XXV. Band. ~9~. Schr6ter, Zur Physik des Schleifkontaktes II. 489

Zur Physik des Schleifkontaktes II. g O D

F. Schriiter, Godesberg,

Mitteilung aus dem Prfiffeld der Ringsdorffwerke A. G., Mehlem Rh.

Um den Mechanismus des Stromfiberganges bei aufeinander schleifenden Kon- takten, z. B. Btirsten und Kollektoren elektrischer Maschinen n/iher zu untersuchen, wurde eine Apparatur zur Aufnahme yon Reibungs-Oszillogrammen derartiger Btirsten zusammengestellt, welche Vergleiehe zwischen den Momentanwerten der Reibung und des Ubergangswiderstandes erm6gliehte. Auflerdem konnten damit die im H6chst- falle auftretenden Reibungsst6fle gemessen werden, was angesichts der gelegentlich beobachteten betr~ichtlichen Zerst6rungen an unruhig laufenden Schleifbfirsten von Interesse war.

1. D a s M e f l v e r f a h r e n .

Da eine Reibungsmessung auf die Messung des Tangentialdruekes der Schleif- bfirste auf ihren Halter hinausHiuft, war ein Druckmesser zu entwerfen, der eine hinreichend tr~Lgheitslose elektrische Registrierung des Momentandruckes erlaubt. Derartige Druckmesser sind bekannt 1.

Das Verfahren beruht darauf, daft auf den Seitenfl~ichen eines geeignet ge- schnittenen Quarzkristalles Ladungen entstehen, welche dem jeweils auf ihn wirkenden Druck proportional sind. Ein solcher Quarzkristall steuert das Gitter einer Elektronen- r6hre, deren Anodenstrom dann nach geeigneter VerstS, rkung ohne weiteres mit einem normalen Schleifenoszillographen registriert werden kann. Das Schema der Anordnung zeigt Bild 1, der Schleifkontakt (K) sttitzt sich direkt gegen den Quarz- kristall (Q); die Elektronenr6hre (E) mit besonders hoch isoliertem Gitter ist so ange- ordnet, daft eine sehr kurze freitragende Verbindung vom Kristall zum Gitter er- m6glicht wird.

Bild 1. Schema der Met~einrichtung. R Schleifring, K Sehleifbiirste, mit dem Druck P angeprel~t, (2 Quarzkristall mit zwei leitenden Belegen, E Elektronenr6hre mit dahinter geschaltetem Verst~irker V und

dem Oszillographen O.

Mit dem Gefiit und dem angeschalteten VerstS.rker wurde eine Empfindlichkeit yon 2 Milliamp. ftir 100 g tangentialen Reibungszug erreicht, was einen Ausschlag yon 4 mm auf den Oszillogrammen'ergab. Der unverzerrt wiedergegebene Meflbereich war dutch die Charakteristik der Elektronenr6hre auf Druekschwankungen yon etwa 800 g begrenzt. Die Eigenfrequenz der Oszillographenschleifen lag bei 3000 Hertz.

i Piezoeelektrische Messungen von Druck- und Beschleunigungskfiiffen. Kluge u. Linkh (Z. d. V. D. I. Band 78, Nr. 87, S. 1811 u. f.).

Archiv fiir 490 SchrSter, Zur Physik des Schleifkontaktes II. Elektrotechnik.

2. Typische Reibungsoszillogramme. Aus der grofien Zahl verschiedenartigster Diagr.amme, die mit dem neuen Geriit

aufgenommen wurden, sind in Bild 2 einige charakteris~ische Typen zusammen-

V 0,0s

o

RK kg ~z

7,o

b

o

0 t-

c

gK o,z

o

Bild 2. a Ratternde Biirste, b Ruhiger Kontakt (elektrographitierte Btirste), c Gefetteter Kontakt.

gestellt. Das oberste Oszillogramm zeigt eine unruhig laufende (ratternde) harte Bilrste auf einem Kupferring (Durchmesser 500 mm, 980 T. p, M.). Der Reibungs- koeffizient liegt bei 0,5; wenn die Btirste zeitweise nach einem besonders heftigen

x x v . Band. ~93~. Schr6ter , Zu~ Physik des Schleifkontaktes II. 491

Stof; abgeworfen wird, steigt der Spannungsabfall hoch an (auf dem Oszillogramm wegen der P1Otzlichkeit des Anstieges nicht mehr verzeichnet), w~ihrend die Reibung au[ minimale BetrSge zuriieksinkt. Dem Reibungsstofi selbst entspricht meist eine ziemlich schroffe Absenkung der Spannungskurve, ohae daft aber ein Zusammenhang zwischen der Heftigkeit des Stories und der Senkung des Spannungsabfalles erkennbar ist. Entsprechende Zacken der beiden Kurven sind im Bild dureh senkrechte Striche ~erbunden.

