Verschleißmodelle

Verschleißmodelle sind mathematische Beschreibungen des Materialverlusts in tribologischen Kontakten infolge Relativbewegung. Sie dienen der Abschätzung der Lebensdauer, der Auslegung von Bauteilen, der Material- und Schmierstoffauswahl sowie der Optimierung von Betriebsbedingungen.

Es gibt empirische Modelle, die Verschleiß durch empirische Korrelationen beschreiben, und mechanistische bzw. physikalisch basierte Modelle, die Verschleiß aus den zugrunde liegenden Mechanismen ableiten. Das bekannteste mechanistische Modell ist Archards Gesetz: Das Verschleißvolumen V ist proportional zum Produkt aus Kontaktlast L und Verschleißweg s, geteilt durch die Härte H des Materials, beschrieben durch V = k · L · s / H, wobei k ein dimensionsloser Verschleißkoeffizient ist, der von Materialpaarung, Schmierung und Umgebung abhängt. Weitere mechanistische Ansätze berücksichtigen Spannungen, Temperaturfelder und Oberflächenzustände.

Typische Verschleißmechanismen sind adhäsiver Verschleiß, abrasiver Verschleiß durch harte Partikel oder Spitzen sowie Frettverschleiß durch mikroskopische Relativbewegung beschädigter Flächen. Unter Misch- oder Grenzreibung können mehrere Mechanismen gleichzeitig wirken. Die Anwendbarkeit der Modelle hängt stark von Reibungsbedingungen, Schmierung, Oberflächenrauheit und Temperatur ab.

Verschleißmodelle finden Anwendungen in Getrieben, Lagern, Dichtungen, Werkzeugen und anderen Bauteilen, bei denen Verschleiß die Leistungsfähigkeit bestimmt. Sie dienen auch der Auslegung von Schmiermitteln und Oberflächenbehandlungen.

Grenzen ergeben sich aus der Vereinfachung komplexer Prozesse und der oft hohen Varianz der Parameter. Parameter wie k und H müssen experimentell bestimmt oder validiert werden; Vorhersagen tragen Unsicherheiten, insbesondere bei wechselnden Betriebsbedingungen. Zunehmend kommen datenbasierte Ansätze, experimentelle Validierung und mehrskalige Modelle zum Einsatz, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern.