Pitting – Risikofaktor für Getriebeausfälle

Ursachen & Vermeidungsstrategien

Ursachen & Vermeidungsstrategien

Pitting kann auf Deutsch mit “Grübchenbildung” übersetzt werden, wird darüber hinaus in der Fachwelt aber auch als “Lochfraß” oder “Lochkorrosion” bezeichnet. Pittings kommen vor allem durch Reibungsverluste an Zahnrädern und Wälzlagern zu Stande und sind durch Materialausbrüche und die Bildung von Mikrorissen an der Oberfläche von Wälzkörpern und deren Laufbahn zu erkennen. Bei Betrachtung mit bloßem Auge weisen die Stellen eine matte Struktur auf.

Wie entsteht Pitting an Metalloberflächen?

Alle technischen Systeme, die aus so genannten passivschichtbildenden Metallen bestehen, können von Pittings oder Micropittings befallen werden. Meist handelt es sich dabei um hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle, Aluminium- und Titanlegierungen oder Legierungen auf Nickelbasis. Als Passivierung bezeichnet man eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche, die das Material vor einer weiteren Oxidation schützt. Kommt es zu einer lokalen Zerstörung dieser Passivschicht durch tribologische, abrasive, erosive oder andere mechanische Beanspruchung, setzt das Pitting ein. Als Ursachen für die Beschädigung der schützenden Oxidschicht kommen beispielsweise Fremdkörper im jeweiligen Schmierstoff, eine mangelhafte Schmierung oder auch eine zu hohe Luftfeuchtigkeit in Frage.

Durch die chemischen Eigenschaften der Oberflächenumgebung wird anschließend die Geschwindigkeit der Ausheilung betroffener Stellen herabgesetzt. Es entsteht ein Lochkeim, von dem aus die Auflösung des Metalls in die Tiefe fortschreitet. Mit der Zeit sind dann weitere chemische Prozesse dafür verantwortlich, dass die Repassivierung der schützenden Oxidschicht völlig zum Erliegen kommt und die Korrosion sich ungehindert in die Tiefe des Metalls hineinfrisst. Es kommt zu einem stabilen Lochwachstum, das am Ende zu einem irreversiblen Schaden an den Zahnrädern oder am Wälzlager führt.

Pitting-Bildung an Wälzlagern und Zahnrädern durch tribologische Beanspruchung

Aus der Tribologie ist bekannt, dass Pitting durch eine lokale Überschreitung der Materialfestigkeit, definiert durch die Hertzsche Pressung, hervorgerufen werden kann. Dies tritt in der Regel an den Zahnflanken von Zahnrädern oder bei Wälzlagern zwischen dem Wälzkörper sowie dem Außen- oder Innenring des Lagers auf. Bei der Flächenpressung entsteht die größte Spannung des Bauteils nämlich nicht an der Oberfläche, sondern in einer bestimmten Tiefe des Materials. Dies muss bei der Konstruktion und Fertigung der jeweiligen Bauteile berücksichtigt werden.

Weitere Faktoren für die Entstehung, bzw. Ausbreitung von Pittings und Micropittings sind:

Die Grübchenbildung durch Pitting lässt sich mit bloßem Auge übrigens sehr gut an Eisenbahnschienen feststellen. Diese müssen regelmäßig nachgeschliffen werden, um ihre Betriebssicherheit zu erhalten.

Wie äußert sich ein Pitting-Schaden?

Bei Wälzlagern ändert sich durch Pitting-Schäden das Betriebsverhalten der Lagerung. Will man die beschädigten Lager genauer untersuchen, muss man nicht nur das Lager selbst, sondern auch die Komponenten der Umgebungsteile, die Abdichtung sowie die Schmierung prüfen. Eine weitere Rolle können Umwelt- und Betriebsbedingungen spielen, etwa zu hohe Temperaturen oder zu viel Luftfeuchtigkeit. Werden Getriebe, Wälzlager oder Zahnradkonstruktionen nicht regelmäßig geprüft und gewartet, kommt es langfristig zu irreparablen Schäden, die einen Komplettaustausch nötig machen und somit sehr hohe Kosten nach sich ziehen. Ein ähnliches Schadensbild kann bei unüblich langen Laufzeiten und permanent hoher Belastung entstehen.

Wie kann Pitting verhindert werden?

Grundlegend ist zu sagen, dass eine saubere Konstruktion, das richtige Material für einen bestimmten Einsatzzweck, sowie genaue Abmessungen der einzelnen Bauteile erste Voraussetzungen gegen Pitting-Schäden sind. Im Maschinenbau gibt es anerkannte und zulässige Werte für die maximal mögliche Flächenpressung. Formen und Profile der Bauteile müssen exakt berechnet werden, um zu gewährleisten, dass diese Werte auch wirklich eingehalten werden können. Ansonsten kann ein Schadensfall sehr schnell eintreten.
Weitere wesentliche Maßnahmen um Pitting zu verhindern, sind eine regelmäßige Prüfung, die ordnungsgemäße Wartung und Instandhaltung von Wälzlagern, Zahnrädern und Getrieben nach den Vorgaben des Herstellers. Helfen kann auch eine Optimierung des Dichtungssystems, eine häufigere Filterung des Schmierstoffs, um ihn von möglichen Fremdkörpern zu befreien oder grundsätzlich die Verwendung eines besser geeigneten Schmierstoffs.

Zahnradschäden durch mangelhafte Fresstragfähigkeit des Schmierstoffs

Fresstests als Optimierungsmaßnahme

Fresstragfähigkeit ist auf den ersten Blick ein seltsames Wort. Wenn Sie jetzt an Nahrungsaufnahme, Übergewicht oder Diäten denken, liegen Sie leider völlig falsch. Der Begriff ist rein technischer Natur und bezieht sich auf das Verhalten von Zahnrädern in Maschinen und Getrieben, die unter permanent hoher Belastung stehen, sowie die geeigneten Schmierstoffe, um ein „Fressen“ langfristig zu verhindern.

„Fressen“ bedeutet in der Technik das lokale Zusammenschweißen oder Losreißen zweier ineinander gleitender Maschinenteile – in diesem Fall Zahnräder – auf Grund von mangel- oder fehlerhafter Schmierung. Es tritt meistens an Rauhigkeitsspitzen im Zahnkontakt auf. Die Ursache ist in sehr hohen Temperaturen, auch “Blitztemperaturen” genannt, zu suchen, die abhängig sind von der Last, der Umfangsgeschwindigkeit und nicht zuletzt von der Temperatur der Ölsumpfumgebung.

