Die Geschichte der Tribologie

Schmiertechnik und Schmierstoffe im Wandel der Zeit

 
 

Reibungs- und Verschleißvorgänge haben seit der Entstehung der Erde eine herausragende Rolle gespielt. So ist beispielsweise der Gelenkmechanismus bei Wirbeltieren oder die Schleimschicht bei Fischen ein perfektes, durch die Evolution hervorgebrachtes, tribologisches System.


Über Reibung bzw. Tribologie  wusste schon der Steinzeitmensch Bescheid: Wenn er ein trockenes Holzstäbchen geduldig in der Mulde eines Astes hin und her drehte, konnte er nach einiger Zeit ein Feuer entfachen. Hier war die Reibung ein probates Mittel zum Zweck.


Der Mensch nutzte bereits vor 500.000 bis 600.000 Jahren die ersten Werkzeuge wie Hebel, Steinaxt und ähnliche. Viel später, etwa vor 5.000 bis 6.000 Jahren, entstanden mit der Erfindung des Fiedelbohrers oder der Töpferscheibe die ersten einfachsten Maschinen; doch nicht erst seit jener Zeit sind die Menschen mit den Phänomenen von Reibung und Verschleiß konfrontiert. Die Reibung wurde zur Erzeugung von Feuer genutzt. Der Gebrauch von Schlitten und Rollen zur Reibungsminderung beim Transport von großen Lasten sind allgemein bekannte Beispiele für Tribologie.


In der Geschichte finden sich Anhaltspunkte, dass bereits sehr früh bestimmte Maßnahmen ergriffen wurden, um Reibung und Verschleiß in einer für den Menschen günstigen Weise zu beeinflussen. Die Menschen waren sich den Wirkungen der Tribologie  bewusst.


Die Suche des Menschen nach wirksamen Schmierstoffen ist abwechslungsreich und so alt wie die überlieferte Menschheitsgeschichte. Die Chinesen machten sich schon um 3500 v. Chr. die Schmierwirkung von Wasser zunutze, die Ägypter verwendeten um 1400 v. Chr. Tierfett oder Olivenöl gemischt mit Kalkmehl für ihre Streitwagen; um 780 v. Chr. entdeckten die Chinesen die reibungsmindernden Eigenschaften einer Mischung aus pflanzlichen Ölen und Blei, und vor mehr als 100 Jahren wurde erstmals auf die Eignung von Luft als Schmiermittel hingewiesen. Auswirkungen der Tribologie ziehen sich durch die Jahrtausende.

Tribologie - 3500 bis 30 v. Chr., Zeit der Sumerer und Ägypter

Not macht erfinderisch: So müssen schon die Menschen in der Jungsteinzeit (4000–1800 v. Chr.) empfunden haben. Man darf durchaus annehmen, dass Sumerer und Ägypter zur Reibungsminderung "Schmierstoffe" einsetzten (Bitumen, Tier- und pflanzliche Öle, Wasser). Handeln innerhalb der Tribologie.


Die Beispiele hierfür sind zahlreich:

  • Einfache Lager zur Entfachung von Feuer und zur Herstellung von Bohrungen durch Drehbewegungen
  • Töpferscheiben mit Holz und Steinlager
  • Achslager mit Lederschlaufen für Rollen- und Räderfahrzeuge
  • Einsatz von Schmiermitteln wie Öl, Fett, Wasser
  • Konstruktion von Schlitten zum Transport schwerer Steine


So verwendeten schon die Sumerer vor etwa 3.000 Jahren an ihren Wagen Lederschlaufen und umgedrehte Astgabeln zur Lagerung der starren Achsen. Funde belegen, dass solche Reibstellen geschmiert wurden, um so die Reibung und damit auch den Verschleiß zu mindern.


