Ausbildung und Weiterbildung im Fachgebiet TRIBOLOGIE UND SCHMIERUNGSTECHNIK. Fachausbildung für Ingenieure (Fachhochschule)

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1 Ausbildung und Weiterbildung im Fachgebiet TRIBOLOGIE UND SCHMIERUNGSTECHNIK Stufe 3 Fachausbildung für Ingenieure (Fachhochschule) Ziele und Inhalte Vermittlung von Kenntnissen zur Anwendung von Schmierstoffen als Konstruktionselement. Dies beinhaltet die Berechnung und Auslegung von Maschinenelementen unter Verwendung relevanter Schmierstoffeigenschaften. Dazu sind detaillierte Kenntnisse über Reibung und Verschleiß nötig, beeinflusst von den tribologischen Werkstoffeigenschaften. Die Reibungs- und Schmierungszustände werden durch Trockenreibung, Oberflächenschichtreibung, Mischreibung und Flüssigkeitsreibung gekennzeichnet. Die Mechanismen von Hydrodynamik, Elastohydrodynamik und Hydrostatik werden vermittelt. Damit ergeben sich die Anforderungen an die relevanten Eigenschaften der Schmierstoffe. Durch Definition der Schmierstoffeigenschaften wird der Weg vom Rohöl zum Grundöl beschrieben und zwar für Mineralöle und Syntheseöle. Um die vom Einsatz geforderten Eigenschaften zu gewährleisten, ist der Einsatz von Additiven nötig. Um ihren Wirkungsmechanismus zu verstehen, werden relevante chemische und physische Prozesse erläutert. Zur Beschreibung der anwendungsbezogenen Eigenschaften der wichtigsten Schmierstofftypen müssen deren chemische, physikalische und technologische Eigenschaften durch genormte und nicht genormte Laboratoriums- und Prüstandsteste abgeklärt werden. Die wichtigsten Industrie-, Kraftfahrzeug- und Metallbearbeitungsschmierstoffe werden erläutert. Um die wichtigste Zielsetzung der Anwendung von Schmierstoffen zu erreichen, nämlich Ressourcen und Energie zu sparen, muss der Schmierstoff als 1

2 Konstruktionselement behandelt werden. Dies wird am Beispiel der Wälz- und Gleitlager sowie der Zahnräder vorgestellt. Zur Gewährleistung eines optimalen Gleichgewichtes zwischen Ökologie und Ökonomie sind umweltbezogene Aspekte der Schmierstoffe zu behandeln. Die Ausbildung umfasst die folgenden Kapitel: 1. Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß, Schmierung, Werkstoffe, Oberflächen, Reibungs- und Schmierungszustände, Hydrodynamik, und Elastohydrodynamik 2. Aufbau von Schmierstoffen: Herstellung von konventionellen und nicht konventionellen Grundölen, Additive und Formulierung, Schmierfette 3. Chemische, physikalische, technologische und anwendungsbezogene Eigenschaften 4. Schmierstofftypen: Industrie- und Kfz-Schmierstoffe, sonstige Schmierstoffe, Schmierstoffe für die Metallbearbeitung 5. Schmierstoffe als Konstruktionselemente: Gleitlager, Wälzlager, Zahnräder 6. Grundlagen des Umweltschutzes: Toxizität und Abbaubarkeit 7. Tribologie der Maschinenelemente Inhalte der Kapitel 1. Grundlagen der Tribologie Tribologisches System Reibungsarten Definition von Reibung und Verschleiß Tribologische Eigenschaften der Werkstoffe Oberflächenbeschreibung und Einlauf Reibungs- und Schmierungszustände: Trockene Reibung Oberflächenschichtreibung Mischreibung Flüssigkeitsreibung Schmierfilmaufbau durch hydrodynamische, elastohydrodynamische und hydrostatische Mechanismen 2. Aufbau von Schmierstoffen 2

