Automatisierte topografische Vermessung von Hochlastkontakten in einem Tribometer
Tobias Schramm
Bei der Reibung spielen die Topografien der Reibpartner eine große Rolle. Insbesondere tribologische Hochlastkontakte weisen eine komplexe Grenzschichtdynamik auf. Diese zeichnet sich durch große Materialbewegungen in der Grenzschicht zwischen zwei Festkörpern aus und findet auf verschiedenen Zeit- und Größenskalen statt. Es gibt heutzutage verschiedene Modelle zur Beschreibung des Reib- und Verschleißverhaltens. Sie kommen jedoch nicht ohne Messungen der Reibung aus, um das Reibverhalten vorherzusagen. Für die systematische Untersuchung des Reib- und Verschleißverhaltens gibt es am Institut für Dynamik und Schwingungen an der TU Braunschweig mehrere Stift-Scheibe-Tribometer.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein bestehendes vollautomatisiertes Stift-Scheibe- Tribometer um die automatisierte Oberflächenvermessung beider Probekörper zu erweitern. Dazu wird ein geeignetes Messverfahren zur topografischen Erfassung dieser ausgewählt und erläutert, wie es in das Tribometer implementiert wird. Ein punktförmiger Lasertriangulator bewegt sich an der rotierenden Scheibe vorbei. Eine im Durchmesser 400 mm große Bremsscheibe wird in unter 90 s vermessen. Bei der Vermessung der Oberfläche des Stifts, fährt dieser an einem sich schnell oszillierenden Lasertriangulator vorbei. Eine 10 mm×20 mm große Belagsprobe, inklusive des Probenhalters, wird innerhalb von 30 s topografisch erfasst. So können die Oberflächen der Scheibe und des Stifts vollautomatisch und nach einer beliebigen Anzahl von Reibmessungen erfasst werden.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt in der Auswertung der Messdaten, deren Einflüsse und die Wiederholgenauigkeit der Messungen. Dazu werden eine neuartige iterative Regression zur Ermittlung der Reibebene und verschiedene Kennwerte vorgestellt, mit denen eine Oberfläche charakterisiert werden kann. Mit Hilfe der Kennwerte kann die zeitliche Entwicklung einer Oberfläche in Bezug auf deren Einflussgrößen analysiert oder mehrere Materialien miteinander verglichen werden. Hierbei haben sich Höhenkennwerte für Verschleißanalysen und Kennwerte der Materialanteilskurve für Rauheitsanalysen herauskristallisiert.
An Hand von Beispielstudien wird das Potential der Oberflächenmessungen und deren Informationsdichte gezeigt. Hier ist unter anderem der Vergleich verschieden bearbeiteter Scheibenoberflächen, das geometrische Einlaufverhalten und Verschleißverhalten der Reibpartner und der Einfluss der Geschwindigkeit auf das Staubverhalten im stationären Fall sowie ein Ansatz zur quasi-in-situ Untersuchung von instationären Reibmessungen quantifiziert worden.
Die automatisierte Oberflächenvermessung dient zum besseren Verständnis der Topografie von tribologischen Hochlastkontakten und damit zum besseren Verständnis des Reibverhaltens.
