Bild 5.22: Orte unterschiedlicher Reibintensität auf der Reibfläche des metallischen Reib-partners nach 5000 Reibspielen. Reibbelag C gegen Aluminium. pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
5.5 Verteilung der lokalen Reibungszahl über die Reibflächenbreite bei
Bild 5.23: a Vorgehensweise bei der Bestimmung der lokalen Reibungszahl, b beispielhaft über der Belagbreite gemessene lokale Reibungszahl µlok.
stand während des Einlaufprozesses zu verfolgen.
• zu zeigen, wie sich die Größe und Verteilung der lokalen Reibungszahl über der Reibfläche verändert,
• und zu untersuchen, welchen Einfluss bei sonst gleicher Belastung die Reibflä-chentemperatur auf die Größe und Verteilung der lokalen Reibungszahl und auf die Rauheit der Belagoberfläche hat.
Vergleichend sollen für den letzten Fall zwei Paarungen mit unterschiedlich aufgebauten Reibbelägen gegenübergestellt werden, wobei der eine ein relativ weicher, temperatur-empfindlicher, mit einem relativ großen Kautschukanteil ausgestatteter Reibbelag (Belag B nach Tabelle 4.4) und der andere ein relativ harter, temperaturstabiler Reibbelag (Belag A1 nach Tabelle 4.4) ist.
Bild 5.24: Veränderung a) der lokalen Reibungszahl µlok und b) der Belagdicke über die Reibbelagbreite mit zunehmender Belastung. Reibbelag B gegen St 52-3 (S 355 J2G3).
pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
Die Veränderung der lokalen Reibungszahl, wie sie auf einer Bahn über der Reibbelagbreite quer zur Reibrichtung während des Einlaufprozesses für die mit dem relativ weichen Belag B bestückte Paarung bei Raumtemperatur gemessen wurde, zeigen die vier Diagramme im Bild 5.24 a. Jedes Diagramm zeigt den Verlauf der lokalen Reibungszahl nach
unterschie-0 1 0 2 0 3 0 4 0
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
nach ZR= 16111
R e ib b e la g b re ite B [m m ] 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6
0 ,8 fabrikneuer Belag 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6
0 ,8 nach ZR= 6111
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6
0 ,8 nach ZR=1111
lokale Reibungszahl µlok [-]
a) lokale Reibungszahl
µmlok ZR
nach ZR=16111
0 1 0 2 0 3 0 4 0
R eibb e la g bre ite B [m m ] fabrikneuer Belag
b) Belagdickeveränderung nach ZR=1111
nach ZR=6111 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
Verschleißhöhe∆Z [mm]
dlich langen Belastungszeiträumen bei Raumtemperatur. Die kontinuierlich hintereinander gefahrenen Reibversuche wurden jeweils zu bestimmten Zeitpunkten unterbrochen, um die nach den betreffenden Reibspielen dann gerade vorliegende Verteilung der lokalen Reibungszahl, die Rauheit der Belagoberfläche und die Belagdicke zu messen. Die den lo-kalen Reibungszahlen in Bild 5.24 a zugeordneten Verschleißhöhen des Belags zeigt Bild 5.24 b.
Während des gesamten Belastungszeitraums verändert sich die Größe der lokalen mittleren Reibungszahl µmlok und gleichzeitig damit die Schwankungsbreite der lokalen Reibungszahl µlok, wie Bild 5.24 a zeigt. Am gleichmäßigsten verteilen sich die lokalen Reibungszahlen des fabrikneuen Belags über der Reibbelagbreite. Im Laufe des fortschreitenden Reibpro-zesses wächst die mittlere lokale Reibungszahl µmlok infolge der sich bildenden Reibschicht.
auf der betrachteten Bahn. Gleichzeitig wird die Verteilung über die Reibflächenbreite un-gleichmäßiger. Dies lässt der Vergleich der Kurvenverläufe in den einzelnen Diagrammen Bild 5.24 a erkennen. Der grau angelegte Streifen in den Diagrammen kennzeichnet einen Reibbelagbereich von ca. 5 mm, in dem sich die lokale Reibungszahl besonders stark verändert hat.
Die Veränderung der lokalen Reibungszahlen über die gesamte Reibfläche zeigt Bild 5.25.
Dort sind die lokalen Reibungszahlen für sechs unterschiedliche Betriebzustände in Falschfarben wiedergegeben. Der Vergleich der beiden ersten Abbildungen a und b macht nicht nur deutlich, dass sich durch einen einzigen Reibvorgang bei der hier vorliegenden re-lativ kleinen Belastung die Zustände in der Reibfläche nicht verändern, sondern das gleiche Aussehen beider Abbildungen macht gleichzeitig auch eine Aussage über die Güte des Messsystems.
