Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2758/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -lng. Josef Broichhausen
Dipl. -lng. Karl-Wolfgang Krummel
Abteilung fUr Werkstofftechnik im
Institut fUr Werkstoffkunde
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Methodische Analyse
betriebsbeanspruchter Reibpartner mit
charakt e ristis chen Ve rs chleiBers cheinungen
zwecks Erweiterung der Erkenntnisse
uber die VerschleiBmechanismen
metallischer Werkstoffe
Westdeutscher Verlag 1978
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Broichhausen, Jose~:
Methodische Analyse betriebsbeanspruchter
Reibpartner mit charakteristischen Verschleiss
erscheinungen zwecks Erweiterung der Erkenntnisse
Uber die Verschleissmechanismen metallischer
Werkstoffe / von Josef Broichhausen u. Karl
Wolfgang KrUmmel. - 1. Aufl. - Opladen : West
deutscher Verlag, 1978.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2758 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
ISBN-13: 978-3-531-02758-6 e-ISBN-13: 978-3-322-8f417-6
001: 10,1007/978-3-322-88417-6
NE: KrUmmel, Karl-Wolfgang:
© 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
Vorworl 3
I. Abgrenzung des Themas, Ziele 5
2. Vorgehensweise tribologischer Untersuchungen betriebs-
beanspruchter Reibpartner 6
2.1 Grundsatzliche Einschrankung der Anwendung von
Simulationsversuchen 6
2.2 Schadensanalysen tribotechnischer Systeme 7
3. Tribosystem Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm -
Trochoidenlaufflache eines Wankelmotors 8
3.1 Abgrenzung, Hauptelemente und technische Funktion
des Systems 8
3. 2 Ve rschleii3p robl ern 8
3.3 Untersuchungsmaterial 9
3.4 Makroskopisches Verschleii3bild 10
3.5 Untersuchungsplan 12
3.6 Formgroi3en der Bauteile 13
3.6.1 Trochoidenmantel 13
3.6.2 Dichtleisten 15
3. 7 Beanspruchungskollektiv 16
3.7.1 Bewegungsform und Kinematik der Dichtleiste 16
3.7. 1 . 1 Lage der B erlihrlinie Dichtleiste -
Trochoidenlaufbahn 17
3.7.1.2 Bewegungsmoglichkeiten des Dicht-
leistenmittelteils (Freiheitsgrade) 20
3. 7. 1.3 Gleitgeschwindigkeit der Dichtleiste 20
3.7.2 Mechanische Beanspruchungen 22
3.7.2.1 Krafteverteilung auf der Trochoide 25
3.7.2.2 Krafteverteilung auf der Dichtleiste 25
3.7.2.3 Krafteverteilung bei realer Geometrie 25
3.7.3 Thermische und chemische Beanspruchungen 26
3. 8 Probenjustage und Probenentnahme 27
Sondervorrichtungen zur Probenjustage 27
Sondervorrichtungen zur Probenentnahme 27
Probenentnahmeplan, Trochoidenteilproben 28
3.9 Verschleii3kenngroi3en in zugeordneten Kontaktbe - 28
reichen
3.9.1 Verschleii3erscheinungsformen 28
3.9. I. 1 Makroskopische Ve rschleii3erschei-
nungsformen 28
3.9. I. 2 Mikroskopische Verschleii3erschei-
nungsformen 28
309.2 Verschleii3betrage 33
- 2 -
3.9.2.1 Lineare Verschlei13geschwindigkeiten 33
3.9.2.2 Verschlei13 - Gleitweg - Verhaltnis (VGV) 37
3.10 Struktur des Tribosystems 40
3.10.1 Elemente und Untersysteme 40
3. 10. 2 Eigenschaften der Elemente 41
3.10.2.1 Volum·eneigenschaften von Grund- und
Gegenkorper 42
3.10.2.2 Oberflacheneigenschaften von Grund-
und Gegenkorper 44
3.10.3 Wechselwirkungen der Elemente 50
3.10.3.1 Kontaktzustand 51
3.10.3.2 Reibungszustand 57
3.10.3.3 Verschlei13mechanismen 60
4. Schlu13folgerungen, Ausblick 61
Anmerkungen 63
Literatur 64
Bildanhang 67
- 3 -
Vorwort
Bei tribologischen Untersuchungen an realen Maschinenelementen ist im
allgemeinen zu erwarten, daB in dem BemUhen, relevante Einflullparame
ter moglichst vollsUindig zu erfassen, die eigenen Analysen wie auch die
begleitende Literaturrecherche erheblichen Umfang annehmen kOnnen.
Dies ergab sich ebenfalls beim vorliegenden Forschungsprojekt. 1m Sinne
einer Uberschaubaren Berichterstattung wird deshalb hinsichtlich der all
gemeinen Problematik und der Grundlagen tribologischer Untersuchungen
auf einschlagige Fachliteratur und /1/ verwiesen.