3 Vom Rohöl zum Grundöl durch konventionelle und unkonventionelle Prozesse Kohlenwasserstoffe und ihre Grundeigenschaften Syntheseöle im Vergleich zu Mineralölen Additive: Wirkungsmechanismus Schmierfette Formulierung von Schmierstoffen 3. Eigenschaften von Schmierstoffen Chemische und physikalische Prozesse und Mechanismen Chemische, physikalische und technologische Eigenschaften Viskosität: Temperatur-, Druck-, Schergefälleabhängigkeit Laboratoriums und Prüfstandstests Klassifikationenen, Spezifikationen und Normen Genormte Mindestanforderungen Gebrauchtölanalyse 4. Schmierstofftypen Industrieschmierstoffe Getriebeöle: Hydrauliköle: Kompressorenöle: Zahneingriff und Schmierfilmaufbau Wirkungsgrade Wichtige Schäden: Beeinflussung durch Schmierstoff Schmierstoffauswahl nach DIN Schmierstoffe für offene Getriebe Praktische Getriebeschmierung Grübchen, Grauflecken, Fressen Hydraulische Kraftübertragung Anforderungen an Hydrauliköle Mineralölbasische und synthetische Hydrauliköle Schwerentflammbare Hydrauliköle Kompressorentypen und Schmierstoffeinfluss Aufbau und Klassifizierung von Kompressorenölen Praktische Aspekte Kraftfahrzeugsschmierstoffe Motorenöle: Grundlagen der Verbrennungsmotoren Anforderungen an Motorenöle Hoch- und Tieftemperaturanforderungen Detergier-, Dispergier- und Neutralisationsvermögen Veränderungen im Betrieb Formulierung von Otto- und Diesel-Motorenölen Gesetzliche Vorgaben Klassifizierung und Spezifizierung Syntheseöle Ölwechselfristen 3

4 Getriebeöle: Schmieröle für Handschalt-, Automat- und Hypoidgetriebe Formulierung Ölwechselfristen Schmierstoffe für die Metallbearbeitung Grundlagen der Zerspanung und Umformung Aufbau wassermischbarer und nicht-wassermischbare Kühlschmierstoffe Minimalmengenschmierstoffe Hygienische und gesundheitliche Aspekte Sonstige Schmierstoffe Seilschmierstoffe Lebensmittelverträgliche Schmierstoffe 5. Grundlagen des Umweltschutzes Umlaufschmierung und Verlustschmierung Belastung der Umwelt Toxizität von Schmierstoffen und Additiven Biologische Abbaubarkeit Entsorgung und Aufbereitung 6. Schmierstoff als Konstruktionselement Berechnung von Tragfähigkeit und Verschleißsicherheit hydrodynamischer Gleitlager unter Verwendung der Viskosität des Schmierstoffs; Berechnung der Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern unter Verwendung von Viskosität, Sauberkeit und Additivierung des Schmierstoffs; Berechnung der Fressicherheit von Zahnradpaarungen unter Verwendung von Viskosität und Fresstragfähigkeit des Schmierstoffs 7. Tribologie der Maschinenelemente Gleitlager Wälzlager Zahnradpaarungen 8. Fragenkatalog zur Prüfung und Bewertung des Lernerfolgs 4

5 Inhaltsverzeichnis: Fachausbildung für Ingenieure Grundlagen der Tribologie und Schmierungstechnik Kapitel 1: Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiss und Schmierung 1.1 Einführung 1.2 Definition der Tribologie und tribologisches System 1.3 Definition von Reibung und Verschleiss Reibung Verschleiss 1.4 Topographie der Oberflächen der Oberflächen und Bedeutung des Einlaufens von Maschinenelementen 1.5 Einfluss der Schmierung auf Reibung und Verschleiss 1.6 Einfluss der Werkstoffe auf Reibung und Verschleiss Kapitel 2: Hydrodynamische und elastohydrodynamische Schmierung Theoretische Grundlagen der Schmierung 2.1 Grundlagen der Hydrodynamik 2.2 Hydrodynamische Lösung 2.3 Elastohydrodynamische Lösung Kapitel 3: Grundöle und Additive für Schmierstoffe 3.1 Einführung 3.2 Vom Rohöl zum Grundöl - Mineralöle Entstehung und Zusammensetzung des Erdöls Struktur und Eigenschaften Herstellung von Mineralölen Eigenschaften und Typen 3.3 Syntheseöle Einführung Vorteile und Nachteile Wichtige Einzeleigenschaften Eigenschaftsvergleiche Zusammenhang zwischen Eigenschaften und Anwendungen Zusammenfassung der Anwendungen und Marktanteile 3.4 Bioöle Einführung Definitionen Verfügbare Stoffgruppen Wichtige Eigenschaften Umweltzeichen Verhalten von Gebrauchtölen Zusammenfassung 3.5 Schmierfette Definition, Aufbau und Typen Herstellung seifenbasischer Schmierfette Eigenschaften

