Bild 6.9: Veränderung der Größe und des Verlaufs der mittleren Reibungszahl µm in Reib-paarungen mit unterschiedlich aufgebauten Reibbelägen bei relativ kleiner Belastung. Me-tallischer Reibwerkstoff St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
6.5 Beziehung zwischen der Verteilung der lokalen Reibungszahl über
Bild 6.10: Verteilungsarten annähernd gleich großer lokaler Reibungszahlen. a bei gut er-träglicher Belastung des Reibwerkstoffs, b bei extrem großer thermischer Belastung.
Die Einordnung der einzelnen Messung in dem Gesamtablauf eines Messzyklus lässt sich aus Bild 6.2 anhand der Zyklusnummer (z. B. ZC 15) erkennen. Die Messung der lokalen Reibungszahl erfolgt bei Raumtemperatur gemäß Bild 6.1 unter Schritt 5 eines jeden
Mess-zyklus, das heißt nach der jeweiligen thermischen Belastung unter Schritt 3.
Das Ziel der folgenden Messungen ist, Unterschiede in der Verteilung der lokalen Reibungszahl über die Kontaktfläche des Reibbelages nachzuweisen. Die daraus ge-wonnenen Erkenntnisse sind jeweils das Ergebnis einer relativen Betrachtungsweise, bei der die unter gleicher Belastung gemessenen Verteilungen der lokalen Reibungszahl über der Reibfläche von zwei unterschiedlich aufgebauten Belägen miteinander verglichen werden. Ein Vergleich mit den unter thermischer Belastung, also bei größeren Tempera-turen gemessenen mittleren Reibungszahlen, verbietet sich wegen der unterschiedlichen Messverfahren und der unterschiedlichen Reibwerkstoffbeschaffenheit zum Zeitpunkt der Messung.
Um die später vorgestellten Bilder über die Verteilung der lokalen Reibungszahl besser ver-stehen zu können, wird eine wesentliche Erkenntnis über die Arbeitsweise der Reibpaarung bei unterschiedlicher thermischer Belastung vorweggenommen und anhand der schema-tischen Darstellungen in Bild 6.10 erklärt. Die beiden Skizzen stehen für die grundsätzlich unterschiedliche Arbeitsweise der Reibpaarungen. Sie zeigen jeweils den Reibbelag (grau schraffiert), unter dem sich die um den Drehpunkt M rotierende und unter Anpressung stehende Reibscheibe vorbeibewegt.
Das Bild 6.10 a gilt für eine Reibpaarung, die unter zarter oder gut verträglicher Belastung arbeitet. Auf der Reibfläche des Belags bilden sich nach dem Einlauf konzentrisch um den Scheibendrehpunkt M angeordnete Bereiche mit jeweils annähernd gleichen von Segment zu Segment aber unterschiedlichen lokalen Reibungszahlen. Wie Dörsch und Kleinlein fest-gestellt haben, ändert sich die Größe der lokalen Reibungszahl in den einzelnen Segmenten im Laufe der Betriebszeit und unter bestimmten Bedingungen sogar periodisch.
Wird die Belastung soweit gesteigert, dass die Paarung an der Grenze ihrer Belastungsfä-higkeit arbeitet, verschwinden die konzentrisch angeordneten Orte gleicher Reibungszahl.
Die Beläge zeigen nun ein Verhalten, wie es schematisch in Bild 6.10 b angedeutet ist. Die Orte gleicher lokaler Reibungszahlen verlaufen jetzt annähernd quer zur Reibrichtung, wobei im Bereich des Einlaufs die lokalen Reibungszahlen größer sind als im Bereich des Auslaufs, und zwar deswegen, weil die Reibflächentemperaturen der Scheibe im Einlauf kleiner sind als im Bereich des Auslaufs.
Bild 6.11: Verteilung der lokalen Reibungszahl µlok unterschiedlich aufgebauter Reibbeläge nach dem kontinuierlichen Reibbetrieb, Phase I nach Bild 6.2. Reibbeläge: a, c Reibbelag A2; b, d Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250). pR= 56 N/cm2; vR= 1,3 m/s; AR= 16 cm2.
