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
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 VERSCHLEIß
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
Zielsetzung & Themen der Arbeit
Die Arbeit verfolgt das Ziel, das Reibungsverhalten von metallischen Werkstoffen (hier speziell in einer Kugelform aus PMMA) auf Eis unter verschiedenen äußeren Bedingungen experimentell zu bestimmen und mittels eines Temperaturmesssystems thermodynamische Aspekte wie den Wärmestrom im Reibspalt zu analysieren.
- Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl unter Variation von Normalkraft, Eistemperatur und Gleitgeschwindigkeit.
- Untersuchung der Entstehung und des Einflusses des quasi flüssigen Films auf den Reibungsprozess.
- Einsatz und Bewertung von Temperaturmessverfahren (insb. Thermoelemente) zur Abschätzung von Wärmeströmen.
- Entwicklung und Validierung eines numerischen FEM-Modells zur Simulation der thermodynamischen Verhältnisse im Kontaktbereich.
- Identifikation kritischer Reibungsbereiche bei verschiedenen Eistemperaturen.
Auszug aus dem Buch
1.1.2.4 REIBSCHMELZEN
Eine weitere Möglichkeit, wie die Bildung eines quasi flüssigen Filmes stattfinden könnte, ist das Schmelzen des Eises aufgrund von Reibungswärme. Ein Großteil der Reibleistung wird in Wärme umgewandelt und kann somit den Aufbau eines Filmes ermöglichen. Im Gegensatz zu den vorherigen Schmelzmöglichkeiten ist hierbei jedoch eine Relativbewegung zwischen Eis und dem Reibpartner notwendig. Beim Reibschmelzen spielt vor allem die Wärmeleitfähigkeit der Probe eine bedeutende Rolle. So kann bei sehr tiefen Eistemperaturen ein Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit dazu führen, dass die Reibungswärme länger in der Kontaktzone verbleibt und mehr Eis zum Schmelzen bringt. Wiederum kann bei hohen Temperaturen und bereits dickem quasi flüssigen Film ein gut wärmeleitendes Material die Abfuhr der Reibungswärme begünstigen und einen weiteren Anstieg der Filmdicke verhindern. Reibschmelzen ist jedoch nur möglich, wenn die generierte Wärme so groß ist, dass sie zum Schmelzen des Eises ausreicht. Wie groß die Reibleistung ist, kann aufgrund der wechselnden und schwer zu bestimmenden Einflussfaktoren nicht genau bestimmt werden, siehe Abschnitt 1.2.1.1. Somit ist die Dicke des quasi flüssigen Filmes durch Reibschmelzen nicht genau vorhersagbar.
Zusammenfassung der Kapitel
0 EINLEITUNG: Einleitung in die Thematik der Reibungsoptimierung von Werkstoffen auf Eis am Institut für Werkstofftechnik und Zielsetzung der Diplomarbeit.
1 GRUNDLAGEN: Darstellung des Stands der Wissenschaft bezüglich Eiseigenschaften, tribologischer Systeme auf Eis sowie Grundlagen der Wärmeübertragung und Temperaturmessung.
2 UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS: Beschreibung des experimentellen Aufbaus, des Tieftemperatur-Tribometers, der Probenpräparation sowie der gewählten Parameter für die Versuchsreihen.
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION: Vorstellung und wissenschaftliche Diskussion der experimentellen Daten zur Reibungszahl und zum Temperaturverlauf im Reibspalt unter verschiedenen Belastungen und Geschwindigkeiten.
4 MODELLBILDUNG MITTELS FEM: Entwicklung eines numerischen Modells mittels Finite-Elemente-Methode zur Simulation der thermodynamischen Verhältnisse zwischen Probe und Eis sowie Diskussion der Ergebnisse.
5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Zusammenfassung der wesentlichen Erkenntnisse der Diplomarbeit und Ausblick auf zukünftige Forschungsansätze und Modellverbesserungen.
Schlüsselwörter
Eistribologie, Reibungszahl, Eisoberfläche, Reibschmelzen, Wärmestrom, Temperaturmessung, Thermoelement, FEM-Modell, Polymethylmethacrylat, PMMA, Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit, Grenzflächenschmelzen, Oberflächenschmelzen, Tribometer.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der experimentellen und simulativen Abschätzung der Wärmeströme, die bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf einer Eisoberfläche entstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit deckt die Strukturmechanik und Thermodynamik von Eis, tribologische Systeme bei Kontakt mit Eis sowie die Methoden der Wärmeübertragung und deren messtechnische Erfassung ab.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist die Untersuchung der Abhängigkeit der Reibungszahl von äußeren Einflussgrößen wie Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit und Eistemperatur, um den Reibungsvorgang und die dabei entstehenden Wärmeströme besser zu verstehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen experimentelle Messungen mit einem Tieftemperatur-Tribometer sowie eine numerische Modellierung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden die experimentellen Untersuchungen zur Reibungszahl und Temperaturmessung im Reibspalt detailliert präsentiert, gefolgt von einer analytischen Diskussion und der Modellbildung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Eistribologie, Reibungszahl, quasi flüssiger Film, Wärmestrom, Temperaturmessung, Tribometer, FEM-Simulation.
Warum wurde PMMA als Material für den Probekörper gewählt?
PMMA besitzt eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, was vorteilhaft ist, um den Wärmeeintrag durch Reibung im Probekörper zu isolieren und mittels eingebettetem Thermoelement präziser detektieren zu können.
Welche Rolle spielt der "quasi flüssige Film" bei der Reibung auf Eis?
Der Film bildet sich an der Kontaktstelle zwischen Probe und Eis. Seine Dicke und physikalischen Eigenschaften sind maßgeblich für die Art der Reibung (Festkörper-, Misch- oder Flüssigkeitsreibung) und damit für die Höhe der Reibungszahl entscheidend.
- Citation du texte
- Rene Kallmeyer (Auteur), 2007, Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186372
