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Kontaktmechanik und Reibung - Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik
Valentin Popov
Verlag Springer-Verlag, 2010
ISBN 9783642133022 , 374 Seiten
2. Auflage
Format PDF
Kopierschutz Wasserzeichen
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Vorwort zur zweiten Auflage
6
Vorwort zur ersten Auflage
6
Inhaltsverzeichnis
9
1 Einführung
14
1.1 Kontaktund Reibungsphänomene und ihre Anwendung
14
1.2 Zur Geschichte der Kontaktmechanik und Reibungsphysik
16
1.3 Aufbau des Buches
21
2 Qualitative Behandlung des Kontaktproblems – Normalkontakt ohne Adhäsion
22
2.1 Materialeigenschaften
23
2.2 Einfache Kontaktaufgaben
26
2.3 Qualitative Abschätzungsmethode für Kontakte mit einem dreidimensionalen elastischen Kontinuum
30
Aufgaben
34
3 Qualitative Behandlung eines adhäsiven Kontaktes
40
3.1 Physikalischer Hintergrund
41
3.2 Berechnung der Adhäsionskraft zwischen gekrümmten Oberflächen
45
3.3 Qualitative Abschätzung der Adhäsionskraft zwischen elastischen Körpern
46
3.4 Einfluss der Rauigkeit auf Adhäsion
48
3.5 Klebeband
49
3.6 Weiterführende Informationen über van-der-Waals-Kräfte und Oberflächenenergien
50
Aufgaben
51
4 Kapillarkräfte
56
4.1 Oberflächenspannung und Kontaktwinkel
56
4.2 Hysterese des Kontaktwinkels
60
4.3 Druck und Krümmungsradius der Oberfläche
60
4.4 Kapillarbrücken
61
4.5 Kapillarkraft zwischen einer starren Ebene und einer starren Kugel
62
4.6 Flüssigkeiten auf rauen Oberflächen
63
4.7 Kapillarkräfte und Tribologie
64
Aufgaben
65
5 Rigorose Behandlung des Kontaktproblems – Hertzscher Kontakt
71
5.1 Deformation eines elastischen Halbraumes unter der Einwirkung von Oberflächenkräften
72
5.2 Hertzsche Kontakttheorie
75
5.3 Kontakt zwischen zwei elastischen Körpern mit gekrümmten Oberflächen
77
5.4 Kontakt zwischen einem starren kegelförmigen Indenter und dem elastischen Halbraum
79
5.5 Innere Spannungen beim Hertzschen Kontakt
80
Aufgaben
83
6 Rigorose Behandlung des Kontaktproblems – Adhäsiver Kontakt
87
6.1 JKR-Theorie
88
Aufgaben
93
7 Kontakt zwischen rauen Oberflächen
97
7.1 Modell von Greenwood und Williamson
98
7.2 Plastische Deformation von Kontaktspitzen
104
7.3 Elektrische Kontakte
105
7.4 Thermische Kontakte
108
7.5 Mechanische Steifigkeit von Kontakten
109
7.6 Dichtungen
109
7.7 Rauheit und Adhäsion
111
Aufgaben
111
8 Tangentiales Kontaktproblem
120
8.1 Deformation eines elastischen Halbraumes unter Einwirkung von Tangentialkräften
121
8.2 Deformation eines elastischen Halbraumes unter Einwirkung von Tangentialspannungsverteilungen
122
8.3 Tangentiales Kontaktproblem ohne Gleiten
124
8.4 Tangentiales Kontaktproblem unter Berücksichtigung des Schlupfes
126
8.5 Abwesenheit des Schlupfes bei einem starren zylindrischen Stempel
129
Aufgaben
129
9 Rollkontakt
134
9.1 Qualitative Diskussion der Vorgänge in einem Rollkontakt
135
9.2 Spannungsverteilung im stationären Rollkontakt
137
Aufgaben
143
10 Das Coulombsche Reibungsgesetz
148
10.1 Einführung
148
10.2 Haftreibung und Gleitreibung
149
10.3 Reibungswinkel
150
10.4 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Kontaktzeit2
151
10.5 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Normalkraft
153
10.6 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Gleitgeschwindigkeit4
154
10.7 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Oberflächenrauheit
154
10.8 Vorstellungen von Coulomb über die Herkunft des Reibungsgesetzes
156
10.9 Theorie von Bowden und Tabor
157
10.10 Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Temperatur
160
Aufgaben7
161
11 Das Prandtl-Tomlinson-Modell für trockene Reibung
171
11.1 Einführung
171
11.2 Grundeigenschaften des Prandtl-Tomlinson-Modells
173
11.3 Elastische Instabilität
177
