Untersuchungen zum Rollwiderstand harter Wälzkörper im Ebene-Kugel-Ebene-Kontakt

Guddei, Bernhard GND

Verluste im freien Rollkontakt, wie in Wälzkörperführungen, werden oft dem partiellen Gleiten im Kontakt zugeschrieben, weshalb auch von Rollreibung gesprochen wird. Diese kann jedoch nur entstehen, wenn die Kontaktpartner unterschiedliche elastische Eigenschaften besitzen. Auf der anderen Seite werden Verluste beim Rollen auch beobachtet, wenn der Kontakt aus zwei gleichen Materialien besteht. Daraus folgt, dass hauptsächlich andere Verlustmechanismen aktiv sein müssen. Das Hauptziel dieser Dissertation ist, den Widerstand beim freien Rollen im Ebene-Kugel-Ebene-Kontakt besser zu verstehen. Für die Untersuchung wurden elf Kombinationen harter Materialien benutzt, die zum Teil auch in Wälzlagern eingesetzt werden. Jede Kombination umfasst über 20 Probenpaare unterschiedlicher Rauheit und Durchmesser, für die jeweils der Gleitreibungs- und Rollwiderstandskoeffizient sowie die elastische Hysterese gemessen wurden. Außerdem wurde für einige Modellsysteme die Rollreibung numerisch untersucht. Die Messungen der Gleitreibung zeigte in Abhängigkeit der Oberflächenrauheit kein einheitliches Verhalten. Je nach Paarung wurden lokale Minima, Maxima oder lineare Trends gefunden. Der Vergleich mit dem jeweils zugehörigen Rollwiderstandskoeffizienten zeigte keine Korrelation. Dieser ist jedoch mit dem Rauheitswert Sq korreliert, woraus gefolgert wurde, dass der Rollwiderstand nur marginal von Gleitreibung beeinflusst wird. Der Vergleich mit den numerisch berechneten Rollwiderständen, die nur Gleitreibung als Verlustmechanismus in Betracht zogen, bestätigt dieses Bild. Die daraus abgeleiteten Rollwiderstandskoeffizienten sind um mehrere Größenordnungen kleiner, als die experimentell bestimmten. Plastische Verformungen können diesen Unterschied nicht erklären, da die Einlaufphase während der ersten beiden reversierenden Messzyklen nicht ausgewertet wurden. Der Hauptanteil des Rollwiderstands wurde daher innerer Reibung zugeschrieben. Dies passt insofern zu den Messergebnissen, da raue Oberflächen bei gleicher Last größere Verformungsraten aufweisen. Die Messergebnisse der elastischen Hysterese bestätigen diesen Schluss. Weiterhin wurde ein einfaches analytisches Modell entwickelt und validiert, welches die Umrechnung zwischen elastischer Hysterese und Rollwiderstand erlaubt. Zusätzlich wurde der Einfluss der Rauheit auf Schleppfehler von Servo-Achsen untersucht und mit der lokalen Streuung der Rollwiderstände verglichen. In beiden Fällen wurde ein linearer Zuwachs mit steigender Rauheit beobachtet.

Energy loss in free rolling contacts, e.g. in rolling bearing elements, is often attributed to partial slip in the contact region. This is why the term rolling friction is also used. However, rolling friction in this context can only arise if both mating bodies exhibit different elastic properties. On the other hand, losses in such contacts are also observed in bodies composed of the same material, implying the existence of other dissipation mechanisms. The main objective of this dissertation is to understand rolling resistance in free rolling flat-ball-flat contacts. For the study, eleven combinations of hard materials were selected, some of which are actually used for rolling bearing elements. Each material combination comprises of more than 20 pairs with varying surface roughness and ball diameter. The coefficients of sliding friction and rolling resistance as well as elastic hysteresis were determined for every pair. Furthermore, a numerical study was performed for selected pairs. Depending on the material pair, experimental curves of sliding friction versus surface roughness Sq displayed local minima, maxima or even linear trends. Comparison with the associated coefficient of rolling resistance showed no correlation whatsoever. This coefficient was found instead to correlate with Sq leading to the conclusion that sliding friction contributes only marginally to rolling resistance. This conclusion is also supported by numerical analysis, which only includes sliding friction as a dissipation mechanism. This, however, leads to calculated coefficients of rolling resistance with values several orders of magnitude smaller than those observed experimentally. Plastic deformations of the contacts could be ruled out as a reason for the discrepancy, because the run-in phase during the first two reciprocating cycles was not included in the data analysis. Therefore, the main contribution to rolling resistance was attributed to internal friction. This agrees with experiments: under a given load rough surfaces exhibit higher strain rates. Experimental analysis of elastic hysteresis also support this conclusion. Moreover, a simple analytic model was derived and validated with which a conversion between the coefficients of elastic hysteresis and rolling resistance can be made. The effect of surface roughness on tracking errors of servo axes was also investigated and compared with the local scatter of rolling resistances. In both cases, a linear trend with increasing roughness was observed.

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Guddei, Bernhard: Untersuchungen zum Rollwiderstand harter Wälzkörper im Ebene-Kugel-Ebene-Kontakt. Ilmenau 2019.

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