Vergleicht man damit die typischen Kurven einer elektrographitierten Kohle- btirste (Oszillogramm b), so fSllt zun5chst der wesentlich glattere Verlauf und der niedrigere Weft der Reibung in die Augen. Dem entsprieht die ruhigere Spannungs- kurve. Auffallend ist weiter deren wesentlich gestiegene HOhe. Auf die Gr/3nde dieser Untersehiede kommen wir noch zurfick.

Als letztes Glied in dieser Reihe ist der Ubergang zur halbflt~ssigen Reibung zu betrachten, die wir durch sehwaches EinOlen des Ringes erhalten (Oszillogramm c). Die kleinen Zacken der Reibungskurve verschwinden vSllig, der Reibungskoeffi- zient geht weiter betr~chtlich zurtick, wi~hrend 'der Spannungsabfall noch hOher steigt,

Denn obwohl der Ring naeh dem Einfetten mit einem troekenen Lappen abge- rieben wurde, konnte die vorhandene Spannung (2 Volt) die Olhaut nicht mehr durch- schlagen, er mufite vielmehr erst mit feinstem Polierschmirgelpapier wieder etwas aufgerauht werden. Selbst danaeh flossen nur vereinzelte Stromst0fie durch den Kontakt, wie man deutlich aus der Gestalt der Spannungsabfallkurve erkennt.

g. Kritik der Oszi l logramme.

Bei allen Aufnahmen zeigte sich, dab der Oszillograph bei mit dem Ring syn- chroner Drehzahl ein stehendes Bild lieferte, daft also Spannungsabfall und Reibung an den gleiehen Ringstellen immer ungef~ihr gleiehe Werte haben. Die jeweilige Beschaffenheit der R i n g oberfl~che.ist demnach ftir das Verhalten des Sehleifkontaktes mat3gebend. Da diese Oberfl~iChe langsam abgeschliffen wird, ~indert sich nattirlich auf die Dauer das Kurvenbild, jedoch bleiben eharakteristische Zacken oft stunden- lang bestehen. Da die Oszillogramme je eineinviertel Kollektorumdrehung um- fassen; ist die Wiederholung der Kurven sehr gut zu sehen.

Dagegen zeigt sich kein deutlicher Zusammenhang zwischen Reibung und Ubergangswiderstand; Schwankungen der einen Or6fie sind meist ohne Einflufi auf die aadere: Von groben Beeinflussungen, wie sie in Oszillogramm a zum Ausdruck kommen, wollen wir dabei absehen, denn es ist nattirlich einleuchtend, daft kr~iftige ReibungsstSfie, welche die Kohlebtirste mehr oder weniger vom Ring abwerfen, ffir den Augenblick den Spannungsabfall am Kontakt erhShen und die Reibung ver- mindern werden. Je ruhiger aber die Biirsten laufen, um so weniger ist ein Zusammen- hang erkennbar,

4. Die Reibung auf Kommutatoren.

Grunds~itzlich ~hnlich sind die Vorgtinge auf Kommutatoren. Als sC6rendes Moment kommt hier jedoch noch die Lamellenteilung hinzu, welehe unter Umst~inden Veranlassung zu sehr kr~ftigen Resonanzschwingungen werden kann. Ein typisches Beispiel daftir gibt Bild 3. Es erscheint verst~ndlich, daft in solchen FS~llen die Biirsten- halter auf die Dauer zerstSrt werden kSnnen, besonders wenn man aut3er der Wucht auch die grot3e Zahl der StO/3e berticksiehtigt.

Archiv f. Elektrotechnik. XXV. Band. 7. Heft. 34:

Archiv, f4ir 492 Schr6ter, Zur Physik des Schleifkontaktes II. lglektrotechnik.

e,g

o

D

Bild 3. Einflug der Kollektornutung auf die Reibung.

5. ReibungsstoB und Oberflttchenbeschaffenheit der Kontakte .

Bei der Suche nach den Grtinden fiir so unerwartet heftige Reibungsst6t3e, wie sie z. B. Oszillogramm a (Bild 2) zeigt, wurdert aueh Mikrophotographien der Laufflgchen solcher Biirsten hergestellt, die besonders stark gerattert hatten. Bild 4~ zeigt einen AussChnitt daraus (Vergr6t3erung 1: 100).

