Grundwissen Tribologie

Reibung und Verschleiß sind nicht nur technische Herausforderungen – sie verursachen auch enorme wirtschaftliche Verluste. Schätzungen zufolge gehen in Industrieländern jährlich bis zu 7 % des Bruttosozialprodukts durch Reibungsverluste, Materialverschleiß und erhöhte Wartungskosten verloren. Die Anwendung tribologischer Erkenntnisse bietet ein enormes Einsparpotenzial: Weniger Stillstand, geringerer Energie- und Ressourcenverbrauch, längere Standzeiten. Hier erfahren Sie, wie tribologische Systeme funktionieren – und welchen Beitrag sie zu Effizienz, Nachhaltigkeit und wirtschaftlichem Erfolg leisten können.

Was ist Reibung?

Reibung ist der mechanische Widerstand, der auftritt, wenn sich zwei Oberflächen in Relativbewegung zueinander bewegen. In technischen Anwendungen ist Reibung in den meisten Fällen unerwünscht – sie verursacht Energieverluste, erzeugt Reibungswärme und führt zu Verschleiß an Bauteiloberflächen. Genau hier setzt die Tribologie an: Sie untersucht die Ursachen und Auswirkungen von Reibung sowie Möglichkeiten, diese gezielt zu reduzieren.

Ermittlung von Reibwerten

Um Reibung technisch bewerten und gezielt beeinflussen zu können, ist die Ermittlung von Reibwerten entscheidend. Grundlage hierfür ist das Gesetz nach Coulomb, das den Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Normalkraft und der entstehenden Reibkraft beschreibt.

Je nach Bewegungsart unterscheidet man verschiedene Reibungsarten: Gleitreibung, Bohrreibung, Rollreibung und Wälzreibung. Jede dieser Formen stellt unterschiedliche Anforderungen an Werkstoffe, Konstruktion und Schmierung – und erfordert daher spezifische tribologische Lösungen.

Das tribologische System

Ein tribologisches System beschreibt die Gesamtheit aller Einflussgrößen, die beim Kontakt zweier bewegter Oberflächen eine Rolle spielen. Es bildet die Grundlage für die Analyse und Lösung tribologischer Fragestellungen.

In tribologischen Systemen versucht man, Reibung und Verschleiß als Ergebnis komplexer Wechselwirkungen auf – zwischen Werkstoffen, Oberflächen, Bewegungsparametern und Umgebungsbedingungen zu erfassen. Neben konstruktiven Faktoren wie Material, Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen auch Beanspruchungsgrößen wie Geschwindigkeit, Last oder Vibrationen das tribologische System. Ebenso spielen äußere Einflüsse wie Temperatur, Staub oder Feuchtigkeit eine wichtige Rolle.

Für eine effektive Schmierstoffauswahl ist es daher unerlässlich, das gesamte System zu betrachten – denn nur wenn alle Komponenten und Einflussgrößen berücksichtigt werden, lässt sich eine zuverlässige, langlebige und wirtschaftliche Lösung entwickeln.

Stribeck-Kurve

Die Stribeck-Kurve veranschaulicht den Verlauf der Reibzahl in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit und beschreibt die verschiedenen Reibungs- und Schmierungszustände eines tribologischen Systems, etwa bei einem Gleitlager mit Öl- oder Fettschmierung.

In der Anlaufphase tritt zunächst Ruhereibung und danach Festkörperreibung auf – mit hoher Reibung und starkem Verschleiß. Mit steigender Geschwindigkeit setzt die Mischreibung ein: Ein Teil der Kontaktflächen wird bereits durch einen Schmierfilm getrennt. Hier schützt ein Notlauffilm aus Festschmierstoffen vor Schäden bei unvollständiger Schmierung.

Bei noch höherer Geschwindigkeit erreicht das System schließlich die Flüssigkeitsreibung. In diesem Zustand trennt ein stabiler hydrodynamischer Schmierfilm die Reibpartner vollständig – vergleichbar mit Aquaplaning. In dieser Phase sind sowohl Reibung als auch Verschleiß minimal – ein zentraler Zielzustand in der tribologischen Optimierung.

Multifunktionale Eigenschaften moderner Schmierstoffe

Schmierstoffe übernehmen in tribologischen Systemen weit mehr als nur die reine Schmierung. Eine wichtige Funktion besteht darin, Reibung zu reduzieren und Verschleiß zu minimieren – bei gleichzeitig maximaler Kraftübertragung, minimaler Energieaufnahme und maximaler Lebensdauer.

