Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Reibverhalten elastomerer Werkstoffe auf rauen Oberflächen

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit experimentellen und theoretischen Untersuchungen des stationären Reibverhaltens von elastomeren Werkstoffen auf rauen Oberflächen im Hinblick auf besseres Verständnis von Reifen beim Bremsen unter nassen und trockenen Bedingungen. Zusätzlich werden grundlegende Zusammenhänge zwischen den physikalischen sowie dynamisch-mechanischen Eigenschaften und den Reibeigenschaften gezeigt und im Detail besprochen. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung modifizierter Ruße mit dem Ziel, die Energiedissipation unter dynamischer Beanspruchung und damit die Reibung zu senken und dadurch die Energieeffizienz von elastomeren Bauteilen zu steigern. Im Gegensatz zu rein elastoplastischen Reibkombinationen zeigen die Reibeigenschaften von Elastomeren auf starren, rauen Oberflächen ein sehr komplexes Verhalten, das durch viskoelastische Eigenschaften, Temperatur, Relativgeschwindigkeit, Last und anderen Faktoren beeinflusst wird. Durch experimentelle Bestimmung des Reibkoeffizienten in Abhängigkeit von oben genannten extrinsischen und intrinsischen Größen wird gezeigt, dass vor Allem die Kontaktbedingungen und das auf die Anregung reagierende Materialverhalten den Reibprozess enorm bestimmen. In diesem Zusammenhang wird eine neue, physikalisch motivierte Methode zur Bestimmung von viskoelastischen Masterkurven gefüllter Elastomere vorgestellt und im Detail diskutiert. Mit Hilfe des erweiterten, theoretischen Konzepts von Klüppel et al werden die einzelnen Reibanteile im Einklang mit den experimentellen Daten identifiziert. Es wird gezeigt, dass im Wesentlichen zwei Beiträge das Elastomerreibverhalten beeinflussen: (i) Hyste-resereibung, die durch innere Energieverluste des Gummis bei zyklischer Belastung durch Unebenheiten der Substratoberfläche auf einer breiten Frequenzskala hervorgerufen wird; (ii) Adhäsionsreibung, die als Peeling-Effekt durch viskoelastisches Rissöffnungsmecha-nismus zwischen Elastomer und Substrat interpretiert wird. Das theoretische Model sagt in guter Übereinstimmung mit den Experimenten eine Abnahme des Reibkoeffizienten mit der Lastzunahme voraus. Durch die Bestimmung kontinuierlicher Reibmasterkurven, die sich über einen breiten Geschwindigkeitsbereich erstrecken, können die Masterkurven als isotherm betrachtet werden, was sicherstellt, dass die gemessene Lastabhängigkeit nicht auf Reiberwärmung der Probe zurückzuführen ist. Die Reibsimulationen geben Aufschluss über die relativen Anteile der beiden Beiträge Adhäsion und Hysterese am Reibprozess, die je nach Geschwindigkeit und Oberflächen-rauheit zwischen und liegen. Feine Oberflächen zeigen höhere Adhäsionsreibung und kleinere Hysteresebeiträge gegenüber raueren Oberflächen. In Folge einer detaillierteren Parameterstudie werden zudem Vorhersagen für diverse Rennstrecken realisiert. Experimentelle Untersuchungen anhand von drei unterschiedlichen Polymertypen gefüllt mit und ohne modifiziertem Ruß zeigen, dass eine geeignete Veränderung der Rußstruktur zu einer Erniedrigung der dissipativen Verluste führt. Diese Ergebnisse können dazu genutzt werden hysteresearme Elastomere zu entwickeln, um die Energieeffizienz von Gummibauteilen unter dynamischer Beanspruchung zu steigern.