Die Grundlagen der Tribologie Teil 1: Die Grundlagen von Tribosystemen
Abbildung 1: Schmierung von Lagern
Tribologie ist die Lehre von Verschleiß, Reibung und Schmierung und umfasst das Verhalten von Oberflächen und anderen Triboelementen in natürlichen und künstlichen Systemen bei Relativbewegungen.
Tribologie ist ein komplexes, multidisziplinäres Unterfangen, das Forscher aus verschiedenen Disziplinen zusammenbringt. Dazu gehören Maschinenbau, Fertigungstechnik, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Chemie, Chemietechnik, Physik, Mathematik, biomedizinische Wissenschaft und Technik, Informatik und viele andere Bereiche. Biotribologie, Nanotribologie, Weltraumtribologie und Tribotronik sind allesamt Teilgebiete der Tribologie.
In dieser dreiteiligen Serie werden wir uns mit den drei Hauptbereichen der Tribologie und ihrer Anwendung in der Mechanik befassen:
- Teil 1: Die Grundlagen von Tribosystemen
- Teil 2: Ein detaillierter Blick auf die Schmierung
- Teil 3: Normen, Prüfung und Klassifizierung in der Tribologie
Inhaltsübersicht
- Eine kurze Geschichte der Tribologie
- Bedeutung der Tribologie
- Was sind Tribosysteme?
- Abnutzung und Reibung
- Moderne Anwendungen der Tribologie
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Eine kurze Geschichte der Tribologie
Das Wort Tribologie" kommt vom griechischen Wort tribos", was so viel wie reiben" bedeutet, also wörtlich übersetzt die Wissenschaft vom Reiben". Im Jost-Report vom 9. März 1966 stellte der britische Maschinenbauingenieur Peter H. Jost das Konzept vor. Jost gilt als Begründer der Tribologie, die in seinem Bericht stärker in den Vordergrund gerückt wurde. Es sollten Tribologie-Institute gegründet und ein Lehrbuch über Tribo-Design und -Technik herausgegeben werden.
Am 26. September 1966, kurz nach der Veröffentlichung des Jost-Berichts, wurde der Ausschuss für Tribologie formell gegründet und mit mehreren Aufgaben betraut, darunter:
- Beratung des Ministers für Technologie über Maßnahmen zur Verbesserung des technischen Fortschritts und der wirtschaftlichen Effizienz im Bereich der Tribologie
- Als tribologischer Berater für Ministerien und andere Einrichtungen tätig
- Überprüfung der neuesten Techniken in der Tribologie und deren Empfehlung an die Industrie
- Jährliche Unterrichtung des Ministers für Technologie über die eigenen Aktivitäten sowie über Trends und Entwicklungen in der Tribologie.
Bedeutung der Tribologie
Zu Beginn konzentrierte sich die Tribologieforschung auf die Konstruktion und effektive Schmierung von Maschinenkomponenten wie Lagern. Im Laufe der Zeit hat sich der Schwerpunkt der Tribologie verlagert und umfasst nun mehrere Aspekte der modernen Technologie.
Traditionelle Anwendungen, die unter die klassische Tribologie fallen, unterstreichen die Bedeutung der Tribologie in Bezug auf die Gleitflächen der meisten mechanischen Komponenten, die für die Energieeffizienz und die maximale Lebensdauer dieser Komponenten entscheidend sind. In der Transportindustrie konzentrierte sich die traditionelle Tribologie-Forschung auf die Zuverlässigkeit, aber in moderneren Zeiten hat sich der Schwerpunkt auf den Energieverbrauch und die Effizienzsteigerung verlagert, was zu komplexeren Schmierstoffen führt. So kann die Tribologie beispielsweise die Kohlendioxidemissionen durch eine höhere Energieeffizienz verringern.
Neben der Transportindustrie spielt die Tribologie auch in der verarbeitenden Industrie eine wichtige Rolle, insbesondere bei der Metallumformung. Das Verständnis der Tribologie in der Fertigung ist wichtig, da es die Produktivität steigern und gleichzeitig die Kosten senken kann.