Die von Abbildung zu Abbildung zunehmende dunklere Färbung dokumentiert die über die gesamte Reibfläche mit wachsenden Reibspielen ansteigende Reibungszahl. Besonders in den Abbildungen 5.25 d und e bilden sich in Reibrichtung streifenförmig ausgebildete Be-reiche dunklerer Färbung, die als Orte größerer lokaler Reibungszahlen interpretiert werden können und belegen, dass sich auch bei relativ kleinen Belastungen die Reibintensität streifenförmig über die Reibbelagbreite ausbreitet, und sich die Orte maximaler Belastung
Bild 5.25: Veränderung der Größe und der Verteilung der lokalen Reibungszahl µlok über die Reibfläche mit zunehmender Zahl der Reibspiele. Reibbelag B gegen St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
ständig verlagern.
Aus dem Vergleich der Verschleißhöhe in Bild 5.24 b lässt sich erkennen, dass bei der hier vorliegenden relativ kleinen Belastung bei Raumtemperatur ein signifikanter Verschleiß nur während des Einlaufs auftritt und die Belagdicke danach nur noch kaum messbar abnimmt.
Auch die Rauheit auf der Reibfläche verändert sich praktisch über den gesamten Belas-tungszeitraum nicht mehr signifikant, wie Bild 5.34 zeigt.
Ein weiteres Versuchsprogramm mit dem gleichen Belagfabrikat B soll den Einfluss der Temperatur auf die Größe und auf die Verteilung der lokalen Reibungszahlen klären. Zu diesem Zweck wird die Schiene des Haft- /Gleitreibungsprüfstands durch eine eigene Heiz-vorrichtung auf ausgewählte konstante Temperaturen gebracht. Die Messreihen starten
je-ZR= 1
ZR= 1111 ZR= 6111 ZR= 16111
unbelastet
38
38
ZR= 111
Reibrichtung
0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.56 0.64 0.72 0.80
0.00
a) b) c)
d) e) f)
µlok
Bild 5.26: Einfluss der Temperatur und der Zahl der Reibspiele auf die Größe und den Verlauf der mittleren Reibungzahl µm. Reibbelag B gegen St 52-3 (S 355 J2G3).
pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s, AR= 16 cm2.
weils in jeder Temperaturstufe mit einer fabrikneuen Paarung. Der Vergleich der bei unter-schiedlichen Reibflächentemperaturen gemessenen mittleren Reibungszahlkurven in Bild 5.26 macht den starken Einfluss der Temperatur auf die Reibungseigenschaften der mit dem Kautschukbelag ausgerüsteten Paarung deutlich. Im Temperaturbereich oberhalb 100 °C sinkt die lokale mittlere Reibungszahl stark ab. Besonders klein und nahezu konstant über den gesamten Versuchszeitraum von 5000 Reibspielen ist sie bei einer Reibflächentempera-tur von ca. 150 °C. Hier wirkt vermutlich der aufgeweichte Kautschuk wie ein Schmier-mittel. Wird die Reibflächentemperatur auf 200 °C gesteigert, fällt die Reibungszahl zu-nächst noch tiefer ab. Sie beginnt bei einem Wert um µm= 0,2. Die Reibpaarung ist fabrikneu, fällt dann nach ca. 100 Reibspielen auf einen Wert unter µm= 0,1 ab, um dann nach ca. 2000 Reibspielen stetig auf einen relativ großen Wert um µm= 0,4 anzusteigen.
Dieser Anstieg lässt vermuten, dass nach einer bestimmten Reibbelastung in Verbindung mit der relativ großen Reibflächentemperatur die Kautschukbestandteile aus dem kontakflä-chennahen Bereich des Reibbelages austreten und mechanisch aus dem Kontaktbereich ent-fernt werden, und so die aggressiveren Bestandteile im Reibbelag den Reibprozess zunehmend mehr bestimmen.
1 5 0 °C 2 0 0 °C 1 0 0 °C ϑG= 2 0 °C
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0
0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 R e ib s p ie lfo lg e z a h l Z R [-]
mittlere Reibungszahl µm [-]
Nach Abschluss der in Bild 5.26 vorgestellten Reibversuche, also nach 5000 Reibspielen, wurde jeweils die Verteilung der lokalen Reibungszahl und der Rauheit sowie die Belagdi-cke gemessen, um den Einfluss der Reibflächentemperatur auf diese Größen zu untersu-chen. Die zugehörigen Messergebnisse sind in Bild 5.27 zusammengefasst.
