Reibungsberechnung im Skisport

Dr. Roman Böttcher, Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum, Karlsruhe Die Wechselwirkung zwischen einem Skibelag und einer Schneeoberfläche ist bisher noch nicht ausreichend erforscht. Insbesondere der Einfluss der Belagsstrukturierung auf den Reibungsprozess konnte noch nicht eindeutig formuliert werden. Im Vortrag werden deshalb ausführliche Messungen und Analysen der Reibungsvorgänge zwischen strukturierten Skibelägen und Eis- bzw. Schneeoberflächen vorgestellt. Die gewonnenen Datensätze werden genutzt, um die theoretischen Vorstellungen über die Rolle der einzelnen elementaren Prozesse im Reibungsvorgang zu verifizieren. Der Fokus liegt dabei in der Bestimmung des Reibungskoeffizienten µ von gezielt strukturierten Belägen in umfassenden tribometrischen Messreihen gegenüber Eis- und Schneeoberflächen. Die variierten Parameter bei den Reibungsmessungen waren die Art der Strukturierung, die Temperatur der Gleitoberfläche T, die Geschwindigkeit des Probenkörpers v und die Normalkraft FN auf diesen. Begleitend wurde die Struktur des Skibelags mittels Konfokalmikroskopie erfasst. Durch die geometrische Auswertung dieser Daten konnten essentielle Strukturkennwerte ermittelt werden. Die Verbindung des aktuellsten Reibungsmodells (MAKKONEN und TIKANMÄKI) mit dem elastischen Kontaktmodell von HERTZ ermöglicht dabei die Verknüpfung des Reibungskoeffizienten mit den Strukturkenngrößen und somit eine ganzheitliche Modellierung des tribologischen Systems. Der Gleitvorgang ist dabei ein energetisch dissipativer Prozess, bei dem die erzeugte Reibungswärme zum Schmelzen einer dünnen Oberflächenschicht führt. Der entstandene viskose Wasserfilm wirkt schmierend auf den Kontakt und reduziert damit den Reibungskoeffizienten entscheidend. Mit diesem Modellansatz wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der Theorie und dem Experiment im breiten Bereich der variierten Parameter erzielt. Neben den Parametern der Temperatur und Härte spielt die reale Kontaktfläche eine Schlüsselrolle bei der Reibungsreduzierung des tribologischen Systems. Durch die methodische Vorgehensweise und die Verknüpfung eines Reibungs- und eines Kontaktmodells mit den Messdaten konnte ein Gesamtverständnis des vorliegenden Systems erlangt werden. Die breite Anwendbarkeit reicht von der Optimierung der Belagsstrukturen über die Anpassung der Belagseigenschaften bis hin zur Einstellung des tribologischen Kontakts auf Wettkampfbedingungen, um den Reibungskoeffizienten zu minimieren.