Das Wälzlager verdankt seinen Namen und seinen Ursprung den "Rollkörpern" wie das Rundholz, das von den Ägyptern zur Zeit der Pharaonen benutzt wurde. Dieses Verfahren ermöglichte es, die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen, das Tribologie-Problem der Reibung zu lösen und Aufgaben weniger anstrengend zu machen. Die Idee, die Gleitreibung durch Rollreibung zu ersetzen, reicht sehr weit in der Zivilisationsgeschichte zurück.


Einige ägyptische Reliefs zeigen Transport von enormen Steinblöcken, die zum Bau von Monumenten bestimmt waren und die man auf Baumstämmen anstelle von Rollen gleiten ließ.

Ägypten

Es ist bildlich überliefert, wie der Transport einer ägyptischen Statue etwa 1880v. Chr., am Grab des Tehuti-Hetep, El-Bersheh, bereits mit geschmierten Kufen erfolgte.


Man erkennt auf diesem Bild deutlich einen Mann, der Schmierstoff vor die Gleitflächen gießt. Die Bildunterschrift weist auf Wasser als Schmierstoff hin, während auf einer, dem Bild beigefügten Inschrift, Olivenöl als Schmierstoff genannt wird. Erste Hilfsmittel im Hinblick auf  Tribologie.

Tribologie - 2000 v.Chr.

Geschmiert läuft alles besser - das wussten bereits die alten Ägypter.


Mit Olivenöl wurde der Untergrund des Pharao-Thrones benetzt. Durch die Reibungsminderung wurde 50 % des Zugpersonals eingespart. In den weiteren zeitgeschichtlichen Epochen werden innerhalb der Tribologie nach wie vor hauptsächlich pflanzliche Öle und tierische Fette als Gleit- und Antiverschleißmittel eingesetzt. Man darf aber auch annehmen, dass Bitumen (aus dem Boden austretendes Erdöl) eine gewisse Verwendung fand, wie auch schon im Altertum.

Tribologie - 650 v.Chr.

Früheste Dokumente über die Nutzung von Rädern zur Verringerung der Reibung.

Tribologie - 330 v.Chr.

Der griechische Ingenieur Diades entwickelte möglicherweise eines der ersten Wälzlager zur Lagerung der Rammböcke der Kriegsschiffe - auch dies eine Erkenntnis der Tribologie.

Tribologie - 50 v. Chr. bis 50 n. Chr., Römer

Die Überreste einer Drehplattform, die von einem Schiff des Kaisers Caligula stammten und um 1930 auf dem Grund des Nemi-Sees gefunden wurden, belegen, dass die rudimentären Lager bereits in der Antike benutzt wurden.


Diese Plattform kann als eines der ersten Beispiele für Drucklager angesehen werden, d.h. ein Lager, das dazu bestimmt ist, direkte Lasten aufzunehmen und das sich um seine Achse dreht.

Tribologie - 1452-1519 Leonardo da Vinci

“Die mechanischen Wissenschaften sind von allen die edelsten und nützlichsten, denn über ihren Umweg führen alle in Bewegung gesetzten Körper die Arbeit aus, für die sie entwickelt wurden."


Eine wissenschaftliche Betrachtung der Thematik der Tribologie begann erst in der jüngeren Geschichte, angefangen mit Leonardo da Vinci, welcher sich um 1500 mit der Reibung beschäftigte, indem er die Reibungszahl (Haftreibungszahl) an der schiefen Ebene untersuchte. Da Vinci ermittelte den Wert der Reibungszahl mit f = ¼ und formulierte die Gesetze der trockenen Reibung.


Da Vinci hat Untersuchungen zur Reibung an horizontaler und schiefer Ebene und zum Verschleiß an Gleitlagern durchgeführt. Hieraus entstanden das erste und das zweite Reibungsgesetz nach Leonardo da Vinci. Leonardo da Vinci hat im Jahre 1490 beim Wälzlager die bewegliche Verbindung zwischen zwei Teilen fast ausschließlich durch die geringere Rollreibung ersetzt. Hierzu hat er Kugeln verwendet. Er kam zu dem Schluss, dass die Reibung weniger stark ist, wenn sich die Kugeln nicht berühren. Daraufhin entwickelte er Trennelemente, die es den Kugeln ermöglichen sollten, sich frei zu bewegen.