Bild a.. Nikrophotographie (1:100) der Lauffl~iche einer rat ternden Schleitbiirste.

Das lgngliche helle Teilchen links ist ein Kohlesplitter, der sich sehon teilweise yon der Biirste gelOst hat. Bei der niichsten Gelegenheit wird er halb herausfallen und sich mit seiner Spitze i n das Kupfer der Lauffl~tche bohren. Auf diese Weise ist dann eine Verankerung der beiden Kontakte hergestellt, zu deren Zerbrechen eine gewisse Kraft n6tig ist, die wit als Reibungss~coB beobachten.

Das Bild gestattet ihre Berechnung wenigstens der GrOBenordnung nach. Man findet die Breite des Splitters zu 2 • 10 -3 mm, sein Querschnitt wird also etwa 4 • 10 -4 mm 2 betragen. Die Druckfestigkeit des Kohlematerials ist sehr betr~cht- lieh, an Wiirfeln yon 1,5 mm Kantenlgnge land der Verfasser Werte bis 170 kg/mm ~. Bei einem homogenen Splitter diirfte sie noch wesentlich gr6fier sein. Nehmen wir for die ,,mikroskopische" Festigkeit nut den fiiMfachen Wert an, so ergeben sich schort Reibungsst6Be yon 800--400 g. Wit erhalten also die gleiche Gr613enordnung wle bei unseren Reibungsoszillogrammen.

Die Reste eines solcherl in das Kupfer oberflgchlich eingerammtea Splitters k6nnen die Kohle wS~hrend einiger Umdrehungen anstoBen. Wiseht man den Ring mit einem trockenen Tuch ab, so h6rt das Reibungsger~usch momentan auf, ist jedoch meist nach einigen Minuten wieder da, wenn nSmlich neue Splitter in gentigender Zahl den Ring besetzt haben.

XXV, Band. ~93~. Schr6~cer, Zur Physik des Schleifkontaktes II. 493

Ein derartiges Rattern, das bezeichnenderweise im Oszillographen ein sehr unruhiges Bild liefert -- eben wegen des dauernden Zerbreehens yon Verankerungen -- ftihrt meist in Ktirze zur Zerst6rung des Kontaktes. Bei schw/icheren Formen ist lediglich ein mehr oder weniger starker Angriff des Ringe s zu beobaehten und der Ubergang zu immer geringeren Werten von Reibung und Angriff ist durchaus stetig.

Es ist sehr eigenartig, dab bei diesem Sachverhalt keine bessere Abh/ingigkeit zwischen den Kurven ffir den Spannungsabfall und denen der Reibung besteht, denn man soIlte doch annehmen, daft eine mechanisehe Verankerung einen besonders guten Kontakt ergeben mtifite.

6. Iso l ierende Schichten z w i s c h e n den Kontaktf lachen.

In einer frtiheren Arbeit fiber den Schleifkontakt Kohle-Metall 1 hatte der Ver- fasser gefunden, dab die Reibungsverluste die Kontaktpunkte weniger heizen als die elektrisehen Verluste; und hatte daraus geschlossen, dab man eine Isolierschicht zwis.ehen den Kontaktfl//chen annehmen mtisse, in der die Reibungsarbeit zum gr6Bten Teil geleistet wird, w/ihrend der Strom nur durch die L6cher in dieser Schicht flieBt.

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0

Bild 5. Reibung und SpannungsabfaIl bei sehr:h0hen Fl~ichendrticken.

Auf diese L6cher, die wirklichen Kontaktpunkte, entf~ilIt dann nur ein kleiner Teil der Reibungsw~rme. R. H o l m 2 vertrat dagegen die Auffassung, dab eine solche Isolierschicht nur eine untergeordnete Rolle spielen dtirfte. Die Resultate des oben erw//hnten Aufsatzes k6nnten vielmehr durch die Annahme erklirt werden, daft die Deformationsarbeit der Reibung zwar ausschlieBlich an den Kontaktpunkten geleistet wird, dab sie aber wesentlich tiefer in das Material der Kontakte eindringt, als die elektrischen Verluste durch den Ausbreitungswiderstand. Da sie also ein gr6Beres Volumen erw~rmen muB, ergibt sich naturgem~g eine geringere Temperatur- erhOhung.

Die bisherigen Oszillogramme gestatten noch keine Entscheidung zwischen beiden Ansichten, die weitere Untersuehung sollte deshalb eine Klirung in diesem Punkte versuchen. Eine Isoliersehieht kann entweder eine Fltissigkeits- oder Gashaut sein, sie kann abet aueh dureh einen verhgltnism~gig festen Metalloxydfilm gebildet werden.

