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Fertigungslehre

Reibung

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Hier klicken zum Ausklappen Reibung entsteht durch gegenseitige Bewegungen von Paarungsflächen 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

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

Flüssigkeitsreibung:

Bei der Flüssigkeitsreibung besteht kein direkter Kontakt mehr zwischen den Bauteilen. Als Trennmedium dient dabei ein flüssiger Schmierfilm. Dieser besitzt einen aufgebauten Druck, welcher die gesamte Belastung überträgt. Wie groß die  dabei auftretende [innere] Reibung ausfällt, hängt von der chemischen Struktur des Schmiermittels ab. 

Flüssigkeitsreibung
Flüssigkeitsreibung


Die Druckerzeugung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

Hydrostatische Schmierung: Pumpe ausserhalb der Kontaktzone erzeugt notwendigen Druck

Hydrodynamische Schmierung: Bauteilbewegung erzeugt 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

Der Verlauf entsteht dadurch, dass eine Welle aus dem Stillstand bis auf eine Betriebsdrehzahl beschleunigt wird. 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 aber aufgrund der Festkörpertrennung nicht mehr mit einem 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.  

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

In der nächsten Tabelle sehen Sie 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 hin zur Gasreibung kontinuierlich ab. Diese Entwicklung beruht auf dem abnehmenden direkten Kontakt der Bauteile zueinander.  

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:

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

Als Ergebnis erhält man eine dimensionslose Zahl, die einem der nachfolgenden Bereich zugeordnet werden kann:

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

Methode

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