Zwischen beweglichen Teilen entsteht Reibung. Der Antriebsstrang, der die Kraft in Fahrzeugen und Zügen überträgt, besteht beispielsweise aus vielen Bauteilen, darunter eine Kupplung, ein Getriebe und Antriebswellen - diese werden als Kontaktbauteile bezeichnet.
Die Reibung verursacht Wärmeentwicklung und Verschleiß in diesen Teilen. Wärmeentwicklung und Verschleiß aufgrund von Reibung sind für die meisten Ausfälle von mechanischen Systemen verantwortlich, und die wirtschaftlichen Verluste aufgrund solcher Ausfälle sind nicht zu vernachlässigen. Um solche Verluste zu reduzieren, werden tribologische Untersuchungen durchgeführt, um Bauteile und die Eigenschaften der für diese Teile verwendeten Materialien durch Reibungs-, Verschleiß- und Abriebfestigkeitstests zu beurteilen.
In diesem Abschnitt werden die Prüf- und Messmethoden zusammen mit den aktuellen Beispielen für Problemlösungen mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE aus Sicht der Tribologie vorgestellt – der Wissenschaft von Verschleiß und Reibung zwischen aufeinander einwirkenden, in Relativbewegung befindlichen Oberflächen.

Betrachtung, Analyse und Messung von Reibungs-, Verschleiß- und Abriebfestigkeitstests

Reibungs-, Verschleiß- und Abriebfestigkeitstests

Bei diesem Test werden ein Prüfkörper und eine Zwischenfläche in einer Relativbewegung einer Wechselwirkung ausgesetzt, um den Reibwert* und das Verschleißvolumen zu messen.
In Branchen, in denen Kontaktbauteile verwendet werden, werden häufig Materialveränderungen durch Reibungs-, Verschleiß- und Abriebfestigkeitstests als Teil der Produktqualitätsbeurteilung, der Auftragsanalyse und der Forschung und Entwicklung neuer Produkte bewertet. Solche Fälle gelten als notwendige Tests für die Qualitätssicherung in einer Vielzahl von Branchen, in denen Kontaktbauteile verwendet werden, wie z. B. Hersteller von Schmiermitteln und Fetten, Lieferanten von Lagern, Riemenscheiben und anderen Teilen sowie Motorenhersteller.

Reibwert: Ein Wert für die Reibungskraft im Verhältnis zur Anpresskraft zwischen zwei Körpern. Er ist ein dimensionsloses Maß und wird durch μ (mü) dargestellt. Unterteilt in Gleitreibungskoeffizient und Haftreibungskoeffizient, variiert der Wert je nach Objekt und Oberflächenbehandlung.

Prüfverfahren für Reibung, Verschleiß und Abriebfestigkeit

Eine Reibungsprüfung misst die Reibungseigenschaften zusammen mit einem Abriebfestigkeitstest, und das Ergebnis wird im Allgemeinen mit dem Reibwert berechnet. Andererseits misst ein Verschleißtest die durch Reibung verursachten Zustandsänderungen, und das Ergebnis wird aus Verformungen, Kratzern und Vertiefungen auf den aufeinander einwirkenden Oberflächen gewonnen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Reibwert zu messen: durch Messung der Reibungskraft mit einem Messgerät, durch Messung und Umrechnung der Nutzleistung des Antriebsmotors, durch Berechnung aus dem Verhalten der Schwingungsdämpfung* durch Reibung und durch Berechnung der maximalen statischen Reibungskraft* anhand des Winkels, bei dem ein auf einer schrägen Fläche abgestellter Gegenstand zu gleiten beginnt. Bei diesen Tests wird nicht nur auf Verschleiß und Reibung geprüft, sondern auch auf die Wirksamkeit und den Verfall von Schmierstoffen.

Schwingungsdämpfung: Die Schwingung nimmt mit der Zeit ab. Auch Schwingungsdämpfung genannt.

Maximale statische Reibungskraft: Reibungskraft, die entsteht, wenn ein stationäres Objekt bewegt wird. Im Gegensatz dazu wird die Reibungskraft, die während der Bewegung auftritt, als Gleitreibung bezeichnet, und die Reibung, die in Kugel- und Nadellagern auftritt, als Rollreibung.

Tribologische Prüfungen

Der Reibungswiderstand stellt eine große Belastung und einen großen Verlust für Kontaktbauteile dar, wofür Lager ein gutes Beispiel sind. Dieser Widerstand muss umfassend minimiert werden, indem ein vielschichtiger Ansatz verfolgt wird, der die Materialmechanik (z. B. die mechanischen Eigenschaften der Teile), die Strömungsmechanik der Schmiermittel und die Thermodynamik, welche die durch Wärme beeinflussten Oberflächenbedingungen misst, umfasst.
Tribologie ist die Wissenschaft, die die Auswirkungen von Reibung aus einer weitreichenden Perspektive untersucht und bewertet. Die Untersuchungen, die zur Beurteilung der relevanten Eigenschaften durchgeführt werden, nennt man tribologische Prüfungen.