Die Schmierung macht’s

Bewährte Beschichtungen wie zum Beispiel eine Phosphatierung oder metallhaltige Kohlenwasserstoff-Legierungen mit Wolfram haben sich in der Praxis als am geeignetsten erwiesen, um Zahnradflanken vor zu hohem Abrieb zu schützen. Entscheidend für den sicheren Betrieb von Zahnradgetrieben sind aber nicht nur das Material und die Konstruktion der beweglichen Teile, sondern vor allem auch der eingesetzte Schmierstoff. Wenn die Komposition der eingesetzten Grund-Öle und Additive nicht stimmt, entwickelt der Schmierstoff nicht die benötigte Schmierfilmdicke und erreicht somit nicht die erforderliche Fresstragfähigkeit. Die Folge ist eine partielle Schädigung der Zahnräder, die bei mangelhafter Instandhaltung und Kontrolle am Ende zu einem Totalausfall des Getriebes und damit der Maschine führt.

Unterscheidung zwischen Warmfressen und Kaltfressen

Beim Warmfressen entstehen Fressmarken und Riefen auf Grund einer sehr hohen Gleitgeschwindigkeit und den dadurch bedingten Grenztemperaturen, wenn das Material der Zahnräder und der Schmierstoff nicht optimal angepasst sind. Abhilfe können hier kleinere Module und bei einer Getriebeinstandsetzung der Einsatz von EP-Ölen mit chemisch aktiven Zusatzstoffen bringen. Kaltfressen bedeutet einen riefenartigen Verschleiß der Zahnräder mit sehr starkem Materialabtrag, der durch niedrige Umfangsgeschwindigkeiten entsteht. In diesem Fall helfen eine exaktere Verzahnung, eine glattere Oberfläche der Zahnflanken oder ein zäherer, den Erfordernissen angepasster Schmierstoff.

Was sind Fresstests und wo kann man sie durchführen lassen?

Es gibt in Deutschland verschiedene Institute und Forschungseinrichtungen, die Fresstests an Zahnrädern durchführen. Dafür gibt es Prüfstände, so genannte Zahnrad-Verspannungsprüfmaschinen, die gemäß der Norm DIN 51354 eine genaue Einstellung der Belastungen in den Zahneingriffen, sowie der Temperatur des jeweiligen Schmierstoffs erlauben. Die Ölzufuhr kann dabei als Einspritz- oder Tauchschmierung erfolgen.

Die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der Technischen Universität München (FZG) hat einen Prüfstand entwickelt, mit dem sich Schmierstoffe für Getriebe auf ihre Viskosität und ihre Eignung testen lassen, um ein Fressen der Oberflächen und Flanken von Zahnrädern zu verhindern. Der FZG-Prüfstand hat sich als Standard-Testmaschine etabliert und wird in dieser Form auch von anderen Instituten genutzt.

Die Tests selbst laufen unter unterschiedlichen Bedingungen ab. Dabei werden die Umfangsgeschwindigkeit, die Verzahnung und Drehrichtung der Zahnräder sowie die Ölsumpftemperatur variiert, um die Schadenskraftstufen verschiedener Schmierstoffe zu definieren.

Die FZG kann in vier Testverfahren die Fresstragfähigkeit überprüfen. Der Standardfresstest läuft nach der oben erwähnten Norm DIN 51354 ab, wobei die Kraftstufen zuerst niedrig angesetzt und dann ebenso wie die Blitztemperaturen langsam gesteigert werden. Beim verschärften Fresstest wird die Umfangsgeschwindigkeit verdoppelt und damit auch das Niveau der Blitztemperaturen deutlich erhöht. Der Einlauf in den niedrigeren Laststufen entspricht aber dem Standardfresstest. Im Stufentest wird die Drehrichtung der Zahnräder umgekehrt und eine Verzahnung mit einem schmaleren Ritzel gewählt. Durch die veränderten Randbedingungen erhöht sich die Pressung und erschwert zusätzlich den Eintrag des benutzten Schmierstoffs in die Zahnkontakte. Den Abschluss bildet der so genannte Sprungtest. Hier werden die Lasten nicht stufenweise hochgefahren, sondern direkt und ohne Umwege auf eine bestimmte Kraftstufe eingestellt. Das Ergebnis ist entweder “Pass” oder “Fail” – funktioniert oder funktioniert nicht. Beim Sprungtest erfolgt auch kein Einlauf, d.h. die auftretenden Blitztemperaturen sind höher und werden durch raue Oberflächen verursacht. Der Schmierstoff muss beim Gebrauch in Getrieben allerdings gewisse Einlaufeigenschaften besitzen, damit die Fresstragfähigkeit der Verzahnung gesteigert wird. Deshalb gilt für jeden Fresstest, dass die individuellen Randbedingungen genau beobachtet und dokumentiert werden müssen.

Reibung, Verschleiß, Schmierung – Grundlagen der Nanotribologie

Innovative Technologien für Energieeffizienz & Langlebigkeit

Die Nanotribologie ist ein Teilbereich der Tribologie, der Reibungslehre. Diese Wissenschaft, bzw. Technologie beschreibt und untersucht, wie sich zwei Oberflächen in einer Relativbewegung verhalten, und welche praktischen Vorgänge dabei ablaufen. Grundsätzlich geht es um Reibung und Verschleiß und damit um die Frage, wie sich der Verschleiß durch Schmiermittel oder andere Methoden verhindern oder zumindest langfristig verzögern lässt. Bezogen auf die Industrie geht es vor allem um Motoren, Getriebe, Wälzlager, Führungen und andere bewegliche Maschinenelemente. Die Grundlagen der Tribologie gehen übrigens zurück auf das Universalgenie Leonardo da Vinci (1452-1519), der sich zu seinen Lebzeiten unter anderem auch mit der Konstruktion von Zahnrädern und Getrieben befasste.

Nanotribologie kann die Kosten für industrielle Produktion senken

Die Nanotribologie untersucht die Auswirkungen von Reibung im Nanometerbereich und auf atomarer Ebene. Im Vordergrund stehen neben der Entwicklung von zweckmäßigen Schmiermitteln Forschungen zur Auswahl geeigneter Werkstoffe, sowie zur Behandlung und Beschichtung von Oberflächen. Interessant sind nanotribologische Zusammenhänge vor allem für die Industrie. Sie können helfen, die Energieeffizienz von Maschinen zu steigern und gleichzeitig die Kosten für Materialeinsatz und Instandhaltung senken. Dadurch werden wichtige Rohstoffressourcen geschont und die Umwelt entlastet. Nach Expertenschätzungen bewegen sich die Kosten für Schmiermittel und Verschleiß durch Reibung und Abrieb in Maschinen und Getrieben weltweit ungefähr in einem Billionen-Euro-Segment. Nanotribologie kann helfen, diese Kosten erheblich zu verringern.

