Verschleiß- und Reibungsprüfung von Polymerriemen mit einem Tribometer

Ein Riementrieb überträgt Leistung und folgt der Relativbewegung zwischen zwei oder mehr rotierenden Wellen. Als einfache, kostengünstige und wartungsarme Lösung sind Riementriebe in vielen Anwendungen verbreitet, etwa in Bügelsägen, Sägewerken, Dreschmaschinen, Silogebläsen und Förderanlagen. Riementriebe können Maschinen vor Überlast schützen sowie Schwingungen dämpfen und isolieren.

Reibung und Verschleiß sind bei den Riemen einer riemengetriebenen Maschine unvermeidlich. Ausreichende Reibung sorgt für eine wirksame Kraftübertragung ohne Schlupf, übermäßige Reibung kann den Riemen jedoch schnell verschleißen. Während des Betriebs treten verschiedene Verschleißarten auf, etwa Ermüdung, Abrasion und Reibverschleiß. Um die Lebensdauer des Riemens zu verlängern und Kosten und Zeit für Reparatur und Austausch zu senken, ist eine zuverlässige Bewertung des Verschleißverhaltens wünschenswert; sie verbessert Lebensdauer, Produktionseffizienz und Anwendungsleistung. Eine genaue Messung von Reibungskoeffizient und Verschleißrate des Riemens unterstützt Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle in der Riemenproduktion.

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Reibungskoeffizient (COF) und Verschleißbeständigkeit zweier Riemen mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit und Textur wurden mit dem NANOVEA Tribometer für hohe Lasten und dem Modul für linear oszillierenden Verschleiß bestimmt. Als Gegenkörper diente eine Kugel aus Stahl 440 (10 mm Durchmesser). Oberflächenrauheit und Verschleißspur wurden mit einem integrierten berührungslosen 3D-Profilometer untersucht. Die Verschleißrate K wurde mit der Formel K = V/(F × s) bestimmt, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normalkraft und s der Gleitweg ist.

Hinweis: In dieser Studie wurde beispielhaft eine glatte Kugel aus Stahl 440 als Gegenkörper verwendet; mit kundenspezifischen Halterungen kann jeder feste Werkstoff mit beliebiger Form und Oberflächengüte eingesetzt werden, um die reale Anwendung nachzubilden.

Der texturierte und der glatte Riemen haben laut den mit einem berührungslosen optischen 3D-Profilometer von NANOVEA aufgenommenen Oberflächenprofilen eine Oberflächenrauheit Ra von 33,5 bzw. 8,7 µm. Reibungskoeffizient und Verschleißrate der beiden Riemen wurden bei 10 N und 100 N gemessen, um ihr Verschleißverhalten bei unterschiedlichen Lasten zu vergleichen.

Abb. 1 zeigt den Verlauf des Reibungskoeffizienten der Riemen während der Verschleißprüfungen. Die Riemen mit unterschiedlicher Textur verhalten sich deutlich unterschiedlich. Bemerkenswert ist, dass der texturierte Riemen nach der Einlaufphase, in der der Reibungskoeffizient allmählich steigt, in beiden Prüfungen mit 10 N und 100 N einen niedrigeren Reibungskoeffizienten von ~0,5 erreicht. Der glatte Riemen zeigt dagegen bei 10 N einen deutlich höheren Reibungskoeffizienten von ~1,4, sobald dieser stabil ist, und bleibt für den Rest der Prüfung darüber. Der bei 100 N geprüfte glatte Riemen wurde von der Kugel aus Stahl 440 schnell verschlissen und bildete eine große Verschleißspur; die Prüfung wurde daher nach 220 Umdrehungen beendet.

Ein so starker Unterschied im Reibungskoeffizienten zwischen texturiertem und glattem Riemen hängt möglicherweise mit der Größe der Kontaktfläche zwischen Riemen und Stahlkugel zusammen, die auch zu ihrem unterschiedlichen Verschleißverhalten führt. Abb. 2 zeigt die Verschleißspuren der beiden Riemen unter dem optischen Mikroskop. Die Untersuchung der Verschleißspuren stimmt mit dem Verlauf des Reibungskoeffizienten überein: Der texturierte Riemen, der einen niedrigen Reibungskoeffizienten von ~0,5 beibehält, zeigt nach der Prüfung bei 10 N keine Verschleißspuren. Der glatte Riemen zeigt bei 10 N eine kleine Verschleißspur. Die Prüfungen bei 100 N erzeugen auf beiden Riemen deutlich größere Verschleißspuren; die Verschleißrate wird, wie im folgenden Absatz beschrieben, aus 3D-Profilen berechnet.

Abb. 3 vergleicht die 3D-Bilder der Verschleißspuren nach den Prüfungen bei 100 N. Das berührungslose 3D-Profilometer von NANOVEA ermöglicht die Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren und liefert so tiefere Einblicke in den Verschleißmechanismus.

Das 3D-Profil der Verschleißspur erlaubt eine direkte und genaue Bestimmung des Verschleißvolumens mit der Analysesoftware, wie in Tabelle 1 gezeigt. In einer Prüfung über 220 Umdrehungen hat der glatte Riemen eine viel größere und tiefere Verschleißspur mit einem Volumen von 75,7 mm³, verglichen mit einem Verschleißvolumen von 14,0 mm³ beim texturierten Riemen nach 600 Umdrehungen. Die deutlich höhere Reibung des glatten Riemens gegen die Stahlkugel führt zu einer 15-fach höheren Verschleißrate als beim texturierten Riemen.

In dieser Studie haben wir gezeigt, wie das NANOVEA Tribometer T2000 Reibungskoeffizient und Verschleißrate von Riemen gut kontrolliert und quantitativ bewertet. Die Oberflächentextur spielt eine entscheidende Rolle für die Reibungs- und Verschleißbeständigkeit der Riemen im Betrieb. Der texturierte Riemen zeigt einen stabilen Reibungskoeffizienten von ~0,5 und eine lange Lebensdauer, was Zeit und Kosten für Reparatur oder Austausch senkt. Dagegen verschleißt die übermäßige Reibung des glatten Riemens gegen die Stahlkugel den Riemen schnell. Zudem ist die Belastung des Riemens ein entscheidender Faktor für seine Lebensdauer: Überlast erzeugt sehr hohe Reibung und beschleunigt den Verschleiß des Riemens.

Das NANOVEA Tribometer T2000 bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungsprüfungen in rotierenden und linearen Modi nach ISO und ASTM, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. Die unerreichte Bandbreite von NANOVEA ist eine ideale Lösung, um das gesamte Spektrum der tribologischen Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme und Substrate zu bestimmen.