DE19715392A1 - Prüfstand zur Untersuchung des Verschleißes zwischen relativ zueinander oszillierenden Prüfkörpern, insbesondere für rotatorische Oszillations-Amplituden im Mikrometerbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschleiß-Prüfstand entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Einrichtungen zur Verschleißmessung von gegeneinander bewegten Prüfkörpern, die mittels einer Anpreßkraft aneinander gepreßt werden, sind seit längerem bekannt (z. B. DE 16 48 597). Derartige Einrichtungen bestehen im wesentlichen aus zwei Aufnehmern für einen Prüfkörper und einen Gegenkörper, wobei die beiden Aufnehmer beweglich zueinander angeordnet sind. Derartige Einrichtungen enthalten auch eine Baugruppe, die eine Preßkraft erzeugt, um den Prüfkörper gegen den Gegenkörper zu pressen, und eine Baugruppe, mit der die beiden Aufnehmer in Oszillationsbewegung in eine Richtung versetzt werden, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Preßkraft steht. Weiterhin ist eine Baugruppe zum Messen der zwischen den Reibpartnern wirkenden Reibungskraft vorgesehen. Die Aufnehmer für Prüfkörper und Gegenkörper können in einem gasdichten Gehäuse angeordnet sein, sofern die Untersuchungen in einer kontrollierten Atmosphäre erfolgen sollen. Bekannt ist auch, daß Prüfkörper und Gegenkörper auf eine vorgegebene Temperatur temperierbar sind.

Speziell für Schwingungsreibverschleiß-Untersuchungen sind Einrichtungen mit einer maximalen Oszillationsamplitude der Prüfkörper von ca. 1 mm bekannt (z. B. DE 16 48 597, DE 20 40 741, DE 75 14 548, DE 84 35 482), bei denen der Oszillationsantrieb aus einem von der Tauchspule eines Gleichstrommagneten angetrieben Gestänge besteht. Entsprechend der Charakteristik des Speisestroms der Tauchspule kann die Oszillationsbewegung z. B. die Form einer reinen Sinusschwingung oder einer Rechteckschwingung aufweisen.

Der Vorteil von Lösungen der in der DE 16 48 597 angegebenen Art soll in einer relativ großen Elastizität dieser Antriebsart bestehen. Dies wird erreicht, indem für den Oszillationsantrieb eine Kombination aus Gestänge und Tauchspulenantrieb genutzt wird. Dieser Vorteil erweist sich jedoch bei größeren Reibmomenten als schwerwiegender Nachteil, da es schon infolge elastischer Deformationen des Gestänges zu einer Verzerrung der Weg-Zeit-Charakteristik kommt. Im übrigen ist die Amplitude der Oszillationsbewegung bei Tauchspulenantrieben sehr stark von der aufgebrachten Preßkraft und dem daraus resultierenden Reibmoment abhängig. Diese nachteilige Eigenschaft ist auch nicht durch Betrieb der Tauchspule im magnetischen Sättigungsbereich auszuschließen.

Für die Reproduzierbarkeit der Messungen ist es jedoch bereits aus der DE 39 03 269 bekannt, daß die Amplitude (Hublänge), mit der die Prüfkörper oszillieren, bei konstantem Reibmoment während der Messung nur unwesentlich schwanken darf. Um diese Forderung zu erfüllen, kann gemäß DE 39 03 269 eine geeignete Regelvorrichtung vorgesehen werden. Der Ausregelung der Amplitudenschwankungen mittels Regeleinrichtungen sind jedoch Grenzen gesetzt, wenn instationäre Reibzustände untersucht werden sollen, da in diesem Fall die Sollwerte der Oszillations-Amplituden unbekannt sind. Weiterhin erweist sich im praktischen Einsatz die Ausregelung von Amplitudenschwankungen auch in den Fällen als wenig praktikabel, in denen der Oszillationsantrieb gegen sehr hohe Reibmomente arbeiten soll.

Daher kann bei Anwendungen mit instationären Reibzuständen oder sehr hohen Reibmomenten die Reproduzierbarkeit der Messungen nicht gewährleistet werden.

Die Lösung gemäß DE 16 48 597 weist konstruktionsbedingt außerdem folgenden Nachteil auf:
Für die Übertragung der Preßkraft wird ein Gestänge eingesetzt, daß sich an einem Ende in einem Schneidenlager abstützt, das mit dem oszillierend angetriebenen Prüfkörperaufnehmer verbunden ist. Am anderen Ende ist das Gestänge in einem Schneidenlager abgestützt, das mit der Preßkraft beaufschlagt ist. Während der im wesentlichen senkrecht zur Preßkraftrichtung erfolgenden Schwingbewegungen der Prüfkörper kommt es daher zu einer kreisförmigen Bewegung des genannten Gestänges und somit zu einer periodisch veränderlichen Preßkraft. Zusätzlich entsteht eine variable Kraftkomponente in Richtung der Reibkraft.