Tribologie - 1452-1519 Leonardo da Vinci

Zeichnungen aus dem Bereich der Tribologie zu Versuchen zur Reibung von Leonardo da Vinci.

Tribologie - 15. bis 16. Jahrhundert

Die Renaissance wird als Beginn der eigentlichen Tribologie bezeichnet. Grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich Reibung und Verschleiß bringen jedoch keine neuen Entwicklungen der Schmierstoffe.

Tribologie - 1663-1705

Guillaume Amontons war ein französischer Physiker und Statthalter von Lille.


Er führte Untersuchungen auf dem Gebiet der Mischreibung durch und stellte fest, dass die Reibungskraft von der Normalkraft abhängt und die Oberflächenrauheit als Ursache für Reibung angesehen werden muss.


Amontons führte die Reibung auf mechanisch-geometrische Ursachen im Sinne einer "Verzahnung" von Unebenheiten zurück. Diese Verzahnungstheorie besagt: Der Formschluss der Mikroerhebungen hemmt die Relativbewegung, es tritt eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Reibungskraft auf. Amontons bestimmte die Reibungszahl mit f = 1/3.


Die zwei Amontonsschen Gesetze bilden die Grundlage des empirischen Verständnisses der Tribologie (Reibungslehre). Die beiden Gesetze der Tribologie wurden von ihm wiederentdeckt und 1699 der Académie Royale in Paris vorgestellt. Der eigentliche Entdecker war, etwa zweihundert Jahre früher, Leonardo da Vinci (1452–1519).


Diese besagen, dass die Reibkraft proportional zur Normalkraft und unabhängig von der scheinbaren Kontaktfläche ist. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass die Reibkraft nicht nur von der Adhäsion. sondern auch von der Abrasion abhängig ist. Die Abrasion hat besonders dann einen hohen Einfluss, wenn der rauere Kontaktpartner aus härterem Material besteht oder wenn in der Fügestelle Abrieb in Form vom harten oxidierten Metallpartikeln vorliegt.

Tribologie - 1683-1744

John Theophilius Desaguliers war ein in Frankreich geborener Naturphilosoph.


Desagulier entwickelte ein Modell zur Erklärung der Reibung und hat die Reibung auf den Einfluss der Kohäsion bzw. Adhäsion zurückgeführt. Einen neuen Aspekt brachte Desagulier vor: Er stellte fest, dass bei besser polierten Oberflächen eine höhere Reibungskraft auftritt, und zeigte auch, dass zwei gut polierte und fest zusammengedrückte Bleikörper nur durch eine überraschend große Kraft wieder getrennt werden konnten: Er erkannte somit die Bedeutung der Adhäsion bzw. Kohäsion für den Reibungsprozess, konnte seine Idee aber noch nicht mit den quantitativen Reibungsgesetzen der Tribologie in Einklang bringen.

Tribologie - 1687 Sir Isaac Newton

Newton definiert die Viskosität.


Die Adhäsionstheorie bzw. Annahme einer molekular-mechanischen Ursache der Reibung entstand, als NEWTON (1687) die Stoffkenngröße der dynamischen Viskosität definierte. Dieser Definition liegt die Vorstellung einer molekular-mechanischen Ursache der Reibung zugrunde.

Tribologie - 1707-1783 Leonhard Euler

Euler untersuchte die Reibung an schiefen Ebenen und stellte fest, dass die Haftreibung etwas doppelt so groß ist, wie die Gleitreibung. Außerdem führte er den Reibkoeffizienten „µ„ ein (in der Tribologie wird heutzutage der Reibkoeffizient mit „f“ bezeichnet).

