Reibung
Erwünschte und unerwünschte Reibung II

trommelbremse

Trommelbremse

Das Funktionsprinzip einer Trommelbremse wurde hier bereits beschrieben.

Ergänzend dazu zeigt das Foto eine reale, offene Trommelbremse, sodass die Schülerinnen und Schüler Schema und Realität vergleichen können.

vorderachse

Innenbelüftete Scheibenbremse

Auf dem Foto ist das komplette Federbein eines Sportwagens mit einer leistungsfähigen Scheibenbremskonstruktion ("innenbelüftete Scheibenbremse") dargestellt. Die sonst massive dicke Stahlscheibe besteht bei dieser innenbelüfteten Scheibenbremse aus zwei dünnen Einzelscheiben, die über Stege miteinander verbunden sind. In der Regel verlaufen diese Stege im Inneren der doppelwandigen, hohlen Scheibe leicht gekrümmt, ähnlich einem "Radialgebläse" eines handelsüblichen Staubsaugers. Bei diesem wird mit einer solchen doppelwandigen Hohlscheibe die erforderliche Gebläsewirkung erzielt, um Luft von "vorne" nach "hinten" zu saugen.
Um eine optimale Gebläsewirkung zu erreichen, sind die Stege im Inneren der beiden Scheibenteile daher je nach Drehrichtung des Staubsaugermotors leicht gekrümmt. Das Grundprinzip funktioniert allerdings auch mit geraden Stegen. In jedem Fall wird die Luft im Inneren zwischen den Stegen bei schneller Rotation der gesamten Scheibeneinheit nach außen befördert, da sie der Fliehkraft unterliegt. Durch ein Loch im Zentrum dieses sogenannten "Radialgebläses" strömt Luft ins Scheibeninnere nach, die dann auf demselben Wege nach außen geschleudert wird. Je nach Drehzahl der Scheibe entsteht ein mehr oder weniger kräftiger Luftstrom vom Loch im Zentrum radial nach außen.

Hinweis für Lehrer: Es empfiehlt sich, von einem alten Staubsauger ein solches Gebläse auszubauen und zu Demonstrationszwecken in die Physiksammlung aufzunehmen.

Indem die Wandstärken der dargestellten Scheibenbremse entsprechend groß gewählt wurden, stellt sie eine Vereinigung eines oben beschriebenen Radialgebläses mit einer Bremsscheibe dar. Im Inneren der Scheibe wird durch die Drehung ein kühlender Luftstrom erzeugt, sodass die Bremsleistung dieser "innenbelüfteten Bremsscheibe" höher sein kann als bei einer massiven Bremsscheibe. Ihre "Standfestigkeit" bei thermischer Belastung ist durch die Eigenkühlung deutlich besser. Bei nasser Bremsscheibe ermöglichen die kleinen Löcher in den Bremsscheiben ein schnelleres Ansprechen der Bremse. Eventuell vorhandenes Wasser wird schnell in die Löcher geschoben und verdampft anschließend durch die Erwärmung der Scheibe. Besonders günstig ist dies bei vielen Motorrädern, die eine gleichartige Scheibenkonstruktion haben, weil das Problem der Nässe auf den recht frei liegenden Bremsscheiben noch eher auftritt. Ein weiterer Vorteil ist das geringere Gewicht im Vergleich zu einer massiven Bremsscheibe.

kugellager1

Wälzlager:

Auf der Folie sind als Beispiel zur Vermeidung unerwünschter Reibung Gleitlager vorgestellt. Zur Vervollständigung zeigt das Foto ein Wälzlager. Dabei handelt es sich um ein fettgeschmiertes Rollenlager, dessen Flanken offen ausgeführt sind. Dies erlaubt nicht nur eine Beobachtung der Rollen, sondern ermöglicht die Nachfettung des Lagers. Radlager sind typische Vertreter dieser offenen Ausführung.

Oft sind Wälzlager allerdings geschlossen ausgeführt. Eine Nachfettung ist nicht vorgesehen. Der Hersteller füllt den verbleibenden Raum im Inneren zwischen den Kugeln oder Rollen mit einem Fettvorrat, der für die erwartete Lebensdauer des Lagers ausreichen soll. Tritt bei einem solchen Lager Verschleiß auf, ist es komplett zu ersetzen.

kugellager

Aufbau von Gleitlagern:

Einschichtlager sind Massivlager aus einem einzigen Material (üblicherweise aus Kupfer-Zinn-Legierungen). Ihr typischer Einsatz ist die Verwendung als Pleuelbuchsen, obwohl auch hier immer mehr, wie für die Kurbelwellenlager, Mehrschichtlager eingesetzt werden.

Mehrschichtlager (Zwei-, Drei- und Vierschichtlager) bestehen aus mehreren Schichten.

Bei dem abgebildeten Dreischichtlager erkennt man den von außen nach innen aufeinander folgenden Aufbau aus Stützschale, Tragschicht und Laufschicht. Dabei ist die Stützschale aus Stahl in einer Stärke von üblicherweise 1 µm bis 3 µm. Sie sorgt für die Festigkeit der Lagerschalen. Die Tragschicht ist aus Bleibronze (einer Legierung aus 75 % Kupfer, 23,5 % Blei und 1,5 % Zinn) in einer Stärke von 0,2 µm bis 0,5 µm. Sie sorgt für Notlaufeigenschaften bei mangelnder Schmierung sowie bei Abnutzung der Laufschicht. Die Laufschicht ist von der Tragschicht noch durch eine nicht eingezeichnete und bei der Aufzählung der Schichten nicht mitgerechnete sehr dünne Trennschicht getrennt, welche aus einem Nickeldamm besteht und nur 1-1,5 µm stark ist. Diese verhindert, dass der Zinnanteil aus der darunter liegenden eigentlichen Laufschicht in die Bleibronze der Tragschicht abwandert.
Die Laufschicht schließlich wird aus dem sogenannten "Weißmetall" hergestellt, einer Legierung aus 87 % Blei, 10 % Zinn und 3 % Kupfer; ihre Stärke ist 12-22 µm. Auf dieser läuft dann die auf Grund der Ölschmierung "nasse Gleitreibung" zwischen der drehenden gelagerten Welle und dem festen Lager ab.

mondeo

Gleitlager im Motorenbau:

Dargestellt sind zwei typische Anwendungsfälle für Gleitlager im Motorenbau: Ein ausgebautes Pleuel und ein Kolben, dessen Kolbenbolzen zur besseren Erkennbarkeit halb herausgedrückt ist. Das obere, kleinere Lager des Pleuels muss man sich im Betriebszustand im Innenraum des Kolbens vorstellen, wobei der Kolbenbolzen durch das "Auge" des Pleuels führt. An dieser Stelle wird oft ein Einschicht- oder Massivlager als "Pleuelbuchse" verwendet (siehe auch Text weiter oben). Über das untere, größere Lager des Pleuels stellt man die Verbindung mit der Kurbelwelle her (vgl. Abbildung einer Kurbelwelle auf Folie). Hier kommt, wie bei den Lagern der Kurbelwelle, ein Mehrschichtlager zum Einsatz.