02:

Tribologischer Modellversuch zur Messung von Reibung und Verschleiß in „Block auf Ring”-Geometrie nach ASTM G176

Versuchsdurchführung

Wie die ASTM G137 beschreibt auch die ASTM G176 eine Reibungs- und Verschleiß:messung in „Block auf Ring”-Anordnung. Die Unterschiede liegen vor allem in der Proben- und Kontaktgeometrie, siehe Abbildung 1:

Abbildung 1: „Block auf Ring”-Messung nach ASTM G176.

Bei der „Block auf Ring”-Methode nach ASTM G176 wird der Verschleiß: nicht zeitaufgel�st (z.B. anhand des H�henverlusts des Probek�rpers) erfasst, sondern integral. Die Norm sieht hierzu standardm�ß:ig die Messung der Muldenbreite vor, aus der dann das Verschleiß:volumen berechnet wird. Da dieses Verfahren zur Verschleißmessung unserer Erfahrung nach zwar wirtschaftlich vorteilhaft ist aber viele technische Nachteile besitzt, bieten wir Ihnen alternativ hierzu auch die direkte Erfassung der Verschleiß:mulden mit Hilfe eines optischen Profilometers an. Hierbei wird durch rasternde Abstandsmessung ein 3D-H�henprofil der Mulde und des umliegenden Bereichs erstellt, siehe Abbildung 2:

Abbildung 2: Topographische Ermittlung des integralen Volumenverlusts ΔV.

Durch Definieren einer Referenzebene auf der umliegenden Probenoberfl�che wird der integrale Volumenverlust ΔV direkt berechnet. Daraus errechnet sich dann die spezifische Verschleiß:rate ws gem�ß:

Messwerterfassung

Jede der vier Messstellen des Atlas TT-Pr�fstands ist zur Erfassung von Reibung, Verschleiß und Gegenk�rpertemperatur mit einem Kraftaufnehmer, einem Infrarot-Thermometer und einem Wegaufnehmer ausgestattet. Der Kraftaufnehmer nimmt hierbei die Reibungskraft FR, der Wegaufnehmer die H�henabnahme der Probe Δh und der Temperatursensor die Gegenk�rpertemperatur ϑGK auf. Abbildung 1 zeigt anhand einer ausgew�hlten „Block auf Ring”-Einzelpr�fung einen exemplarischen Verlauf dieser drei Prim�rmessgr�ß:en �ber der Gleitstrecke s:

Abbildung 3: Exemplarische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Reibungs­kraft, der H�henabnahme der Probe und der Gegenk�rpertemperatur w�hrend einer „Block auf Ring”-Pr�fung gegen 100Cr6 (60 HRc).

Dabei ist deutlich die F�higkeit der zeitaufgel�sten Verschleiß:bestimmung erkennbar, den Einlauf und den station�ren Zustand voneinander zu trennen. In der ersten Phase dieses Experiments, bis zu einer Gleitstrecke von ca. 5 km steigt die Gegenk�rpertemperatur bis auf etwa 50 °C an. Dieser Temperaturanstieg bewirkt eine Ausdehnung der Werkstoffprobe. Diese wirkt dem verschleiß:bedingten H�henverlust entgegen, sodass der beobachtete H�henverlust anf�nglich sogar negativ ist, was einer effektiven Verl�ngerung der Probe entspricht. Sobald der Einlauf abgeschlossen ist, was hier nach ca. 7,5 km der Fall ist, bleibt die Gegenk�rpertemperatur konstant und die Probe dehnt sich nicht weiter aus. Der einzige Effekt, der die H�he der Probe nun noch ver�ndert, ist der Verschleiß:. Dieser bewirkt nun mit gleichbleibender Rate eine Probenverk�rzung bis zum Ende des Versuchs.

Zus�tzlich zu diesen, f�r jede Messstelle separat ermittelten Daten, messen zwei weitere Sensoren die im Labor herrschende Umgebungstemperatur ϑamb und die relative Luftfeuchte rH.

Auswertung

Der wichtigste Vorteil der zeitaufgel�sten Verschleiß:messung gegen�ber integrierenden Verfahren (z.B. Differenzw�gung) ist, dass der Einlauf und der station�re Zustand klar voneinander separiert werden k�nnen. Im station�ren Zustand entspricht die lineare Verschleiß:rate w der Steigung des gegen die Gleitzeit t aufgetragenen H�henverlusts Δh:

Gleichung 1: Definition der linearen Verschleißrate.

