DE4015527A1 - Reibwertmesseinrichtung, insbesondere zur geschwindigkeitsabhaengigen messung von reibwerten - Google Patents

Description

Zur Erforschung der genaueren Wirkung von Bremsbelägen ist es notwendig, die Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten zwischen der Belagmasse und einer Reibfläche in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter festzustellen. Dabei hängt der Reibwert nicht nur von der Geschwindigkeit ab, mit dem die beiden aufeinanderreibenden Flächen sich zueinander bewegen, sondern auch von dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft, dem Feuchtigkeitsgehalt des Belages selber, der Anpreßkraft der Beläge usw. Derartige Untersuchungen sind nicht nur für die Verbesserung der Bremswirkung, sondern auch zur Beseitigung von Nebenwirkungen, wie beispielsweise das Quietschen der Bremsen oder das Rubbeln des Bremsbelages auf der Brems­ scheibe geeignet.

Untersuchungen über das Reibungsverhalten zueinander beweg­ ter Objekte sind beispielsweise aus dem Buch "PHYSIK" von Gerthsen bekannt, Springer-Verlag, 1958, Seite 55, 56.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung des Reibverhaltens zweier zueinander bewegter Körper vorzuschlagen, die einfach und zuverlässig arbeitend aufge­ baut sein sollen. Um zur Untersuchung des Rubbel- und Quietschverhaltens von Bremsen geeignet zu sein, sollte sie darüber hinaus noch die Möglichkeit zeigen, Aussagen über das Bremsverhalten im Anfahr- und Anhaltezustand von Fahr­ zeugen zu machen und somit deren Verhalten annähernd nach­ bilden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer Vorrichtung der sich aus dem Oberbegriff ergebenden Gattung durch die in dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs definierte Merkmals­ kombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, Proben mit einer definierten Kraft gegen eine in Ab­ hängigkeit von der Zeit bewegte Reibfläche zu pressen und die hierbei in Bewegungsrichtung der Reibfläche auf die Pro­ be ausgeübte Kraft zu messen. Der einfachste Fall ist dabei dann gegeben, wenn sich die Reibfläche mit konstanter Ge­ schwindigkeit bewegt. Die Erfindung ist aber besonders auch dafür geeignet, das Reibverhalten bei einer Beschleunigung (negativen oder positiven) der Reibfläche gegenüber der Pro­ be zu messen, wobei vielfach Untersuchungen interessant sind, bei denen von einer Geschwindigkeit der Größe Null ausgegangen wird oder zu dieser zurückgekehrt wird. Dabei ändert sich ja bekanntlich die Reibkraft von einer im Still­ stand der Reibfläche bei konstanter Kraft gegebenen festen Größe (Haftreibung) zu einer mit wachsender Geschwindigkeit abnehmenden Reibkraft (gleitende Reibkraft), die bei noch weiter wachsender Geschwindigkeit schließlich einem Grenz­ wert zustrebt.

Um einen einfachen Aufbau der Vorrichtung zu erreichen, em­ pfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 2, wodurch auch der für die Vorrichtung benötigte Raumbedarf eingeschränkt wird.

Vielfach ist es nun wichtig, eine präzise Aussage über das Reibverhalten bei bestimmten Geschwindigkeiten zu haben, so daß die Reibkoeffizienten über der Geschwindigkeit in Dia­ grammen aufgetragen werden können. In solchen Fällen em­ pfiehlt sich insbesondere die Anwendung der Merkmalskombina­ tion nach Anspruch 3, bei der eine vorgegebene Geschwindig­ keit, insbesondere eine vorgegebene Geschwindigkeitsänderung der Reibfläche erzwungen wird. Besonders interessant ist da­ bei, wenn von der Geschwindigkeit Null ausgegangen wird, da hier interessante Phänomene, wie der Übergang von der Haft- zur Gleitreibung gut beobachtet und aufgezeichnet wer­ den können. Das Meßergebnis ist dabei immer die durch die Reibung bei den verschiedenen Geschwindigkeiten ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von den Umgebungsparametern und/oder der Anpreßkraft der Probe auf die Reibfläche.

Eine besonders einfach und zuverlässig arbeitende Vorrich­ tung der genannten Gattung erhält man insbesondere durch den Einsatz der in Anspruch 4 geschilderten Merkmalskombination, durch die eine symmetrische Kräfteverteilung erreicht wird, die die auf die Vorrichtung wirkenden Kräfte symmetrisch hält und damit für eine einfache Lagerung der einzelnen Bau­ elemente sorgt.

