Einfluss von Texturen auf die Reibung

Wenn sich zwei Oberflächen übereinander bewegen, entsteht Reibung. Die Kraft und der Verschleiß werden unter anderem von der Rauheit dieser Oberflächen beeinflusst. Aufgrund der großen Vielfalt an Reibungsbedingungen und der Komplexität des Problems ist dies ein anspruchsvolles Forschungsgebiet. Neue Technologien, wie die Texturierung mit einem Femtosekundenlaser, ermöglichen es, kleine Strukturen in die Oberfläche einzubringen, um das Reibungsverhalten zu beeinflussen.

Die Kontrolle der Reibung in industriellen Anwendungen ist eine Chance. Man denke nur an Energieverluste oder eine verkürzte Lebensdauer aufgrund von Reibung oder Problemen bei der Schaffung ausreichender Griffigkeit. Daher ist die Oberflächentexturierung zur Kontrolle von Reibung und Verschleiß in den letzten Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Studien gewesen. Trotz dieses Interesses bleibt es eine Herausforderung, die Ursachen für die Auswirkungen der Oberflächentexturierung unter bestimmten Kontakt- und Schmierbedingungen zu verstehen.

Reduktion auf 62% möglich

Forschungen am Department of Mechanical Engineering des Imperial College London haben gezeigt, dass unter bestimmten Reibungsbedingungen Strukturen senkrecht zur Bewegungsrichtung zu einer Verringerung der Reibungskraft führen.

Die Auswirkung von Oberflächentexturen auf die Reibung wurde experimentell für ein konvergent-divergentes Lager untersucht, das unter verschiedenen Schmierungsbedingungen arbeitet. Texturierte Muster, die aus Hohlräumen unterschiedlicher Form und Ausrichtung bestehen, wurden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, Reibungsverluste zu verringern. Die Tests wurden mit einer Reihe von Schmierstoffen unterschiedlicher Viskosität und normaler Belastung durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit denen einer glatten Referenzoberfläche verglichen und zeigten, dass eine Reibungsreduzierung von bis zu 62% möglich war. 

Diese Effekte werden auch bei Sirris erforscht. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass mit einer bestimmten Textur die Geschwindigkeit eines Gleitlagers um 20% erhöht werden kann. Jetzt wird mit Unterstützung des Lenkungsausschusses des COOCK-Projekts SURFACESCRIPT eine umfassendere Studie erstellt.

Forschungsansatz

Bei der Optimierung eines Prozesses gibt es oft mehrere Parameter, die eingestellt werden können. Wie findet man nun die richtigen Einstellungen? Welche Werte wollen Sie alle ausprobieren und wie viele Tests können Sie durchführen? Und wie sieht es mit der Frage aus, wie das Ergebnis beeinflusst wird, wenn man an zwei Reglern gleichzeitig dreht? Bei der Suche nach einer Oberflächenmodifikation, die die Reibung verringern kann, können laut Literatur mehrere Aspekte wichtig sein. Welche Art von Strukturen werden Sie in die Oberfläche einbringen? Wie groß und tief werden diese Strukturen sein, und schließlich, wie viel der Oberfläche werden Sie so behandeln? Dies sind die vier Faktoren (Inputs). Die gemessene Reibungskraft ist die Reaktion (Output). Im nächsten Experiment wird die Textur gesucht, die die geringste Reibungskraft ergibt. Für jeden Faktor werden zwei bis drei Werte gewählt, je nachdem, was bereits in der Literatur zu finden ist. In diesem Fall werden die Mikrostrukturen auf folgende Weise ausgewählt:

- Runde Löcher oder lange Linien (1 mm)
- Eine Breite von 20 µm oder 80 µm
- Eine Tiefe von 10 µm oder 50 µm
- Eine Oberflächenabdeckung dieser Strukturen von 5, 15, 50%.

Einrichtung

Die strukturierten Wellen sind in einer Buchse montiert, die sich in einem Ölbad befindet. Angetrieben durch ein fallendes Gewicht (200 g - 1 kg) wird die Welle in Rotation versetzt. Die Geschwindigkeit vom Stillstand bis zum Erreichen einer konstanten Drehzahl wird mit Hilfe von Sensoren gemessen, die Kerben auf dem darunter liegenden Schwungrad überwachen. Nach den Messungen ermöglicht die DOE-Technik (Design of Experiments) die Quantifizierung der Einflüsse der verschiedenen Faktoren (Effekte). Ein mathematisches Modell ermöglicht es, den optimalen Punkt oder Trend innerhalb der ausprobierten Parametervariationen zu finden. Die Ergebnisse werden in einem späteren Blog veröffentlicht. 

Haben Sie einen eigenen Fall von Reibung in Ihrem Unternehmen oder möchten Sie mehr über unsere Forschung oder Aktivitäten erfahren? Kontaktieren Sie Olivier Malek und Eddy Kunnen bei Sirris!