Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Institut für Werkstofftechnik

Diplomarbeit
zum Thema

Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung
von metallischen Werkstoffen auf Eis

eingereicht von: René Kallmeyer
eingereicht im: Juni 2007

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis von Abkürzungen und Formelzeichen ... VI

0 Einleitung ... 1

1 Grundlagen ... 2

1.1 Strukturmechanische und thermodynamische Eigenschaften von Eis ... 2
1.1.1 Physik von Eis ... 2
1.1.2 Schmelzen von Eis ... 6
1.1.2.1 Druckschmelzen ... 7
1.1.2.2 Grenzflächenschmelzen ... 8
1.1.2.3 Oberflächenschmelzen ... 9
1.1.2.4 Reibschmelzen ... 10
1.1.2.5 Quasi flüssiger Film ... 11

1.2 Tribologische Systeme mit Eis ... 12
1.2.1 Tribologie allgemein ... 12
1.2.1.1 Reibung ... 13
1.2.1.2 Verschleiß ... 15
1.2.1.3 Schmierung ... 15
1.2.2 Reibung auf Eis ... 16

1.3 Wärmeübertragung und Temperaturmessung ... 18
1.3.1 Wärmeausbreitung ... 18
1.3.1.1 Wärmeleitung ... 19
1.3.1.2 Wärmekonvektion ... 20
1.3.1.3 Wärmestrahlung ... 21
1.3.1.4 Wärmeübertragung im Reibspalt ... 21
1.3.2 Temperaturmessung ... 25
1.3.2.1 Thermoelement ... 25
1.3.2.2 Widerstandsthermometer ... 26
1.3.2.3 Infrarotsensoren ... 27

2 Untersuchungen zur Reibung auf Eis ... 29

2.1 Tribometer und Messsystem ... 29

2.2 Herstellung und Präparation des Eises ... 31

2.3 Auswahl und Modifizierung des Probekörpers ... 33

2.4 Versuchsplan ... 34
2.4.1 Bemerkungen zur Reibungszahl ... 36
2.4.2 Bemerkungen zur Temperaturmessung ... 37

3 Ergebnisse und Diskussion ... 40

3.1 Reibungszahl in Abhängigkeit der Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit und Eistemperatur ... 40
3.1.1 Allgemeines Reibungsverhalten ... 40
3.1.2 Belastungs- oder gleitgeschwindigkeitsabhängige Reibungszahl ... 41
3.1.3 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ... 44
3.1.4 Abhängigkeit der Reibungszahl von der Eistemperatur ... 45
3.1.5 Reibungszahl in den kritischen Bereichen ... 47

3.2 Temperaturmessung im Reibspalt ... 49
3.2.1 Geschwindigkeitsabhängigkeit der Temperatur ... 49
3.2.2 Belastungsabhängigkeit der Temperatur ... 51
3.2.3 Temperaturverhalten bei unterschiedlichen Eistemperaturen ... 53
3.2.4 Temperaturverhalten und Reibungszahl ... 57
3.2.5 Statische Temperaturmessung ... 58

3.3 Fazit der Untersuchungen zur Reibung auf Eis ... 60

4 Modellbildung mittels FEM ... 64

4.1 Grundlagen ... 64
4.2 Theoretisches FEM-Modell ... 65
4.3 Aufbau des FEM-Modells ... 67
4.4 Ergebnisse der Simulation ... 69

5 Zusammenfassung und Ausblick ... 71

6 Literaturverzeichnis ... 74

7 Internetverzeichnis ... 80

8 Abbildungsverzeichnis ... 81

9 Tabellenverzeichnis ... 83

10 Anhang ... 84

0 Einleitung

Am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Ilmenau werden derzeit Untersuchungen zur Optimierung der Reibung von Werkstoffen gegen Eis durchgeführt. Als Optimierung wird hierbei die Verringerung der Reibung betrachtet, welche vor allem für Schneidwerkzeuge in der Lebensmittelindustrie, Eisbrecher oder Kufen für Wintersportgeräte von großer Bedeutung ist. Eine Optimierung im Sinne der Erhöhung der Reibung, zum Beispiel für Winterreifen wird hier nicht betrachtet.