Was sind Tribosysteme?
Tribologie ist die Lehre von Tribosystemen - physikalischen Systemen von sich berührenden Oberflächen. Das Tribosystem wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, die vor der Auswahl von Werkstoffen und einem wirksamen Schmierstoff berücksichtigt werden müssen. Zu den Parametern gehören Bewegungstyp, Geschwindigkeit, Temperatur, Last und Betriebsumgebung. Im Großen und Ganzen kann dies in operative Inputs, Systemstruktur, funktionale Outputs und Verlustoutputs unterteilt werden. Beispiele hierfür sind:
Operative Eingänge
- Art des Antrags: In welcher Art von Bewegung befindet sich die Person? Dies kann Gleiten, Rollen, Stoßen, Rollen mit Rutschen usw. sein.
- Wert laden: Wie hoch ist die Belastung und wie wird diese Belastung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Dauer aufgebracht?
- Geschwindigkeit: Um welchen Geschwindigkeitsfaktor handelt es sich?
- Temperatur: Bei der Temperatur spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, z. B. die Umgebungstemperatur, die durch Reibung verursachte Temperatur, die externe Erwärmung und/oder Abkühlung, Temperaturgradienten und die Blitztemperatur.
Struktur des Systems
Die Systemstruktur wird durch die Profile der wesentlichen Elemente bestimmt, zu denen die folgenden gehören:
- Der Bodenkörper und der Gegenkörper: Dabei kann es sich um zwei übereinander gleitende Flächen handeln. Zum Beispiel zwei Metallflächen, die übereinander gleiten.
- Das Umgebungsmedium: Ein Umweltmedium wie z. B. Luft.
- Das Grenzflächenmedium: Zum Beispiel ein Schmiermittel, das sich zwischen den beiden Oberflächen befindet, wie bei Lagern.
Diese werden von den folgenden Faktoren beeinflusst:
| Bodenkörper und Gegenkörper | |
| Materialeigenschaften | Geometrische Eigenschaften |
|
|
Abbildung 2: Die Tribologie umfasst viele verschiedene Faktoren in der Mechanik. Von der Reibung in den Lagern dieser Lkw-Achse bis hin zur Reibung zwischen den Rädern und der Straßenoberfläche.
| Grenzflächenmedium | |
| Aggregatzustand von Flüssigkeiten und Gasen | Aggregatzustand der Feststoffe |
|
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| Umgebungsmedium |
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Funktionale Ausgänge
Funktionelle Ergebnisse in der Tribologie sind das Ergebnis der Umwandlung oder Übertragung der betrieblichen Eingaben durch die Systemstruktur. Im Grunde genommen:
Operativer Input > Systemstruktur > Funktionale Outputs
Beispiele für funktionale Outputs sind: Energie, Bewegung, Information, Materie und Material.
Verlustleistungen
Aufgrund der Natur von Reibung und Verschleiß ist der letzte Faktor die Verlustleistung. Dazu gehören die Ableitung und der Verlust von Energie sowie die Entstehung von Trümmern. Die Minimierung der Anzahl der Verlustausgänge führt direkt zu einer effizienteren Minimierung und Kontrolle der finanziellen Verluste. In der Mechanik kann dies z. B. durch Schmierung erreicht werden.
Nach der Identifizierung des Systems und seiner Parameter wenden wir verschiedene Schmierstoffchemien an, um den optimalen Schmierstoff für die jeweilige Anwendung zu ermitteln. In Teil 2 geht es um die Schmierung. Lesen Sie auch unseren Artikel über Lagerschmierung oder unsere Übersicht über die Schmierung.
Abnutzung und Reibung
Was ist Reibung in der Tribologie?
Der Begriff Reibung bezieht sich auf den Widerstand, der von zwei Körpern erzeugt wird, wenn sie in Kontakt sind. Die grundlegenden Reibungsgesetze beschreiben die Reibung auf makroskopischer Ebene. Sie besagen, dass die Reibungskräfte in einem linearen Verhältnis zu den Lasten stehen. Es ist möglich, einen wichtigen dimensionslosen Parameter zu berechnen, den so genannten Reibungskoeffizienten, der häufig durch den griechischen Buchstaben µ symbolisiert wird.
