Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis

Diplomarbeit von René Kallmeyer

Einleitung:

Am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Ilmenau werden derzeit Untersuchungen zur Optimierung der Reibung von Werkstoffen gegen Eis durchgeführt. Als Optimierung wird hierbei die Verringerung der Reibung betrachtet, welche vor allem für Schneidwerkzeuge in der Lebensmittelindustrie, Eisbrecher oder Kufen für Wintersportgeräte von großer Bedeutung ist. Eine Optimierung im Sinne der Erhöhung der Reibung, zum Beispiel für Winterreifen wird hier nicht betrachtet. Zu diesem Zweck wurde in Zusammenarbeit mit der Firma TETRA ein Tieftemperatur-Tribometer nach dem Stift-Scheibe-Prinzip gebaut. Die wesentlichen Merkmale sind der Durchmesser der feststehenden Eisscheibe von 1,2 m und das rotierende Messsystem, welches sowohl Messungen auf einer Kreisbahn als auch auf einer Spiralbahn ermöglicht. Mit dem Tieftemperatur-Tribometer können materialabhängige und materialunabhängige Einflussfaktoren auf das tribologische Verhalten verschiedener Werkstoffe auf Eis untersucht werden.

In dieser Diplomarbeit stehen die Abhängigkeiten der Reibungszahl von äußeren Einflussgrößen, wie Normalkraft, Eistemperatur und Gleitgeschwindigkeit im Vordergrund. Dabei sollen erstmals umfangreiche Messungen auf einer Spiralbahn und damit Bewegung auf einer unbenutzten Eisoberfläche weitere Einblicke in den Reibungsvorgang geben. Während des Reibungsprozess entsteht infolge des Schmelzens von Eis ein Wasserfilm an den Kontaktstellen zwischen Probe und Eis, welcher zu einen Schmierfilm führt der die Reibungszahl verändert. Da die Dicke des Wasserfilms noch nicht direkt gemessen werden kann, wurde ein Temperatur-Messsystem eingebaut. Damit sollen Abschätzungen der Wärmeströme in dem tribologischen System Probe / Eis möglich sein.

Des Weiteren soll begonnen, werden ein geeignetes FEM-Modell aufzubauen und mit den Experimenten zu vergleichen. Vordergründig geht es dabei um die Simulation der realen thermodynamischen Verhältnisse.

Inhaltsverzeichnis:

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Textprobe:

Kapitel 1.3.1.4, Wärmeübertragung im Reibspalt:

Die Vorgänge der Wärmeübertragung an der Reibstelle Probe / Eis und die Einflussfaktoren sind in Abbildung 8 dargestellt. Durch den Reibungsprozess gibt es von der Kontaktzone aus einen Wärmeübergang in Eis und Probe. Zusätzlich findet ein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt durch einfallende Sonnenstrahlung, Luftkonvektion und Abstrahlung von der Reibstelle. Die Rotation des Sensorarmes hat zusätzlich Luft- und Wasserreibung zur Folge. Die Wärmestrahlung wird durch die gehauste Vorrichtung, Abschirmung von anderen Wärmequellen und geringer Sonneneinstrahlung vernachlässigt. Bei der Wärmekonvektion ist die Konvektion der Eisoberfläche und des Probekörpers zur Umgebung zu beachten. Aufgrund der geringen Gleitgeschwindigkeit bei den Experimenten und den statischen Messungen ist von einem niedrigen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten αK auszugehen. Somit hat die Wärmeleitung die größte Bedeutung beim Wärmetransport von der Kontaktstelle in Eis und Probe. Grundlegender Parameter dabei ist die Wärmeleitfähigkeit λ. Um den Wärmeeintrag in die Probe zu messen, sollte der Werkstoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, damit der Wärmestrom Tabelle 3 zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit von Eis zirka um Faktor vier größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wassers ist. Das bedeutet, bei tiefen Temperaturen mit Festkörperreibung müsste ein großer Wärmestrom in das Eis geleitet werden. Bei steigenden Temperaturen mit einer größeren Dicke des quasi flüssigen Film müsste die Wärmeleitung zum Eis hin verschlechtert werden, da Wasser die Wärme nicht so gut leitet.

Infolge der Wärmeströme stellt sich eine vorherrschende Eistemperatur ein. Wie bei der Stribeck-Kurve kann man hierbei die Reibung in Abhängigkeit der Eistemperatur auftragen und erhält einen ähnlichen Verlauf. Der Verlauf der Reibung in Abhängigkeit der Eistemperatur ist in Abbildung 9 dargestellt. Ist die Summe der Wärmeströme geringer als die nötige Energie, um einen quasi flüssigen Film zu erzeugen, ist die Reibung hoch bei vorherrschender Festkörperreibung. Durch ein Ansteigen der Eistemperatur kommt es zur Bildung eines Filmes, der die Reibung herab setzt aufgrund des langsamen Überganges zur Mischreibung. Das Minimum der Reibung erhält man, wenn die Wärmeströme, die in das Eis strömen, so groß sind, dass sie eine optimale Dicke des quasi flüssigen Filmes hervorrufen. Der optimal ausgebildete Film führt zu der vorliegenden Flüssigkeitsreibung. Steigen die Wärmeströme im Eis weiter an, hat dies die Bildung eines immer dickeren quasi flüssigen Filmes zur Folge. Durch die Scherung des Filmes und Kapillarkräfte im Reibspalt steigt die Reibung wieder an.

Bei der Übertragung der Wärmeströme spielt die Kontaktfläche eine wichtige Rolle. Wenn zwei Materialien im Kontakt sind, ist nur ein kleiner Teil der Oberfläche im Kontakt, aufgrund der Rauheit und Welligkeit der Oberflächen. Durch diese vorhandenen Kontaktstellen ist die tatsächliche Kontaktfläche kleiner als sie sichtbare Kontaktfläche. Diese begrenzte Kontaktfläche bewirkt die thermische Kontaktkonduktivität. Kommt es zu einem Wärmestrom, ist die generelle Bewegung der Wärme meist beschränkt auf die Wärmeleitung entlang der Kontaktstellen, wie in Abbildung 10 zu sehen.

Das Vorhandensein einer Flüssigkeit oder Luft als Zwischenstoff kann den Wärmetransport entlang den Kontaktstellen beschränken oder verstärken, abhängig von der thermischen Kontaktkonduktivität und der Dicke des Zwischenstoffes. Wenn eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen herrscht, kann der Wärmeaustausch auch durch Wärmestrahlung über den Zwischenraum erfolgen. Wärmekonvektion entlang der Zwischenräume wird aufgrund des geringen Abstandes, von zirka 1 μm, der Reibpartner ausgeschlossen. Eine weitere Möglichkeit der Wärmeübertragung ist die Wärmeleitung über die Zwischenräume hinweg. Infolge der thermischen Kontaktkonduktivität kommt es zu einem Temperatursprung entlang der sich berührenden Körper, wie in Abbildung 11 dargestellt.