Was ist eine Nanobeschichtung?

Eine Nanobeschichtung verändert die Oberflächenstruktur eines Werkstoffs auf molekularer Ebene. Die Nanostrukturen bilden beim Kontakt mit dem Trägermaterial eine hauchdünne, Wasser und Öl abweisende Schicht, die fest mit der Oberfläche verbunden ist. Auf diese Weise werden Verunreinigungen durch Flüssigkeiten, Staub oder anderen Schmutz vermieden. Diese Eigenschaften sind auch unter dem Namen “Lotuseffekt” bekannt. Die Aufbringung ist auf nahezu allen Werkstoffen möglich und eignet sich vor allem für feinporige Materialien und Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern. Eine Nanobeschichtung verträgt durchaus Temperaturen bis zu 350° C.

Kann man Maschinen auch nachträglich mit einer Nanobeschichtung versehen?

Grundsätzlich ist eine Nanobeschichtung für Maschinenteile auch nachträglich möglich, zum Beispiel bei einer Getriebeinstandsetzung. Sie ist allerdings nicht so lange haltbar, als wenn sie direkt bei der Produktion von Maschinenteilen erfolgt. Die Nanopartikel schwimmen in einem Lösungsmittel. Sobald dieses durch Wärmeeinwirkung und Luftzufuhr verdampft ist, bilden die Nanoteilchen eine netzartige Struktur, die fest mit der Oberfläche der behandelten Teile verbunden ist. Die Komponenten der Beschichtung bewirken zweierlei: Sie schützen einerseits den Untergrund vor mechanischer Belastung durch Reibungsenergie, zum Beispiel bei hoch beanspruchten Zahnradkonstruktionen, und sorgen zweitens durch zugesetzte Additive dafür, dass sich Fremdkörper nicht festsetzen können.

Sind Nanobeschichtungen teuer?

Die Frage nach den Kosten für eine Nanobeschichtung ist naturgemäß eine der wichtigsten für jeden technischen Leiter und Verantwortlichen eines Unternehmens. Konkrete Summen lassen sich an dieser Stelle nicht nennen, weil dies von einer Vielzahl individueller Faktoren abhängt – die Art der jeweiligen Maschine oder des Getriebes, die Beschaffenheit des Trägermaterials, die tägliche Laufzeit und Beanspruchung der sich gegeneinander bewegenden Teile. Grundsätzlich lässt sich aber sagen, dass eine Nanobeschichtung langfristig Kosten einspart, weil sie den Einsatz von Schmierstoffen senkt und die Intervalle von Wartungen und Instandsetzungen vergrößert.

Die günstige Alternative – eine Nanobeschichtung per Schmiermittel

Bestehende Anlagen, Maschinen und Getriebe können aber auch durch den Zusatz bestimmter Schmierstoffadditive vor Abnutzung und Verschleiß geschützt werden. Als Beispiel dient das bisher einzigartige Produkt-Portfolio der Firma REWITEC® . Die in Deutschland entwickelten und hergestellten Produkte sind kompatibel mit allen gängigen Schmierstoffen, werden auf Wunsch aber auch im Schmierstoff des Kunden ausgeliefert. Als Additiv werden sie im laufenden Betrieb dem Schmierstoff des Aggregats zugesetzt und durch den Schmierstoff an durch Reibung beanspruchte Metalloberflächen transportiert. Dort nutzen sie die Reibungsenergie und passivieren die Oberflächen von Lagern, Getrieben und ähnlichen Aggregaten durch die Einlagerung von Silikaten, reduzieren Rauheiten und beeinflussen dadurch nachhaltig und in positiver Weise Lebensdauer, Energieverbrauch, Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit von Getrieben und Wälzlagern.

Was bewirken Nanobeschichtungen für Gesundheit und Umwelt?

Die Frage nach den Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt ist neben den Kosten ein wesentlicher Faktor für den Einsatz von Nanobeschichtungen. Nach heutigem Forschungsstand sind Beschichtungen im Nanobereich weder gesundheitsgefährdend noch umweltbelastend. Durch ihre positiven Eigenschaften sorgen sie im Gegenteil für mehr Arbeitssicherheit, weil sie die Schadensanfälligkeit von Maschinen senken.

Rauheit bei stark beanspruchten Oberflächen

Begleiterscheinungen tribologischer Reibkräfte

Die Rauigkeit von Oberflächen entsteht durch die Bearbeitung unterschiedlicher Materialien beim Sägen, Schneiden, Stanzen und anderen mechanischen Vorgängen. Wenn Sie ein Stück Holz sägen, um es später im Kamin zu verbrennen, spielt die Rauigkeit der Schnittstelle im Grunde keine Rolle. Die Funktion und Energieeffizienz des Holzstücks – es soll einfach nur verbrennen und Wärme spenden – wird dadurch nicht beeinträchtigt. Ganz anders sieht es bei Werkstücken wie Zahnrädern, Getrieben oder Wälzlagern aus, wo permanent Maschinenteile in Bewegung sind und sich fortlaufend im Oberflächenkontakt befinden. Sind die Einzelteile nicht möglichst glatt und widerstandsfrei, “knirscht” es, oder Sie haben sozusagen “Sand im Getriebe”. Am Ende steht eventuell ein Totalschaden und damit eine umfangreiche Reparatur oder Neuanschaffung.

Welche Bedeutung hat Rauheit in der Tribologie?

Rauheit ist ein Begriff aus dem Bereich der Oberflächenphysik. Für die Tribologie (Reibungslehre) bedeutet die Rauigkeit, dass zwei Gegenstände, die sich in einer Relativbewegung zueinander befinden, desto mehr Reibungsverluste verursachen, je rauer ihre Oberflächen sind. Das Phänomen ist besonders bedeutsam bei beweglichen Maschinenteilen wie Getrieben und Wälzlagern. Rauheit führt zu hohen Betriebstemperaturen, schnellerem Verschleiß der einzelnen Elemente und im schlimmsten Fall beim Einsatz falscher Schmierstoffe und mangelhafter Instandhaltung zum Totalschaden.

Wie kann Rauheit verhindert werden?

Je nach eingesetztem Werkstoff werden heute in der modernen Fertigungstechnik verschiedene Verfahren zur Vermeidung von Rauigkeit an Oberflächen eingesetzt. Dazu gehören unter anderem das Polieren und Elektropolieren, Schleifen und Beizen, Ätzen, Sandstrahlen und Honen. Eine gewisse Rauheit bleibt aber immer bestehen, wenn auch vielleicht nur im Nanobereich, der für das bloße Auge oder durch haptisches Abtasten nicht erkennbar ist. Dann helfen entsprechende Schmierstoffe und eine regelmäßige Inspektion, bzw. Instandhaltung, um die Auswirkungen der Rauigkeit von Oberflächen abzufedern.

