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Verallgemeinerte Reib- und Adhäsionsgesetze für den Kontakt mit Elastomeren
Theorie und Experiment
Voll, Lars Bastian
Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt zwei zusammenhängende Themen aus dem Bereich der Tribologie: Elastomerreibung und Adhäsion von Elastomeren. Trotz enormer praktischer Bedeutung und mehrjähriger Forschungen bleiben auf diesen Gebieten immer noch viele Fragen ungeklärt. So konnte bisher kein Konzept zu einer einheitlichen Beschreibung der Elastomerreibung in einem breiten Intervall von Gleitgeschwindigkeiten, Temperaturen und Normalkräften gefunden werden. In der vorliegenden Arbeit sind wir systematisch der Frage nachgegangen, ob es möglich ist, das sehr verbreitete und in der Praxis etablierte „Masterkurvenverfahren", welches eine einheitliche Beschreibung der Reibkraft von der Gleitgeschwindigkeit und der Temperatur erlaubt, um die Abhängigkeit von der Normalkraft zu erweitern. Aus den theoretischen Überlegungen folgt, dass es vorteilhaft ist, anstelle der Normalkraft die Indentierungstiefe zu benutzen, welche die aktuelle Kontaktkonfiguration am unmittelbarsten charakterisiert. Aufgrund von theoretischen Modellen wurde eine Hypothese über die allgemeine Struktur des Reibgesetzes aufgestellt, welches die Abhängigkeiten von der Geschwindigkeit, der Temperatur und der Indentierungstiefe berücksichtigt. Auf dieser Basis wurde das verallgemeinerte Masterkurvenverfahren formuliert. Zur experimentellen Verifikation des vorgeschlagenen Verfahrens musste eigens ein weggesteuertes Tribometer entwickelt und gebaut werden.
Die Adhäsion zwischen Elastomeren und festen Körpern – und ganz besonders unter ihrer dynamischen Beanspruchung – liefert zahlreiche unbeantwortete Fragen, was zum Teil an der realen Komplexität der Prozesse liegt, die sich bei der Trennung in der Grenzfläche abspielen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Adhäsionskraft zwischen Polyurethan und verschiedenen Indentern aus Stahl untersucht. Hierzu wurden systematische Untersuchungen der Abhängigkeiten von der zuvor angelegten Normalkraft, der Abzugsgeschwindigkeit, der Form und der Größe des Indenters sowie die der Oberflächenrauheit durchgeführt. Die Untersuchungen mit verschiedenen Indentern haben gezeigt, dass die gängigen Adhäsionstheorien bei der Interpretation der Messergebnisse versagen. Basierend auf der Vorstellung, dass das Ablösen eines adhäsiven Kontaktes als Ausbreitung eines Risses stattfindet, wurden verschiedene Bruchkriterien formuliert. Das in dieser Arbeit gemessene Adhäsionsverhalten konnte vollständig unter Verwendung eines „deformationsgesteuerten Bruchkriteriums" beschrieben werden.
This research work deals with two related issues in the field of tribology: elastomer friction and adhesion of elastomers. Despite enormous practical importance and several years of research many questions still remain unanswered in these areas. So far no concept for a consistent description of elastomeric friction exists for a wide range of sliding velocities, temperatures and normal forces. In the present work, the common and in practice established "master curve method", which allows a uniform description of the friction force as a function of the sliding velocity and temperature, is extended to the dependence of the coefficient of friction on the normal force. According to theoretical considerations, the current contact configuration is characterized most directly by the indentation depth instead of the normal force. Using theoretical models, a general structure of the friction law has been hypothesized, which takes the velocity, temperature and indentation depth into account. On this basis, the generalized master curve procedure was formulated. The verification of the proposed procedure was performed experimentally using a specially developed indentation-controlled tribometer.
Also for the adhesion between elastomers and solid bodies – and especially for dynamic loads – there are a lot of unanswered questions. This is partly due to the complexity of the processes that take place in the separation at the interface. In the present work the adhesion force between polyurethane and various indenters of steel has been systematically studied as a function of the exerted normal force, the pull-off velocity, the shape, size and surface roughness of the indenter. The results of the performed experiments with indenters of various sizes have shown that the known adhesion theories fail. Based on the idea, that the separation of an adhesive contact corresponds to crack propagation, different fracture criteria could be formulated. In the investigated systems the measured adhesion behavior could be described completely by the "deformation controlled fracture criterion".
