Optimierung von Reibpaarungen in Maschinen

Alle Maschinenteile werden mit gewissen zulässigen Maßabweichungen (Toleranz) gefertigt. Wenn ein Konstrukteur Zeichnungen zur Fertigung einreicht, muss er für alle Maße die Toleranzen angeben – ohne diese kann kein Maschinenteil gefertigt werden.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass man einen Mechanismus herstellen sollte, der ein Loch und eine Welle enthält, die in das Loch eingesetzt wird.
Alle Maße werden weiterhin in Millimetern angegeben. Um die Bilder anschaulicher zu machen, haben wir die Proportionen zwischen den Messungen und deren Abweichungen stark übertrieben.

Das Loch muss einen Durchmesser von 30 mm haben und dieses Maß darf maximal +0,04 mm abweichen. D.h. das Loch darf einen Durchmesser von 30,00 mm bis maximal 30,04 mm haben.

Die Welle muss einen Durchmesser von 29,8 mm haben und darf von diesem Maß um +0,03 mm oder -0,02 mm abweichen. Der minimale Durchmesser muss daher 29,78 mm und der maximale 29,83 mm betragen. Die gesamte Fertigungstoleranz beträgt somit 29,83 – 29,78 = 0,05 mm.

Wir setzen nun die Welle in die Bohrung ein und untersuchen, welche Spielräume mit den zulässigen Toleranzen in der Konstruktion entstehen können.

Der Mindestspielraum beträgt
30 – 29,83 = 0,17

Der maximale Abstand beträgt
30,04 – 29,78 = 0,28

Die kritischen Verschleißgrenzen, an denen die Fehlfunktion des Mechanismus spürbar ist

Welchen Spielraum man in der Realität bekommt, entscheidet der Zufall. Aber was auch immer es ist, der Mechanismus funktioniert für eine bestimmte Zeit gemäß den vom Designer festgelegten Prämissen. Mit anderen Worten, Geräusche und Vibrationen liegen innerhalb der zulässigen Werte.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein Mechanismus mit einem Spiel von 0,17 mehr störungsfreie Betriebsstunden hat als ein Mechanismus mit einem Spiel von 0,28. Dies ist ganz natürlich, denn im letzteren Fall liegen die tatsächlichen Abmessungen der Bohrung und der Welle näher an den kritischen Verschleißgrenzen (als schwarze gestrichelte Linie markiert), wo die Geräusche und Vibrationen der Mechanik merklich wahrnehmbar sind. Je näher Sie diesen kritischen Grenzen aufgrund von verschleißen, desto schlechter funktioniert der Mechanismus.
Die RVS-behandlung optimiert das Spiel. Die Metall-Keramik-Schicht wird so lange gebildet, bis Reibung und Vibration für jedes einzelne Reibungspaar minimal werden, weil dann die Wärmeentwicklung gering ist und die Bildung der Metall-Keramik-Schicht automatisch stoppt.
Schauen wir uns drei Beispiele an:

Hier sind die Geräusche und Vibrationen so gering, dass wir sie normalerweise nicht bemerken. Aber sie können mit Präzisionsinstrumenten registriert werden.
Nach der RVS-behandlung hat sich auf dem Schaft und in der Bohrung die wenige Mikrometer (Tausendstel mm) dicke Metall-Keramik-Schicht gebildet; was bedeutet, dass Geräusche und Vibrationen weiter abgenommen haben.
Vor allem aber schützen die Schichten effektiv vor zukünftigem Verschleiß und während 2.000 Betriebsstunden (entspricht ca. 10.000 Meilen Fahrzeit) bleiben die Originalmaße von Welle und Bohrung erhalten.

Hier betrug das Spiel vor der RVS-Behandlung maximal 0,28 mm, lag aber noch im zulässigen Bereich. Geräusche und Vibrationen hielten akzeptable Werte und der Mechanismus funktionierte.
Die RVS-behandlung bildet eine Metall-Keramik-Schicht. Durch größere Vibrationen, die zu einer höheren Wärmeentwicklung führen, wird die Schicht etwas dicker als im vorherigen Fall. Daher wird auch hier das Spiel auf bestmögliche Betriebsbedingungen optimiert und die Maschinenteile vor zukünftigem Verschleiß geschützt.

Bei diesem verschlissenen Mechanismus haben sich die Abmessungen der Welle und des Lochs den kritischen Grenzen genähert. Lärm und Vibrationen haben inakzeptable Werte erreicht.
Durch die höheren Vibrationen entsteht jedoch eine höhere Wärmeentwicklung, was dazu führt, dass die Metall-Keramik-Schicht bei der RVS-behandlung noch dicker wird.
Während sich die Schicht aufbaut, nehmen die Vibrationen und die Wärmeentwicklung ab. Wenn die Wärmeenergie nicht mehr ausreicht, stoppt der Prozess. Das Spiel wird optimiert, die Funktion der Mechanik wird wiederhergestellt und die Mechanik vor Verschleiß geschützt.

Diese Argumentation gilt für alle Reibteile; zum Beispiel Getriebe, Kugellager, Kurbel- oder Rahmenlager, Ketten usw. Daher ist es nur natürlich, dass nach der RVS-Behandlung „der Motor wie eine Katze dreht“, wie es einige unserer zufriedenen Kunden in ihren Briefen schreiben.