Zwischen der Veränderung der lokalen Reibungszahl µlok in Bild 5.27 a und der Ver-änderung der mittleren Reibungszahl in Bild 5.26 infolge der Temperatureinwirkung be-stehen Gemeinsamkeiten, denn der starke Abfall der mittleren Reibungszahl durch die Vergrößerung der Reibflächentemperatur von 100 °C auf 200 °C hat einen ebenso starken Abfall der lokalen Reibungszahl zur Folge (Bild 5.27 a). Im Temperaturbereich um 150 °C hat sich die Schwankungsbreite der lokalen Reibungszahl stark verringert, wohingegen in den anderen Temperaturbereichen kaum Unterschiede in der Unregelmäßigkeit der µ(t)-Kurven auszumachen sind.
Bemerkenswert ist, dass in sämtlichen Temperaturstufen die Oberflächenrauhigkeiten des Belags sehr ähnlich sind. Dies zeigt der Vergleich der Kurvenverläufe der vier Diagramme in Bild 5.27 b durch ihre annähernd gleiche Schwankungsbreite. Jede dieser Kurven liegt allerdings auf einem unterschiedlichen Höhenniveau, was eine Aussage macht über die Ver-änderung der Belagdicke, die unmittelbar nach den Reibversuchen gemessen wurde, und sowohl den Belagverschleiß wie auch die Dickenverändung infolge der Temperaturein-wirkung beinhaltet. Nur wenig unterscheiden sich die Verschleißhöhen in den beiden Tem-peraturstufen 20 °C und 100 °C. Dagegen hat sich die Belagdicke nach der Belastung bei 150 °C und noch mehr bei 200 °C trotz des Belagverschleißes vergrößert. Diese Beobach-tung muss dem relativ großen Gehalt an Kautschuk zugeschrieben werden, der für eine grö-ßere Wärmedehnung des Belages sorgt. Diese Aussage wird gestützt durch gleichartige Versuche mit dem Belag A1. Auf die zugehörigen Versuchsergebnisse in Bild 5.30 b wird zu einem späteren Zeitpunkt eingegangen.
Zunächst soll der Einfluss der unterschiedlichen Reibflächentemperaturen auf die Vertei-lung der lokalen Reibungszahlen über die Reibflächen des Belags B in Bild 5.28 mit Hilfe der Falschfarbendarstellung sichtbar gemacht werden. Wie aus dem gleichmäßigen Verlauf der Reibungszahl in Bild 5.27 zu erwarten, ist diese Verteilung bei einer Reibflächentempe-ratur von 150 °C (Bild 5.28 c) am gleichmäßigsten. Bemerkenswert ist, dass sich weder hier noch in anderen Temperaturbereichen signifikante Streifen, das heißt in Reibrichtung
Bild 5.27: Veränderung a) der lokalen Reibungszahl µlok und b) der Belagdicke über die Reibbelagbreite bei unterschiedlichen Temperaturen. Reibbelag B gegen St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
verlaufende Orte höherer und tieferer thermischer Belastung, ausgebildet haben. Besonders aus dem Bild 5.28 b für ϑG= 100 °C lässt sich schließen, dass bei einer Reibflächentempe-ratur die Orte der maximalen thermischen Belastung unregelmäßig und konzentriert in kleinen Flächenbereiche, über der Reibfläche verteilt sind. Bemerkenswert ist, dass in
0 1 0 2 0 3 0 4 0
R eibb e la g b re ite B [m m ] ϑG= 200°C
b) Belagdickeveränderung ϑG= 20°C
ϑG= 100°C ϑG= 150°C 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
Verschleißhöhe∆Z [mm]
0 1 0 2 0 3 0 4 0
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
R e ib b e la g b re ite B [m m ] 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
lokale Reibungszahl µlok [-]
a) lokale Reibungszahl ϑG= 20°C
ϑG= 100°C ϑG= 150°C ϑG= 200°C
ϑG
Bild 5.28: Einfluss der Temperatur auf die Größe und Verteilung der lokalen Reibungszahl µlok nach 5000 Reibspielen. Reibbelag B gegen St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
diesem Temperaturgebiet die Kurve für die mittlere Reibungszahl in Bild 5.26 am Ende des Versuchszeitraums von zarten Reibschwingungen überlagert ist.
