Bild 7.3: Vergleich des Verlaufs der gemessenen Reibkraftkomponenten in zwei aufein-ander folgenden Messreihen unter gleicher Belastung.
7.2 Einfluss der Reibgeschwindigkeit auf die Reibkraftverlagerung in
Bild 7.4: Veränderung der Größe und der Verläufe der Reibkraftkomponenten im kontinu-ierlichen Reibbetrieb. Reibbelag A1 und Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250); pR= 56 N/cm2; AR= 16 cm2.
0 100 200 300 400 500
Reibkraft FR [N]
2 Belastungsstufe (vR = 2,6 m/s)
FRi FRa
ab)
2 Belastungsstufe (vR = 2,6 m/s)
bb)
FRi FRa
Belag A1 Belag B
0 100 200 300 400 500
Reibkraft FR [N]
3 Belastungsstufe (vR = 3,9 m/s)
ac)
FRa FRi
I II
3 Belastungsstufe (vR = 3,9 m/s)
bc)
FRa
FRi
Belag A1 Belag B
I II
0 100 200 300 400 500
Reibkraft FR [N]
4 Belastungsstufe (vR = 5,2 m/s)
FRi
FRa I II
4 Belastungsstufe (vR = 5,2 m/s)
FRa
FRi
I II
Belag A1 Belag B
0 1 2 3 4 5
Reibzeit tR [h]
bd)
0 1 2 3 4 5
Reibzeit tR [h]
1 Belastungsstufe (vR = 1,3 m/s)
FRi FRa
0 100 200 300 400 500
Reibkraft FR [N]
1 Belastungsstufe (vR = 1,3 m/s) FRa
FRi
ba)
aa) Belag A1 Belag B
ad)
mittlere Reibflächengrundtemperatur des Belages A1 über der des Belages B liegt, und zwar umso mehr, je größer die Reibgeschwindigkeit ist.
Diese Temperaturentwicklung in Bild 7.5 ist eine Folge der unterschiedlichen Reibkraft-entwicklung in Bild 7.4. Bildet man die resultierende Reibkraft aus beiden Kraft-komponenten FRa und FRi, so zeigt sich, dass diese in den beiden unteren Laststufen für beide Beläge annähernd gleich ist. Dagegen ist sie in den beiden oberen Laststufen für den Belag A1 umso größer, je höher die Reibgeschwindigkeit ist. Darin spiegelt sich die größe-re mittlegröße-re Reibungszahl für den Belag A1 im Begröße-reich der hohen thermischen Belastung wider, die bei gleicher Anpreßkraft und Reibgeschwindigkeit zu einer größeren Reibenergie und als Folge davon zu einer größeren Reibflächentemperatur für den Belag A1 in Bild 7.5 in Bereiche der beiden oberen Laststufen führt.
Die folgenden Überlegungen beziehen sich auf den Verlauf der beiden Kräfte FRa und FRi in den einzelnen Diagrammen von Bild 7.4, auf ihre Veränderung bei steigender Ober-flächengrundtemperatur, und vor allem auf ihre Beziehung zueinander. Betrachtet man zu-nächst den Belag A1, so erkennt man, dass sich sowohl die Größe der gemessenen Kräfte von FRa und FRi als auch ihre relative Lage von Laststufe zu Laststufe verändern.
Bemerkenswert ist in Bild 7.4, dass in allen vier Laststufen die im Außenbereich der Reib-beläge gemessene Kraft FRa zu Beginn der Messreihe, also im Gebiet kleiner Reibflä-chentemperatur, kleiner ist als die Kraft FRi. Mit steigender Reibzeit nähern sich die beiden Kraftkurven an. Sie schneiden sich nach einer bestimmten Betriebszeit. Danach ist die äußere Reibkraft FRa größer als die innere FRi. Abgesehen von den Verhältnissen in Bild 7.4 aa, die für die fabrikneue Reibpaarung gilt, liegt der Schnittpunkt beider Kraftkur-ven umso früher, je größer die Reibintensität ist. Diese Gesetzmäßigkeit lässt sich noch deutlicher an dem stark kautschukhaltigen Belag B erkennen Bild 7.4 b. Eine weitere Gesetzmäßigkeit zeigt der Belag B in Hinsicht auf die Spreizung beider Kraftkurven. Sie nimmt von Laststufe zu Laststufe zu. Erst im hinteren Teil der höchsten Laststufe nähern sich die beiden Kraftkurven wieder an (Bild 7.4 bd), was wohl eine Folge der thermischen Überlastung der Paarung ist. Auf die Überlastung deutet auch der in der höchsten Laststufe überproportional gestiegene Verschleiß hin (Bild 7.6 a).