Eine Gas- oder Fltissigkeitsschieht wtirde sich m6glieherweise zerdrticken lassen. Deshalb wurde die Lauffliiche einer elektrographitierten Kohle soweit abgesezt, dab nur 4 Sttitzen yon zusammen 9 mm 2 Flichen tibrig blieben. Damit ergab sich

1 Zur Physik des Schleifkontaktes, Arch. f. Elektrot. 1927, Bd. 18, Heft 2. l)ber metallische Kontaktwiderst~nde, Wissensch. Ver/3ff. a. d. Siemens-Konz. VII. Bd.

2. H. 1929. 34*

Archiv iiir 494 Schr6ter , Zur Physik des Schleifkontaktes II. Elektrotechnik.

eirt Fl~ichertdruck yon 11 kg/cm% Noch h6here Werte waren mit Rticksicht auf den allzuschnell zunehmendert Btirstenverschleit3 nicht m6glich.

Wie Bild 5 zeigt, ist der Versuch mil31ungen: Ein Zusammenhang zwisehen Reibung urtd Spartnungsabfali ist trotz tier hohen Ftgchenpressung nicht erkenabar.

Wenn also eine Isolierschicht existiert, so muf3 sie eine betrS~chtliche Festigkeit haben, wie es etwa yon einer Oxydschieht zu erwarten ist.

7. g e r s u c h e auf eitaem Kohlering.

Die Messungen wurden nun auf einem Ring aus Kohlenstoff (60 mm Durch- messer, 1470 T. p. M.) fortgesetzt, da Kohlenstoff nur gasf6rmige Oxyde bildet, also ein grundsgtzlich anderes Verhalten erwarten igf3t als ein metallischer Ring.

Jetzt ertdlich zeigen die Oszillogramme den gesuchten Zusammenhang zwisehen Reibung und Spannungsabfall. Jedem Reibungsstof3 entspricht im allgemeinen eirl

V 0,03

A/(

Bild 6. Reibung und Spannungsabfall auf einem Kohlering.

Absinken des Spannungsabfalles. (Im Bild dutch senkrechte Verbindungslinien hervor- gehoben.) Selbstverst~ndlich ist keirte quantitative {3bereinstimmung zu erwarten, da die Kontaktpunktfl~iche nicht einfach der Reibungsarbeit am Kontakt proportional ist. Dazu ist das Gefiige der Kohle, wie schon das Mikrobild 4 zeigt, viel zu wenig einheitlich, ganz abgesehen davon, dab der spezifische Widerstand des Kohle- materials an den winzigen Kontaktpunkten sicher nicht/iberall den gleichen Weft hat.

8. Weitere N a c h w e i s e ffir das Vorhandense in yon Oxydschichten.

a) Die F l ~ c h e n p r e s s u n g .

Der Kontakt Kohle gegen Kohle zeigt auch elektrisch ein wesentlieh anderes Verhalten als die friiher untersuehten Kohle-Kupferkontakte. Eine eingehende Dar- stellung muff einer besonderen Arbeit iiberlassen bleiben; bier soil er nur soweit behandelt werden, wie es die Frage der Oxydschichten bei Metallkontakten erfordert.

Es wurde sehon eingangs darauf hingewiesen, daft der SpannungsabfaI1 der elektrographitierten B/irsten gegen einen Kupferring bei schwachen Str6men etwa 1,2 Volt betrug. Er ist ziemlich unabhSmgig yon der Stromsdirke.

Der {]bergangswiderstand w~ichst also mit sinkender Belastung erheblich. Bei Spannungen yon nur einigen Millivolt am Schleifkontakt wurden Werte bis zu 400 Ohm gemessen. Berechnet mart die Gr6f3e des zugehOrigert Kontaktpunktes aus dem Ausbreitungswiderstand, so kommt man zu so winzigen Fl~ehen, dab sich ganz ungeheuerliehe Fl~chenpressungen ergeben wtirden. Schotl aus diesem Grunde ist es wahrscheintich, dab der Druck in der Hauptsache yon einer isolierenden Schicht aufgenommen wird.

XXV. Band. ~gaz. S c h r 6 t e r , Z u r P h y s l k des S c h l e i f k o n t a k t e s I I . 495

Der Kohle-Kohlekontakt zeigt dagegen bei kleinen Belastungen das Verhalten eines Ohmschen Widerstandes yon geringer Gr0Be.

