Roman BöttcherZur Tribologie von strukturierten Skibelägen auf Eis und Schnee | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISBN: | OND-00000-0000181 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reihe: | Ingenieurwissenschaften (Bauingenieur, Maschinenbau, Architektur,...) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schlagwörter: | Eis; Schnee; Reibung; Ski; Skifahren; Skibelag; Struktur; Kontaktmechanik; Reibungsmodell; Hydrophobie; Optimierung | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Publikationsart: | Dissertation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sprache: | Deutsch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Seiten: | 187 Seiten | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Abbildungen: | 123 Abbildungen | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Format: | Online-Publikation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Preis: | 45,00 € | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Erscheinungsdatum: | August 2015 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
DOI: | 10.2370/OND000000000181 (Online-Gesamtdokument) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Zusammenfassung: | Die Wechselwirkung zwischen einem Skibelag und einer Schneeoberfläche ist bisher noch nicht ausreichend erforscht. Insbesondere der Einfluss der Belagsstrukturierung auf den Reibungsprozess konnte noch nicht eindeutig formuliert werden. Ausführliche Literaturrecherchen haben verdeutlicht, dass die Suche nach dem elementaren mikroskopischen Prozess, der für die Reibung im Skibelag/Schnee-System verantwortlich gemacht werden könnte, noch nicht abgeschlossen ist. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb in ausführlichen Messungen und Analysen der Reibungsvorgänge zwischen strukturierten Skibelägen und Eis- bzw. Schneeoberflächen. Die gewonnenen Datensätze sollen genutzt werden, um die theoretischen Vorstellungen über die Rolle der einzelnen elementaren Prozesse im Reibungsvorgang zu verifizieren. Der Fokus lag in der Bestimmung des Reibungskoeffizienten µ von gezielt strukturierten Belägen in umfassenden tribometrischen Messreihen. Die eingesetzten Probenkörper wurden dazu zum einen mit geprägten und zum anderen mit geschliffenen Linearstrukturen versehen. Als Untergrund wurden eine glatte Eisschicht sowie zwei Schneearten unterschiedlicher Korngröße präpariert. Die variierten Parameter bei den Reibungsmessungen waren die Art der Strukturierung, die Temperatur der Gleitoberfläche T, die Geschwindigkeit des Probenkörpers v und die Normalkraft FN auf diesen. Durch zahlreiche tribometrische Messungen unter kontrollierten thermischen Bedingungen konnte somit ein umfangreicher Datensatz der Reibungskoeffizienten gewonnen werden [μ (Eis, Schnee, Struktur, T, ν, FN)]. Die Messreihen wurden durch eine Vielzahl an Analyseverfahren begleitet. Neben der Charakterisierung der Eisoberfläche durch ein diffraktometrisches Verfahren lag der Fokus auf der Topographie der Belagoberfläche. Zur Erfassung der Oberflächenstrukturen wurde das Rohmaterial mit REM- und TEM-Aufnahmen abgebildet. Des weiteren konnten die erzeugten Prägungen und Schliffe durch Aufnahmen mittels Konfokalmikroskopie erfasst werden. Durch die geometrische Auswertung dieser Daten konnten essentielle Strukturkennwerte ermittelt werden. Durch den Vergleich der gewonnenen Datensätze mit theoretischen Vorhersagen konnten einige Reibungsmodelle als mögliche Beschreibung des Skibelag-Eis/Schnee-Systems ausgeschlossen werden. Die Verbindung des aktuellsten Reibungsmodells (Makkonen und Tikanmäki) mit dem elastischen Kontaktmodell von Hertz ermöglichte die Verknüpfung der gemessenen Reibwerte mit den Strukturkenngrößen des Skibelags. Der Gleitvorgang ist dabei ein energetisch dissipativer Prozess, bei dem die erzeugte Reibungswärme zum Schmelzen einer dünnen Oberflächenschicht führt. Der entstandene viskose Wasserfilm wirkt schmierend auf den Kontakt und reduziert damit die Reibungskoeffizienten entscheidend. Mit diesem Modellansatz wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment im breiten Bereich der variierten Parameter erzielt. Die Temperatur der Gleitpartner konnte dabei als entscheidender Faktor identifiziert werden, indem sie die Wasserfilmbildung beeinflusst. Einhergehend mit der Temperatur ändert sich auch die Härte der Gleitkörper. Beide Faktoren sind maßgeblich für das temperaturabhängige Verhalten des Reibungskoeffizienten verantwortlich. Die reale Kontaktfläche spielt zudem eine Schlüsselrolle bei der Reibungsreduzierung des tribologischen Systems. Die flächenbezogene Erhöhung der Reibwärme bestimmt dabei über die Senkung des Reibungskoeffizienten. |