Der dynamische Gleit- und Rollkontakt von Festkörpern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bewegte Bauteile von Maschinen und Anlagen verformen sich durch Kräfte, die kontaktierende Gegenkörper auf sie ausüben. Im Innern der Bauteile breiten sich Spannungen und Verformungen mit der Schallgeschwindigkeit aus. An den Materialoberflächen von Gleit- und Rollkontakten können jedoch auch Verformungen mit höherer Geschwindigkeit erzwungen werden. Dann reicht zur Berechnung die klassische Kontaktmechanik, die auf H. Hertz (1881) zurückgeht, nicht aus. Diese gilt für den quasistatischen Kontakt von Festkörpern, wenn die einwirkenden äußeren Kräfte sich viel langsamer als der Körperschall bewegen. In sog. dynamischen Roll- oder Glehkontakten sind zusätzlich zu den #oo£eschen Kräften (Typ: Elastizitätsmodul x Verzerrung) Trägheitskräfte (Typ: Masse x Beschleunigung) zu berücksichtigen. In Maschinen und Anlagen wirken meist metallische Festkörper aufeinander ein. Infolge ihrer hohen Schallgeschwindigkeiten (z. B. Stahl: Longitudinalwellen ci = 6100 m/s, Transversalwellen C2 = 3300 m/s) sind bei technisch üblichen Geschwindigkeiten Trägheitskräfte in der Kontaktzone vernachlässigbar. In Gummiwerkstoffen, die heute bei immer höheren Geschwindigkeiten eingesetzt werden, breiten sich Transversalwellen dagegen sehr langsam aus (C2 unter 50 m/s). Bei der Konstruktion und im Betrieb von Roll- und Gleitkontakten mit Gummiwerkstoffen muss deshalb die Werkstoffkenngröße C2 beachtet werden. Das Projekt zeigt an weichen Gummiwalzen in Rollen-Offset-Druckmaschinen (v bis 15 m/s) bzw. am - gummigefederten Rad 064 der Deutschen Bahn AG (v = 55 m/s beim Eisenbahnunglück von Eschede), dass die Umfangsgeschwindigkeit v von Bauteilen die Schallgeschwindigkeit C2 in Gummi erreichen und überschreiten kann. Die Kontaktzone schnelllaufender Druckwalzen (sog. Nip) wird somit nicht nur von der Werkstofihärte, der thermischen Ausdehnung und der Einwirkung von Chemikalien, sondern auch durch Trägheitskräfte bestimmt. Für das Eisenbahnrad 064 wurde theoretisch gezeigt, dass der Intercity Express zum Unglückszeitpunkt bei Eschede mit Überschallgeschwindigkeit (über C2 von Gummi) fuhr und folglich in der Gummibettung des Radreifens eine komplizierte (asymmetrische) Spannungsverteilung entstehen muss. Das erklärt Aussagen von Sachverständigen im Eschede-Gerichtsverfahren. 2.2. Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Das Überschreiten von C2 in technischen Bauteilen konnte nur rechnerisch aus Materialdaten nachgewiesen werden. Mit einem weiterentwickelten Versuchsstand sollte dieses auch direkt im Experiment, z. B. an Druckwalzen, zu zeigen sein. Für das Gummipuffer-Material des Rades 064 fehlt ein genauerer Wert der Schallgeschwindigkeit C2 (grobe Abschätzung im Projekt: 45 m/s). Zum Verständnis der Vorgänge im Rad 064 wäre v. a. die Messung von C2 im relevanten Frequenz- und Temperaturbereich unter Last erforderlich. Die Betrachtungen sollten auf weitere technische Anwendungen, z. B. Hochgeschwindigkeits-Bereifungen, ausgedehnt werden und dabei auch eine geeignete Finite-Element (FEM)-Software zum Einsatz kommen,
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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B. Happ: Gummiwalzen in Druckmaschinen als dynamische Rollkontakte, Tribologie-Fachtagung 2007 Göttingen, Bd. II, S.43/1-43/9