Die hier anhand schematischer Darstellungen aufgezeigten Eigenschaften der Reibwerkstof-fe sollen nun durch die Messergebnisse an den beiden ReibwerkstofReibwerkstof-fen A2 und B belegt werden. Die auf der Reibfläche des Belages nach der jeweiligen Belastung auf dem Teilbe-lagprüfstand gemessenen lokalen Reibungszahlen werden in den folgenden Bildern 6.11 und 6.13 in Fehlfarbendarstellung wiedergegeben.
Zu jedem Bild gehört ein Diagramm, das die Verteilung der mittleren lokalen Reibungszahl µmlok (Gleichung 6.1) über der Reibbelaghöhe angibt. Die mittlere lokale Reibungszahl µmlok
ist der Mittelwert aus allen n über die Belagbreite (z. B. auf der Linie A-A in Bild 6.11b) c) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 65 nach tR= 180 min
d) Belag B
Zyklusnummer: ZC 65 nach tR= 180 min a) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 15 nach tR= 30 min
b) Belag B
Zyklusnummer: ZC 15 nach tR= 30 min
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Phase I vR= 1,3 m/s Reibrichtung µmlok
0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
Phase I vR= 1,3 m/s
Reibrichtung
gemessenen lokalen Reibungszahlen.
mlok=1 n⋅
n
∑
iloki=1
(6.1)
Es soll nun gezeigt werden, wie sich die Verteilung der lokalen Reibungszahl unter den ver-schiedenen Belastungszuständen entsprechend Bild 6.2 verändert. Vergleichend werden dabei die beiden Reibwerkstoffe A2 und B gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass jeder von ihnen ein spezifisches Verhalten aufweist.
Nach einer Dauerbelastung von 30 min beginnen beide Beläge mit der Ausbildung kreis-ringförmiger Segmente annähernd gleicher lokaler Reibungszahl (Bild 6.11 a und b).
Die Verteilung der mittleren lokalen Reibungszahl µmlok, in Reibrichtung gesehen, ist bei dem Belag A2 wesentlich unregelmäßiger als bei dem stark kautschukhaltigen Belag B.
Diese Tendenz setzt sich im Laufe des Dauerreibbetriebs unter der gleichen Belastung fort (Bild 6.11 c und d).
Nach einer Belastungsdauer von 180 min (Bilder 6.11c und d) ist bei beiden Belägen die Streubandbreite der mittleren lokalen Reibungszahl kleiner geworden. Die kreissegmentför-migen Bereiche gleicher lokaler Reibungszahl haben sich stärker ausgeprägt.
Das folgende Bild 6.12 vergleicht die beiden Beläge A2 und B im Stoppbetrieb unter der Belastung der Phase II nach Bild 6.2.
Bereits zu Beginn der Phase II entwickeln sich beide Reibwerkstoffe in eine unterschiedli-che Richtung. Während sich auf dem stark kautschukhaltigen Belag B die kreissegmentför-migen Orte annähernd gleicher lokaler Reibungszahl weiter verstärkt haben (Bild 6.12b), ändert der Reibwerkstoff A2 sein Verhalten insofern, als nun die kreissegmentförmigen Be-reiche verschwinden und stattdessen sich das Muster nach Bild 6.10 b einstellt. Die Orte gleicher Reibungszahl verlaufen nun annähernd quer zur Reibrichtung (Bild 6.12 c). Im Be-reich des Einlaufs, wo die Scheibe noch relativ kalt ist, sind die lokalen Reibungszahlen größer als im Auslauf. Diese Tendenz lässt sich deutlich in Bild 6.12a an dem Abfall der mittleren lokalen Reibungszahl vom Einlauf zum Auslauf hin erkennen. Im Gegensatz dazu
Bild 6.12: Verteilung der lokalen Reibungszahl µlok unterschiedlich aufgebauter Reibbeläge nach dem Stoppreibbetrieb, Phase II nach Bild 6.2. Reibbeläge: a, c Reibbelag A2; b, d Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250). pR= 56 N/cm2; vR= 10,4 m/s;
AR= 16 cm2.