1m folgenden werden vorwiegend die Erfahrungen und Ergebnisse eigener
Analysen an einem realen tribotechnischen System dargestellt.
- 5 -
1. Abgrenzung des The:mas, Ziele
Besti:m:mte Merk:male wie die Verschleil3erscheinungsfor:m konnen wesent
liche Hinweise auf den Verschleil3zustand und fur die Opti:mierung der
tribotechnischen Ele:mente einer Maschine geben, schon bevor Funktions
untuchtigkeit der Bauteile durch Verschleil3beanspruchungen eintritt /2/.
Die Betrachtung der Verschleil3flachen ist de:mnach ein wichtiges Hilfs
:mittel der Verschleil3analyse.
Die Erscheinungsfor:men geben Auskunft, ob durch Storfaktoren andere
Verschleil3arten oder andere Wirkungs:mechanis:men auftreten, die den
erwarteten Verschleil3bedingungen uberlagert sind und die zunachst nicht
vorhersehbar oder nicht zu vermeiden waren.
Schlul3folgerungen von den Verschleil3erscheinungsformen auf die wirken
den Verschleil3mechanis:men sind allerdings nicht eindeutig zu ziehen,
wenn wesentliche Informationen uber Aufbau und Beanspruchungsbedingun
gen des Tribosystems fehlen.
Dieses Problem tritt verstarkt auf bei der Untersuchung betriebsbean
spruchter technischer Tribosysteme, die komplexen Einflussen und Wir
kungsmechanis:men unterworfen sind.
Bei Verschleil3analysen von Schadensfallen treten daruber hinaus zusatz
liche Probleme auf, die daraus resultieren, dal3 die schadhaften Teile
:meist nur in geringer Zahl bzw. nur einmal vorliegen. Verschleil3simu
lationsversuche, die zur weiteren Klarung beitragen konnen, sind aus
:mel3technischen Griinden, Zeit- und Kostengriinden nicht i:mmer moglich.
In eine:m solchen Fall ist ausgehend von den festgestellten Verschleil3er
scheinungsfor:men eine systematische Analyse des gesa:mten Tribosystems
und seiner U:mgebung einschliel3lich des Belastungskollektivs und der Her
stellungslegende durchzufiihren. DarUber hinaus sind eigene tribotechni
sche Erfahrungen, die an ahnlichen Tribosyste:men mit vergleichbaren
Beanspruchungsbedingungen gewonnen wurden, und tribologische Erkennt
nisse aus einschlagigen Veroffentlichungen zu nutzen.
Dazu ist eine systemtechnisch orientierte Untersuchungsmethodik und die
entsprechende Aufbereitung vorhandener Erkenntnisse erforderlich.
Zur systemtechnischen Untersuchungsmethodik der Schadensanalyse im
allgemeinen und speziell auch zur Verschleil3analyse wurden innerhalb der
letzten drei Jahre in zunehmendem Mal3e Beitrage veroffentlicht (z. B.
/3/, /4/, /5/, /6/). Seit November 1976 steht der vorerst noch unver
bindliche Nor:menentwurf DIN 50320 E als Orientierungsvorschlag fUr Ver
schleil3analysen zur VerfUgung.
Entsprechende Richtlinien fur Untersuchungs:methodiken und fUr konkrete
Vorgehensschritte von Schadensanalysen betriebsbeanspruchter tribo
technischer Bauelemente sind bisher jedoch noch nicht bekannt. Die Ana
lyse derartig komplexer Verschleil3schaden erfordert in den Detailunter
suchungen eine Anpassung der Untersuchungsmethoden und -verfahren an
die speziellen Problemstellungen, so dal3 ihrer weitgehenden Vereinheit
lichung Grenzen gesetzt sind.
Es kann i:m folgenden nur versucht werden, das Grundraster einer Unter
suchungsmethodik darzustellen, die fUr spezielle betriebsbeanspruchte
- 6 -
Reibpartner mit metallischen Grundwerkstoffen und charakteristischen
Verschlei13erscheinungen zweckm:t13ig ist.
An einem Tribosystem, z. B. Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm -
Trochoidenlaufflache des Wankelmotors KKM6l2 (K-D-S-T), sollen die
Anwendung dieser Methodik und die erarbeiteten Kenntnisse uber die
Verschlei13mechanismen metallischer Werkstoffe dargestellt werden
o
2. Vorgehensweise tribologischer Untersuchungen betriebsbeanspruchter
Reibpartner
2.1 Grundsatzliche Einschrankung der Anwendung von Simulationsver
suchen
Verschlei13systeme kann man unter physikalischer Annaherung anhand von
Modellversuchen oder unter technischer Annaherung mit Hilfe von Simu
lationsversuchen von Bauteilen, Baugruppen, Teilanlagen oder schlie13-
lich im Rahmen von Praxisversuchen an gesamten technischen Anlagen
untersuchen.
