Tribologiens historie

- smøreteknik og smøremidler i tidens løb -

Friktions- og slitageprocesser har spillet en kæmpe rolle siden jorden blev skabt. Således er fx ledmekanismen hos hvirveldyr, eller slimhinden hos fisk, et perfekt tribologisk system, som er opstået gennem evolutionen.


Stenaldermennesket vidste allerede besked om friktion eller tribologi: Ved med stor tålmodighed at dreje et tørt stykke træ i en grens fordybning, kunne stenaldermennesket efter noget tid få ild. Her var friktionen det rigtige middel til formålet.


Mennesket anvendte allerede for 500.000 til 600.000 år siden de første værktøjer såsom vægtstang, stenøkse og lignende. Meget senere, for ca. 5.000 til 6.000 år siden, opstod de første simple maskiner med opfindelsen af bueboret eller pottemagerskriven - men det er ikke første gang, at mennesker konfronteres med fænomenet friktion og slitage.


Friktionen blev brugt til at få ild. Brugen af slæder og ruller til reducering af friktionen ved transport af tung last, er almindeligt kendte eksempler på tribologi.


Der er historiske spor, der viser, at der meget tidligt blev foretaget bestemte foranstaltninger, for at påvirke friktion og slitage på en måde, der var gunstig for menneskene. Menneskene var bevidste om tribologiens effekter.


Menneskets søgen efter effektive smøremidler er meget varieret og går helt tilbage til starten på menneskets overleverede historie. Allerede ca. 3500 f.Kr. udnyttede kineserne vands smørevirkning, ægypterne anvendte ca. 1400 f.Kr. dyrefedt eller olivenolie blandet med kalkmel til deres stridsvogne. I ca. 780 f.Kr. opdagede kineserne de friktionsreducerende egenskaber af en blanding af vegetabilske olier og bly, og for mere end 100 år siden blev der for første gang gjort opmærksom på lufts egnethed som smøremiddel. Tribologiens effekter ses gennem alle årtusinder.

Tribologi - 3500 til 30 f.Kr., sumerernes og ægyternes tid

Gode idéer opstår, når der virkelig er brug for dem: Således må menneskene i den yngre stenalder (4000–1800 f.Kr.) have følt det. Man har god grund til at antage, at sumerere og ægyptere har anvendt »smøremidler« (bitumen, dyrefedt og vegetabilske olier, vand) for at reducere friktionen. Handling inden for tribologien.


Der er masser af eksempler på det:

  • simple lejer til at tænde ild og til boringer gennem drejebevægelser
  • pottemagerskiver med træ og stenlejer
  • aksellejer med læderløkker til rulle- og hjulkøretøjer
  • anvendelse af smøremidler såsom olie, fedt, vand
  • konstruktion af slæder til transport af tunge sten

Således anvendte sumererne allerede for ca. 3.000 år siden læderløkker på deres vogne og omvendte akselgafler til lejring af de stive aksler. Der er beviser for, at sådanne friktionssteder blev smurt, for på den måde at reducere friktionen og dermed også slitagen.


Rullelejet har sit navn og stammer fra »rullegenstandene« som rundtræet, der blev benyttet af ægypterne på faraoernes tid.


Denne metode gjorde det muligt at øge arbejdshastigheden, at løse friktionens tribologiproblem og gøre opgaver mindre anstrengende.


Idéen med at erstatte glidefriktionen med rullefriktion går meget langt tilbage i civilisationens historie.


Enkelte ægyptiske relieffer viser transport af enorme stenblokke, der skulle bruges til at bygge monumenter, og som man lod glide på træstammer i stedet for ruller.

Ägypten

Der er et billede der viser, hvordan transporten af en ægyptisk statue ca. 1880 F.Kr., ved graven for Tehuti-Hetep, El-Bersheh, allerede skete med smurte meder.


På dette billede ser man tydeligt en mand, som hælder smøremiddel foran glidefladerne. Billedteksten henviser til vand som smøremiddel, mens der på en inskription, der var vedlagt billedet, nævnes olivenolie som smøremiddel. Første hjælpemidler inden for tribologi.

Tribologi - 2000 f.Kr.