Als Kraftmeßeinrichtung wird entsprechend Anspruch 5 vor­ zugsweise eine Kraftmeßdose verwendet, deren Ergebnis mit­ tels einer Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet werden kann, wobei die zu den einzelnen Zeit­ punkten vorliegende Geschwindigkeit der Reibfläche, wie wei­ ter oben schon erläutert, vorgegeben ist.

Um den Probenhalter in vereinfachter Weise abstützen zu kön­ nen und um für eine vereinfachte Aufnahme der Reibungskräfte zu sorgen, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 6. Hierdurch wird er­ reicht, daß der Probenhalter nicht in zwei Ebenen beweglich gelagert sein muß, sondern sich nur auf einer (Kreis-) Ebene bewegt. Gleichwohl lassen sich aber auch die gleichen Ergeb­ nisse, wie bei der an sich naheliegenden Lagerung in zwei Ebenen bestimmen.

Für einen vereinfachten Aufbau und auch insbesondere zur Herabsetzung des notwendigen Aufwands für die Lagerung der einzelnen Baugruppen empfiehlt sich für eine derartige Aus­ gestaltung die Anwendung der Merkmalskombination nach An­ spruch 7, da durch die Symmetrierung der wirkenden Kräfte diese sich zumindest in einer Ebene hinsichtlich der Lage aufheben.

Für die Ausgestaltung des schwenkbaren Probenhalters ist es besonders günstig, wenn man die Merkmale nach Anspruch 8 an­ wendet. Hierdurch erhält man eine recht kostengünstige sta­ bile Aufhängung für die Proben, wobei die Seitenpfosten des äußeren Rahmens gleichzeitig zur Führung des inneren Rahmens in senkrechter Richtung dienen können.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit empfiehlt sich die Verwen­ dung der Merkmale nach Anspruch 9. Da die Rahmen in sich steif sind, läßt sich auch die Kraftwirkung zwischen den Rahmenflächen recht genau definieren. Ordnet man die beiden zur Messung einander zugeordneten Flächen der Rahmen paral­ lel zueinander an, so ist bei einer senkrechten Führung des inneren Rahmens gegenüber dem äußeren gewährleistet, daß keine Querkräfte in die Messung eingehen können und diese verfälschen.

Um das Verkanten des inneren Rahmens gegenüber dem äußeren und das Auftreten von Scherkräften zu verhindern, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 10.

Die Erfindung schafft auch die Möglichkeit, den Einsatz spe­ zieller für die Anpreßkräfte sorgender Energiequellen zu vermeiden, indem die Art der Lagerung des Probenhalters und das Auftreten von Reibkräften gleichzeitig zum Erzeugen von Querkräften mit ausgenutzt wird. Hierzu ist es günstig, die Merkmale nach Anspruch 11 vorzusehen. Diese Weiterbildung bewirkt im Prinzip, daß die Reibkräfte im Winkel zu der Be­ wegungsrichtung der Reibfläche der Bremsscheibe in den inne­ ren Rahmen abgeleitet werden, so daß der entstehende Kraft­ pfeil in einen die Reibkraft bestimmenden, in der Zeichnung senkrecht gerichteten und einen hierzu quergerichteten, die Anpreßkraft bildenden Kraftpfeil ausgespalten wird. Man kommt somit bei dieser Ausgestaltung mit einer einzigen Kraftquelle aus, die mit der Kraft K4 an der Antriebswelle angreift. Obwohl dieses System zu einer Selbstverstärkung der Querkräfte als auch der Reibkräfte führt, lassen sich doch eindeutige Schlußfolgerungen auf die Reibwerte in Ab­ hängigkeit von der Zeit und der Geschwindigkeit schließen, da der Angriffswinkel der von dem Probenhalter in den inne­ ren Rahmen geleiteten Kraft und damit die Verteilung der Querkräfte K1, K2 und die in senkrechter Richtung gemessene Kraft K3 bekannt sind. Hierdurch lassen sich eindeutige Schlußfolgerungen aus dem zeitabhängigen Verlauf der auftre­ tenden Querkräfte ziehen. Das Verfahren der hier beschriebe­ nen Vorrichtung ist insbesondere auch deshalb für die Bewer­ tung von Belägen in Teilbelagscheibenbremsen geeignet, weil die Proben mit geschobenen Belägen vergleichbar sind, wäh­ rend bezogene Beläge ohnedies weniger zum Quietschen und Rubbeln neigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung ist in einem äußeren Rahmen 2, der zwei senkrecht gerichtete Säulen 26, 27 besitzt, ein innerer Rah­ men 4 in in der Zeichnung senkrecht gleitend in den Gleitla­ gern 21, 22, 23 aufgehängt. Der innere Rahmen 4 stützt sich über eine als Kraftmeßdose ausgestaltete Kraftmeßeinrichtung 14 in senkrechter Richtung auf dem äußeren Rahmen 2 ab, so daß die Kraftmeßdose im Ausgangszustand mit dem Gewicht des inneren Rahmens sowie der dazugehörenden Bauteile belastet ist.