Welche Gestaltabweichungen einer Oberfläche sind für die Rauigkeit maßgeblich?

Die DIN-Norm 4760 teilt Gestaltabweichungen von Oberflächen in sechs Klassen ein, wobei sich die Werte der ersten vier Klassen durchaus überlagern können:

    1. Klasse: Formabweichungen
    2. Klasse: Welligkeit
    3. Klasse: Rauheit durch Rillen
    4. Klasse: Rauheit durch Riefen
    5. Klasse: Rauheit in der Gefügestruktur
    6. Klasse: Gitteraufbau des jeweiligen Werkstoffs

Rauigkeiten der Klassen 1 bis 4 sind normalerweise optisch und haptisch an der Oberfläche zu erkennen. Bei den höheren Klassen 5 und 6 ist der Einsatz eines Mikroskops oder Elektronenmikroskops notwendig, um die Beschaffenheit der Oberfläche zu prüfen oder Fehler nachweisen zu können.

Wie misst man Rauheit und welche Rauhigkeitsmessgeräte gibt es?

Messgeräte zur Rauheitserfassung von Oberflächen, Bohrungen und Nuten gibt es in großer Auswahl. Die Handhabung ist in der Regel ziemlich einfach. Die Geräte messen die gemittelte Rautiefe (Einheit: Rz) und den Mittelrauwert (Einheit: Ra) in Mikrometern (µm) und sind in der Lage, die Werte zur genaueren Analyse direkt auf einen PC oder ein Notebook zu übertragen. Je nach Werkstück sollten die Messgeräte den Normen DIN 4762, 4768, 4771 oder 4775 entsprechen, um sicher gehen zu können, dass nach der Prüfung unverfälschte Ergebnisse vorliegen.
Handelsübliche Messgeräte arbeiten grundsätzlich mit drei Methoden. Zu den manuellen Methoden gehört zum Beispiel der Rugotest, bei dem der Vergleich an Hand von Musteroberflächen optisch oder haptisch mittels Berührungen durchgeführt wird. Bei profilbasierten Methoden wie dem Tastschnittverfahren wird ein Diamant mit einer konstanten Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt, um die Rauheit zu messen. Als Drittes gibt es noch flächenbasierte Methoden, bei denen die Messung mittels optischer Verfahren erfolgt, zum Beispiel durch Konfokalmikroskopie oder konoskopische Holografie.

Kann die Rauheit auch ohne Messgeräte ermittelt werden?

In begrenztem Maße kann die Rauigkeit einer Oberfläche mit dem bloßen Auge gesehen oder mit den Fingern ertastet werden. Ob diese Prüfung ausreichend ist, hängt vom verwendeten Material und dem Einsatzzweck der entsprechenden Maschinenteile ab. Wirkliche Sicherheit über die Eignung einer Oberfläche für den geplanten Arbeitsvorgang bieten aber nur Messgeräte, die auch feinste Unebenheiten erkennen können.

Graufleckigkeit – ein bisher ungeklärtes Phänomen

Das sollten Sie wissen

Graufleckigkeit tritt als Verschleißerscheinung an den Oberflächen metallischer Bauteile auf, die permanent unter hoher Belastung stehen. Betroffen sind vor allem Zahnräder in Getrieben und die gleitenden Nockenwellen und Stößel in Ventilen. Schäden dieser Art treten nur selten in den Getrieben von Kraftfahrzeugen auf, sondern hauptsächlich in industriellen Anlagen wie Mühlenantrieben, Walzwerken und Windenergie-Anlagen.

Wie lässt sich Graufleckigkeit erkennen?

Mit bloßem Auge betrachtet, weisen die beschädigten Teile ein mattgraues Erscheinungsbild auf. Erst unter einer starken Vergrößerung wird erkennbar, dass viele winzig kleine Poren und Ausbrüche ursächlich für die graue Farbe sind. Bei Zahnrädern entsteht unter permanent hoher Belastung eine Gleit- und Mischreibung an den sich berührenden Flächen. Dadurch werden diese plastisch verformt, mikroskopisch kleine Risse treten auf. Diese können sich zu tieferen Rissen und im Anschluss zu größeren Ausbrüchen entwickeln. Ein Phänomen, das auch als Pitting bezeichnet wird. Mit der Zeit kann Graufleckigkeit die Flankenform von Zahnrädern negativ beeinflussen und sowohl die Verzahnungsdynamik als auch das Geräuschverhalten in den Getrieben verändern.

Ursachen für Schäden durch Graufleckigkeit

Graufleckigkeit kann verschiedene Ursachen haben. Sie tritt vor allem dann auf, wenn Bauteile wie Zahnräder dauerhaft stark belastet werden und eine hohe Gleitgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringer Schmierfilmdicke vorliegt. Die geringe Schmierfilmdicke ergibt sich häufig daraus, dass der Schmierstoff zu hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Ein weiterer Grund kann eine ungünstige Geometrie der Zahnräder sein, durch die es zu starken Belastungen an einzelnen Stellen auf der Zahnflanke kommt. Auch die Beschaffenheit der Oberfläche spielt eine Rolle. Ist diese sehr rau, führt eine zu dünne Schmierfilmdicke zu stetigem Kontakt des Metalls und damit zu Reibungsschäden.

Entscheidend ist ebenfalls die Wahl des Schmierstoffs, denn die Zahnradgeometrie, die Drehzahlen und die Belastung werden durch die Anforderungen der jeweiligen Getriebekonstruktion bestimmt. Eine zu niedrige Viskosität zum Beispiel bewirkt zu geringe Schmierfilmdicken. Außerdem können bestimmte Zusätze im Öl die Korrosion und damit die Tendenz zur Bildung von Graufleckigkeit fördern. Heute werden Hochleistungsschmieröle anhand eines Standardtests geprüft, ob sie zur Vermeidung von Graufleckigkeit geeignet sind.

Es gibt allerdings noch eine andere Theorie für die Entstehung von Graufleckigkeit. Beim Autohersteller Mercedes-Benz traten in den 1970er und 1980er Jahren Verschleißerscheinungen an Zahnradkonstruktionen der Hinterachsen auf. Nach verschiedenen metallografischen Tests im hauseigenen Labor kamen die Ingenieure zu dem Schluss, dass der Schmierfilm durch Schwingungen mit ungewöhnlich hohen Eigenfrequenzen der Bauteile zerstört wurde und in der Folge zu Fressschäden an den Zahnradflanken führte. Für die Wälzlager in Windkraftwerken könnte diese Erklärung auch zutreffen. Dies würde bedeuten, dass der Verschleiß nicht durch äußere Belastungen, sondern durch eine dynamische Beanspruchung im Inneren der Getriebeteile verursacht wird.