Darüber hinaus müssen sie in vielen Anwendungen auch sekundäre Anforderungen erfüllen: etwa Wasserbeständigkeit, Korrosionsschutz, Verträglichkeit mit Kunststoffen oder Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Hinzu kommen je nach Anwendung gesetzliche oder andere Anforderungen wie Lebensmitteltechnik und Umweltschutz. Je nach Einsatzfall wirken diese Eigenschaften einzeln oder in Kombination und tragen maßgeblich zur Zuverlässigkeit und Lebensdauer technischer Systeme bei.

Die Auswahl des passenden Schmierstoffs ist daher ein zentraler Bestandteil der tribologischen Optimierung – individuell abgestimmt auf Materialpaarung, Umgebungseinflüsse und Betriebsbedingungen.

FAQs:

Was beschreibt die Stribeck-Kurve?
Die Stribeck-Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Reibung, Verschleiß und Gleitgeschwindigkeit, z.B. bei Gleitlagern mit Schmierung. Sie veranschaulicht die Übergänge von Festkörperreibung über Mischreibung bis hin zur Flüssigkeitsreibung und ist eine wichtige Grundlage für die Auswahl geeigneter Schmierstoffe.

Was sind tribologische Systeme und ihre Eigenschaften?
Ein tribologisches System umfasst alle Komponenten und Einflussfaktoren, die auf den Schmierstoff einwirken. Eigenschaften wie Werkstoff, Oberflächenbeschaffenheit, Belastung, Temperatur oder der eingesetzte Schmierstoff bestimmen das tribologische Verhalten und die Lebensdauer technischer Bauteile.

Was sind die drei Arten von Reibung?
Die drei grundlegenden Arten von Reibung sind Gleitreibung, Rollreibung und Haftreibung. Sie unterscheiden sich durch die Art der Bewegung zwischen den Kontaktflächen und beeinflussen das Reibverhalten und den Verschleiß in tribologischen Systemen wesentlich.

Ist Reibung von der Fläche abhängig?
Die Reibung hängt weniger von der geometrischen Größe der Fläche ab, sondern vielmehr von deren Beschaffenheit und den Materialeigenschaften. Entscheidend ist auch, ob und welcher Schmierstoff eingesetzt wird – denn dieser bildet einen Gleitfilm zwischen den Flächen und kann so Reibung und Verschleiß deutlich reduzieren.

Welchen Einfluss hat Reibung auf die Energie?
Reibung führt zu Energieverlusten, da ein Teil der eingesetzten Energie in Wärme umgewandelt wird, anstatt für die gewünschte Bewegung genutzt zu werden. In technischen Systemen kann dies die Effizienz mindern – durch gezielten Einsatz von Schmierstoffen lässt sich dieser Energieverlust deutlich reduzieren.

Ist die Rollreibung größer als die Gleitreibung?
Nein, in der Regel ist die Rollreibung deutlich geringer als die Gleitreibung. Beim Rollen entstehen weniger Widerstände, da sich die Kontaktflächen nicht dauerhaft gegeneinander verschieben – deshalb sind z. B. Kugellager so effektiv zur Reduzierung von Reibungsverlusten.

Was sind die fünf Gesetze der Reibung?
Die sogenannten „fünf Reibungsgesetze“ basieren auf den Beobachtungen und Experimenten von Leonardo da Vinci, Guillaume Amontons und Charles-Augustin de Coulomb, die als Wegbereiter der Reibungslehre gelten. Sie haben im Laufe der Zeit gemeinsam die Grundlagen formuliert, die später als klassische Reibungsgesetze bekannt wurden. Diese fünf (idealisierten) Gesetze lauten sinngemäß:

1. Die Reibungskraft ist unabhängig von der scheinbaren Kontaktfläche.
2. Die Reibungskraft ist proportional zur Normalkraft.
3. Die Gleitreibung ist geringer als die Haftreibung.
4. Die Reibung ist weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeit der Bewegung.
5. Die Reibung hängt von den Materialpaarungen und deren Oberflächenbeschaffenheit ab.

Diese Gesetze sind stark vereinfacht und gelten vor allem unter trockenen, idealisierten Bedingungen. Die moderne Tribologie betrachtet Reibung wesentlich differenzierter – insbesondere unter Einbezug von Schmierung, Temperatur, Mikrostruktur und dynamischen Effekten.

Wie berechnet man die Hersey-Zahl?
Die Hersey-Zahl berechnet sich aus der Viskosität des Schmierstoffs, der Relativgeschwindigkeit und dem Flächendruck: Hersey-Zahl=η⋅vp/p. Sie dient der Beurteilung des Schmierzustands in Gleitkontakten und ist ein zentrales Element zur Einordnung im Stribeck-Diagramm (z. B. Grenz-, Misch- oder Flüssigkeitsreibung).