Konkret wird die lineare Verschleiß:rate mit Hilfe einer linearen Regression ermittelt. Hierbei wird der Regressionsbereich manuell auf den erkennbar station�ren Zustand begrenzt. In der Regel handelt es sich hierbei um die zweite Versuchsh�lfte. Der Einlaufverschleiß: und die am Anfang stattfindende thermische Ausdehnung der Kunststoffprobe werden also nicht mitber�cksichtigt. Diese beiden Effekte sind auch der Grund, weshalb Untersuchungen an Originaloberfl�chen praktisch nicht m�glich sind. Insbesondere die anf�nglich stark instation�re Reibfl�chen­temperatur hat zudem einen starken Einfluss auf den Gleit­reibungs­koeffizienten. Bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts im Reibkontakt, dem Gegenk�rper und dem polymeren Probek�rper werden Reibung und Verschleiß: h�ufig derart stark �berlagert, dass sie nicht mehr bestimmbar sind.

Zus�tzlich zur linearen Verschleiß:rate w wird auch die spezifische Verschleiß:rate ws des Kunststoffs ermittelt. Diese tr�gt der h�ufig in tribologischen Unter­suchungen gemachten Beobachtung, dass der verschleiß:­bedingte Volumen­verlust ΔV unterhalb einer bestimmten Beanspruchung­sh�he proportional zur Gleit­geschwindig­keit v und der Fl�chenpressung p ist. Der Proportionalit�ts­faktor zwischen der linearen Verschlei�rate und dem Produkt aus p und v wird als spezifische Verschleiß:rate ws (oder auch als „Verschleiß:faktor k”) bezeichnet und wird h�ufig zur Quantifizierung des Verschleiß:es von Kunst­stoff­verbund­werk­stoffen angegeben. Die spezifische Verschleiß:­rate w h�ngt definitionsgemäß mit der linearen Verschleiß:­rate w und dem Produkt aus Fl�chen­pressung p und Gleit­geschwindig­keit v wie folgt zusammen:

Gleichung 2: Zusammenhang zwischen dem pv-Produkt und der linearen und der spezifischen Verschleißrate.

Zus�tzlich zu diesen beiden Verschleiß:raten wird der Gleitreibungskoeffizient μ ermittelt, der dem Quotienten aus Reibungskraft FR und der Normalkraft FN entspricht:

Gleichung 3: Definition des Gleitreibungskoeffizienten μ.

Die in der Kontaktzone entstehende Reibkraft FR wird w�hrend der gesamten Messung zeitaufgel�st gemessen (siehe Abbildung 3) und hieraus der zeitliche Verlauf des Gleitreibungskoeffizienten μ berechnet. Sofern der konkrete Kurvenverlauf nichts anderes nahelegt, wird der Gleitreibungskoeffizient in dem Bereich gemittelt, in dem auch der H�henverlust regrediert wird.

Probekörper

Die Zeichnungen A,B, und C zeigen m�gliche Geometrien des blockf�rmigen Probek�rpers. Pro zu untersuchendem Werkstoff werden vier solcher Probek�rper ben�tigt. Die Probek�rper sind derart dimensioniert, dass Sie aus dem planparallelen Mittelteil eines CAMPUS-Zugstabs gewonnen werden k�nnen. Sie k�nnen uns die ben�tigten Probek�rper wahlweise beistellen oder deren Herstellung in unserer mechanischen Werkstatt gegen Aufpreis herstellen lassen.

Gegenk�rper

Als metallischer Gegenk�rper kommt standardmäßig ein 100Cr6-Ring der H�rte 60 HRc und der Rauheit Ra = 0,15  μm, Rz = 1,7  μm (drallfrei) zum Einsatz. Andere Werkstoffe (z.B. Edelstahl, Stahlguss, Aluminium, Keramik oder Kunststoff), sowie andere H�rten, Rauheiten und Schliffbilder (z.B. Kreuzschliff) sind auf Wunsch und gegen Aufpreis ebenfalls verf�gbar.

Tribologische Beanspruchung

Die Fl�chenpressung p und die Gleitgeschwindigkeit v k�nnen innerhalb weiter Bereiche individuell eingestellt werden. F�r unverst�rkte Thermoplaste sind h�ufig Gleitgeschwindigkeiten zwischen 1 m/s und 2 m/s und Fl�chenpressungen zwischen 1 MPa und 3 MPa sinnvolle Beanspruchungen. Bei faser- und festschmierstoffhaltigen Kunststoffen kann das pv-Produkt auch 20 MPa · m/s und mehr betragen.