In die Öffnung des inneren Rahmens 2 reicht ein Teil der kreisringförmigen Reibfläche 13 einer Bremsscheibe 12, über eine Antriebswelle 10 von einer Kraft K4 antreibbar ist. An den beiden seitlichen Pfosten 28, 29 des inneren Rahmens 4 sind jeweils zwei Gelenkhebel 17, 19 drehbar gelagert, die an Halteelementen 7 eines Probenhalters 6 drehbar gelagert an­ greifen und somit ein Trapezgelenk bilden. Die Lagerung ist damit derart, daß jedes der beiden Probenhalter im Kreisbo­ gen um den zugehörigen Posten 28 bzw. 29 schwenkbar ist, wo­ bei die beiden Halteelemente nur in der Ebene der Brems­ scheibe parallel verschoben werden. Die in den Probehaltern 7 durch Verschrauben eingespannten Reibproben 8 behalten da­ her auch bei einem Schwenken der Hebel 17, 19 mit ihrer Pro­ benfläche 15 die parallele Lage zur Reibfläche 13 der Brems­ scheibe 12 bei.

Während nun im einfachsten Fall ohne die Vervendung der Schwenkhebel 17-19 nur eine in Richtung der Kräfte K1, K2 gerichtete Anpreßkraft durch entsprechende Maßnahmen aufge­ bracht und danach die Kraft K3 gemessen werden muß, ist die Verfahrensweise bei dem hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiel wie folgt:

Im Ausgangszustand lehnen die beiden Probenhalter 6 aufgrund der geneigten Lage der Drehhebel 17, 19 an der Reibfläche der Bremsscheibe 12 und die Kraftmeßdose 14 zeigt einen Aus­ gangswert K3 an.

Anschließend wird bei diesem Verfahren die Kraftquelle K4 eingeschaltet, die in vorgegebener Zeitabhängigkeit die Bremsscheibe 12 über die Antriebswelle 10 mit derartiger Kraft antreibt, daß die Rückwirkungskräfte der Reibung ver­ nachlässigbar sind. Das kann z. B. derart geschehen, daß die Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 10 und damit die Bewe­ gungsgeschwindigkeit entsprechender Kreissektorbereiche auf der Bremsscheibe linear zunehmen. Durch die auftretende Reibkraft erhöht sich auch entsprechend einer Winkelfunktion die Höhe der Kräfte K1 und K2, so daß sich die Reibkraft K3 vergrößert und damit auch die Höhe der Querkräfte K1, K2.

Schließlich beginnt die Bremsscheibe 12 zwischen den Reib­ proben 8 durchzudrehen, da die Kraftwirkung der Reibflächen auf die Beschleunigung der Antriebswelle 10 nur vernachläs­ sigbar gering ist. Schließlich wird die Geschwindigkeit der Reibfläche so groß, daß eine weitere Zunahme der Reibkräfte nicht mehr festzustellen ist, so daß sich die Reibkraft über der noch wachsenden Geschwindigkeit einem konstanten Wert nähert.

Mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Anzeige­ gerätes, welches sowohl die wachsende Geschwindigkeit der Antriebswelle 10 und damit der Reibfläche 13, als auch die Abhängigkeit der Reibkraft K3 von der Zeit aufzeichnet, kön­ nen die Verhältnisse der Kraft K3 gegenüber der Kraft K4 aufgezeichnet werden. Da die Größe der Angriffsfläche zwi­ schen der Probenfläche 15 und der Reibfläche 13 sich nicht ändert, läßt sich über die rückwärts berechenbare Anpreß­ kraft K1, K2 auch die Änderung des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit festlegen.