Getriebe von Windkraftanlagen sind besonders betroffen

Graufleckigkeit ist seit vielen Jahren bei Zahnradgetrieben bekannt. Besonders häufig tritt sie an Windrädern auf und stellt damit ein großes Problem für die Betreiber dar.  Einerseits kann sie sich nachhaltig auf die Windkraftwerk Leistung auswirken, andererseits kostet ein Getriebeschaden auf Grund von Graufleckigkeit schnell eine sechsstellige Summe. Ungeklärt ist vor allem, wer für derartige Schäden haftet.

Im Jahr 2007 gründete der Bundesverband Windenergie (BWE) einen Arbeitskreis, bestehend aus Sachverständigen, Betreibern, technischen Betriebsführern von Windkraftanlagen und Juristen, um die Entstehung und die Auswirkungen von Graufleckigkeit, sowie entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergründen. Es dauerte vier Jahre, bis die Kommission 2011 ihren Abschlussbericht vorlegte. Das Fazit: Es bleibt auch weiterhin ungeklärt, wer für Schäden durch Graufleckigkeit haftbar gemacht werden kann. Die Hersteller von Getrieben sehen das Problem als normale Verschleißerscheinung, die von Garantien ausgeschlossen ist. Der Prozess der Graufleckenbildung läuft sehr langsam ab und führt in der Regel erst dann zu Getriebeausfällen, wenn die Gewährleistungsfrist abgelaufen ist. Bis heute ist gerichtlich nicht geklärt, wer für Schäden aufkommen muss.

Es herrscht weiterhin Klärungsbedarf

Solange die Ursachen nicht geklärt sind, wird es keine endgültige Entscheidung darüber geben, wer für Schäden an den Getrieben von Windkraftanlagen aufkommen muss. Hochleistungswindräder mit mehr als einem Megawatt Leistung, die ständig an ihrem Limit laufen, sind besonders betroffen. Das Problem der Graufleckigkeit kann mit herkömmlichen Schmierstoffen und verbesserten Oberflächenstrukturen nur zum Teil eingedämmt werden: Je älter die Anlage, desto schwieriger ist eine zufriedenstellende Lösung. Von daher bleibt es weiterhin offen, ob das Phänomen Graufleckigkeit überhaupt als regresspflichtiger Schaden Anerkennung finden wird. Der Arbeitskreis des BWE hat in seinem Bericht deshalb auch kein abschließendes Urteil gefällt. Bisher fehlen ausreichend Erfahrungen über die Dauerfestigkeit großer Windkraftanlagen und die Auswirkungen dynamischer Kräfte wie wechselnde Winde, Vorstau oder Turmschatten auf die Antriebswellen.

Am allerbesten ist es also, neue Windkraftanlagen durch innovative Nanotribologie von vornherein vor Graufleckigkeit zu schützen und die gefürchteten Pittings als Folgeschäden von Anfang an auszuschließen. Dies ist allerdings auch durch die hochwertigsten-Schmierstoffe nicht zu erreichen, da auch diese über kurz oder lang den Reibungsverschleiß nur mindern, aber nicht völlig ausschließen können. Ein weitaus wirkungsvoller Ansatz ist es, direkt an den Oberflächen anzusetzen und diese metallkeramisch zu beschichten, so dass Reibkräfte weitgehend vermieden werden. Die Oberflächen-Keramisierung erfolgt durch die Anwendung des Ölzusatzes DuraGear® W100. Dieser wird im laufenden Betrieb dem Schmierstoff zugesetzt, nutzt ihn als Transportmittel zu Reibstellen und lagert dort durch einen chemischen Prozess an den Metalloberflächen Silikate ein und veredelt diese so zu metallkeramischen Oberflächen.

Maximale Leistung für Windkraftanlagen

Weniger Getriebewechsel durch innovative Siliziumbeschichtung

Windkraftgetriebe als sensible Systeme

Fehlende Netzkapazitäten, starke Netzspannungsschwankungen, ständig wechselnde Windverhältnisse, Trudelbetrieb und das stoßweise Antreiben von Komponenten: Windkraftanlagen sind äußerst störanfällig. Ein hoher Getriebeverschleiß verbunden mit häufigen Getriebewechseln sind die Folge. 1 -2 Getriebeerneuerungen pro Jahr sind bei Windturbinen durchaus keine Seltenheit. Als negative Konsequenzen drohen Maschinenstillstand, eine schlechtere Energiebilanz, hohe Instandhaltungskosten und eine verlängerte energetische Laufzeit. Präventiv-Maßnahmen gegen einen vorzeitigen Getriebeverschleiß machen sich also durchaus bezahlt.

Oberflächenschutz aus der Flasche

Als Hauptursachen für Getriebeausfälle bei Windturbinen gelten Schäden, die durch Reibung entstehen, beispielsweise Graufleckigkeit, Rauheit und Pittings (Verlinkung auf entsprechende Blog-Artikel). Sobald es gelingt, die Reibkräfte und den damit einhergehenden Verschleiß zu verringern, nimmt parallel auch die Anzahl der notwendigen Getriebewechsel deutlich ab. Einen äußerst wirkungsvollen Ansatz gegen Verschleißschäden bietet eine sogenannte Oberflächenpassivierung durch eine Anreicherung mit Siliziumatomen, die während des Reibprozesses eine glatte und verschleißsichere Metallkeramik-Schicht bilden. Durch die nun deutlich glatteren Oberflächen sinken Reibung und Verschleiß drastisch, das Getriebe der Windkraftanlage läuft deutlich effizienter und vibrationsärmer. Auf den ersten Blick eine ziemlich aufwändig klingende Schutzmaßname, auf den zweiten Blick jedoch ganz einfach durch die Anwendung eines innovativen Öl-Additivs. Der speziell für Windkraftanlagen entwickelte Ölzusatz DuraGear® W100 (Verlinkung auf Landingpage) wird während des laufenden Betriebs dem Schmierstoff des Windkraftgetriebes zugesetzt und nutzt diesen zum Wirkstofftransport an geschädigte Stellen – ohne den Schmierstoff selbst in irgendeiner Form zu beeinflussen.