ist die mittlere lokale Reibungszahl für den stark kautschukhaltigen Belag B über die Belag-höhe nahezu konstant (Bild 6.12 b). Nach wie vor ergeben sich dagegen Orte anähernd glei-cher Reibungszahlen auf in Reibrichtung kreisförmig verlaufende Bereiche.
Das folgende Bild 6.13 zeigt den Vergleich der beiden Reibwerkstoffe nach einer noch grö-ßeren Belastung, nämlich unter der Phase III nach Bild 8.2. Für den Belag A2 haben sich die helleren Bereiche in den Bildern 6.13 a und c gegenüber den vergleichbaren Vertei-lungsmustern in Bild 6.12 a und c verstärkt. Die lokalen Reibungszahlen sind abgefallen und haben sich gleichmäßig über die Reibfläche verteilt. Nur noch in einem schmalen
Be-c) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 105
d) Belag B
Zyklusnummer: ZC 105 a) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 75
b) Belag B
Zyklusnummer: ZC 75 Phase II
vR= 10,4 m/s
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
Reibrichtung Reibrichtung
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Phase II vR= 10,4 m/s
reich im Einlaufgebiet sind die mittleren lokalen Reibungszahlen über 0,25. Das bedeutet, der Reibbelag arbeitet an seiner Belastungsgrenze.
Bemerkenswert ist das Verhalten des stark kautschukhaltigen Reibwerkstoffs B unter der gleichen Belastung. Nach sprungartiger Vergrößung der Belastung aus der Phase II in die Phase III behält der stark kautschukhaltige Belag B (Bild 6.13 b) zunächst seine unter kleiner Belastung (Bild 6.11 b und d bzw. 6.12 b und d) gezeigte Eigenschaft bei, kreisring-förmige Segmente mit jeweils annähernd gleicher lokaler Reibungszahl zu bilden.
Bild 6.13: Verteilung der lokalen Reibungszahl µmlok unterschiedlich aufgebauter Reibbelä-ge nach dem Stoppreibbetrieb, Phase III nach Bild 6.2. Reibwerkstoffe: a, c Reibbelag A2;
b, d Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250). pR= 56 N/cm2; vR= 15,7 m/s; AR= 16 cm2.
c) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 155
d) Belag B
Zyklusnummer: ZC 155 a) Belag A2
Zyklusnummer: ZC 115
b) Belag B
Zyklusnummer: ZC 115 Phase III
vR= 15,7 m/s Reibrichtung µmlok
0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
µmlok 0,10 0,30
01020 3040
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Phase III vR= 15,7 m/s
Reibrichtung
Im Laufe der Belastungsphase III verändert sich das Verteilungsbild der lokalen Reibungs-zahl grundzätzlich. Der Belag B nähert sich nun dem Belag A2 an, denn wie Bild 6.13 d zeigt, liegen am Ende der Belastungsphase III die größten lokalen Reibungszahlen im Ein-laufbereich und die kleinsten im AusEin-laufbereich.
Das Umkippen des Belags B von einem Verhaltensmuster in das andere wird auch durch den Vergleich der mittleren lokalen Reibungszahl der Bilder 6.13 b und d deutlich. Wäh-rend zu Beginn der Belastung in der Phase III die mittlere lokale Reibungszahl noch relativ gleichmäßig über die Belaghöhe verteilt ist (Bild 6.13 b), fällt sie am Ende der Belastungs-phase III vom Einlauf zum Auslauf hin ab (Bild 6.13 d). Daraus lässt sich schließen, dass auch der stark kautschukhaltige Belag B bei weiterer Einwirkung der gleichen Belastung an seine Belastungsgrenze stoßen würde.