Abschätzung der Wärmeströme bei der Reibung von metallischen Werkstoffen auf Eis

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

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.