Alt kører bedre, når der er smurt godt - det vidste de gamle ægyptere allerede.
Faraotronens underlag fik påført et lag olivenolie. Takket være friktionsreduceringen blev 50 % af trække-personalet sparet væk.


I de andre tidshistoriske epoker, anvendes der inden for tribologien fortsat primært vegetabilske olier og animalsk fedt som glide- og antislitagemiddel. Man må dog også antage, at bitumen (råolie, der kommer op af jorden) blev benyttet i et vist omfang, ligesom det allerede var tilfældet i antikken.

Tribologi - 650 f.Kr.

Tidligste dokumenter om brug af hjul til reducering af friktion.

Tribologi - 330 f.Kr.

Den græske ingeniør Diades udviklede muligvis et af de første rullelejer til lejring af krigsskibenes rambukke - det er også en erkendelse, der stammer fra tribologien.

Tribologi - 50 f.Kr. til 50 e.Kr., romere

Resterne af en drejeplatform, der stammer fra et af kejser Caligulas skibe, og som i 1930 blev fundet på bunden af Nemi-søen, dokumenterer, at de rudimentære lejer allerede blev benyttet i antikken.


Denne platform kan ses som et af de første eksempler på tryklejer, dvs. et leje, der har til formål at optage direkte last og som drejer om sin egen akse.

Tribologi - 1452-1519 Leonardo da Vinci

“Af alle videnskaber er de mekaniske videnskaber de mest ædle og nyttige, for gennem deres omvej udfører alle genstande, der er blevet sat i bevægelse, det arbejde, som de blev udviklet til."


Et videnskabeligt perspektiv på temaet tribologi begyndte først i den yngre historie, og starter med Leonardo da Vinci, som i årene omkring år 1500 beskæftigede sig med friktion, idet han undersøgte friktionstallet (hæftefriktionstal) ved det skæve niveau. Da Vinci bestemte værdien for friktionstallet til f = ¼ og formulerede lovmæssighederne bag den tørre friktion.


Da Vinci har gennemført undersøgelser af friktion ved et horisontalt og et skævt niveau og af slitage ved glidelejer. Herudfra opstod Leonardo da Vincis første og anden friktionslov.


Ved rullelejet har Leonardo da Vinci i år 1490 stort set erstattet den bevægelige forbindelse mellem to dele med den lavere rullefriktion. Til det formål anvendte han kugler.


Han kom til den konklusion, at friktionen er mindre stærk, hvis kuglerne ikke berører hinanden. Herefter udviklede han skilleelementer, som skulle gøre det muligt for kuglerne at bevæge sig frit.

Tribologie - 1452-1519 Leonardo da Vinci

Tegninger inden for området tribologi af forsøg med friktion af Leonardo da Vinci.

Tribologi - 15. til 16. århundrede

Renæssancen betegnes som starten på den egentlige tribologi. Grundlæggende opdagelser ift. friktion og slitage medfører dog ikke nogen ny udvikling af smøremidler.

Tribologi - 1663-1705 Guillaume Amontons

var en fransk fysisker og statholder i Lille.


Han gennemførte undersøgelser inden for området med blandingsfriktion og fandt ud af, at friktionskraften afhænger af normalkraften, samt at overfladens ruhed skal anses som årsag til friktionen.


Amontons forklarede friktionen med mekanisk-geometriske årsager, forstået som en »sammenkædning« af ujævnheder. Denne sammenkædningsteori siger: Bittesmå fremhævninger hæmmer relativbevægelsen og der opstår en friktionskraft, som går mod bevægelsesretningen. Amontons bestemte friktionstallet til f = 1/3.


Amontons to love danner grundlaget for den empiriske forståelse af tribologien (læren om friktion). Han genopdagede tribologiens to love og præsenterede dem i 1699 på Académie Royale i Paris. Den egentlige opdager var, to århundreder tidligere, Leonardo da Vinci (1452–1519).


Lovene siger, at friktionskraften er proportional ift. normalkraften og den er uafhængig af det, der tilsyneladende er kontaktfladen. Derudover skal der tages hensyn til, at friktionskraften ikke kun afhænger af adhæsionen, men også af abrasionen. Abrasionen har især en høj indflydelse, hvis den mere rå kontaktpartner består af hårdt materiale, eller hvis der forekommer slitage i kontaktstedet i form af hårde oxiderede metalpartikler.

