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Forschungscluster GECKO

Gestaltung und Ermittlung charakterisierender Kennwerte
von reibschlussoptimierten Oberflächen

Problemstellung

Die maximal übertragbare tangentiale Kraft einer reibschlüssigen Verbindung ist nach dem Coulomb'schen Reibgesetz durch die Normalkraft und den Reibwert begrenzt

Ft ≤ μ * F

Reibschlüssige Bauteilverbindungen, wie z.B. (Stirn-) Pressverbindungen, Flansch- und Schraub- verbindungen (Bild 1), sind in nahezu allen technischen Anwendungen vorhanden; von mobiler Antriebstechnik über Strukturstahlbau bis zu Windenergieanlagen. Durch eine Verdopplung der vorhandenen Reibwerte könnten entsprechend größere Kräfte und Momente übertragen bzw. die Anzahl der Verbindungselemente (Schrauben) und deren Abmessungen reduziert bzw. der Volumennutzwert erhöht werden.

Bild 1: Reibschlüssige Verbindungen:
a) Stirnpressverbindung (Riemen- bzw. Kettenrad vs. Kurbelwelle),
b) Flanschverbindung (Kupplungsnabe),
c) Pressverbindung (Radsatzwelle eines ICE-3),
d) Kegelpressverbindung (Spannelemente), Bildquelle: intern, Internet

Die Haftreibwerte (auch Reibungszahlen, Reibbeiwerte genannt) werden in vielen Standardwerken und Konstruktionslehrbüchern in Abhängigkeit von unterschiedlichen Werkstoffpaarungen angegeben. Diese Angaben besitzen jedoch eine extrem große Streuung (bis zu 200 %) und sind bei nicht näher spezifizierten Randbedingungen ermittelt worden (Tabelle 1).

Tabelle 1: Literaturangaben zu Haftreibungskoeffizienten von Stahl auf Stahl, nach [1]
Quelle 1 Quelle 2 Quelle 3 Quelle 4 Quelle 5 Quelle 6 Quelle 7 Quelle 8
trocken trocken trocken trocken blank rostig trocken ungeschmiert
0,45 - 0,80 0,15 0,20 0,15 - 0,30 0,10 - 0,15 0,30 - 0,80 0,12 - 0,20 0,15

Somit ergibt sich eine große Unsicherheit bei der Verwendung der Tabellenwerte, was in der Regel zu einer konservativen Reibwertannahme und folglich zu einer Überdimensionierung der reibschlüssigen Verbindung führt. Darüber hinaus ist festzustellen, dass für die funktionelle Beschreibung einer technischen Oberfläche hinsichtlich des zu übertragenden Reibschlusses keinerlei Prozess- bzw. Qualitätsvorschriften resp. Normwerke existieren. Der Konstrukteur schreibt lediglich eine maximale Rauheitsangabe (Ra bzw. Rz) vor, die implizit das Herstellungsverfahren vorgibt (z.B. Schleifen oder Feindrehen). Eine Bewertung der Oberflächen, ausschließlich an den vorrangig eingesetzten statischen Rauheitsparametern Ra und Rz von Profilen, ermöglicht keine eindeutige Aussage über das Verhalten im Funktionsfall. Diese Kenngrößen können bei unterschiedlichen Strukturen der Oberfläche zu gleichen Werten führen.

Um den Volumennutzwert der Konstruktionen trotz der unsicheren bzw. viel zu konservativen Reibwertannahmen steigern zu können, wurden verschiedene reibwerterhöhende Maßnahmen entwickelt und in einigen Anwendungsgebieten eingesetzt. Hierzu gehören einerseits Oberflächenbeschichtungen, die mit Hilfe von eingebetteten Hartpartikeln neben dem vorhandenen Kraftschluss einen Mikroformschluss zwischen den Bauteiloberflächen erzeugen. Somit kann ein bis zu dreimal höherer Haftreibwert im Vergleich zu glatten metallischen Oberflächen erzielt werden. Andererseits werden durch Lasermikrostrukturierung gezielte Oberflächenstrukturen erzeugt und ebenfalls Änderungen im Werkstoffgefüge in Form von partiellen Aufhärtungen vorgenommen, die eine reibwerterhöhende Wirkung (bis zu 100 %) aufweisen. Diese Maßnahmen wurden bis dato hinsichtlich der Reibwertsteigerung nicht systematisch untersucht, es liegen lediglich vielversprechende punktuelle Ergebnisse vor.

Literatur:
[1] Köhler, M.: Beitrag zur Bestimmung des COULOMB'schen Haftreibungskoeffizienten zwischen zwei metallischen Festkörpern. Cuvillier Verlag, Göttingen, 2005
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