Hieraus lassen sich sogen. Anfachungswinkel berechnen, die im wesentlichen das Verhältnis von dem Haftreibungskoeffi­ zienten zu dem Gleitreibungskoeffizienten zu Beginn des Be­ schleunigungsvorgangs der Antriebswelle 10 beschreiben.

Der Anfachungswinkel ist im übrigen auch ein Maß für die Än­ derung des Reibungskoeffizienten über einer gleichbleibenden Geschwindigkeitsänderung. Je kleiner nun die Reibungsände­ rung ist, desto geringer werden auch die Instabilitäten sein, mit denen der Belag der Probe an der Reibfläche an­ greift. Um ein sehr kurzzeitiges Rutschen des Belages auf der Reibfläche aufgrund sich ändernder Reibwerte zu verhin­ dern, wird man also nach Belägen suchen, deren Reibwerte sich mit ändernder Geschwindigkeit nur möglichst wenig än­ dern, was insbesondere für den Übergang vom Halten in das Anfahren bzw. vom Bremsen in das Halten gilt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung des Reibungskoeffizienten einer zu untersuchenden Reibprobe gegenüber einer zu dieser relativ bewegten Reibfläche in Abhängigkeit von der Ge­ schwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reibfläche (13) vorgesehen ist, die in vorgege­ bener Zeitabhängigkeit bewegt, vorzugsweise beschleunigt wird, daß ein Probenhalter (6) vorgesehen ist, über den die Probe (8) mit einer definierten Kraft (K1, K2) gegen die Reibfläche (13) gepreßt wird und daß eine Kraftmeß­ einrichtung (14) vorgesehen ist, über die die durch den Reibvorgang der Reibfläche (13) auf die Probe (8) und damit den Probenhalter (6) ausgeübte Kraft (K3), vor­ zugsweise in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reibfläche (13) durch eine Bremsscheibe (12) gebildet ist, die über eine Antriebs­ welle (10) von einem Motor angetrieben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zur Beschleunigung der Reibfläche zur Verfügung stehende Kraft (K4) derart groß gewählt ist, daß die durch die Reibfläche (13) die Scheibe (12) verzögernden Kräfte (-K3) vergleichsweise gering sind und die Scheibe (12) weitgehend unabhängig von den Reibkräften (-K3) mit einer zeitlich vorgegebe­ nen Beschleunigung beschleunigt werden kann.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter (6) eine Bremszange ist, deren Betätigungsenden (7) mit ei­ ner definierten Kraft (K1, K2) senkrecht zur Reibfläche (13) gepreßt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrich­ tung (14) eine Kraftmeßdose ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter (6) zumindest ein derart gelagertes Halteelement (7) be­ sitzt, daß es auf einem Kreisbogen schwenkbar ist, wobei die der Bremsscheibe (13) zugewandte Probenfläche (15) der Probe (8) parallel zur Bremsscheibenebene (13) ver­ setzt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Probenhalter (6) zwei symme­ trisch zur Bremsscheibe (12) gelagerte Halteelemente (7) besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das bzw. die Halteelemen­ t(e) über Trapezgelenke (17, 19) in einem inneren Rahmen (4) gelagert sind, welcher in einem äußeren Rahmen (2) parallel zur Bremsscheibenebene (13) und insbesondere quer zu dieser stehend geführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem inneren und dem äußeren Rahmen (4, 2) in der Bremsscheibenebene (13) die Kraftmeßeinrichtung (14) angeordnet ist, wo­ durch die Kraft der beiden Rahmen (2, 4) gegeneinander meßbar ist, die aus der Reibkraft der Probe (8) auf der Reibfläche (13) resultiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der innere Rahmen (4) über drei Lagerpunkte (21, 22, 23) gegenüber dem äußeren Rahmen (2) quer zur Bremsscheibenebene (13) stehend in senk­ rechter Richtung geführt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das oder die Halteelemen­ t(e) derart im Winkel zur Bremsscheibenebene (13) gela­ gert ist (sind), daß infolge der auftretenden Reibkraft (K3) die Angriffskräfte (K1, K2) aufgebaut bzw. ver­ größert werden.