Tribologi - 1683-1744

John Theophilius Desaguliers var en naturfilosof født i Frankrig.


Desagulier udviklede en model til forklaring af friktion, og han førte friktionen tilbage til påvirkningen fra kohæsion og adhæsion.


Desagulier introducerede et nyt aspekt: Han slog fast, at der ved bedre polerede overflader opstår en højere friktionskraft, og han viste også, at to velpolerede og fast sammentrykkede blyobjekter kun kan adskilles igen vha. en overraskende stor kraft: Han erkendte således betydningen af adhæsion eller kohæsion for friktionsprocessen, men han kunne endnu ikke bringe sin ide i overensstemmelse med tribologiens kvantitative friktionslove.

Tribologi - 1687 Sir Isaac Newton

Newton definerede viskositeten.


Adhæsionsteorien eller antagelsen af en molekulær-mekanisk årsag bag friktionen opstod, da NEWTON (1687) definerede den kendetegnende materialestørrelse for den dynamiske viskositet. Udgangspunktet for denne definition er forestillingen om en molekulær-mekanisk årsag til friktionen.

Tribologi - 1707-1783 Leonhard Euler

Euler undersøgte friktionen ved skæve niveauer, og fandt ud af, at hæftefriktionen ca. er dobbelt så stor som glidefriktionen. Derudover indførte han friktionskoefficienten „µ„ (inden for tribologien betegnes friktionskoefficienten i dag med „f“).

Tribologi - 1736-1806 Charles Augustin Coulomb

Coulomb videreudviklende Amontons grundlæggende tanker om ovefladeruhed og blandingsfriktion, og beskæftigede sig med sammenhængen mellem den horisontale kraft, der skal anvendes, og vægtandelen. Begge dele er ligeledes afgørende aspekter inden for tribologien.


Ifølge Coulombs model afhænger friktionskoefficienten af en sådan flade ikke af belastningen, dvs. friktionskraften forholder sig proportionalt ift. vægten. Friktionen er derudover fladeuafhængig, da den kun er en funktion af ruhedernes mellemste hældningsvinkel. Jo glattere overfladen er, jo mindre bør friktionskoefficienten være; en konsekvens, som svarede til datidens forestillinger og som hjalp Coulombs model til at få anerkendelse. Coulombs model har dog en afgørende fejl: Den har ingen dissipative komponenter. Den energi, der skal anvendes til at skubbe det skæve niveau op, skal komme ud igen når de skæve niveauer glider ned på den anden side - dvs. at glidefriktionen ifølge Coulomb ikke er en energiforbrugende proces inden for tribologien.

Charles Augustin Coulomb

Coulombs ruhedsmodel over friktionen. Normalkraften FN fordeler sig på forhøjninger med samme hældningsvinkel.

Tribologi - 1794 Philip Vaughan

Første kendte patent på et rillekugleleje gennem Philip Vaughan, England.
Philip Vaughan († 1824 i Kidwelly) fra Carmarthen var jernstøber og opfandt kuglelejet omkring år 1791 og patenterede det i 1794.

Tribologi - 18. århundrede

Rullelejets mekanisme blev genopfundet i det 18. århundrede, da en akse til hestevogne i England blev udstyret med en kuglelejekrans i rillerne af de halvkredsformede delnoter, som var fordelt på denne akse.

Tribologi - 1750-1850

Man blev nødt til at vente helt frem til den industrielle revolution før man kunne opnå fremskridt ift. udviklingen af smøremidler inden for tribologien. Disse opstod som følge af opdagelser inden for strømningsmekanik og den viskose strømning, af den industrielle udviklings stigende efterspørgsel efter volumen og kvalitet af smøremidlerne og den hurtige fortrængning af de vegetabilske og animalske olier gennem mineralolierne. Sidstnævnte blev udvundet gennem destillation og raffinering af råolie, skiffer og kul.

Tribologi - 1802 M. Cardinet

Patenteret kuglerulleleje gennem M. Cardinet, Frankrig.