Zu diesem Zweck wurde in Zusammenarbeit mit der Firma TETRA ein Tieftemperatur-Tribometer nach dem Stift-Scheibe-Prinzip gebaut. Die wesentlichen Merkmale sind der Durchmesser der feststehenden Eisscheibe von 1,2 m und das rotierende Messsystem, welches sowohl Messungen auf einer Kreisbahn als auch auf einer Spiralbahn ermöglicht. Mit dem Tieftemperatur-Tribometer können materialabhängige und materialunabhängige Einflussfaktoren auf das tribologische Verhalten verschiedener Werkstoffe auf Eis untersucht werden.

In dieser Diplomarbeit stehen die Abhängigkeiten der Reibungszahl von äußeren Einflussgrößen, wie Normalkraft, Eistemperatur und Gleitgeschwindigkeit im Vordergrund. Dabei sollen erstmals umfangreiche Messungen auf einer Spiralbahn und damit Bewegung auf einer unbenutzten Eisoberfläche weitere Einblicke in den Reibungsvorgang geben. Während des Reibungsprozess entsteht infolge des Schmelzens von Eis ein Wasserfilm an den Kontaktstellen zwischen Probe und Eis, welcher zu einem Schmierfilm führt der die Reibungszahl verändert. Da die Dicke des Wasserfilms noch nicht direkt gemessen werden kann, wurde ein Temperatur-Messsystem eingebaut. Damit sollen Abschätzungen der Wärmeströme in dem tribologischen System Probe / Eis möglich sein.

Des Weiteren soll begonnen, werden ein geeignetes FEM-Modell aufzubauen und mit den Experimenten zu vergleichen. Vordergründig geht es dabei um die Simulation der realen thermodynamischen Verhältnisse.

1 Grundlagen

Die in den folgenden Abschnitten dargestellten Grundlagen sollen einen Einblick in den Stand der Wissenschaft der einzelnen Themen geben. Um die Eistribologie zu verstehen, sind zu Beginn die Eigenschaften des Eises zu betrachten. Das betrifft zum einen die mechanischen Eigenschaften als auch das Schmelzen von Eis und das Phänomen eines Wasserfilmes zwischen Probe und Eis. Zum Verständnis des Reibungsvorganges sollen die Abschnitte zur Tribologie und Reibung auf Eis beitragen. Da in dieser Diplomarbeit die Wärmeströme mit zu betrachten sind, werden in den letzten Abschnitten die Möglichkeit der Wärmeübertragung und die Messung der entstehenden Wärmeströme beschrieben.

1.1 Strukturmechanische und thermodynamische Eigenschaften von Eis

Das mechanische Verhalten von Eis ist sehr komplex, da es von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig ist. Deshalb ist es wichtig, die Faktoren, die Größe ihres Einflusses und den Bereich ihrer Wirkung genau zu kennen. Weiterhin ist es für die Reibung auf Eis relevant wann und wodurch es zur Bildung eines Wasserfilmes kommt. Nur durch Kenntnis dieser Fakten ist es möglich, den Reibungsprozess auf Eis zu verstehen.

1.1.1 Physik von Eis

Eis ist einer der drei Aggregatzustände von Wasser und ein kristalliner Festkörper. Im Eis sind jedem Sauerstoffatom zwei Wasserstoffatome zugeordnet. Beim Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu fest entsteht im Eis eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters. Der kristalline Zustand gilt als thermodynamisch stabiler Zustand, bei dem sich die Anordnungen dreidimensional periodisch wiederholen.

Natürliches Eis kristallisiert in einem hexagonalen Kristallsystem, das bedeutet, es sind sechs Wasserstoffatome jeweils über Wasserstoffbrücken zu einem Ring verbunden. Dabei ist jedes Atom wiederum Teil von zwei benachbarten Ringen. Die hexagonale Kristallstruktur spiegelt sich auch in der Bezeichnung Eis Ih wieder und ist in Abbildung 1 zu sehen. Die dabei aufeinander gestapelten Ringebenen bilden die so genannten Basal- oder Basisflächen. Die Eisstruktur Ih ist die einzige stabile Modifikation von Eis bei Atmosphärendruck. Zum Stand Januar 2004 sind 13 kristalline Modifikationen von Eis bekannt. Sie werden chronologisch von Eis I bis Eis XII nummeriert. Die 13. kristalline Modifikation ist das metastabile kubische Eis Ic, welches innerhalb des Eis I Phasengebietes existiert, jedoch nur unterhalb von -120 °C. Neben dem kristallinen Eis sind noch fünf amorphe Formen ohne Kristallstruktur bekannt.

[...]