Kontaktstellen mit kurzen Reaktionszeiten). Denkbar ist, dass die entstehenden Verschleißpartikel verdrängt bzw. am Wiedereintritt in den Kontaktbereich/ die Kontaktzone gehindert werden. Eine weitere Erklärung wäre, dass der Schmierstoff in den Kontaktbereich zwischen Grund- und Gegenkörper gedrängt/ gezwungen wird und damit die Reibungs- und Verschleißeigenschaften beeinflusst. Aufgrund der hohen Temperatur- und Druckgradienten im Schmierstoff sind auch lokale und kurzzeitige Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften nicht auszuschließen. 4.4.4 Zusammenfassung und Fazit Durch eine systematische Betrachtung der Möglichkeiten zur Beeinflussung von Reibung und Verschleiß mittels hochfrequenter Schwingungsanregung konnte eine neue bzw. alternative Lösung abgeleitet werden. Anstatt wie bei den bekannten Lösungen aus der Literatur den Grund- oder Gegenkörper anzuregen, wird bei der neuen Lösung der Zwischenstoff angeregt. Unter Verwendung eines vereinfachten Modellprüfsystems wurde der abgeleitete Ansatz bezüglich des Einflusses einer Anregung des Schmierstoffs mittels Ultraschallschwingungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten einer exemplarischen Metall-Metall- Paarung untersucht. Für alle untersuchten Konfigurationen konnte eine Abnahme der Reibungszahl während der Anregungsphase beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Position und Ausrichtung des Schwingers als auch der Schmierstoff einen wesentlichen Einfluss auf den Effekt durch Ultraschallanregung haben können. Für zunehmende Gleitgeschwindigkeiten und Normalkräfte konnte eine Abnahme der Reibungszahlabfälle beobachtet werden. Die Mittelwerte mit und ohne Ultraschallanregung zeigen, dass sowohl die Reibungszahlen als auch die Durchmesser der Verschleißkalotten aufgrund der Anregung abnehmen. Ein Vergleich mit anderen Studien (z. B. [21, 22]), in denen trockene Kontakte untersucht wurden, zeigt, dass eine Anregung des Schmierstoffs anstatt der Körper in Relativbewegung eine geringere Wirkung auf das Reibungsverhalten zu haben scheint. Eine Steigerung der Wirkung ließe sich beispielsweise durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Ultraschallschwinger erzielen. Die abgeleitete Lösung stellt eine neue Option/ Ergänzung zu den bekannten Möglichkeiten zur Reibungsbeeinflussung durch Schwingungsanregung dar. Diese kann insbesondere dann genutzt werden, falls ein Tribosystem keine Anregung des Grund- oder Gegenkörpers erlaubt oder falls dieses Vorgehen aus technischer Sicht als zu aufwendig erscheint. 5 Zusammenfassung Um die wesentlichen Bestandteile eines tribologischen Systems zu ordnen bzw. zu systematisieren, wurden Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Bild 15: Mittelwerte der Reibungszahlen (links) und der Durchmesser der Verschleißkalotten (rechts) für unterschiedliche Normalkräfte mit und ohne Schwingungsanregung (Position A, Schmierstoff A, v = 13.3 mm/ s); die Höhe der Fehlerbalken entspricht der doppelten Standardabweichung T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 25 Seite 33 6 Literaturverzeichnis [15] DIN ISO 7148-2: Gleitlager - Prüfung des tribologischen Verhaltens von Gleitlagerwerkstoffen - Teil 2: Prüfung von polymeren Gleitlagerwerkstoffen. Beuth Verlag, Berlin, 2014. [16] R. P OHLMAN UND E. L EHFELDT : Influence of ultrasonic vibration on metallic friction. Ultrasonics 4 (1966), Nr. 4, S. 178-185. [17] A. E. E AVES , A. W. S MITH , W. J. W ATERHOUSE UND D. H. S ANSOME : Review of the application of ultrasonic vibrations to deforming metals. Ultrasonics 13 (1975), Nr. 4, S. 162-170. [18] W. L ITTMANN , H. S TORCK UND J. W ALLASCHEK : Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Archive of Applied Mechanics 71 (2001), Nr. 8, S. 549-554. [19] H. S TORCK, W. L ITTMANN , J. W ALLASCHEK UND M. M RA- CEK : The effect of friction reduction in presence of ultrasonic vibrations and its relevance to travelling wave ultrasonic motors. Ultrasonics 40 (2002), Nr. 1-8, S. 379-383. [20] V. C. K UMAR UND I. M. H UTCHINGS : Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribology International 37 (2004), Nr. 10, S. 833-840. [21] V. L. P OPOV, J. S TARCEVIC UND A. F ILIPPOV : Influence of ultrasonic in-plane oscillations on static and sliding friction and intrinsic length scale of dry friction processes. Tribology Letters 39 (2010), Nr. 1, S. 25-30. [22] E. T EIDELT , J. S TARCEVIC UND V. L. P OPOV : Influence of ultrasonic oscillations on static and sliding friction. Tribology Letters 48 (2012), Nr. 1, S. 51-62. Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 3/ 2018 Ordnungsschemata in einer an den morphologischen Kasten angelehnten Darstellungsform als besonders geeignetes Werkzeug identifiziert. Ein wesentliches Zielkriterium beim Aufstellen der Ordnungsschemata war die gezielte Unterstützung von Produktentwicklern/ Konstrukteuren bei der systematischen Auseinandersetzung mit tribologischen Systemen und der Ableitung neuer tribologischer Lösungen. Das Resultat sind tribologische Ordnungsschemata für die einzelnen Teilbereiche/ Bestandteile (ordnende Gesichtspunkte) eines tribologischen Systems. Die Ordnungsschemata enthalten einzelne Merkmale sowie Merkmalsausprägungen, die dazu dienen, ein tribologisches System möglichst genau zu beschreiben. Davon ausgehend können unterschiedliche Zielsetzungen, wie beispielsweise die Ableitung alternativer bzw. neuer Lösungen, verfolgt werden. Die konkrete Anwendung und der potentielle Nutzen von Ordnungsschemata wurden am Beispiel der Beeinflussung von Reibung durch hochfrequente Schwingungsanregung aufgezeigt. Hierbei konnte eine neue Lösung abgeleitet und experimentell verifiziert werden. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen, bei denen entweder der Grund- oder der Gegenkörper angeregt wird, konnte eine neue alternative Lösung identifiziert werden, die das Spektrum an möglichen Lösungen in diesem Bereich erweitert. Im expert verlag erscheinen Fachbücher zu den Gebieten Themenverzeichnisse o o o o o o o Bitte fordern Sie unser Verlagsverzeichnis auf CD-ROM an! Anzeige T+S_3_2018.qxp_T+S_2018 13.04.18 16: 25 Seite 34