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13. Reibung und Schmierstoffe
13.1 Reibung Unter Reibung versteht man den Wiederstand, der in
den Paarungsflchen zweier Krper auftritt und eine gegenseitige
Bewegung durch Gleiten, Rollen oder Abwlzen beeintrchtigt oder
unmglich macht. In DIN 50281 (Reibung in Lagerungen) wird
definiert:
1. Grundbegriffe
Die Reibung wirkt der Relativbewegung sich berhrender Krper
entgegen. Die in der Kontaktflche wirkende Reibung wird als uere
Reibung bezeichnet, um sie von der inneren Reibung zu
unterscheiden, die bei der Relativbewegung von Volumenelementen
innerhalb von festen, flssigen oder gasfrmigen Krpern auftritt.
Bewegungsreibung (dynamische Reibung) ist die Reibung zwischen
zueinander bewegten Krpern, bei denen die angreifende Kraft oder
das angreifende Moment nicht ausreicht, eine Relativbewegung
hervorzurufen. Anlaufreibung ist die Reibung zu Beginn der
Bewegung. Auslaufreibung ist die Reibung gegen Ende der Bewegung,
d.h. bei gegen Null gehender Geschwindigkeit.
2. Reibungsarten
Gleitreibung ist die Bewegungsreibung zwischen Krpern, deren
Geschwindigkeiten in den Berhrungsflchen nach Betrag und/oder
Richtung unterschiedlich ist. Rollreibung ist die idealisierte
Bewegungsreibung zwischen sich punkt- oder linienfrmig berhrende
Krpern, deren Geschwindigkeiten im gemeinsamen Kontaktbereich nach
Betrag und Richtung gleich sind und bei der mindestens ein Krper
eine Drehbewegung um eine momentane, im Kontaktbereich liegende
Drehachse vollfhrt. Die Punkte der beiden Krper, die sich im
Bewegungslauf nacheinander berhren, bestimmen auf diesen gleiche
Bogenlngen. Wlzreibung ist eine Rollreibung, der eine
Gleitkomponente (Schlupf) berlagert ist. Die Punkte der beiden
Krper, die sich beim Bewegungslauf nacheinander berhren, bestimmen
auf diesen ungleich Bogenlngen.
3. Reibungszustnde
Festkrperreibung ist die Reibung beim unmittelbaren Kontakt der
Reibpartner (Abbildung 1 a). Ein Sonderfall dieser Reibung wird als
Grenzreibung bezeichnet, bei der die Oberflchen der Reibpartner mit
einem molekularen, von einem Schmierstoff stammenden Film bedeckt
sind.
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Abbildung 1 Reibungszustnde a) Trockenreibung ohne Trennschicht,
b) Flssigkeitsreibung (Schwimmreibung) mit Trennschicht
c)Mischreibung (teilweise Trockenreibung, teilweise
Flssigkeitsreibung) 1-sich bewegter Krper, 2-stillstehender
Krper, 3-Zwischenschicht, 4-Bewegung, 5-Belastung [1]
Flssigkeitsreibung (auch Schwimmreibung genannt) ist die Reibung
in dem die Reibpartner komplett von einem flssigen Film getrennt
sind (Abbildung 1 b). Wenn der zum Tragen notwendige Druck allein
durch die Bewegung der Krper hervorgerufen wird, nennt man ihn
hydrodynamisch, entsteht er durch fremdangetriebene Pumpen,
hydrostatisch. Die Reibung entsteht durch die Viskositt (Zhigkeit)
der tragenden Flssigkeitsschicht.
Mischreibung ist die Reibung, bei der an den Paarungsflchen
teilweise Festkrperreibung und teilweise Flssigkeitsreibung
auftritt (Abbildung 1 c)
13.2 Schmierstoffe (bersicht) Reibung tritt in den Lagern von
Achsen und Wellen, an den Flanken von Bewegungsschrauben, Zahn- und
Kettenrdern u. dgl. auf. Um das Gleiten der Paarungsflchen zu
erleichtern und um den Verschlei zu vermindern oder sogar zu
verhindern, werden Schmierstoffe verwendet. Diesen sollen die
Gleitstellen benetzen, an den Werkstoffen haften, die Unebenheiten
der Paarungsflchen voneinander trennen, selbst geringe innere
Reibung haben, die Werkstoffe nicht angreifen und diese vor
Korrosion schtzen, womglich noch khlen, Druck bertragen, abdichten
und die Schmierstellen vor Schmutz und Wasserzutritt bewahren. Als
Schmierstoffe kommen in Frage:
1. Flssige Schmierstoffe. Im allgemein erfllen le am besten die
Anforderungen, zumal sich mit ihnen eine hydrodynamische Schmierung
erreichen lsst. Fr Kunststoff- oder Gummilager kommen auch Wasser
oder Wasser-l-Emulsionen in Betracht.
2. Schmierfette. Sie sind salbenartige Stoffe, bei denen in
einem Metallseifengerst oder in Verdickungsstoffen le eingearbeitet
sind.