Tribologie - 1736-1806 Charles Augustin Coulomb

Coulomb entwickelte grundlegende Gedanken Amontons im Bezug auf Oberflächenrauheit und Mischreibung weiter und befasste sich mit dem Zusammenhang zwischen horizontal aufzuwendender Kraft und dem Gewichtsanteil. Beides sind ebenfalls entscheidende Aspekte der Tribologie.


Nach Coulombs Modell hängt der Reibungskoeffizient einer solchen Fläche nicht von der Belastung ab, d.h. die Reibungskraft ist proportional zum Gewicht. Die Reibung ist ferner flächenunabhängig, da sie nur eine Funktion des mittleren Neigungswinkels der Rauhigkeiten ist. Je glatter die Oberfläche, desto kleiner sollte der Reibungskoeffizient sein; eine Konsequenz, die den damaligen Vorstellungen entsprach und Coulombs Modell zur Anerkennung verhalf. Das Coulombsche Modell hat aber einen entscheidenden Fehler: Es weist keine dissipativen Komponenten auf. Die beim Hinaufschieben der schiefen Ebenen aufzuwendende Energie muss wieder herauskommen, wenn die schiefen Ebenen auf der anderen Seite herabgleiten; also ist die Gleitreibung nach Coulomb kein energieverzehrender Prozess der Tribologie.

Charles Augustin Coulomb

Coulombs Rauhigkeitsmodell der Reibung. Die Normalkraft FN verteilt sich auf die Erhebungen mit gleichem Neigungswinkel.

Tribologie - 1794 Philip Vaughan

Erstes bekanntes Patent eines Rillenkugellagers durch Philip Vaughan, England.

Philip Vaughan († 1824 in Kidwelly) aus Carmarthen war ein Eisengießer, der um 1791 das Kugellager erfand und 1794 patentierte.

Tribologie - 18. Jahrhundert

Der Mechanismus des Roll- bzw. Wälzlagers wurde im 18. Jahrhundert neu erfunden, als in England eine Achse für Pferdekutschen mit einem Kugellagerkranz in den Rillen der halbkreisförmigen Teilnuten versehen wurde, die über diese Achse verteilt waren.

Tribologie - 1750-1850

Man musste bis zur industriellen Revolution warten, um Fortschritte in der Schmierstoff-Entwicklung der Tribologie zu erzielen. Diese ergaben sich aus Erkenntnissen der Strömungsmechanik und der viskosen Strömung sowie aus der steigenden Nachfrage der industriellen Entwicklung nach Volumen und Qualität der Schmierstoffe und der rapiden Verdrängung der pflanzlichen und tierischen Öle durch die Mineralöle; letztere wurden durch Destillation und Raffination aus Erdöl, Schiefer und Kohle gewonnen.

Tribologie - 1802 M. Cardinet

Patentiertes Kegelrollenlager durch M. Cardinet, Frankreich.


Dieses Lager ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar. Es wird in der Regel paarweise eingebaut: Zwei Lager werden gegeneinander angestellt, denn das Lager besteht aus zwei losen Elementen: dem Innenring mit Wälzkörpern, und dem Außenring als Lagerschale.


Die Wälzkörper auf dem Innenring haben die Form eines Kegelstumpfes, außerdem sind sie etwas gegen die Wellenachse geneigt. Das Spiel ist einstellbar. Die Kegelachsen von Innenring, Außenring und Kegelrollen treffen sich in einem Punkt auf der Drehachse, denn nur dann können die Kegelrollen ohne Schlupf abrollen.

Tribologie - 1859 E. L. Drake

Die erste Erdölbohrung in Titusville.

Tribologie - 19. Jahrhundert

Den Durchbruch erlebten die Schmierkomponenten im 19. Jahrhundert im Zuge der Industrialisierung. Zu dieser Zeit entstand großer Bedarf an industriell gefertigten Lagern als Maschinenelemente. Die Hauptkomponenten von Wälzlagern sind zwei zueinander bewegliche Ringe, der Innenring sowie der Außenring, die durch Wälzkörper getrennt sind. In den meisten Fällen werden die Wälzkörper von einem Käfig geführt, der sie auf gleichmäßigem Abstand zueinander hält und ein gegenseitiges Berühren verhindert.