Wie die folgenden Ergebnisse zeigen werden, lassen sich in Hinsicht auf die Beziehung zwischen der Größe der mittleren Reibungszahl in den einzelnen Temperaturgebieten und der Verteilung der lokalen Reibungszahl bindemittelbedingte Gemeinsamkeiten und Unter-schiede finden zwischen der Paarung mit dem bereits vorgestellten Reibbelag B und der Paarung mit dem nun zu diskutierenden Belag A1.
Beide Reibwerkstoffe unterscheiden sich in der prozentualen Zusammensetzung ihrer Bestandteile, besonders aber im prozentualen Anteil der Bindemittel. Während sich beide Reibwerkstoffe nach Tabelle 4.4 in ihrem Harzanteil mit 7 % und 6 % nur wenig vonein-ander unterscheiden, ist der Unterschied bezüglich der Kautschukanteile gravierend, denn der bereits untersuchte Belag B enthält 12 % Kautschuk. Dagegen ist der Kautschukgehalt in dem anderen Belag A1 mit 1 % relativ klein. Diese Unterschiede im Belagaufbau haben eine starke Wirkung auf die mittlere Reibungszahl, wie der Vergleich der Kurven in Bild
d) ϑG= 200°C c) ϑG= 150°C
a) ϑG= 20°C b) ϑG= 100°C 38
19
0 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.56 0.64 0.72 0.80
Reibrichtung µlok
5.26 für den Belag B und in Bild 5.29 für den Belag A1 zeigt.
Der Belag B, der einen größeren Gehalt an Kautschuk besitzt, liefert während des Einlaufs und nach dem Einlauf bei Raumtemperatur die größten mittleren Reibungszahlen (Bild 5.26), wohl deswegen, weil hier vornehmlich die gummieffektartigen Reibeigenschaften zur Wirkung kommen. Bei dem Belag A1 dagegen ist die mittlere Reibungszahl während des Einlaufs und nach dem Einlauf am kleinsten, denn der geringere Kautschukgehalt wurde bei dem Belag A1 durch Zugabe von mehr Gleitstoffen und Kohlenstoff kompensiert. Vermut-lich sind diese Bestandteile für die insgesamt kleineren mittleren Reibungszahlen in der mit dem Reibbelag A1 ausgerüsteten Paarung verantwortlich.
Eine unterschiedliche Tendenz zeigen die beiden Reibwerkstoffe auch bei Steigung der Reibtemperatur von 20 °C auf 100 °C. Während bei dem Belag B (Bild 5.26) die mittlere Reibungszahl wohl durch Aufweichen der Kautschukbestandteile sinkt, steigt sie in glei-chem Maße bei dem Reibbelag A1. Interessant ist das Verhalten beider Paarungen nach weiterer Steigerung der Reibflächentemperatur auf 150 °C. Durch den nun als Schmier-mittel wirkenden Kautschuk ist in Bild 5.26 die mittlere Reibungszahl für den stark kau-tschukhaltigen Belag stark abgefallen.
Die gleiche Tendenz wegen des wesentlich kleineren Kautschukgehalts in abgeschwächter Form zeigt der Belag A1 in Bild 5.29. Die mittlere Reibungszahl liegt hier wieder im glei-chen Bereich wie die bei Raumtemperatur gemessene, allerdings ist sie wesentlich größer als bei dem Belag B unter gleichen Belastungsbedingungen.
Bei der Reibtemperatur von 200 °C bringt der Belag A1 die größte mittlere Reibungszahl (Bild 5.29), da hier vornehmlich die reibkraftverstärkenden Bestandteile wirksam sind. De-ren Wirkung wird bei Einsatz des Belags B unter gleicher Belastung durch die schmieDe-rende Wirkung von Kautschuk zum großen Teil unterdrückt, so dass die mittlere Reibungszahl dort auch nach dem Einlauf (Bild 5.26) deutlich kleiner ist als bei dem Belag A1 (Bild 5.29).
Die Auswirkung des unterschiedlichen Belagaufbaus lassen sich auch in der Schwankungs-breite der lokalen Reibungszahlen ausmachen, wie der Vergleich der einzelnen µlok- Kurven in den Bildern 5.27 und 5.30 zeigt.
Bild 5.29: Einfluss der Temperatur und der Zahl der Reibspiele auf die Größe und den Verlauf der mittleren Reibungzahl µm. Reibbelag A1 gegen St 52-3 (S 355 J2G3).
pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s, AR= 16 cm2.