Bei einer Belastung yon 1 kg auf eine Schleifbtirste von 5 cm ~ und einer Dreh- zahl des Kohlerings yon 30 T. p. M. ergab sich z. B: ein Ubergangswiderstand yon etwa 0,10 Ohm. Der spezifische Widerstand der Kohle betdigt etwa 0,004 Ohm cm. Bei der geringen Drehzahl und niedrigen elektrischen Belastung trat keine nennens- werte Erwiirmung der Kontaktpunkte auk

Wena der Kontakt in drei Punkten stattfindet, so ergibt die Gleichung far den Ausbreitungswiderstand (angenS~hert) den Durchmesser jedes Punktes zu 0,135 mm, was einer F1~chenpressung von etwa 2300 kg/cm ~' entspricht. Bei nur einem Kontakt- punkt erhaIten wir ein Drittel dieses Betrages.

Die Gr0Benordnung der mikroskopischen Druckfestigkeit des Materiales wtirde danach bei etwa 1000 kg/cm 2 liegen, was mit unserer Sch~itzung bei der Diskussion des Mikrobildes (Festigkeit eines Kohlesplitters) i n etwa iibereinstimmt.

b) K o n t a k t p u n k t h e i z u n g d u r c h e i e k t r i s c h e und R e i b u n g s v e r l u s t e .

Zwischen Kohlefl~ichen k6nnen sich keine Oxydschichten bilden. Dana k0nnen aber die Reibungsverluste diesen Kontakt ungefghr so heizen, wie die elektrischen Verluste, im Gegensatz zum Kontakt Kohle-Metall. Bei diesem tritt der Einflufi der Reibung, wie schon oben erw~ihnt; gegentiber den elektrischen Verlusten stark zuriick.

Die Messungen bestS~tigen dies in sehr befriedigender Weise, wie Bild 7 zeigt.

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I

2g -z5r 7eJ: ,]0

Bild 7. Widerstand yon Kohle-Kohlekontakten in Abhfingigkeit yon den Gesamtverlusten am Kontakt.

120 T. p. M. des Kohleringes, O 530 T. p. M. ,, ,, • 1480 T. p. M. ,, ,,

Der Kohlering lief mit drei verschiedenen Drehzahlen, so dab sich drei Werte f/Jr die Reibungsverluste ergaben. Bei jeder Drehzahl wurde der l)bergangswiderstand bei verschiedenen Stromst~irken bestimmt, wobei die elektrische Belastung des Kon- taktes bis auf einige Watt getrieben wurde. Die elektrischen Verluste wurden zu den Reibungsverlusten addiert und der ~)bergangswiderstand als Funktion dieser gesamten Verluste aufgetragen. Alle Mefipunkte ordnen sich befriedigend in eine einzige Kurve ein. Die kleinen Abweichungen erklS~ren sich wahrscheinlich dadurch, dab far den Reibungskoeffizienten nur ein mittlerer Wert (0,27) eingesetzt wurde, da eine genauere Ermittlung nicht mSglich war und weiter dadurch, dab ein vollkommen gleich- artiger EinfluB der elektrischen und der Reibungsverluste auf den Kontakt auch aus physikalischen Grtinden nicht zu erwarten ist.

Archly far 496 Schr6ter, Zur Physik des Schleifkontaktes II. Elektrotechnik.

Zusammenfassung. Der Schleifkontakt wird in einem neuartigert Reibungsmet3ger~it unter Benutzung

eines Piezoquarzes oszillographisch untersucht. Eirl Vergleich der Oszillogramme der Reibung und des SpannungsabfaUes t~f3t keinen Zusaramenhang dieser beiden Gr6fien erkennen, obwohl verschiedene Typen von Schleifkontakten, eine ratterr~de harte, eine ruhig laufende elektrographitierte und eine gefettete Bfirste untersucht wurden.

Eine Mikroaufnahme der Bfirstenlauffl~iche gab einen Anhalt fiir die Gr6ffe der beobachteten Reibungsst6ffe; die Unabh~ingigkeit yon Reibung und !Zbergangs- widerstand legte die Annahme einer isolierenden Schicht nahe.

Versuche zeigten, daft es sich dabei um eine ziemlich feste Metalloxydschicht handeln muff, da Kohleschleifbtirsten auf Kohleringen die Anomalien der Metall- kontakte nicht zeigten. Bei ihnen konnte vielmehr die Abh~ngigkeit des Kontakt- widerstandes yon der Reibung im Oszillogramm nachgewiesen werden. Ferner erw5rmten sich die Kontakte in ungef~ihr gleicher Weise durch Reibungsverluste wie durch die in ihnen verbrauchte elektrische Energie.