Von anderen Verschleißprüfeinrichtungen (z. B. EP 0103781) ist bekannt, daß der Antrieb für die Oszillationsbewegung der Prüfkörper auch mittels eines Kurbeltriebs erfolgen kann. Es liegt jedoch auf der Hand, daß nach diesem Prinzip arbeitende Oszillationsantriebe zu extrem aufwendigen Konstruktionen führen, wenn ein Hub und Hubverstellmöglichkeiten im Mikrometerbereich realisiert werden soll.

Insgesamt ist festzustellen, daß der Aufwand für die Justierung der bekannten Verschleißprüfeinrichtungen relativ hoch ist, wodurch die Durchführung längerer Versuchsreihen mit häufigem Probenwechsel behindert wird. Insbesondere fehlt es an einfachen und bequemen Justiermöglichkeiten, um die Reibflächen der Prüfkörper in reproduzierbarer Weise parallel zueinander auszurichten.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen für oszillierende Bewegungen der Prüfkörper geeigneten Verschleißprüfstand zu schaffen, der insbesondere für Oszillations- Amplituden im Mikrometerbereich geeignet ist und es erlaubt, die Prüfkörper schnell und bequem auszuwechseln und ihre Reibflächen in reproduzierbarer Weise parallel zueinander auszurichten.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung durch einen Prüfstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Merkmale verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Prüfstands und ihre Vorteile ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.

Der Verschleißprüfstand kann insbesondere zur Ermittlung des Verschleißverhaltens von sehr dünnen metallischen und nichtmetallischen Schichten wie Elastomere, Gummi, Plaste, Lacke, Haftschichten, Schmierstoffschichten, Schutzschichten u. a. gegen Werkstoffe aus Eisen- und Nichteisenwerkstoffen bzw. Werkstoffkombinationen beliebiger Art verwendet werden. Für einen Einsatz als Reibkorrosionsprüfstand sind die zu prüfenden Geometrien und Werkstoffpaarungen unter Schaffung der geforderten Umwelteinflüsse in den Prüfstand einzubringen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verschleißprüfstandes besteht darin, daß er zur Ermittlung von Verschleiß- und Reibmomentenverlauf mit kleinen und sehr kleinen Drehschwingungen für unterschiedlichste Flächenpressungen, besonders für extrem hohe Flächenpressungen auf relativ großen Flächen verwendbar ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschleißprüfstandes.

Die Krafterzeugungseinrichtung 2 ist in diesem Beispiel als ein mit einer Gewichtskraft in belastetes Hebelsystem dargestellt. Mittels des Hebelsystems wird eine Normalkraft F_N in die Normalkraftübertragungseinrichtung 1 eingetragen. Die Normalkraftübertragungseinrichtung ist hier als biegesteifer zylindrischer Stempel 1 ausgebildet, der in Lagern axial verschiebbar ist.

Die Lage der Glieder des Hebelsystem kann mit der Gewindespindel 11 so eingestellt werden, daß die vom Hebelsystem auf den zylindrischen Stempel ausgeübte Kraft nur eine Komponente in Richtung der Stempelachse besitzt. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Messungen.

Mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten zusätzlichen Baugruppe kann bedarfsweise eine zusätzliche Kraft auf den Stempel 1 aufgebracht werden. Diese zusätzliche Baugruppe kann z. B. als hydraulische oder elektrische Krafterzeugungsvorrichtung ausgebildet sein.

An dem der Krafterzeugungseinrichtung 2 abgewandten Seite des zylindrischen Stempels 1 ist ein Aufnehmer 10 drehfest angeordnet. Im Aufnehmer 10 ist der Prüfkörper 7 eingespannt.

Der Antrieb zur Erzeugung der rotatorischen Oszillationsbewegungen des Aufnehmers 10 und des Prüfkörpers 7 besteht aus einem Hebel 13, der drehfest an dem Stempel 1 angeordnet ist, und einem Bewegungsgenerator, der am freien Ende des Hebels 13 angreift. Im Ausführungsbeispiel besteht der Bewegungsgenerator aus einem Aktor 4, der periodisch einen linearen Hub As erzeugt, und einem Rückstellelement 3, das den Hebel 13 entgegen dem Reibmoment in seine Ausgangslage bewegt. Das Rückstellelement 3 kann als Feder, Piezoaktor, hydraulisches System u. dgl. ausgebildet sein. Die Schwingfrequenz des Bewegungsgenerators ist zwischen Null und einer technisch bedingten oberen Grenzfrequenz einstellbar.