Bei Raumtemperatur liefert der mit mehr Kautschuk ausgestattete Belag B (Bild 5.27 a) un-gleichmäßiger verteilte Reibungszahlen als der Belag A1 (Bild 5.30 a), wohl, weil hier die Gleitstoffe stärker zum Tragen kommen. Nach Belastung im Temperaturbereich von 150 ° C kehren sich die Verhältnisse um. Der über die Reibfläche verschmierte Kautschuk sorgt in Bild 5.26 für ein starkes Absenken der mittleren lokalen Reibungszahl und für eine starke Glättung der Kurven für die lokale Reibungszahl (Bild 5.27a), während sich für den Belag A1 (Bild 5.30a) die Verteilungskurve der lokalen Reibungszahl nach einer Belastung bei 150 °C gegenüber der lokalen Reibungszahl bei Raumtemperatur nur wenig verändert hat.
Das nahezu gleiche Aussehen der vier Falschfarbbilder in Bild 5.31 weist darauf hin, dass die mittleren lokalen Reibungszahlen für den Belag A1 jeweils zu Versuchsende in allen Temperaturstufen annähernd gleich sind, wie dies auch Bild 5.29 aufweist. Die unterschied-lichen Tönungen innerhalb der vier Verteilungsbilder in Bild 5.31 machen eine Aussage über die Gleichmäßigkeit der Verteilung der lokalen Reibungszahl über die gesamte Reib-fläche. Im Gebiet bis 150 °C lassen sich auf der Belagfläche nach der Belastung in Reibrichtung streifenförmig angeordnete Bereiche höherer lokaler Reibungszahlen er-kennen, die dann nach Belastung von 200 °C verschwinden. Nach Belastung in diesem
0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0
1 5 0 °C ϑG= 2 0 0 °C 1 0 0 °C
R e ib s p ie lfo lg e z a h l Z R [-]
2 0 °C mittlere Reibungszahl µm [-]
Bild 5.30: Veränderung a) der lokalen Reibungszahl µlok und b) der Belagdicke über die Reibbelagbreite bei unterschiedlichen Temperaturen. Reibbelag A1 gegen St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
Temperaturgebiet haben sich kleine Flächenbereiche ungefähr gleichgroßer lokaler Reibungszahlen gebildet.
Noch ausgeprägter waren diese über die Reibfläche unregelmäßig angeordneten Inseln gleichgroßer lokaler Reibungszahlen in Bild 5.28 b für den stark kautschukhaltigen Belag B
0 1 0 2 0 3 0 4 0
R eibb e la g b re ite B [m m ] b) Belagdickeveränderung
ϑG= 20°C ϑG= 150°C
ϑG= 100°C ϑG= 200°C 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
Verschleißhöhe∆Z [mm]
0 1 0 2 0 3 0 4 0
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
R e ib b e la g b re ite B [m m ] 0 ,0
0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8
lokale Reibungszahl µlok [-]
a) lokale Reibungszahl ϑG= 150°C
ϑG= 20°C ϑG= 200°C
ϑG= 100°C
ϑG
im Temperaturgebiet von 100 °C zu beobachten.
Zum Schluss soll die unterschiedliche Wirkung der vergleichbaren Belastungen auf die Oberflächenrauheit und die Dickenveränderung der Beläge B und A1 gegenübergestellt werden. Die zu vergleichenden Versuchsergebnisse liefern die Bilder 5.27 b und 5.30 b. Bei den Belägen A1 in Bild 5.30 b sind die Belagdicken in allen Temperaturstufen nahezu gleich. Das bedeutet, dass sich die in den einzelnen Temperaturstufen belasteten Beläge A1 weder in ihrem Verschleißverhalten signifikant unterscheiden, noch dass die Wärme-dehnung einen messbaren Einfluss auf die Belagdicke hat. Im Gegensatz dazu hat sich die Belagdicke der stark kautschukhaltigen Reibbeläge B im Bild 5.27 b stark mit der Reibflä-chentemperatur vergrößert.
Bild 5.31: Einfluss der Temperatur auf die Größe und Verteilung der lokalen Reibungszahl µlok über die Reibbelagfläche nach 5000 Reibspielen. Reibbelag A1 gegen St 52-3 (S 355 J2G3). pR= 56 N/cm2; vR= 0,005 m/s; AR= 16 cm2.
d) ϑG= 200°C c) ϑG= 150°C
a) ϑG= 20°C b) ϑG= 100°C Reibrichtung
0 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.56 0.64 0.72 0.80 µlok