Bild 7.5: Veränderung der Reibflächengrundtemperatur im kontinuierlichen Reibbetrieb in den Belastungsversuchen nach Bild 7.4. a Reibbelag A1, b Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250). pR= 56 N/cm2; AR= 16 cm2.
Die an Belag B erkannte Beziehung zwischen dem Abstand der Reibkraftkurven im hin-teren Belastungszeitraum der einzelnen Dauerreibversuche und der thermischen Beanspru-chung des Reibwerkstoffs gilt auch für den Belag A1. Hier nähern sich die beiden Reib-kraftkurven in der höchsten Laststufe (Bild 7.4 ad) bereits frühzeitig an, und dementspre-chend steigt auch die Verschleißkennzahl in Bild 7.6 b steiler an als beim Belag B.
Bemerkenswert ist in Bild 7.4 ad, dass die beiden Reibkraftkomponenten für den Belag A1 selbst in der höchsten Belastungsstufe mit der Reibzeit, also mit der Reibflächentemperatur, noch ansteigen, und relativ groß sind gegenüber dem Belag B in Bild 7.4 bd. Die Ursache dafür ist die große thermische Widerstandsfähigkeit des Belages A1, denn bereits bei der Diskussion der Bilder 6.3 und 6.5 wurde deutlich, dass dieser Reibwerkstoff die größten Reibungszahlen erst im Gebiet relativ großer Temperatur bringt.
Die Veränderung der Größe von FRa und FRi bewirkt eine Verschiebung der resultie-renden Reibkraft in der Kontaktfläche, die sich in dem scheinbaren Abstand „a“ nach Glei-chung 7.2 spiegelt. Die resultierende Reibkraft zur Symmetrielinie des Reibbelags lässt sich über die geometrischen Beziehungen aus Bild 7.1 aus den beiden Komponenten FRa und
FRi nach Gleichung 7.1 berechnen.
0 1 2 3 4 5
R e ib z e it tR [h ]
vR= 1,3 m/s 2,6 m/s 3,9 m/s 5,2 m/s
b) Grundtemperatur ϑG [°C]
0 1 2 3 4 5
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0
R e ib ze it tR [h ]
vR= 1,3 m/s 2,6 m/s 3,9 m/s 5,2 m/s
a)
FR=FRaFRi (7.1)
a=c
2⋅
FFRaRaFFRiRi
(7.2) Um von der Geometrie der Paarung unabhängig zu sein, wird als Maß für die Aus-wanderung „a“ die dimensionslose Größe (Gleichung 7.3) verwendet, wobei „B“ die Breite der Reibfläche des Belages ist (Bild 7.1).= a
B/2 (7.3)
Bild 7.6: Verschleißverlauf im kontinuierlichen Reibbetrieb bei steigender Reibgeschwin-digkeit. a Reibbelag A1, b Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250) pR= 56 N/cm2; AR= 16 cm2.