Yom Modell- bis zum Praxisversuch nimmt die Betriebstreue bezuglich
Aufbau und Beanspruchungen des Verschlei13systems zu. 1m gleichen Sinn
wachst auch die Uebereinstimmung der in den Versuchen ermittelten
Kenngro13en (wie Lebensdauer) mit den realen im Betrieb wirksamen Pa
rametern. Gleichzeitig nimmt aber auch der Versuchsaufwand zu. Die
direkten Untersuchungsmoglichkeiten uber die tatsachlichen Vorgange in
der Reibkontaktzone nehmen andererseits mit zunehmender Betriebs
treue ab, da die Reibstelle me13technisch unzuganglicher wird. Die Beob
achtung der Kontaktzone wahrend der Beanspruchungen ist jedoch fUr die
Erforschung von Reibungs- und Verschlei13gesetzma13igkeiten unerla13lich
/7/.
Derartige Beobachtungsmoglichkeiten sind annahernd nur innerhalb von
Modell- und Bauteilversuchen unter Eingrenzung der au13erordentlichen
Vielfalt tribologischer Einflusse zu erreichen.
Diese Eingrenzung der Einflusse und eine zweckma13ige Versuchsplanung
setzt hinreichende Kenntnisse uber das gesamte tribologische System und
seine B eanspruchungen voraus.
Je komplexer die Struktur und das Beanspruchungskollektiv eines Tribo
systems sind, um so problematischer wird die Vernachlassigung bzw.
Abschirmung von tribologischen Einflussen.
In den Oberflachenschichten tribotechnischer Bauteile konnen Reaktions
mechanismen auftreten, durch die die Eigenschaften der Mikro-Werkstoff
struktur durch sogenannte irreversible kUITlulative Schwellenwerte (z. B.
Energieniveaus) /8/ entscheidend verandert werden (Phasenumwandlung
etc.), vgl. Bild 1.
Die dadurch geanderten Verschlei13mechanismen werden in vereinfachten
Verschlei13simulationsversuchen nicht berucksichtigt. Auch die zeitliche
Komprimierung der Beanspruchungsbedingungen in "Kurzzeittests" ist
wegen der Verfalschung der Reaktionsmechanismen nicht ohne weiteres
zulassig; zur Annaherung der realen Tribobedingungen sind aufwendige
Randomversuche erforderlich, bei denen jedoch alle wesentlichen Para
meter schon bekannt sein mussen. Wie weit die Annaherung reichen mIJ13,
kann nur durch tribologische Analysen an realen tribotechnischen Syste
men bestimmt werden.
- 7 -
2.2 Schadensanalysen tribotechnischer Systeme
Die EinflullgrOllen und Verschleil3mechanismen realer betriebsbean
spruchter tribotechnischer Systeme kOnnen nur im Rahmen einer System
analyse erfal3t und nach ihrer Bedeutung abgestuft werden. Diese Analysen
sind i.a. auch dann nach einer Methode der systematischen Schadensun
tersuchung durchzufUhren, wenn der Verschleil3 noch nicht zum Funk
tionsversagen der Bauteile gefUhrt hat.
Es kOnnen aus bewul3ter oder unbewul3ter Fehlinformation oder aus un
vollst~ndigen Informationen z. B. tiber Einsatz und Herstellungslegende
der Bauteile bei der Kl~rung von Verschleil3ursachen und Mechanismen
erhebliche Probleme entstehen. Diese sind nur mittels systemanalytisch
orientierten Schadensuntersuchungen zu losen.
Die Grundschritte eines Ablaufschemas ftir derartige Untersuchungen
bleiben im wesentlichen immer erhalten, wahrend die Detailschritte auf
die konkreten Tribosysteme abgestimmt werden mussen.
In Anlehnung an die VerOffentlichungen /3, 4, 5, 6/ ist es zweckmal3ig,
nach einem netzplantechnisch orientierten Schema wie in Bild 2 vorzu
gehen.
Fur die Entscheidung, welche Informationen benotigt werden, welches
Untersuchungsmaterial und welche Teilproben ausgewahlt werden mtis-
sen und welche Zielsetzungen die gesamte und auch die Teiluntersuchun
gen verfolgen sollen, ist die Nutzung eines Schemas der Standard-System
analyse tribotechnischer Systeme nach DIN 50320 E dienlich, Bild 3 - 6. Die
Systemanalyse mul3te zur Erfassung eines Verschleil3vorgangs fur die
Momentanzustande im Anfang, zu mehreren Zeitpunkten des Betriebes
und fur den Endzustand durchgefiihrt werden. In der Praxis ist jedoch i. a.
nur noch der Endzustand festzustellen. Der Anfangszustand kann haufig
nur an gleichen Systemen derselben Bauserie untersucht werden.