Erfolgreiche Getriebeinstandsetzung bei Windkraft Simonsberg

Die Firma Windkraft Simonsberg, eine der größten österreichischen Windstromproduzenten, entschied sich bewusst dafür, die Windkraftwerk Leistung und Instandhaltung ihrer Getriebe durch den Einsatz von DuraGear® W100 zu steigern und nahm Kontakt zur Lahnauer Herstellerfirma REWITEC® auf. Ziele der Applikation waren vordringlich eine Verbesserung des Getriebezustands und eine Verlängerung der Lebensdauer. Ebenso sollte die Zahnflanken-Tragfähigkeit optimiert und der bisherige Schadenszustand eingefroren werden. Bei einem Vorort-Termin bei der Windkraftanlage Vestas V80 in Steinberg-Prinzendorf wurde das Windkraftanlagen Getriebe vor der DuraGear® W100 -Anwendung von den Ingenieuren der Firma REWITEC® begutachtet. Festgestellt wurden Laufspuren an den Zahnflanken und sogenannte Durchläufer, ebenso rostartige Verfärbungen im Fußbereich. Die Oberflächen waren rau, eine elektrische Widerstandsmessung ergab einen Wert von bis zu 20 Ohm. Für einen Vorher/Nachher-Vergleich wurden von einer zuvor markierten Zahnflanke hochpräzise Oberflächenabdrücke (Auflösungsgenauigkeit 0,1μm) genommen und anschließend mikroskopisch untersucht. Danach wurde das Hansen-Getriebe der Windkraftanlage mit dem tribologischen Beschichtungskonzentrat DuraGear® W100 behandelt. Die Ergebnisse nach siebenmonatiger Laufzeit mit DuraGear® W100 waren beachtlich. Eine detaillierte Getriebeuntersuchung ergab einen leichten Rückgang der rostartigen Ablagerungen und eine Verminderung der Oberflächenlaufspuren, so dass sich die Oberflächen deutlich glatter anfühlten. Der elektrische Widerstand hatte sich auf bis zu 200 Ohm erhöht. Auswertungen per Laserscan-Mikroskop (Typ „Keyence VK8700“) bewiesen eine Verbesserung der Rauheitswerte von Rz 8,899 auf Rz 7,036μm und Ra 0,595 auf Ra 0,411μm. Die Tragfläche hatte sich von 46,402% auf 58,702% erhöht. CMS-Analysen wiesen nach, dass sich der Trendverlauf der gemessenen Schwingungen nach der Anwendung erheblich verringert hatte.

Keine Getriebeausfälle mehr bei der Marxen Bauträger GmbH

Seit Mitte 2010 setzt die Firma Marxen Bauträger auf den Einsatz von DuraGear® W100 und behandelt die Getriebe aller 25 Windenergieanlagen regelmäßig mit dem innovativen Öl-Additiv. Seitdem sind keine weiteren Getriebeausfälle bekannt. Vor der Anwendung waren jährlich durchschnittlich 1-2 Getriebewechsel zu verzeichnen. Die Einsparung in 5 Jahren beträgt bei 25 Windkraftanlagen stolze 562 500 €.

Flexible Standortwahl durch optimale Getriebe-Instandhaltung

Turbulente Regionen mit hoher Windgeschwindigkeit liefern in der Regel die beste Windernte. Auf die Instandhaltung der Getriebe allerdings wirken sich die häufig wechselnden Windverhältnisse und oft sehr instabilen Netzwerkstrukturen eher nachteilig aus. Durch den stoßweisen Antrieb der mechanischen Komponenten fällt der tribologisch bedingte Verschleiß deutlich höher aus als in Regionen mit stabileren Windverhältnissen. Viele Windparkbetreiber verzichten daher bewusst auf eine höhere Windernte zugunsten einer besseren Netzanbindung und konstanteren Windverhältnissen. Durch eine Oberflächenpassivierung mit DuraGear® W100 verringert sich auch bei ungünstigen Rahmenbedingungen der auf das Getriebe einwirkende mechanische „Stress“, so dass die Betreiber von Windkraftanlagen ohne erhöhtes Reparatur- und Ausfallrisiko künftig auch in windstarken Regionen Windturbinen betreiben können.

Schmierstoffe: Energiesparende & vor Verschleiß schützende Konstruktions­elemente

Hochleistungsprodukte der Tribologie

Schmierstoffe zur Reibungsverminderung gleitendender & rollender Elemente

Schmierstoffe sind bei weitem keine Erfindung moderner Industrie, – auch, wenn es durch die Beigabe zahlreicher Additive mittlerweile so anmuten könnte – sondern wurden bereits von unseren Vorfahren zur Reibungsverringerung genutzt. Auch der Begriff „Schmieren” hat historischen Ursprung und leitet sich ab vom mittelhochdeutschen Wort „smer”, d. h. von rohem Tierfett.

ln der heutigen Zeit umfasst die Bezeichnung „Schmierstoffe” sämtliche Produkte, die zur Schmierung und Reibungsverminderung gleitender und rollender Elemente eingesetzt werden. Aber auch in Zusammensetzung, Herstellung und Eigenschaften artverwandte Produkte werden den Schmierstoffen zugeordnet, selbst wenn sie als lsolier-Öle, Korrosionsschutzmittel oder Verfahrensöle als Hilfsmittel für industrielle Prozesse dienen. Der Schmierstoffanteil am gesamten Mineralölverbrauch beträgt weltweit durchschnittlich etwa 0,8%, in den Industrieländern rund 1%. Volkswirtschaftlich betrachtet kommt den Schmierstoffen jedoch eine weitaus größere Bedeutung zu, als ihr relativ geringer Anteil am Mineralölmarkt glauben lässt. 30% aller auf der Welt erzeugten Energie werden durch Reibung verbraucht, durch Verschleiß entstehen jährlich Verluste in Milliardenhöhe. Für Konstrukteure sind Schmierstoffe daher nicht nur notwendige Betriebsstoffe, sondern Konstruktionselemente, die helfen, die Energieeffizienz zu steigern, Maschinenstillstand zu vermeiden und die Kosten für Ersatzteile und Instandhaltung zu verringern. Die Entwicklung der Schmierstoffe wird daher durch intensive Forschung permanent vorangetrieben.

Welche Schmierstoffe gibt es?

Schmierstoffe lassen sich in Schmieröle und Schmierfette unterteilen, wobei die vom Erdöl abstammenden Schmieröle deutlich mehr genutzt werden als Schmierfette, die lediglich für ganz bestimmte Zwecke in der Industrie eingesetzt werden. Generell kommen Schmierstoffe für verschiedenste Aufgaben in der Automotive-Branche oder in der Industrie zum Einsatz. Dabei wird unterschieden in:

Automotive Schmierstoffe:

Die Aufgaben automotiver Schmierstoffe sind vielfältig und dienen der Schmierung aufeinander gleitender Teile zur Verminderung von Reibung und Verschleiß, der Kühlung des Motors, der Abdichtung, dem Korrosionsschutz und der Druckübertragung.