Der feststehende Prüfkörper 8 ist in dem Aufnehmer 9 eingespannt, der während der Verschleißprüfung mittels einer Klemmvorrichtung 12 drehfest mit einem Gestellteil des Prüfstandes verbindbar ist. Das Auswechseln der Prüfkörper 7 und 8 und bedarfsweise auch der Aufnehmer 9 und 10 ist sehr schnell und bequem möglich. Hierzu sind lediglich die Klemmvorrichtung 12 zu lösen und die Gewindespindel 11 abzusenken. Prüfkörper und Aufnehmer können dann seitlich aus dem Prüfstand entnommen werden.

Zur Temperierung der Prüfkörper weist der Aufnehmer 9 Mittel 6 zur Probenkühlung und/oder Probenheizung auf, die an einen Temperatur-Regelkreis angeschlossen sind.

Zur Einstellung und Justierung der Parallelität der Reibflächen der Prüfkörper 7 und 8 dient ein Kugelgelenk 5, mit dem sich der stationäre Aufnehmer 9 auf der Gewindespindel 11 abstützt. Das Kugelgelenk 5 gewährleistet, daß die Reibflächen der Proben 7 und 8, unabhängig von Parallelitätsfehlern ihrer Endflächen, immer flach aufeinander aufliegen.

Mit dem erfindungsgemäßen Prüfstand lassen sich die unterschiedlichsten Verschleißbedingungen einstellen. Das Reibmoment, mit dem die Prüfkörper während der Verschleißprüfung beansprucht werden, kann über die Normalkraft F_N und die Winkelbeschleunigung der rotatorischen Oszillationsbewegung variiert werden. Weiterhin kann der Verschleiß an den Prüfkörpern in Abhängigkeit vom Weg Δs des Bewegungsgenerators 3, 4 und der Prüftemperatur sowie der Schwingfrequenz ermittelt werden. Insbesonders durch eine geeignete Probengeometrie, z. B. Ringfläche, lassen sich sehr hohe Flächenpressungen realisieren.

Geeignete Detektoren dienen der Registrierung und Aufzeichnung der anfallenden Signale, wie Reibmoment, Schwingweg und -winkel, Temperatur, Beschleunigung, Anzahl und Frequenz der Schwingungen.

Claims (7)

1. Prüfstand zur Untersuchung des Verschleißes zwischen relativ zueinander oszillierenden Prüfkörpern, insbesondere für rotatorische Oszillations-Amplituden im Mikrometerbereich, mit einem stationären Aufnehmer für einen stationären Prüfkörper, einem bewegbaren Aufnehmer für einen bewegbaren Prüfkörper, Einrichtungen zur Erzeugung und Übertragung einer Normalkraft, um den bewegbaren Aufnehmer mit dem bewegbaren Prüfkörper in Richtung seiner Reibflächennormale gegen den stationären Prüfkörper zu drücken, und mit einem Oszillationsantrieb, der dem bewegbaren Aufnehmer eine senkrecht zur Reibflächennormale des bewegbaren Prüfkörpers orientierte Oszillationsbewegungen aufträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Aufnehmer (9) lösbar mit einem Gestellteil des Prüfstandes verbindbar ist und sich mittels eines Kugelgelenks (5) auf einer zur Normalkraftübertragungseinrichtung (1) axial fluchtend angeordneten Gewindespindel (11) abstützt.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalkraftübertragungs­ einrichtung (1) als biege- und torsionssteifer zylindrischer Stempel ausgebildet ist.

3. Prüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb zur Erzeugung rotatorischer Oszillationsbewegungen aus einem an der Normalkraft­ übertragungseinrichtung (1) drehfest angeordneten Hebel (13) besteht, an dessen freiem Ende ein Bewegungsgenerator (3; 4) angreift, der in Bezug auf die Drehachse des Hebels in tangentialer Richtung linear oszilliert.

4. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Aufnehmer (10) drehfest an der Normalkraftübertragungseinrichtung (1) angeordnet ist.

5. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Aufnehmer (9; 10) umgebende Gehäuse Öffnungen für ein Auswechseln der Aufnehmer und/oder der Proben aufweist.

6. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Aufnehmer (9; 10) Mittel (6) zur Probenkühlung und/oder Probenheizung aufweist.

7. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafterzeugungseinrichtung (2) als waagerecht einstellbares Hebelsystem ausgebildet ist.