Dette leje holder til en høj belastning, både i radial og aksial retning. Som regel indbygges de parvis: To lejer stilles mod hinanden, for lejet består af to løse elementer; den indvendige ring med rulleenheder og den udvendige ring som lejeskål. 


Rulleenhederne på den indvendige ring har form som en keglestump, derudover hælder de en smule mod skaftaksen. Spillet kan indstilles. Kegleakserne fra den indvendige ring, den udvendige ring og kuglerullerne mødes i et punkt på drejeaksen, for det er kun her, at keglerullerne kan rulle af uden at det påvirker hastigheden.

Tribologi - 1859 E. L. Drake

Den første boring efter råolie i Titusville.

Tribologi - 19. århundrede

Som følge af industrialiseringen oplevede smørekomponenterne sit gennembrud i det 19. århundrede. På det tidspunkt opstod der et stort behov for industrielt producerede lejre som maskinelementer. Hovedkomponenterne ved rullelejre er ringe, der bevæger sig mod hinanden, samt den indvendige og udvendige ring, der er adskilt fra hinanden gennem rulleenheder. I de fleste tilfælde føres rulleenhederne af et bur, der holder dem i en regelmæssig afstand fra hinanden og forhindrer, at de kan berøre hinanden.

Tribologi - 1850 til 1925

Epoken fra 1850 til 1925 betegnes som en tid med »teknisk fremskridt«. Jernbanen står i centrum for samfundets begivenheder; fra stivsmøringen (forløber for fedt) går man over til de flydende smøremidler til smøringen af lejer og skinner. Takket være vigtige opdagelser, skabes grundlaget for den moderne tribologi. Ift. de højere krav stod der nu et billigt smøremiddel til rådighed i næsten ubegrænsede mængder: den mineraloliebasiske smøreolie, der pga. det brede kvalitative spektrum kunne anvendes i stort set alle tribologiens tekniske brancher.

Tribologi - fra 1925

Tribologiens egentlige tidsalder starter efter den første verdenskrig. Høje belastninger, hastigheder og temperaturer kendetegnede en tiltagende slitage af friktionsparingen. Grænsen for de fysiske egenskaber for datidens smøremidler var nødt til at blive tilpasset til de skrappere betingelser.


Selvom første skridt for den teknologiske udvikling og additiveringen går tilbage til det 19. århundrede, så startede den moderne tids koncepter for denne smøremiddel-additivering først i 1930´erne. Der opstod viskositets-indeks-forbedrere, pourpoint-forbedrere, oxidations- og korrosionsforhindrere osv., altså en bred palette af beskyttelsesanordninger. Parallelt hertil startede udviklingen af de syntetiske olier, fremprovokeret af ekstrem slitage gennem høje og maksimale temperaturer. På trods af deres store betydning, ligger andelen af syntetiske smøremidler inden for tribologien kun på ca. frem procent af de konventionelle smøremidler. Efter den første verdenskrig beskæftigede man sig med fedtsmøremidlet Molybdændisulfid (MoS2), et usædvanligt smøremiddel til usædvanlige betingelser - og det helt rigtige til brug inden for rumforskning.

Tribologi - 1966

Begrebet tribologi blev første gang nævnt i 1966 i sammenhæng med Jost-Report, et studie af slitageskader, bestilt af den engelske regering, og det benyttes siden da i sammenhæng med friktion, slitage og smøring.

Tribologi - i dag

I de sidste årtier er kravene inden for tribologien til smøreolier steget drastisk: For at garantere en sikker smøring, blev der i større og større grad anvendt syntetiske smøremidler, som selv også primært består af råolie, men via omvejen med en kemisk syntetese. Syntetiske smøreolier er kendetegnet ved høj termisk stabilitet, lav friktionskoefficient, god metalpåførselsevne, lav tilbøjelighed til fordampning, og de kan blandes med vand og er svært antændelige.


Tæt beslægtet med smøreolier er smørefedt.


For mange smøresteder anvendes der smørefedt i stedet for olier, da olie ellers ville løbe ud. Smørefedt er fortykkede smøreolier; som tykningsmiddel benyttes fx lithium-, kalcium- og aluminiumssæber; ikke-organiske opstivningsmidler (fx bentonit).


Smøremidlernes anvendelsesområde har kæmpe betydning, for »intet kører uden smøring«.