Industrie Schmierstoffe:

Zu den Hauptaufgaben industrieller Schmierstoffe zählen eine weitgehende Minderung von Reibung und Verschleiß an Zahnflanken, die Verhinderung von Pittings und Micro Pittings und die Abführung entstehender Reibungswärme. Besonders verschärfend kommt hinzu, dass die Schmierstoffe auch unter extremen Temperatureinflüssen die Ausfallsicherheit der Maschinen gewährleisten müssen.

Basisflüssigkeiten für Schmierstoffe

Das Ausgangsprodukt sämtlicher Schmierstoffe – egal ob mineralölbasisch oder synthetisch – ist Rohöl, das in einer atmosphärischen Destillation in unterschiedliche Produkte fragmentiert und danach in weiteren Schritten von überschüssigen Begleitstoffen befreit wird. Je nach Verarbeitung entstehen als Grundöl entweder Mineralöl in unterschiedlicher Viskosität oder das sogenannte Hydrocrack-Mineralöl, wobei deutlich mehr Mineralöl-Raffinate hergestellt und verwendet werden als Hydrocrack Mineralöle.

Hydrocracköle

Hydrocracköle können sowohl auf Rohparaffin als auch auf Vakuumgasöl basieren. Sie heißen auch HC-Syntheseöle und zeichnen sich im Vergleich zu den Mineralölraffinaten durch einen wesentlich höheren Viskositätsindex (120 bis 150) und ein besseres Kälteverhalten (Pour Point bis -21 Grad C) aus.

Synthetische Basisflüssigkeiten (Polyalphaolefine, Ester)

Synthetische Öle werden in einem mehrstufigen chemischen Prozess durch die Verknüpfung spezieller Kohlenwasserstoffmoleküle hergestellt. Bei Syntheseölen kommen hauptsächlich Polyalphaolefine (PAO), häufig auch synthetische Kohlenwasserstoffe genannt, oder Ester in Frage. Die Herstellung synthetischer Basisflüssigkeiten ist aufwändiger als die Gewinnung mineralölbasischer Flüssigkeiten, so dass synthetische Öle wesentlich teurer als mineralische Öle sind, aber auf Grund ihres Herstellungsverfahrens auch viele Vorteile bieten.

Vorteile synthetischer Schmierstoffe

Synthetische Öle besitzen eine höhere Filmstärke als Mineralöle, d. h. auch bei hohen Temperaturen ist ihre Viskosität sehr hoch: Der Verschleißschutz ist deutlich höher, eine notwendige Zugabe von Viskositätsindex-Verbessern wird verringert und damit zugleich die Scherstabiliät optimiert. Aber auch bei äußerst niedrigen Temperaturen sind synthetische Öle durch ein sehr gutes Tieftemperaturverhalten den mineralischen Ölen überlegen und ermöglichen so bei Verbrennungsmotoren einen verbesserten Kaltstart und eine schnelle Durchölung der Motoren. Das Fehlen instabiler Komponenten sorgt für eine bessere Oxidations- und thermische Stabilität. Durch ihre geringe Flüchtigkeit und einen niedrigen Verdampfungsverlust sinken Öl- und Treibstoffverbrauch, eine höhere thermische Widerstandsfähigkeit gewährleistet eine bessere Motorensauberkeit und verlängerte Ölwechselintervalle.

Wichtige Kenndaten

Schmierstoff-Additive (H3)

Additive werden den Schmierstoffen zugesetzt, um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Art und Menge sollten präzise auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden, der Additivanteil kann dabei zwischen 1% und 30% liegen. Abhängig von ihrer Wirkweise lassen sich diese Zusätze in drei Arten unterteilen:

Schmierfette

Schmierfette sind feste, meistens mineralölhaltige Schmierstoffe, die in einem weiten Konsistenz,- bzw. Penetrationsbereich von flüssig bis talgartig fest hergestellt werden. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn flüssige Schmierstoffe auf Grund ihrer Flüssigkeit nicht geeignet sind und beispielsweise bei Wälz- und Gleitlagern, offenen Getrieben, Drahtseilen oder Kettenantrieben von der Schmierstelle wegrinnen. Schmierfette bestehen zu 70 – 95% aus einem Basisöl, zu 3 – 30% aus Verdickern und zu 0 – 5% aus Additiven.

Tribologie: Von den Ursprüngen der Reibungslehre

Auf da Vincis und Eulers Spuren

Früheste Entwicklungen

Reibkräfte und deren Auswirkungen beschäftigen die Menschheit bereits seit langem. Zahlreiche Anhaltspunkte belegen, dass unsere Vorfahren schon sehr früh Methoden suchten, um sich die Kraft der Reibung zu Nutze zu machen. Die Entfachung des Feuers, Hebel und Steinaxt als erste einfache Werkzeuge: Alles beruht auf Reibung. Auch die ersten Maschinen, Fiedelbohrer und Töpferscheibe, die vor 5.000 bis 6.000 Jahren entstanden, basieren auf dem Prinzip der Reibung. Die Nutzung von Rollen und Schlitten zur Reibungsminderung beim Transport schwerer Lasten sind allgemein bekannte tribologische Beispiele. Die frühesten Dokumente über die Nutzung von Rädern zur Reibungsminderung gehen auf das Jahr 650 v.Chr. zurück. Das heutige Wälzlager hat seinen Ursprung in den sogenannten „Rollkörpern“, die bereits im Alten Ägypten zum Pyramidenbau eingesetzt wurden und den Transport tonnenschwerer Steinblöcke über weite Strecken ermöglichten. Eine gezielte wissenschaftliche Auseinandersetzung mit der Reibungslehre begann allerdings erst wesentlich später durch Leonardo da Vinci (1452-1519), der erstmalig Untersuchungen zur Reibung an horizontaler und schiefer Ebene und zum Verschleiß an Gleitlagern durchführte. Seit 1966 ist in Fachkreisen der Fachbegriff „Tribologie“ gebräuchlicher, der sich aus den griechischen Begriffen tribein = reiben und logia = Lehre ableitet und erstmals in Verbindung mit dem Jost-Report genannt wird, einer von der britischen Regierung beauftragten Untersuchung über Verschleißschäden. Seitdem spricht man im Zusammenhang von Reibung, Verschleiß und Schmierung von Tribologie und tribologischen Systemen.

