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
Diese Arbeit zielt darauf ab, die Reibungszahl bei der Bewegung von metallischen Werkstoffen auf Eis experimentell zu bestimmen und die dabei entstehenden Wärmeströme zu analysieren, um das tribologische Verhalten unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen und ein FEM-Modell zur Simulation thermodynamischer Verhältnisse zu entwickeln.
- Einfluss von Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit und Eistemperatur auf die Reibung.
- Untersuchung von Schmelzprozessen auf Eis (Druck-, Grenzflächen-, Oberflächen- und Reibschmelzen).
- Messtechnik zur Erfassung der Temperatur im Reibspalt unter dynamischen Bedingungen.
- Modellierung und Simulation des thermodynamischen Gesamtsystems mittels Finite-Elemente-Methode (FEM).
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: Darstellung der Motivation zur Optimierung der Reibung von Werkstoffen gegen Eis für Anwendungen wie Schneidwerkzeuge und Wintersportgeräte sowie Zielsetzung der Arbeit.
1 GRUNDLAGEN: Vermittlung der wissenschaftlichen Basis zu Eiseigenschaften, tribologischen Systemen, Mechanismen des Schmelzens von Eis sowie Grundlagen der Wärmeübertragung und Temperaturmessung.
2 UNTERSUCHUNGEN ZUR REIBUNG AUF EIS: Beschreibung des experimentellen Aufbaus mittels eines Tieftemperatur-Tribometers, der Präparation der Eisoberflächen, der Probekörperwahl und des Versuchsplans zur Ermittlung der Reibungszahl.
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION: Analyse der Messergebnisse zur Reibungszahl und Temperatur in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern sowie Diskussion des Reibverhaltens und der Reproduzierbarkeit.
4 MODELLBILDUNG MITTELS FEM: Erläuterung der numerischen Modellierung des Reibkontaktes mittels Finite-Elemente-Methode, inklusive Randbedingungen, Modellaufbau und Ergebnissen der thermischen Simulation.
5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Zusammenfassende Darstellung der wichtigsten Erkenntnisse bezüglich der Einflussfaktoren auf das Reibverhalten auf Eis sowie Anregungen für zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Eistribologie, Reibung, Eis, Wärmestrom, quasi flüssiger Film, Reibschmelzen, Normalkraft, Gleitgeschwindigkeit, Eistemperatur, Temperaturmessung, Finite-Elemente-Methode, PMMA, Tribometer, Wärmeübertragung, Verschleiß
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Bestimmung und theoretischen Abschätzung von Wärmeströmen, die bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis entstehen, um das tribologische Gesamtsystem besser zu verstehen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Felder umfassen die Eistribologie, das Verständnis von Schmelzprozessen auf Eisoberflächen, die experimentelle Untersuchung der Reibungszahl sowie die mathematische Modellierung thermodynamischer Prozesse mittels FEM.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den Einfluss von Parametern wie Normalkraft, Eistemperatur und Gleitgeschwindigkeit auf die Reibung zu analysieren und ein FEM-Modell zu etablieren, das die realen thermodynamischen Verhältnisse im Reibspalt simuliert.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Die Arbeit stützt sich auf experimentelle Messungen mittels eines Tieftemperatur-Tribometers unter Nutzung von Thermoelementen sowie auf eine computergestützte Simulation mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) in der Software ANSYS.
Welche inhaltlichen Schwerpunkte werden im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die experimentelle Untersuchung zur Reibung unter Variation physikalischer Einflussgrößen, die detaillierte Temperaturmessung im Reibspalt sowie die anschließende Modellbildung zur Simulation dieser Prozesse.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Eistribologie, Reibschmelzen, quasi flüssiger Film, Wärmeleitung und Finite-Elemente-Methode charakterisiert.
Warum wird als Material für den Probekörper PMMA gewählt?
PMMA weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch garantiert werden soll, dass der Wärmeeintrag aus dem Reibprozess nicht sofort abtransportiert wird, sondern vom eingebauten Thermoelement detektiert werden kann.
Was bedeutet der Begriff "quasi flüssiger Film" im Kontext der Arbeit?
Es handelt sich um einen dünnen Wasserfilm auf der Eisoberfläche, der bereits unterhalb des Schmelzpunktes existiert und den Reibungsvorgang sowie die Reibungszahl maßgeblich bestimmt.
Warum lieferten die Simulationen in der Arbeit keine verwertbaren Ergebnisse?
Die Simulationen ergaben keine Wärmeübertragung zwischen Kugel und Eisoberfläche, was vermutlich auf eine fehlerhafte Definition der Kontaktbeziehungen im Modell zurückzuführen ist.
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- Dipl.-Ing. Rene Kallmeyer (Author), 2007, Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/79512