Die Notwendigkeit von tribologischen Prüfungen

Die durch Reibung erzeugte Wärme und der durch Reibung verursachte Materialverlust, die in mechanischen Systemen auftreten, führen zu mechanischem Widerstand, der als größte Ursache für Maschinenfehler und -ausfälle gilt. Die Reduzierung und Kontrolle von Reibung und Verschleiß ist nicht nur ein Ansatz zur Problemvermeidung, sondern eine elementare Technik zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistung mechanischer Systeme und damit zur Reduzierung wirtschaftlicher Verluste.

Merkmale tribologischer Prüfungen

Verschleiß- und Reibungstests ergeben oft völlig unterschiedliche Kennwerte, wenn sich die Form der Probe, die Prüfmethode und die Umgebungsbedingungen ändern, selbst wenn das gleiche Material geprüft wird. Daher ist es für Verschleiß- und Reibungstests notwendig, die Bedingungen nachzuvollziehen, unter denen die tatsächliche Soll-Wirkung eintritt, und die Tests unter ähnlichen Bedingungen durchzuführen. Die Leistung eines Schmierstoffs hängt maßgeblich von den physikalischen Eigenschaften des Schmierstoffs und den chemischen Eigenschaften der Kontaktfläche ab. Insbesondere Festschmierstoffe* haben eine höhere Lasttragefähigkeit als Öl und Fett und werden daher auch als Additive zu Öl und Fett eingesetzt.
Tribologische Prüfungen werden unter Bedingungen durchgeführt, die den Einsatzbedingungen nahe kommen und die tatsächliche Umgebung, in der die zu beobachtende Reibung auftritt, nachbilden. Bewertet werden sowohl die in den Kontaktbauteilen verwendeten Werkstoffe als auch die Schmierstoffe und die von der Teileform abgeleiteten Eigenschaften.

Festschmierstoff: Feste Substanz, die die Materialoberfläche vor Reibung schützt und Verschleiß und Reibung reduziert. Beispiele für Festschmierstoffe sind Molybdändisulfid, Graphit und PTFE (Polytetrafluorethylen).

Aktuelle Anwendungsbeispiele für Reibungs-, Verschleiß- und Abriebfestigkeitstests

Prüfkörper und aufeinander einwirkende Teile in Verschleiß- und Reibungstests sind in der Regel dreidimensional und können stark reflektierende Oberflächen haben. Bei den entsprechenden Messungen und Analysen mit Mikroskopen bedarf es oft erfahrener Bediener, um den richtigen Fokus zu finden und die Reflexion von der Oberfläche zu entschärfen.
Dank des technologischen Fortschritts haben Digitalmikroskope die Effizienz von Reibungs- und Verschleißtests deutlich verbessert.

Effiziente Betrachtung von tiefliegenden Vertiefungen in Lagern

Vertiefungen entstehen, wenn ein Stoß auf das Lager einwirkt. Handelt es sich um eine unebene Oberfläche des Lagers, müssen bei der mikroskopischen Betrachtung mit hoher Vergrößerung häufig zeitaufwändige Fokuseinstellungen vorgenommen werden.
Die hochauflösenden Objektive und der motorisierte Revolver des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX ermöglichen eine nahtlose Zoomfunktion, die automatisch die Vergrößerung zwischen 20x und 6000x ändert, wodurch ein manueller Objektivwechsel überflüssig wird.

Vergrößerte Betrachtung mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
A: Betrachtung mit einem Digitalmikroskop B: Betrachtung mit einem Mikroskop C: Betrachtung einer Vertiefung auf der Vorderfläche D: Betrachtung einer Vertiefung auf der Rückfläche (500x)
  1. A: Betrachtung mit einem Digitalmikroskop
  2. B: Betrachtung mit einem Vorgängermodell
  3. C: Betrachtung einer Vertiefung auf der Vorderfläche
  4. D: Betrachtung einer Vertiefung auf der Rückfläche (500x)

Mit der Tiefenzusammensetzung in Echtzeit wird das Objekt vollständig fokussiert. Mit dieser Funktion können auf einfache Weise genaue Betrachtungen mit hoher Vergrößerung, Prüfungen von Qualitätsmerkmalen und Beurteilungen mit hochauflösenden und tiefenscharfen Aufnahmen durchgeführt werden.
Zusätzlich erkennt die Modellreihe VHX automatisch das verwendete Objektiv und kann Vergrößerungsdaten zusammen mit den Aufnahmen abgleichen.
Dank der hervorragenden Datenverwaltung leistet dieses Digitalmikroskop einen Beitrag zu einer höheren Effizienz beim Prüfen und verfügt über eine Betrachtungsfunktion, mit der ein Bereich des Gesamtbildes nahtlos vergrößert werden kann, ohne dass die hohe Auflösung verloren geht.