Tribologie & Schmiermittel

Reibung und Schmierung gehören von jeher zusammen: Auch dies belegen zahlreiche frühe Funde. Bereits die Chinesen suchten nach wirksamen Schmierstoffen zur Reibungsminderung und nutzen zunächst Wasser als Schmiermittel, später eine Mischung aus pflanzlichen Ölen und Blei. Ebenso wussten die alten Ägypter um die reibungsmindernde Wirkung von Schmierstoffen und reduzierten durch eine Schmierung der Unterseite des Pharao-Thrones das benötigte Zugpersonal um 50 %. Ferner schmierten sie ihre Streitwagen mit Tierfetten oder einer Kombination aus Olivenöl und Kalk-Mehl. Ihren wirklichen Durchbruch erlebten Schmierstoffe allerdings erst mit dem Beginn der industriellen Revolution, als durch die zunehmende industrielle Entwicklung die Nachfrage nach Volumen und Qualität der Schmierstoffe steigt. Pflanzliche und tierische Öle werden nach und nach durch Mineralöle ersetzt, die durch Destillation und Raffination aus Erdöl, Schiefer und Kohle gewonnen werden.

Leonardo da Vinci (1452-1519) als Begründer der modernen Tribologie

Leonardo da Vinci untersuchte die Haftreibungszahl an der schiefen Ebene und ermittelte deren Wert mit f = 1/4. Auch das erste und zweite Reibungsgesetz, die sogenannten Gesetze der trockenen Reibung, sind auf ihn zurückzuführen. Diese beinhalten, dass die Reibkraft proportional zur Normalkraft und unabhängig von der scheinbaren Kontaktfläche ist und nicht nur von der Adhäsion sondern auch von der Abrasion abhängt. Die Abrasion hat besonders dann großen Einfluss, wenn der rauere Reibpartner aus härterem Material besteht, oder wenn in der Fügestelle Abrieb in Form vom harten oxidierten Metallpartikeln vorliegt. Im Jahre 1490 ersetzte er beim Wälzlager die flexible Verbindung zwischen zwei Teilen fast ausschließlich durch Kugeln und erzeugte so eine wesentlich geringere Reibung. Dabei entdeckte er, dass sich die Reibung verringert, wenn sich die Kugeln nicht berühren und entwickelte daraufhin Trennelemente, die eine freie Kugelbewegung ermöglichten.

Fortführung der Reibungsgesetze von Amontons

Der französische Physiker und Statthalter von Lille Guillaume Amontons (1663-1705) führte Untersuchungen auf dem Gebiet der Mischreibung durch. Dabei stellte er fest, dass die Reibungskraft von der Normalkraft abhängt und erkannte die Oberflächenrauheit als Ursache für das Auftreten von Reibung. Für ihn basierten Reibkräfte auf mechanisch-geometrischen Verzahnungen von Unebenheiten. Der Formschluss der Mikroerhebungen hemmt die Relativbewegung, so dass eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Reibungskraft auftritt. Amontons definierte die Reibungszahl mit f = 1/3 und stellte 1699 die von Leonardo da Vinci entdeckten Gesetze der Tribologie der Académie Royale in Paris vor.

Tribologisches Erklärmodell von Desaguliers

Der Naturphilosoph John Theophilius Desaguliers (1683-1744) entwickelte ein erklärendes Modell zur Reibung, in dem er Reibkräfte auf den Einfluss der Kohäsion, bzw. Adhäsion zurückführt. Außerdem stellte er fest, dass bei besser polierten Oberflächen eine höhere Reibkraft auftritt, und dass zwei gut polierte und fest zusammengedrückte Bleikörper nur durch sehr große Kraft wieder getrennt werden können. Er führte auftretende Reibung auf den Einfluss von Kohäsion und Adhäsion zurück, konnte diese Idee aber noch nicht mit den quantitativen tribologischen Reibungsgesetzen in Zusammenhang bringen.

Entwicklung der Adhäsionstheorie von Newton

Der englische Naturforscher und Verwaltungsbeamte Sir Isaac Newton (1643-1727) definierte die Stoffkenngröße der dynamischen Viskosität: Die Adhäsionstheorie, bzw. Annahme einer molekular-mechanischen Ursache der Reibung entstand, die bereits von Desaguliers als Teilursache für die Reibung angenommen wurde. Diese Adhäsionstheorien wurden später in den 20er und 30er Jahren dieses Jahrhunderts von Bowden und Tabor bedeutend ausgebaut.

Entdeckung des Reibkoeffizienten „µ„ von Leonhard Euler

Der Schweizer Mathematiker und Physiker Leonhard Euler (1707-1783) untersuchte die Reibung an schiefen Ebenen. Dabei stellte er fest, dass die Haftreibung etwa doppelt so groß ist wie die Gleitreibung und führte den Reibkoeffizienten „µ„ ein, der heute in der Tribologie mit „f“ bezeichnet wird. Der Reibungskoeffizient bei Metallen wird an polierten Oberflächen gemessen, um eine mechanische Verzahnung größtenteils ausschließen zu können. Entscheidend sind die Adhäsions- und Kohäsionskräfte zwischen den beiden Materialien.

Charles Augustin de Coulomb als würdiger Nachfolger Amontons

Der französische Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) führte grundlegende Gedanken Amontons hinsichtlich Oberflächenrauheit und Mischreibung weiter aus und befasste sich mit der Wechselbeziehung zwischen horizontal aufzuwendender Kraft und Gewichtsanteil. Nach Coulomb hängt der Reibkoeffizient einer Fläche nicht von der Belastung ab. Dies bedeutet, dass die Reibkraft proportional zum Gewicht und flächenunabhängig ist, da sie nur eine Funktion des mittleren Neigungswinkels der Rauheiten ist. Je ebener die Oberfläche, desto geringer sollte seiner Meinung nach auch die Reibung sein: Eine These, die nach heutigem Forschungsstand nur bedingt richtig ist.

Wichtige technische Erfindungen im 18. Jahrhundert

Die heutige Tribologie beginnt nach dem Ersten Weltkrieg, als hohe Belastungen, Geschwindigkeit und Temperaturen eine steigende Beanspruchung der Reibpaare kennzeichnen und dadurch eine physikalische Anpassung von Schmierstoffen notwendig machten. Pourpoint- und Viskositäts-Index-Verbesserer, Oxydations- und Korrosionsinhibitoren entstanden, gleichzeitig begann die Entwicklung der Syntheseöle. Zunehmend gewinnt der Einsatz von Metallkeramik an Bedeutung: Oberflächen aus Metallkeramik und keramische Schneidstoffe sorgen für höhere Effizienz und Langlebigkeit industrieller Lager und Getriebe. Durch moderne und innovative Öl-Additive wie DuraGear® oder PowerShot® (Verlinkung auf Landingpage) lassen sich die Oberflächen von Lagern, Getrieben und Verbrennungsmotoren sogar nachträglich im Reibungsprozess zu Metallkeramik-Oberflächen veredeln.

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