Direkt vor Versuchsbeginn werden die Kunststoffproben mit Schleifpapier an die Kontur des Gegenk�rpers angepasst, womit die Probe gleich zu Beginn des Versuchs vollfl�chig auf dem Gegenk�rper aufliegt. Aufgrund der Probengeometrie bleiben der Probenquerschnitt und die Auflagefl�che w�hrend des gesamten Versuchs konstant. Sofern keine mechanische Deformation auftritt, kann aus dem zeitaufgel�st gemessenen H�henverlust also mittels Gleichung 1 direkt auf die lineare Verschleiß:rate geschlossen werden. Aufgrund des konstanten Probenquerschnitts ergibt sich gem�� Gleichung 2 hieraus auch auf einfache Weise die spezifische Verschlei�rate.

Das Bewegungsprofil ist standardmäßig unidirektionales Gleiten mit konstanter Gleitgeschwindigkeit. Andere Bewegungsprofile, z.B. reversierendes oder intermittierendes Gleiten, sind jedoch auch in weiten Grenzen realisierbar.

Temperaturmessung

W�hrend des Reibungs- und Verschleißversuchs wird im Reibkontakt stetig Bewegungsenergie in W�rme umgesetzt. Dies f�hrt zu einem Temperaturanstieg, der sich solange fortsetzt, bis sich die W�rmeabfuhr und die W�rmeerzeugung im thermischen Gleichgewicht befinden. Um die hierf�r ben�tigte Gleichgewichtstemperatur m�glichst niedrig zu halten, wird die metallische Gegenk�rperwelle st�ndig durch Strahlungsabgabe und durch Luftzufuhr gek�hlt (siehe Abbildung 4, links).

Da sowohl die Temperatur in der Reibfl�che selbst als auchdie der Laufspur messtechnisch nicht direkt zug�nglich sind, wird stattdessen die Temperatur der die W�rme gut leitenden Gegenk�rperwelle mit Hilfe eines Infrarot-Thermometers gemessen (siehe Abbildung 4, rechts). Aufgrund der dissipierten Reibleistung liegt die im tribologischen Kontakt tats�chlich herrschende mittlere Temperatur immer über der so gemessenen Wellentemperatur � und zwar umso mehr, je h�her die Fl�chenpressung und die Gleitgeschwindigkeit gew�hlt werden und je h�her der Gleitreibungskoeffizient der Reibpaarung ist.

Schmierung

Die Messungen werden im Trockenlauf durchgef�hrt. Um dies sicherzustellen werden die Probe und der Gegenk�rper vor Versuchsbeginn vollst�ndig entfettet. Andere Positionen unseres standardisierten Leistungskatalogs beschreiben geschmierte Messungen.

Stichprobenumfang

Tribologische Messungen weisen erfahrungsgem�� eine deutlich h�here Einzelwertstreuung auf als mechanische Untersuchungen (z.B. Zugversuche). Dies gilt sowohl bez�glich der Reibung als auch bez�glich des Verschlei�es. Hierbei setzt sich die beobachtete Einzelwertstreuung aus der einem intrinsischen und mehreren externen Beitr�gen zusammen. Letztere k�nnen z.B. durch Schwankungen der Umgebungstemperatur, kleine Unterschiede in der Probenpr�paration, ungeeignete Beanspruchungsparameter usw. entstehen. Durch sorgf�ltige Versuchsvorbereitung und �durchf�hrung sowie durch regelm��ige Wartung unserer Maschinen reduzieren wir diese unerw�nschten Beitr�ge auf ein Minimum, denn unn�tig erh�hte Einzelwertstreuungen reduzieren die Spezifit�t des Pr�fverfahrens merklich. Eine reduzierte Spezifität bedeutet, dass ein tats�chlich vorhandener Unterschied zwischen den Verschlei�raten (und/oder Reibungskoeffizienten) zweier Werkstoffe gr��er sein muss als bei hoher Spezifität, um auch festgestellt werden zu k�nnen. Zus�tzlich verringert sich mit steigender Einzelwertstreuung auch die Sensitivit�t des Verfahrens: bei hoher Einzelwertstreuung steigt also auch das Risiko, vorhandene Unterschiede aufgrund zu hoher Einzelwertstreuung zu �bersehen.

Die beiden einzigen M�glichkeiten zur Verbesserung von Spezifit�t und Sensitivit�t sind die Verringerung der Einzelwertstreuung und/oder die Erh�hung des Stichprobenumfangs (also die Anzahl der pro Paarung und Pr�fparametersatz durchgef�hrten Einzelversuche). Abbildung 5 zeigt hierzu die Abh�ngigkeit des Student-Faktors t (rot) und der auf die Standardabweichung der Grundgesamtheit s bezogenen Breite des Vertrauensbereichs (blau) von der Anzahl der (g�ltigen) Einzelwerte n.

Abbildung 5: Abh�ngigkeit des Student-Faktors t (rot) und der relativen Breite des Vertrauensintervalls (blau) von der Anzahl der Einzelversuche n.

Bei nur vier Einzelversuchen betr�gt das Vertrauensintervall (zum Signifikanzniveau 95 %) noch 159 % der Standardabweichung. Bei acht, also der doppelten Anzahl an Versuchen, betr�gt es nur noch 84 % der Standardabweichung und ist damit etwa halb so breit wie bei vier Einzelmessungen. Aufgrund der streng monotonen aber degressiven Abh�ngigkeit des Student-Faktors t vom Stichprobenumfang n f�hren weitere Erh�hungen des Stichprobenumfangs zwar zu einer immer weiteren Verkleinerung des Vertrauensbereichs (und damit zu immer h�herer Spezifit�t und Sensitivit�t), jedoch in abnehmender Effizienz. Erfahrungsgem�� liegt das technisch-wirtschaftliche Optimum deshalb bei 8 Einzelversuchen pro Werkstoffpaarung und Beanspruchungskollektiv.

Statistische Auswertung

Die aus den jeweiligen einzelnen Reibungskoeffizienten bzw. Verschlei�raten bestehenden Stichproben werden gem�� dem jeweils neuesten Stand der einschl�gigen DIN-Normen (z.B. DIN 55 303 oder DIN 53 804, Teil 1 ) analysiert. Hierbei identifizierte Ausrei�er werden entfernt und aus der so bereinigten Stichprobe der arithmetischen Mittelwert, die Standardabweichung und der zugeh�rige Vertrauensbereich ermittelt. Diese drei Gr��en stellen das numerische Ergebnis unserer Messungen dar.

Zus�tzlich zu diesen zahlenm��igen Ergebnissen werden die zeitlichen Verl�ufe des Gleitreibungskoeffizienten μ, des H�henverlusts der Block-Probe Δh und die Temperatur der Gegenk�rperwelle ϑGK zeitlich gemittelt. Die drei so erhaltenen Mittelwertkurven werden zusammen mit ihren jeweiligen Vertrauensbereichen graphisch dargestellt.

Abbildung 6: Zeitlich aufgel�ste Mittelwertkurven (dunkelblau) und Vertrauensbereichsgrenzen (hellblau) der Temperatur der Gegenk�rperwelle (oben), des Gleitreibungskoeffizienten (Mitte) und des H�henverlusts der Block-Probe (unten) einer ausgew�hlten PEEK/Stahl-Gleitpaarung.

Berichterstattung

Die Berichtserstattung erfolgt in elektronischer Form. Hierzu wird ein Microsoft Excel Sheet erstellt, dass alle numerischen Resultate, also die Mittelwerte f�r Reibung, Verschlei� und Temperatur sowie alle berechneten statistischen Kennwerte (Standardabweichungen, Varianzkoeffizienten und Vertrau-ensbereiche) enth�lt.

Auf Wunsch und gegen Aufpreis ist auch eine ausf�hrlichere Berichterstattung in Form eines schriftlichen Berichts m�glich. Dieser enth�lt zus�tzlich detaillierte Beschreibungen zu Versuchsaufbau und Durchf�hrung, sowie graphische Ergebnisdarstellungen und � soweit wie m�glich � auch eine fachliche Bewertung der Messwerte. Weiterhin sind auch weitere elektronische Formate, wie z.B. XML oder SQL, sowie eine umfassende, interaktive Projektdokumentation in HTML verfügbar.

Preise und Lieferzeiten

Auf Anfrage.

Ihr Ansprechpartner

Andreas Gebhard
Geschäftsführer
andreas.gebhard@tribologic.de
Tel. +49 631 68039-220

Schnellnavigation

Geometrie