1m allgemeinen ist es schon aus zeitlichen Grunden nicht moglich, samt
liche Einflul3parameter bei jeder Analyse zu untersuchen. 1m Sinne eines
Flul3diagramms ist die Verknupfung der Einflul3faktoren, die in einer
Uebersicht fUr Reibung und Verschlei13 schon von Groger und Kobold /9/
nebeneinander aufgelistet wurden, wegen der haufig vorliegenden nicht
linearen Superpositionsbedingungen problematisch.
Die Verknupfungsbedingungen mussen im einzelnen fur den jeweiligen tri
bologischen Fall festgestellt werden.
Trotz dieser Problematik sind die Uebersichten, wie sie auch fur die
Standard-Systemanalyse dargestellt werden konnen, eine wesentliche Hil
fe fur systematische Recherchen auch hinsichtlich einschlagiger Litera
tur. Aul3erdem sind sie in Verbindung mit Klassifizierungskennummern
fur die einzelnen Parameter, wie sie z. B. von Habig und Czichos /10/ vor
geschlagen wurden, ein Schritt auf dem Weg zur EDV -Dokumentation der
Ergebnisse von Verschleil3analysen, Bild 7.
Aus diesen Griinden wurden bei den eigenen Untersuchungen die genannten
Schemata benutzt und erweitert.
- S -
3. Tribosystem Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoiden-
lauffHi.che eines Wankelmotors
3.1 Abgrenzung, Hauptelemente und technische Funktion des Tribosystems
Das Ubergeordnete System (Maschine) ist ein Wankel-Kreisko1benmotor
KKM 612, der normalerweise in einem PKW vom Typ RO SO/Audi-NSU
eingebaut ist, im vorliegenden Fall jedoch auf einem PrUfstand a1s Ver
suchsmotor betrieben wurde, Bild S.
FUr die Abgrenzung des Systems Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm
Trochoidenlaufbahn (K-D-S-T) und seines besonders interessierenden Un
tersystems Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoiden1aufbahn (D-S-T) wur
den Konstruktionsunterlagen aus einschHi.giger Literatur zugrunde gelegt,
die zugleich eine Definition der Bauteile gestatten, Bild 9 bis 13.
Hauptelemente des Tribosystems:
Das (K-D-S-T)-System besteht aus mehreren tribo1ogischen Untersyste
men, die ihrerseits ebenfalls Untersysteme entha1ten.
Die fUr die anstehenden Verschlei13prob1eme bedeutendsten Triboe1emente
des (D-S-T)-Systems sind
- Dichtleiste "Grundkorper" (1)
(bei Gliederleiste des Mitte1teils)
- Trochoiden1aufbahn " Gegenkorper" (2)
(T rochoidenmante1)
- Schmierfilm " Zwischenmedium" (3)
- Verbrennungsgas, Luft "Umgebungs medium' , (4)
Technische Funktion des Tribosystems (D-S-T)
Unter selbsttatiger, betriebsabhangiger Einstellung hat das System Dicht-
1eiste - Schmierfilm - Trochoiden1aufbahn (D-S-T) die Funktion der radia
len A bdichtung aufeinander fo1gender A rbeitskammern an den Ko1benecken
des Kreisko1benmotors (Bild 14) /12/.
3.2 Versch1ei13problem
Bei der Entwicklung des Wanke1motors stellte der Versch1ei13 der Dicht-
1eisten an den Ecken des Kreiskolbens eines der Hauptprobleme dar. Ob
woh1 es heute einige Werksto££paarungen wie z. B. Ferrotic - Nikasil gibt,
die in hohem Ma13e auf empirischem Wege entwickelt wurden, bis sie den
Anforderungen gerecht wurden, werden aus viel£altigen GrUnden versuchs
weise auch noch andere Dichtleistenwerksto££e eingesetzt. Unter anderem
wurde einer dieser Werkstofie, eine Fe-Sondergu13legierung, auch in der
Massenfertigung bei der Produktion des RO SO PKW -Motors bis vor kur
zem verwendet. FUr Neuentwicklungen gro13erer Wanke1motoren sind wie
der Ferrotic-Dichtleistenwerkstoffe vorgesehen. Da aber die Kenntnisse
Uber die gesamten Verschlei13vorgange und -mechanismen des Radia1-
Dichtsystems nach wie vor unbefriedigend sind und Aenderungen der
Schrnier- und Kraftstoffzusatze info1ge verscharfter Umweltschutzbedin
gungen erneute Legierungsanderungen bzw. Werkstoffsubstitutionen er
zwingen konnten, sind aIle BemUhungen darauf zu richten, die bisherigen
Erfahrungen mit Dichtleistenwerkstoffen systematisch auf Versch1ei13 hin
auszuwerten.