Der Verschiebungsfaktor ist für die drei Beläge A1, A2 und B in Bild 7.7 jeweils in einem getrennten Diagramm in Abhängigkeit von der Reibzeit, also entsprechend Bild 7.4 indirekt auch in Abhängigkeit von der Temperatur, aufgetragen, wobei die vier Kurven in jedem Diagramm für die vier Laststufen nach Bild 7.4 stehen. Positive -Werte bedeuten, dass die resultierende Reibkraft nach außen, d. h. zum Aussenrand der Scheibe hin aus-wandert. Negative -Werte stehen dementsprechend für eine Auswanderung in Richtung
0 1 2 3 4 5 6
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0
Verschleißkennzahl k [g/kWh]
R eibgeschw indigkeit vR [m /s]
Belag A1 A2 B
0 1 2 3 4 5 6
0 2 4 6 8 1 0
Gewichtsverlust∆m [g]
R e ibg e sch w in digke it vR [m /s ] Belag A1
A2 B
a) b)
zum Drehpunkt der Scheibe. Für =0 liegt die resultierende Reibkraft in der Symme-trielinie des Belages. Dies entspricht jeweils den Schnittpunkten der beiden Reibkräfte FRa und FRi in den Diagrammen von Bild 7.4.
Der Vergleich der beiden Diagramme a und b in Bild 7.7 lässt ein unterschiedliches Verhal-ten der beiden verwandVerhal-ten Reibwerkstoffe A1 und A2 erkennen. Bei der Reibpaarung mit dem Belag A1 liegen die Kurven für die einzelnen Laststufen relativ eng zusammen, vergli-chen mit dem Belag A2. In den drei untersten Laststufen von Belag A2 (Bild 7.7 b) zeigt dieser zwar die gleiche Tendenz wie der Belag A1. In den oberen Laststufen zeigen die Be-läge A1 und A2 aber starke Unterschiede, denn bei dem Belag A2 (Bild 7.7 b) wird plötz-lich die Reibkraft FRi größer als FRa (Belastungsstufe 4), und die resultierende Reibkraft FR wechselt von außen nach innen, während der Belag A1 bei gleicher Belastung diesen Wechsel nicht vollzieht. Daraus ist zu schließen, dass der Belag A2 in der höchsten Belas-tungsstufe thermisch überlastet war, auch wenn dies in den Verschleißwerten in Bild 7.6 nicht zum Ausdruck kommt.
Bild 7.7: Verschiebung der Reibkraftkomponenten im langzeitigen kontinuierlichen Reib-betrieb entsprechend den Reibkraftkurven nach Bild 7.4, ausgedrückt durch den Verschie-bungsfaktor nach Gl. 7.3. a Reibbelag A1, b Reibbelag A2, c Reibbelag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250). pR= 56 N/cm2; AR= 16 cm2.
a) Belag A1 b) Belag A2
nach Innennach Außen
0 1 2 3 4 5
Reibzeit tR [h]
-0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50
1. Belastungstufe 3.
2. 4.
0 1 2 3 4 5
Reibzeit tR [h]
0 1 2 3 4 5
Reibzeit tR [h]
c) Belag B
ϕ
4.
2. 3.
1. Belastungstufe 3.
4.
2.
1. Belastungstufe
Während die -Kurven für den Beläge A1 und A2 in den Bildern 7.7 a und b relativ un-regelmäßig verlaufen und ihre Lage von Laststufe zu Laststufe nicht mit gleicher Tendenz verändern, zeigen die vergleichbaren Kurven für den Belag B (Bild 7.7 c) einen relativ regelmäßigen Verlauf in allen Laststufen. Sie fallen zunächst nach Beginn der Messreihe mit zunehmender Reibzeit ab und streben dann einem konstanten -Wert zu. Die Kurven für die letzten 3 Belastungsstufen liegen in einem engen Streuband. Nur in der ersten Belas-tungsstufe, die dem Einlauf des fabrikneuen Belages zugeordnet ist, ist die resultierende Reibkraft zunächst stark nach innen verschoben. In diesem Zusammenhang ist bemerkens-wert, dass der Verschleiß von Belag B unter dem von Belag A1 und A2 liegt (Bild 7.6 a), wie dies bereits im Dauerbetrieb (Bild 6.7) unter kleinerer Reibflächenbelastung und im Stoppbetrieb (Bild 6.8) der Fall war.
