Tribologie auf Komponentenebene

Tribologie auf Komponentenebene

Reibung und Verschleiß sind Systemgrößen und keine Werkstoffeigenschaften. Für die Beurteilung der Tribologie von Bauteilen muss daher häufig ein Mittelweg gefunden werden, der es erlaubt, so nah wie nötig am Realsystem zu bleiben und dennoch Reibungs- und Verschleißwerte zugänglich zu machen und die Prüfung mit einem überschaubaren Aufwand durchzuführen.

Am Fraunhofer IWM stehen zahlreiche Modell-, Komponenten- und Systemprüfstände zur Verfügung, die ein sehr breites Feld von Anwendungen abdecken. Dazu zählen sehr große und sehr kleine Normalkräfte (5 mN bis 250 kN), rotierende und reversierende Bewegungen, schwingende und Frettingbeanspruchungen, Hochtemperaturprüfstände und Tribometer, die in definierten Atmosphären von UHV bis wasserstoffhaltig betrieben werden können. Auf dieser Seite wird ein Teil der Geräte, die am Fraunhofer IWM in Karlsruhe zur Verfügung stehen, beschrieben. Sprechen Sie uns mit Ihrer konkreten Fragestellung an!

Auswahl unserer Maschinen und Geräte in diesem Themenbereich

© Faunhofer IWM

Hochfrequenz-Material-Tester (HOMAT)

Fretting beschreibt sowohl Verschleiß als auch Korrosionsschäden, die durch hohe Lasten und sich wiederholenden Relativbewegungen mit kleiner Amplitude δ (z.B. Vibration) zweier oder mehr Körper entstehen. Der HOMAT ermöglicht es uns, solche Problemstellungen nachzubilden und zu untersuchen.

Die Basiseinheit des HOMAT ist als Tripod ausgeführt und besteht aus drei extrem steifen Führungselementen, die in einen massiven Natursteintisch der Maschine eingelassen sind. In der Ebene unter dem Tripod ist das Antriebsmodul für die Vibrationserzeugung und die Peripherie untergebracht. Auf dem Antriebsmodul wird die untere Reibprobe montiert. Das Gegenstück des Kontakts wird auf dem beweglichen Teil des Portals des Tripods montiert. Um die Energiedissipation in der Kontaktstelle besser zu analysieren, ist es auch möglich, einzelne Hystereseschleifen auszuwerten. Dazu werden Kraft- und Wegsignale mit 250 kS/s aufgenommen. Die Wegmessung über Glasmessstäbe und die Reibkraftmessung über einen Piezo erlauben die genaue Messung einer Hysteresekurve auch bei hohen Frequenzen bis 500 Hz.
Eine bei Bedarf zuschaltbare, integrierte Vierleitermessung liefert mittels Kontaktwiderstandsmessung zusätzliche Informationen über die Vorgänge im Kontaktpunkt.

Die Geometrien der Proben reichen von standardisierten Geometrien (Zylinder, Kugel, etc.) bis hin zu Originalteilen aus der Praxis (Stecker aus Kfz-Bereich). Auf diese Weise können sowohl reine Materialpaarungen vorab, als auch fertige Bauteile auf ihr Verhalten bei Vibration und auf ihre Lebensdauer getestet werden.

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Technische Daten

Parameter Wert
Amplitude 10 bis 300 µm
Normalkraft 5 bis 100 N
Reibkraft -100 bis 100 N
Frequenzbereich 1 bis 500 Hz
Samplerate bis zu 250 kS/s
Widerstandsmessung
Samplerate 80 Hz bei 1 µΩ
Messbereich 1 mΩ bis 20 kΩ
Auflösung bis zu 1 µΩ ± 0,1%

 

Unser Leistungsangebot

Durchführung und Analyse von Frettingexperimenten

Verschleißmessung mittels Weißlichtinterferometrie

Erzeugung von Reibungskennfeldern

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© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Skizze des Gesamtprüfstands

Gleitlagerprüfstand bis 250 kN

Am Fraunhofer IWM steht ein Gleitlager- und Komponentenprüfstand zur Verfügung, der die Kopplung auch großer Gleitlager bis standardmäßig 120 mm Durchmesser und größer erlaubt. Der Prüfstand ist durch die Module Zugprüfmaschine (Normalkraft) und E-Maschine (Rotation) äußerst flexibel und erlaubt nach einer Anpassung die Messung verschiedenster Geometrien in Kombination mit der Radionuklidtechnik (RNT). So sind beispielsweise auch Ölscreenings und Verschleißuntersuchungen an einem Kegelradpaar möglich. Die Abbildungen zeigen eine Skizze des Gesamtprüfstandes und  ein Foto der Ölkammer in der Zugprüfmaschine.

Typische Anwendungsfelder des Prüfstands sind Verschleißuntersuchungen an Gleitlagern in Abhängigkeit von Endbearbeitungen und Werkstoffen, Schmierstoffen und Betriebspunkten. Die Echtzeitverschleißmessung unter niedrigen Lasten und oszillierenden Bewegungen ist genauso möglich wie die Identifikation kritischer Betriebspunkte und deren Einfluss auf die Stabilität des Gleitlagers.

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Abb. 2: Ölkammer und Belastungseinheit in der Zugprüfmaschine.

Kennzahlen

Geschwindigkeiten

1- 800 [3000] U/min

Drehmoment

max. 150 Nm

Normalkraft

250 kN

Wellendurchmesser

10 > 450 mm

Öltemperatur

max. 100 °C

 

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Bild: Detailaufnahme von Liner und Ringhalter

Kolbenring-Zylinder-Simulator

Die Bedingungen im oberen Totpunkt eines Zylinders sind für die tribologisch belasteten Werkstoffe in Bezug auf den Verschleißwiderstand am anspruchsvollsten. Der Kolbenring-Zylinder-Simulator am Fraunhofer IWM eignet sich für Reibungs- und Verschleißuntersuchungen an Linern und Kolbenringen. Im Gerät können Proben aus Originalbauteilen im reversierenden Kontakt unter Temperaturen bis 180 °C getestet werden. Kolbenringsegmente können gegen Linersegmente getestet werden, die direkt aus Buchsen oder Motorblöcken präpariert wurden. Die Versuche können unter Frequenzen bis 50 Hz, Normalkräften bis 400 N und einem maximalen Hub von 3 mm durchgeführt werden.

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Bild: Übersicht des Kolbenring-Zylinder-Simulators in gekipptem Zustand zur Montage der Proben. Die vier Halter der Linersegmente mit den Kraftsensoren sind sichtbar.