Tribologie - 1850 bis 1925

Die Epoche von 1850 bis 1925 wird als jene des "technischen Fortschritts" bezeichnet. Die Eisenbahnen stehen im Zentrum der gesellschaftlichen Ereignisse; von der Starrschmierung (Vorläufer der Fette) geht man über zu den flüssigen Schmierstoffen für die Schmierung der Lager und Gleitbahnen. Es werden mit wichtigen Entdeckungen die Grundlagen der modernenTribologie geschaffen. Den gestellten höheren Anforderungen stand nun in fast unbegrenzter Menge ein preiswerter Schmierstoff zur Verfügung: das mineralölbasische Schmieröl, dessen breite qualitative Palette in fast allen Zweigen der Technik der Tribologie eingesetzt werden konnte.

Tribologie - ab 1925

Das eigentliche Zeitalter der Tribologie nimmt seinen Anfang nach dem Ersten Weltkrieg. Hohe Belastungen, Geschwindigkeit und Temperaturen kennzeichneten eine zunehmende Beanspruchung der Reibpaarung. Die Grenze der damals physikalischen Eigenschaften der Schmierstoffe musste den verschärften Bedingungen angepasst werden.


Wenn auch die Vorstufe der technologischen Entwicklung und der Additivierung auf das 19. Jahrhundert zurückgeht, so begannen die neuzeitlichen Konzepte dieser Schmierstoff-Additivierung erst in den 30er-Jahren des letzten Jahrhunderts. Es entstanden Viskositäts-Index-Verbesserer, Pourpoint-Verbesserer, Oxydations- und Korrosionsinhibitoren usw., also eine ganze Palette von Schutzvorkehrungen. Parallel dazu begann die Entwicklung der Syntheseöle, hervorgerufen von extremen Beanspruchungen durch hohe und höchste Temperaturen. Trotz ihrer großen Bedeutung ist der Anteil der Synthese-Schmierstoffe in der Tribologie nur bei rund fünf Prozent der konventionellen Schmierstoffe. Nach dem Zweiten Weltkrieg setzte man sich mit dem Festschmierstoff Molybdändisulfid (MoS2) auseinander, einem außergewöhnlichen Schmierstoff für außergewöhnliche Bedingungen: genau richtig für den Einsatz in der Weltraumforschung.

Tribologie - 1966

Der Begriff Tribologie wurde 1966 erstmalig im Zusammenhang mit dem Jost-Report, einer von der englischen Regierung in Auftrag gegebenen Studie über Verschleißschäden, erwähnt und wird seitdem im Zusammenhang mit Reibung, Verschleiß und Schmierung benutzt.

Tribologie - Heute

In den letzten Jahrzehnten sind die Anforderungen innerhalb der Tribologie an die Schmieröle drastisch gestiegen: Um eine sichere Schmierung zu gewährleisten, wurden vermehrt synthetische Schmierstoffe eingesetzt, die ihrerseits auch vorwiegend aus Erdöl hergestellt werden, aber auf dem Umweg einer chemischen Synthese. Synthetische Schmieröle zeichnen sich aus durch hohe thermische Stabilität, niedrigen Reibungskoeffizienten, gute Metallbenetzbarkeit, geringe Verdampfneigung, Wassermischbarkeit und sind schwerer entflammbar.

Nahe Verwandte der Schmieröle sind die Schmierfette.

Für viele Schmierstellen wird Schmierfett anstelle von Öl benutzt, weil Öl auslaufen würde. Schmierfette sind eingedickte Schmieröle; als Dickungsmittel dienen z.B. Lithium-, Calcium-, Aluminiumseifen; anorganische Aufsteifmittel (z.B. Bentonit).

Der Anwendungsbereich der Schmierstoffe ist von größter Bedeutung, denn "nichts läuft ohne Schmierung".