Die bisher vorgestellten Ergebnisse gelten für den kontinuierlichen Reibprozess. Es stellt sich die Frage, ob die Wanderung des Reibkraftschwerpunkts aus der Belagmitte in gleicher Weise unter Stoppbremsbedingungen auftritt. Um dieser Frage nachzugehen, wurden mit den gleichen Reibwerkstoffen Stoppbremsversuche bei unterschiedlichen Reibflächentem-peraturen gefahren. Entsprechend Bild 7.8 werden die Beläge im dreistündigen kontinuierli-chen Reibbetrieb unter konstanter Reibgeschwindigkeit und Pressung einem Einlaufprozess unterzogen und dabei auf eine konstante Reibflächentemperatur gebracht. Diese ist für die drei Beläge wegen der verschieden großen Reibungszahlen unterschiedlich hoch. Sofort
an-Bild 7.8: Versuchsablauf zur Untersuchung der Lage der resultierenden Reibkraft bei re-lativ großer Reibflächentemperatur und bei Raumtemperatur unter sonst gleicher Belastung.
Dauerbremsung (vR= 3,9 m/s)
Stoppbremsungen (vR= 13,1 m/s)
ZB = 10
tR= 3 h ZB = 10
ϑGmax
ϑRaum
Bei Raumtemperatur Bei relativ großer
Reib-flächentemperatur
schließend an den kontinuierlichen Reibbetrieb folgen zehn nacheinander gefahrene Stopp-bremsungen und nach Abkühlung auf Raumtemperatur abermals zehn StoppStopp-bremsungen unter gleicher mechanischer Belastung wie zuvor.
In den Diagrammen von Bild 7.9 ist der Verschiebungsfaktor für die drei Beläge A1, A2 und B für die nacheinander gefahrenen Stoppbremsungen aufgetragen. Die untere Kurve gilt jeweils für die Stoppbremsungen bei relativ großer Temperatur, die durch vorangangene Dauerbremsung erzeugt wurde. Die obere Kurve wurde bei Raumtemperatur ge-messen. Aus der relativen Lage beider Kurven zueinander lässt sich erkennen, dass die Reibpaarung bei Raumtemperatur den größten Teil der Reibkraft in der äußeren Hälfte des Belages überträgt, und dass sich mit zunehmender Reibflächentemperatur die resultierende Reibkraft zum Innenbereich hin verschiebt. Diese Verschiebung ist besonders groß bei dem Belag A1 (Bild 7.9 a). Während bei Raumtemperatur die Reibpaarung den Großteil der Reibkraft in der äußeren Belaghälfte überträgt, dies zeigt der positive -Wert in Bild 7.9a, verschiebt sich die Kurve mit zunehmender Reibflächentemperatur nach unten in den Bereich negativer -Werte, so dass die Paarung bei 280 °C nun die Reibkraft vor-nehmlich in der inneren Belaghälfte überträgt. In der Reibpaarung mit dem Belag B dagegen (Bild 7.9 c) verschiebt sich die resultierende Reibkraft nur relativ wenig und liegt sowohl bei Raumtemperatur wie auch bei der hohen Temperatur in der oberen Belaghälfte.
Bild 7.9: Verschiebung der Größe und der Verläufe der Reibkräftekomponenten im Stoppreibbetrieb bei relativ großer Reibflächentemperatur und bei Raumtemperatur. a Reib-belag A1, b ReibReib-belag A2, c ReibReib-belag B gegen die Scheibe aus GG 25 (EN-GJL-250) pR= 56 N/cm2; AR= 16 cm2.
0 2 4 6 8 10
Bremsfolgezahl ZB [-]
c) Belag B ϑRaum
ϑG=240°C
0 2 4 6 8 10
Bremsfolgezahl ZB [-]
b) Belag A2 ϑRaum
ϑG=285°C
0 2 4 6 8 10
Bremsfolgezahl ZB [-]
a) Belag A1 -0,25
0,00 0,25 0,50
nach außen
nach innen -0,50
ϑRaum
ϑG=280°C
Verschiebungsfaktor ϕ
Im Stoppbremsbetrieb bei Raumtemperatur (Bild 7.9) zeigen die drei Beläge die gleiche Tendenz wie unter Dauerbetrieb in Bild 7.7, wo nämlich ebenfalls im vorderen Belastungs-bereich die resultierende Reibkraft sich nach innen hin verschiebt.