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Fertigungslehre - Reibung

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Fertigungslehre

Reibung

Merke

Hier klicken zum AusklappenReibung entsteht durch gegenseitige Bewegungen von Kontaktflächen zweier Körper.

Der Reibungszustand hat starken Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten im Kontaktbereich beim Umformen. Auch hier unterscheiden wir verschiedene Reibungszustände.

Festkörperreibung

Bei der Festkörperreibung unterliegen im Idealfall zwei metallische, reine Kontaktflächen einer Reibbeanspruchung. Auf eine Schmierung wird gänzlich verzichtet. Im Realfall treten zumindest Reaktionsschichten im Oberflächenbereich auf. 

Grenzreibung

Die Grenzreibung zeichnet aus, dass im Kontaktbereich der Bauteile Schutzschichten wirken. Die Schutzschichten sind das Produkt einer natürlichen Oxydation, einer Adsorption oder einer chemischen Reaktion bei hohen Drücken und Temperaturen. 

Grenzreibung
Grenzreibung

Merke

Hier klicken zum AusklappenDie Grenzreibung wird auch als Sonderfall der Festkörperreibung bezeichnet. 

Flüssigkeitsreibung

Bei der Flüssigkeitsreibung besteht kein direkter Kontakt zwischen den Bauteilen. Als Trennmedium dient dabei ein flüssiger Schmierfilm. Dieser steht unter einem Druck, welcher die gesamte Belastung überträgt. Wie groß die dabei auftretende (innere) Reibung ausfällt, hängt von den chemischen und mechanischen Eigenschaften des Schmiermittels ab. 

Flüssigkeitsreibung
Flüssigkeitsreibung

Die Druckerzeugung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

  • hydrostatische Schmierung: Eine Pumpe ausserhalb der Kontaktzone erzeugt notwendigen Druck.
  • hydrodynamische Schmierung: Die Bauteilbewegung erzeugt den notwendigen Druck, indem Schmiermittel in einen sich verengenden Spalt gefördert wird. 

Gasreibung

Die Gasreibung verhält sich analog zur Flüssigkeitsreibung. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die Bauteiltrennung durch einen gasförmigen Film gewährleistet wird. 

Mischreibung

Die Mischreibung kennzeichnet, dass sie den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitreibung umfasst. Es liegen sowohl durch einen Flüssigkeitsfilm getrennte und direkte Kontaktbereich zwischen den Bauteilen vor.

Mischreibung
Mischreibung

Somit teilen sich die Belastungen auf in:

  • übertragene Belastungen durch Festkörperkontakt
  • übertragene Belastungen durch Schmierfilm

Einflussfaktor Betriebsverhalten

Auch das Betriebsverhalten hat Einfluss auf das Reibungsverhalten. Hierzu schauen wir uns nachfolgend die Reibungszustände eines hydrodynamisch geschmierten Radialgleitlagers grafisch an. 

Reibungszustände in Abhängigkeit von der Drehzahl n
Reibungszustände in Abhängigkeit von der Drehzahl n

Hinweis

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Die Reibungszahl $ \mu $ gibt im Allgemeinen das Verhältnis von Reibungskraft zu der sie hervorrufenden Anpresskraft der sich berührenden Körper wieder und ist dimensionslos.

Der Kurvenverlauf entsteht dadurch, dass die Reibungszahl $ \mu_1 $ beim Beschleunigen einer Welle aus dem Stillstand bis auf eine bestimmte Betriebsdrehzahl unterschiedlich hohe Werte annimmt. Eine(r) wichtige(r) Punkt/Linie ist dabei $ \mu_1 $. Diese Reibungszahl taucht im Mischreibungsgebiet auf und weist darauf hin, dass hier mit Verschleiß infolge von Abrieb zu rechnen ist. Beim zweiten Mal, wo die Verlaufslinie $\mu_1 $ durchläuft, ist jedoch aufgrund der Festkörpertrennung nicht mehr mit einem spürbaren Verschleiß zu rechnen.

Es zeigt sich, dass die Gleitreibungszahl $\mu $ mit zunehmender Drehzahl $ n $ im Bereich der Grenzreibung erst stark sinkt, um anschließend beim Durchlaufen des Mischbereichs hin zum Flüssigkeitsreibungsbereich wieder anzusteigen.  

Merke

Hier klicken zum AusklappenDie in der Abbildung dargestellte Kurve bezeichnet man als Stribeck-Diagramm. 

In der nächsten Tabelle siehst du eine Übersicht von unterschiedlichen Reibungszahlen in Abhängigkeit des Reibungszustandes:

ReibungszustandArt der ReibungReibungszahl $\mu $
FestkörperreibungGleitreibung0,3 - 1,0
Grenzreibung

Gleitreibung

Rollreibung

0,1 - 0,2

0,049

Mischreibung

Gleitreibung

Wälzreibung

Rollreibung

0,01 - 0,1

0,02 - 0,08

0,001 - 0,005

FlüssigkeitsreibungGleitreibung0,001 - 0,01
GasreibungGleitreibung0,0001

Wie zu erwarten, nimmt die Reibungszahl von der Festkörperreibung über die Flüssigkeitsreibung hin zur Gasreibung kontinuierlich ab. Diese Entwicklung beruht auf dem abnehmenden direkten Kontakt der Bauteile zueinander und der höheren Viskosität von Flüssigkeiten gegenüber Gasen.

Schmierfilmdicke 

Um den Reibungszustand besser beschreiben zu können, nutzt man zusätzlich die spezifische Schmierfilmdicke $\lambda $. Diese ergibt sich aus dem Quotienten aus minimaler Schmierfilmdicke und gemittelter Oberflächenrauheit und wird formal beschrieben durch:

Merke

Hier klicken zum AusklappenSpezifische Schmierfilmdicke: $\lambda =\frac{h_{min}}{R_a} $
  • $\ h_{min} $ = minimale Schmierfilmdicke im Kontaktbereich
  • $\ R_a = 0,5 \cdot ( R_{a1} + R_{a2}) $ = gemittelte Oberflächenrauheit der Kontaktflächen

Die spezifische Schmierfilmdicke ist eine dimensionslose Zahl, die einem der nachfolgenden Bereiche zugeordnet werden kann:

  • Grenzreibung: $\lambda < 0,2 $
  • Mischreibung: $ 0,2 < \lambda < 3 $
  • Flüssigkeitsreibung: $ \lambda > 3 $

Methode

Hier klicken zum AusklappenMan kann mit Hilfe der Schmierfilmdicke also darauf schließen, welcher Reibungszustand aktuell vorliegt.