11.4 Supergleiten
181
11.5 Nanomaschinen: Konzepte für Mikround Nanoantriebe
182
Aufgaben
187
12 Reiberregte Schwingungen
191
12.2 Reibungsinstabilität bei abfallender Abhängigkeit der Reibungskraft von der Geschwindigkeit
192
12.3 Instabilität in einem System mit verteilter Elastizität
195
12.4 Kritische Dämpfung und optimale Unterdrückung des Quietschens
197
12.5 Aktive Unterdrückung des Quietschens
199
12.6 Festigkeitsaspekte beim Quietschen
202
12.7 Abhängigkeit der Stabilitätsbedingungen von der Steifigkeit des Systems
203
12.8 Sprag-Slip
208
Aufgaben
209
13 Thermische Effekte in Kontakten
215
13.1 Einführung
216
13.2 Blitztemperaturen in Mikrokontakten
216
13.3 Thermomechanische Instabilität
218
Aufgaben
220
14 Geschmierte Systeme
222
14.1 Strömung zwischen zwei parallelen Platten
223
14.2 Hydrodynamische Schmierung
224
14.3 „Viskose Adhäsion“
228
14.4 Rheologie von Schmiermitteln
231
14.5 Grenzschichtschmierung
233
14.6 Elastohydrodynamik
234
14.7 Feste Schmiermittel
236
Aufgaben
237
15 Viskoelastische Eigenschaften von Elastomeren
244
15.1 Einführung
244
15.2 Spannungsrelaxation in Elastomeren
245
15.3 Komplexer, frequenzabhängiger Schubmodul
247
15.4 Eigenschaften des komplexen Moduls
249
15.5 Energiedissipation in einem viskoelastischen Material
250
15.6 Messung komplexer Module
251
15.7 Rheologische Modelle
252
15.8 Ein einfaches rheologisches Modell für Gummi („Standardmodell“)
255
15.9 Einfluss der Temperatur auf rheologische Eigenschaften
257
15.10 Masterkurven
258
15.11 Prony-Reihen
259
Aufgaben
262
16 Gummireibung und Kontaktmechanik von Gummi
266
16.1 Reibung zwischen einem Elastomer und einer starren rauen Oberfläche
266
16.2 Rollwiderstand
272
16.3 Adhäsiver Kontakt mit Elastomeren
275
Aufgaben
277
17 Verschleiß
283
17.1 Einleitung
283
17.2 Abrasiver Verschleiß
284
17.3 Adhäsiver Verschleiß
287
17.4 Bedingungen für verschleißarme Reibung
290
17.5 Verschleiß als Materialtransport aus der Reibzone
292
17.6 Verschleiß von Elastomeren
293
Aufgaben
295
18 Reibung unter Einwirkung von Ultraschall
297
18.1 Einfluss von Ultraschall auf die Reibungskraft aus makroskopischer Sicht
298
18.2 Einfluss von Ultraschall auf die Reibungskraft aus mikroskopischer Sicht
303
18.3 Experimentelle Untersuchungen der statischen Reibungskraft als Funktion der Schwingungsamplitude
305
18.4 Experimentelle Untersuchungen der Gleitreibung als Funktion der Schwingungsamplitude
308
Aufgaben
310
19 Numerische Simulationsmethoden in der Reibungsphysik
317
19.1 Kontakt und Reibung in verschiedenen Simulationsmethoden: Eine Übersicht
318
19.1.1 Mehrkörpersysteme
318
19.1.2 Finite Elemente Methode
319
19.1.3 Randelementemethode
320
19.1.4 Teilchenmethoden
322
19.2 Reduktion von dreidimensionalen Kontaktaufgaben auf eindimensionale
322
19.3 Kontakt in einem makroskopischen tribologischen System
323
19.4 Reduktionsmethode für ein Mehrkontaktproblem
328
19.5 Dimensionsreduktion und viskoelastische Eigenschaften
332
19.6 Adhäsion in der Reduktionsmethode
333
19.7 Abbildung von Spannungen im Reduktionsmodell
334
19.8 Das Berechnungsverfahren in der Reduktionsmethode
336
19.9 Schmierung, Kavitation und plastische Deformation in der Reduktionsmethode
336
Aufgaben
337
20 Erdbeben und Reibung
342
20.1 Einführung
343
20.2 Quantifikation der Erdbeben
344
20.3 Reibungsgesetze für Gesteine
346
20.4 Stabilität beim Gleiten mit der geschwindigkeitsund zustandsabhängigen Reibung
350
20.5 Nukleation von Erdbeben und Nachgleiten
353
20.6 Foreshocks und Aftershocks
356
20.7 Kontinuumsmechanik von granularen Medien und Struktur von Verwerfungen
357
20.8 Ist Erdbebenvorhersage möglich?
361
Aufgaben
362
Anhang
366
Weiterführende Literatur
370
Bildernachweis
375
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