Der Reibungskoeffizient beschreibt das Verhältnis zwischen der Reibungskraft zwischen zwei Körpern und der Kraft, die sie während oder zu Beginn des Gleitvorgangs zusammenschiebt. Der Reibungskoeffizient hängt von den verwendeten Materialien ab. Gummi auf Straßenbelag hat einen hohen Reibungskoeffizienten, während Eis auf Stahl einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat.
Die Höhe der Reibung kann mit der folgenden Formel für den Reibungskoeffizienten berechnet werden, wobei:
- μ = statischer (μs) oder kinetischer (μk) Reibungskoeffizient
- Fn = Angewandte Normalkraft
- Fr = Reibungskraft
Abbildung 3: Dies zeigt das tribologische System, wobei Fn die Kraft ist, die auf die Gleitflächen wirkt, Fr ist die Reibungskraft (Bewegung), und die rote Linie zeigt die Zugabe von Schmiermittel, die den kinetischen Reibungskoeffizienten verringert.
Was ist Verschleiß in der Tribologie?
Verschleiß tritt auf, wenn Oberflächen irreversibel aufeinander einwirken und Material verloren geht. Bei einem gleitenden Oberflächenpaar laufen elementare physikalische und chemische Prozesse ab. Verschleißmechanismen führen zu Material- und Formveränderungen der Reibpartner. Dazu gehören:
- Oberflächenermüdung: Dies kann zu Spannungsbrüchen im Oberflächenmaterial führen.
- Abrieb: Verursacht Rillen im Oberflächenmaterial
- Adhesion: Übertragung von Material
- Tribochemische Reaktionen: Verursachung der Bildung von Partikeln und Rückständen
Moderne Anwendungen der Tribologie
Von der anfänglichen Konzentration auf die Verbesserung des Betriebs und die Verlängerung der Lebensdauer von Industriemaschinen hat sich die Tribologie zu einer breiten Palette von Anwendungen entwickelt, die sich auf viele Bereiche ausgewirkt haben:
- Die klassische Tribologie befasst sich mit der Reibung und dem Verschleiß in Maschinenelementen wie Bremsen, Wälzlagern, Kupplungen, Gleitlagern, Rädern, Zahnrädern usw.
- In den letzten Jahren hat die Nanotribologie stark an Bedeutung gewonnen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf tribologischen Phänomenen auf nanoskopischer Ebene.
- Die Weltraumtribologie befasst sich mit tribologischen Systemen, die unter rauen Umweltbedingungen arbeiten, insbesondere unter den extremen Temperaturschwankungen im Weltraum.
- Die grüne Tribologie untersucht, wie die Auswirkungen auf die Umwelt minimiert werden können und wie der Verlust an tribologischer Effizienz durch den Einsatz von Technologien mit minimalen Umweltauswirkungen verringert werden kann.
- Die Biotribologie befasst sich mit der Schmierung in biologischen Systemen, wie z. B. den menschlichen Hüften und Knien.
- Tribotronik ist eine Form der Robotik, die Maschinenelemente und elektronische Komponenten zu aktiven tribologischen Systemen kombiniert.
- Die computergestützte Tribologie modelliert das Verhalten tribologischer Systeme durch die Kombination verschiedener Disziplinen wie Kontaktmechanik, Bruchmechanik und Strömungsmechanik.
- Die Geotribologie befasst sich mit der Reibung, dem Verschleiß und der Schmierung von geologischen Systemen wie Verwerfungen und Gletschern.
In dieser dreiteiligen Serie befassen wir uns mit drei Hauptbereichen der Tribologie und der Anwendung der Tribologie in der Mechanik. Lesen Sie weiter, wenn wir uns eingehend mit dem Thema Schmierung befassen.
- Teil 1: Die Grundlagen von Tribosystemen
- Teil 2: Ein detaillierter Blick auf die Schmierung
- Teil 3: Normen, Prüfung und Klassifizierung in der Tribologie