Tiefenzusammensetzung in Echtzeit mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung des Verschleißes an einem Nadellager
Betrachtung des Verschleißes an einem Nadellager

Betrachtung und Messung von Schäden an Reibflächen mit nur einem Gerät

Bei der Durchführung von Betrachtungen und Messungen ist es häufig erforderlich, die Instrumente zu wechseln, was zu langen Prüfzeiten führen kann.
Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX sind nicht nur eine klare Vergrößerung und Betrachtung möglich, sondern auch Messungen und Quantifizierungen. Eine ganze Reihe von Aufgaben – von der Betrachtung von Abblätterungen*, Lochfraß* und anderen Schäden an den aufeinander einwirkenden Oberflächen bis hin zu den für die Rauheitsprüfung nützlichen 2D-Messungen und Rauheitsmessungen – können einfach per Mausklick mit nur einem Gerät ausgeführt werden.

Abblätterungen: Raue und grobe Struktur durch Ablösen in der Laufbahnoberfläche und der Wälzkörperoberfläche, welche durch die Walzermüdung des Materials entsteht.

Lochfraß: Punktförmige Löcher mit einer ungefähren Tiefe von 0,1 mm, die auf der Laufbahnoberfläche erscheinen.

Analyse von Schäden an der Laufbahnoberfläche mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Betrachtung von Schäden am Laufring des Lagers (50x)
Betrachtung von Schäden am Laufring des Lagers (50x)
Messung von Schäden am Laufring des Lagers (50x)
Messung von Schäden am Laufring des Lagers (50x)

Betrachtung von Verschleiß und Reibung mit reduzierter Lichtreflexion von glänzenden Oberflächen

Die durch Reibung abgenutzten Prüfstücke haben typischerweise eine stark reflektierende Oberfläche, was die Betrachtung und Bilderfassung erschwert.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über Funktionen zur Glanzlichtentfernung und zur Optimierung von ringförmigen Reflexionen. Dies ermöglicht eine klare Bildaufnahme und verhindert Reflexionen auf einer Oberfläche, die aufgrund von Reibung einen erhöhten Glanzeffekt aufweist. Das Digitalmikroskop unterscheidet zwischen feinen Haarkratzern, durch Reibung verursachten Dellen und Anhaftungen, um eine genauere Einschätzung der Verschleiß- und Reibungsbedingungen zu ermöglichen.

Betrachtung des Simmerrings einer Schaltwelle mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Normal
Ohne Reflexionsminimierung
Entfernung von Glanzlicht und ringförmigen Reflexionen
Entfernung von Glanzlicht und ringförmigen Reflexionen

Ein einziges Mikroskop für alle Aufgaben von der Betrachtung bis zu 2D- und 3D-Messungen

Während der Betrachtung des Erscheinungsbildes muss auf mehrere verschiedene Bereiche der dreidimensionalen Objekte geachtet werden, was dazu führen kann, dass Fehler übersehen und unterschiedliche benutzerabhängige Ergebnisse erzielt werden.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX ermöglicht nicht nur eine vergrößerte Betrachtung und 2D-Messungen mit tiefenscharfen Aufnahmen, sondern ist auch in der Lage, 3D-Formen zu erfassen und 3D-Messungen sowie Profilmessungen von ausgewählten Querschnitten durchzuführen. Unabhängig vom Kenntnisstand des Prüfers bietet die Modellreihe VHX eine einfache Analyse und Messung von 3D-Formen und damit eine Optimierung der Arbeitsabläufe sowie eine umfassende und quantifizierte Beurteilung der Reibflächen.

Messung von Abblätterungen mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Simmerring einer Laufradwelle (oberflächenvergrößerte Betrachtung, 3D-Formmessung, Gesamtform)
Simmerring einer Laufradwelle (vergrößerte Betrachtung, 3D-Formmessung, Gesamtform)

Das innovative Instrument zur schnellen Reaktion auf Marktanforderungen

Um den Anforderungen an tribologische Bewertungen gerecht zu werden, ist es neben den wachsenden Anforderungen bei Verschleiß- und Reibungstests notwendig, F&E, Qualitätsverbesserungen und Fertigungsprozesse anhand schneller und genauer Prüfdaten zu etablieren.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX bietet eine hervorragende Effizienz und gewährleistet präzise Betrachtung, Analyse, Messung und Beurteilung mit nur einem Gerät. Dank einer Vielzahl an erweiterten Messfunktionen ist die Modellreihe VHX ein leistungsstarkes Werkzeug für Industriebereiche, für die sowohl Qualität als auch Schnelligkeit erforderlich sind.

Für weitere Informationen zur Modellreihe VHX klicken Sie bitte auf die unten angezeigte Schaltfläche, um die Broschüre herunterzuladen. Für Anfragen klicken Sie bitte auf die entsprechende Schaltfläche, um KEYENCE zu kontaktieren.