3. Pastse Anteigungen. Sie sind eine Mischung aus pulverfrmigen
Festschmierstoffen mit len oder Fetten und dienen als
Dnnfilmschmierung bei Einlaufschwierigkeiten.
4. Festschmierstoffe. Das sind feste Stoffe in Pulver- oder
Schuppenform, z.B. Graphit oder Molibdndisulfid, die an den
Gleitflchen gut haften und diese gleitfhigen machen. Meistens
werden sie in Verbindung mit len, Fetten oder Kunststoffen
verwendet.
5. Gleitfhige Kunststoffe. Dafr kommen Polyamid PA, Polyacetal
POM, Polytetrafluorthylen PTFE und Fluorethylen-Propylen PFEP im
Betracht, die fr Gleitschienen, Lager, Wellendichtungen und
Zahnrder verwendet werden. Es lassen sich auch Festschmierstoffe
(siehe 4) in Kunststoffe Einbetten (inkorporieren), um sie
gleitfhiger zu machen, beispielweise in
Kunststoff-Lagerschalen.
6. Trockenschmierfilme. Das sind Festschmierstoffe in Form von
Filmen (TSF) als Dauerschmierung, die ein Verschmutzen des zu
verarbeiteten Gutes wie Nahrungsmittel oder Textilen
ausschlieen.
7. Gase. Mitunter dient auch Luft zur Schmierung kleiner, sehr
schnell laufender Maschinen.
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13.3 Schmierle le sind die wichtigsten Schmiermittel fr Lager.
Meistens werden die relativ billigen Mineralle gegenber den
synthetischen len bevorzugt. Mit DIN 51502 ist die Bezeichnung der
Schmierle und deren Kennzeichnung genormt, z.B.: Normalschmierle
AN, bitumenhaltige Schmierle B, Umlaufschmierle C, Gleitbahnle CG,
Druckluftle D, Luftfilterle F, Kltemaschinenle K,
Korrosionsschutzle R, Luftverdichterle und andere. Jede Flssigkeit
fliet mehr oder weniger zh und setzt Bewegungen innere Reibung
entgegen. Wenn zwei Flchen unter lschmierung aufeinander gleiten,
dann werden auch die einzelnen lschichten gegeneinander unter
Reibung verschoben. Je grsser die Reibung ist, umso zher ist die
Flssigkeit. Diese Zhigkeit nennt man Viskositt.
Abbildung 2 [1]
Eine unter Gleitreibung stehende Flssigkeit, wie die tragende
Zwischenschicht (der Schmierfilm) bei hydrodynamischer Schmierung,
kann man sich in einzelne, sehr dnne Schichten wie in einem Sto
Spielkarten aufgelst denken (Abbildung 2). Bei gegenseitigem
Verschieben in Lngsrichtung wirkt zwischen den einzelnen Schichten
eine Schubspannung , deren Betrag von der Zhigkeit und von dem
Geschwindigkeitsunterschied der einzelnen Schichten abhngt. In
Newtonischen Flssigkeiten wie in len ist die Schubspannung dem
Geschwindigkeitsgeflle v/h und der Dynamischen Viskositt direkt
proportional. Bezeichnet man die dynamische Viskositt mit , so
betrgt die Schubspannung = v/h. Daraus folgt = v/h mit Pa s als
Einheit. Auerdem kennt man die kinematische Viskositt als das
Verhltnis der dynamischen Viskositt zur Dichte der Flssigkeit, d.h.
v= / mit m2/s als Einheit (oder Centistokes (cSt)). Alle flssigen
Schmierstoffe werden mit steigender Temperatur dnnflssiger, das
heit ihre Viskositt nimmt ab. Deshalb muss die Viskositt immer im
Zusammenhang mit der Temperatur angegeben werden, z.b. 80=33 mm2/s
bei 80C. Nach DIN 51519 sind die Schmierle auf Minerallbasis
international in Viskosittsklassen aufgeteilt, und zwar ISO VG2, 3,
5, 7, 10, 15, 22, 32, 46, 68, 100, 150, 220, 320, 460, 680, 1000
und 1500. Die Zahl gibt jeweils die kinematische Viskositt in mm2/s
bei 40C an. Hierbei ist eine Toleranz von 10% zugelassen. Bei
hheren Temperaturen ist die Viskositt entsprechend kleiner. Im
Konstruktionsbereich ist es wichtig eine Analytische Abhngigkeit
der Viskositt im Zusammenhang mit der Temperatur. Fr Schmierle
stehen mehrere Gleichungen zur Verfgung, wie zum Beispiel die
Reynolds Gleichung, die die Einfachste ist: = 0 e-(T-T0) wo 0 die
Viskositt bei die Referenztemperatur T0 ist.
Schrifttum
1. Decker, K.H., Maschinenelemente, Gestaltung und Berechnung,
14., erweiterte Auflage, Carl Hanser Verlag Mnchen Wien, 1998
2. Pascovici, M.D., Cicone, T., Elemente de Tribologie, Editura
Bren, 2001
