Das Reibungsverhalten einer Kugel aus Polymethylmethacrylat auf Eis wurde hinsichtlich Eistemperatur, Gleitgeschwindigkeit und Normalkraft untersucht. Die Reibungszahl wurde in einem Temperaturbereich von -20 °C bis -5 °C bei Gleitgeschwindigkeiten von 0,5 m/s bis 2 m/s unter verschiedenen Normalkräften, 3 N bis 8 N untersucht. Zusätzlich wurde die Temperaturänderung in der Probe nahe dem Reibspalt mittels Thermoelement gemessen. Um für die Untersuchungen einen langen Reibweg mit unbenutztem Eis befahren zu können, sind alle Messungen auf einer Spiralbahn durchgeführt worden.
Mit Hilfe der Pareto-Analyse ist nachgewiesen worden, welche Einflussgröße die größte Wirkung auf die Eistemperatur hat.
Des Weiteren wird begonnen, ein geeignetes FEM-Modell aufzubauen und mit den Experimenten zu vergleichen. Vordergründig geht es dabei um die Simulation der realen thermodynamischen Verhältnisse.
Inhaltsverzeichnis
- VERZEICHNIS VON ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN
- 0 EINLEITUNG
- 1 GRUNDLAGEN
- 1.1 STRUKTURMECHANISCHE UND THERMODYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN VON EIS
- 1.1.1 PHYSIK VON EIS
- 1.1.2 SCHMELZEN VON EIS
- 1.1.2.1 DRUCKSCHMELZEN
- 1.1.2.2 GRENZFLÄCHENSCHMELZEN
- 1.1.2.3 OBERFLÄCHENSCHMELZEN
- 1.1.2.4 REIBSCHMELZEN
- 1.1.2.5 QUASI FLÜSSIGER FILM
- 1.2 TRIBOLOGISCHE SYSTEME MIT EIS
- 1.2.1 TRIBOLOGIE ALLGEMEIN
- 1.2.1.1 REIBUNG
- 1.2.1.2 VERSCHLEIB
- 1.2.1.3 SCHMIERUNG
- 1.2.2 REIBUNG AUF EIS
- 1.3 WÄRMEÜBERTRAGUNG UND TEMPERATURMESSUNG
- 1.3.1 WÄRMEAUSBREITUNG
- 1.3.1.1 WÄRMELEITUNG
- 1.3.1.2 WÄRMEKONVEKTION
- 1.3.1.3 WÄRMESTRAHLUNG
- 1.3.1.4 WÄRMEÜBERTRAGUNG IM REIBSPALT
- 1.3.2 TEMPERATURMESSUNG
- 1.3.2.1 THERMOELEMENT
- 1.3.2.2 WIDERSTANDSTHERMOMETER
- 1.3.2.3 INFRAROTSENSOREN
- 2 UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS
- 2.1 TRIBOMETER UND MESSSYSTEM
- 2.2 HERSTELLUNG UND PRÄPARATION DES EISES
- 2.3 AUSWAHL UND MODIFIZIERUNG DES PROBEKÖRPERS
- 2.4 VERSUCHSPLAN
- 2.4.1 BEMERKUNGEN ZUR REIBUNGSZAHL
- 2.4.2 BEMERKUNGEN ZUR TEMPERATURMESSUNG
- 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION
- 3.1 REIBUNGSZAHL IN ABHÄNGIGKEIT DER NORMALKRAFT, GLEITGESCHWINDIGKEIT UND EISTEMPERATUR
- 3.1.1 ALLGEMEINES REIBUNGSVERHALTEN
- 3.1.2 BELASTUNGS- ODER GLEITGESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGE REIBUNGSZAHL
- 3.1.3 REPRODUZIERBARKEIT DER ERGEBNISSE
- 3.1.4 ABHÄNGIGKEIT DER REIBUNGSZAHL VON DER EISTEMPERATUR
- 3.1.5 REIBUNGSZAHL IN DEN KRITISCHEN BEREICHEN
- 3.2 TEMPERATURMESSUNG IM REIBSPALT
- 3.2.1 GESCHWINDIGKEITSABHÄNGIGKEIT DER TEMPERATUR
- 3.2.2 BELASTUNGSABHÄNGIGKEIT DER TEMPERATUR
- 3.2.3 TEMPERATURVERHALTEN BEI UNTERSCHIEDLICHEN EISTEMPERATUREN
- 3.2.4 TEMPERATURVERHALTEN UND REIBUNGSZAHL
- 3.2.5 STATISCHE TEMPERATURMESSUNG
- 3.3 FAZIT DER UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS
- 4 MODELLBILDUNG MITTELS FEM
- 4.1 GRUNDLAGEN
- 4.2 THEORETISCHES FEM-MODELL
- 4.3 AUFBAU DES FEM-MODELLS
- 4.4 ERGEBNISSE DER SIMULATION
- 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
- 6 LITERATURVERZEICHNIS
- 7 INTERNETVERZEICHNIS
- 8 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
- 9 TABELLENVERZEICHNIS
- 10 ANHANG
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis. Ziel ist es, die komplexen Zusammenhänge zwischen Reibung, Temperatur und Schmelzverhalten von Eis zu untersuchen und ein Modell zur Berechnung der Wärmeströme zu entwickeln. Die Arbeit basiert auf experimentellen Untersuchungen, die mit einem speziell entwickelten Tribometer durchgeführt wurden. Die Ergebnisse werden mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert und analysiert.
- Tribologische Eigenschaften von Eis
- Schmelzverhalten von Eis unter Reibungseinfluss
- Wärmeübertragung im Reibspalt
- Entwicklung eines Modells zur Abschätzung der Wärmeströme
- Anwendung der FEM zur Simulation des Reibungsprozesses
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel der Diplomarbeit befasst sich mit den grundlegenden Eigenschaften von Eis, insbesondere mit den strukturmechanischen und thermodynamischen Aspekten. Es werden die verschiedenen Schmelzmechanismen von Eis unter Druck, an Grenzflächen und durch Reibung erläutert. Darüber hinaus werden die Grundlagen der Tribologie, insbesondere die Reibung, der Verschleiß und die Schmierung, behandelt. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion der Wärmeübertragung und der Temperaturmessung, die für die experimentellen Untersuchungen von großer Bedeutung sind.
Das zweite Kapitel beschreibt die experimentellen Untersuchungen zur Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis. Es werden das verwendete Tribometer und das Messystem vorgestellt, sowie die Herstellung und Präparation des Eises. Die Auswahl und Modifizierung des Probematerials wird ebenfalls erläutert. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Beschreibung des Versuchsplans und der Messmethoden.
Das dritte Kapitel präsentiert die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen. Es werden die Reibungszahlen in Abhängigkeit von der Normalkraft, der Gleitgeschwindigkeit und der Eistemperatur dargestellt und analysiert. Die Ergebnisse der Temperaturmessung im Reibspalt werden ebenfalls diskutiert. Das Kapitel schließt mit einem Fazit der Untersuchungen zur Reibung auf Eis.
Das vierte Kapitel befasst sich mit der Modellierung des Reibungsprozesses mittels FEM. Es werden die Grundlagen der FEM erläutert und ein theoretisches FEM-Modell entwickelt. Der Aufbau des FEM-Modells wird detailliert beschrieben und die Ergebnisse der Simulation werden präsentiert und diskutiert.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis, das Schmelzverhalten von Eis unter Reibungseinfluss, die Wärmeübertragung im Reibspalt, die Temperaturmessung im Reibspalt, die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Modellierung des Reibungsprozesses.
- Quote paper
- Rene Kallmeyer (Author), 2007, Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186372