6 3.6 Festschmierstoffe Typen und Aufbau Vor- und Nachteile Molybdändisulfid und Graphit Anwendungsformen 3.7 Additive Einführung Wichtige Additivetypen Wirkungsmechanismus 3.8. Physikalische, chemische und technologische Eigenschaften Allgemeine Zusammenhänge Eigenschaften der Schmieröle Eigenschaften der Schmierfette Normung von Schmierstoffen - Mindestanforderungen 3.9. Viskosität und Fließverhalten Definition und Dimensionen Abhängigkeiten der Viskosität von Temperatur, Druck und Schergefälle Messung der Viskosität Viskositätsklassifizierungs-Systeme Gebrauchtschmierstoffanalyse Schmieröle Schmierfette Kapitel 4: Auslegung und Schmierung von Maschinenelementen 4.1. Einführung 4.2. Kraftübertragung durch Lagerungen 4.3. Gleitlager Allgemeines Hydrodynamische Radiallager Hydrodynamische Axiallager 4.4. Wälzlager Grundlagen der Wälzreibung Einfluss der Schmierung auf die Reibung Entscheidung zwischen Fettschmierung und Ölschmierung Fettgeschmierte Wälzlager Ölgeschmierte Wälzlager Konstruktive Hinweise 4.5. Zahnradpaarungen Allgemeine Zusammenhänge Beanspruchungsverhältnisse Einflüsse auf Grübchen- und Fresstragfähigkeit Berechnung der Fresstragfähigkeit Kapitel 5.: Schmierung von Maschinen 5.1. Zahnradgetriebe Allgemeine Zusammenhänge Getriebeschmierstoffe

7 Klassifikationen und Spezifikationen Praktische Getriebeschmierung 5.2. Automatgetriebe Allgemeines Typen Schmierstoffe 5.3. Motorenschmierung Einführung Tribologie im Motor Aufgaben und Anforderungen Motorenöle Umweltaspekte Klassifikationen und Spezifikationen Praktische Aspekte 5.4. Kompressorenschmierung Einführung Typen von Kompressoren Schmierung Kompressorenöle Praktische Aspekte 5.5. Hydraulikanlagen Einführung Funktion der Anlagen und Aufgaben der Hydrauliköle Hydrauliköle Praktische Aspekte Kapitel 6: Schmierung und Schmierstoffe in der Metallbearbeitung 6.1. Einführung 6.2. Grundlagen der Zerspanung 6.3. Grundlagen der Umformung 6.4. Schmiestoffe und Kühlschmierstoffe 6.5. Praktische Aspekte Kapitel 7: Schäden an geschmierten Maschinenelementen 7.1. Grundlagen der Schadensanalyse 7.2. Gleitlagerschäden 7.3. Wälzlagerschäden 7.4. Zahnradschäden Kapitel 8: Grundlagen der Umweltschutzes 8.1. Einführung 8.2. Entsorgung 8.3. REACH

8 Fachausbildung für Ingenieure (Fachhochschule) GRUNDLAGEN DER TRIBOLOGIE UND SCHMIERUNGSTECHNIK Inhalte: 1. Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung 2. Hydrodynamische und elastohydrodynamische Schmierung - Theoretische Grundlagen der Schmierung 3. Grundöle und Additive für Schmierstoffe 4. Auslegung und Schmierung von Maschinenelementen 5. Schmierung von Maschinen 6. Schmierung und Schmierstoffe in der Metallbearbeitung 7. Weitere Schmierstofftypen, z.b. Seilschmierstoffe 8. Schäden an Maschinenelementen 9. Weiterführende Literatur Kapitel 1: Grundlagen der Tribologie: Reibung, Verschleiss und Schmierung 1.1 Einführung Der Begriff TRIBOLOGIE wurde erstmals 1966 geprägt, als man einen technisch klingenden Ausdruck für den Zusammenhang zwischen Reibung, Verschleiß und Schmierung suchte. Basis war der griechische Wortstamm tribos, der etwas mit Reibung zu tun hat. Der im deutschen Sprachgebrauch häufig verwendete Begriff Schmiertechnik kennzeichnet dieses Fachgebiet zu einseitig, weil er die Anwendung eines Schmierstoffs zur Lösung tribologischer Fragen in den Vordergrund stellt. Tribologie ist aber mehr als nur die Anwendung von Schmierstoffen - sie beginnt bereits mit der Mittellinie bei der Konstruktion einer Maschine und beinhaltet neben der konstruktiven Gestaltung die Werkstoffwahl, die Bearbeitung und Oberflächentechnik. Darüber hinaus kann der Schmierstoff in vielen Fällen als Konstruktionselement angesehen werden, das in die Berechnung z.b. von Zahnradpaarungen und Lagern eingeht. 1.2 Tribologisches System

9 Unter Tribologie versteht man also die Wissenschaft und Technik der Reibung und ihren Folgeerscheinungen, wie z.b. den Verschleiß, und den Maßnahmen zu deren Optimierung, meistens Verringerung. Bei der Relativbewegung zwischen zwei Festkörpern entsteht stets Reibung. Als Beispiele seien Gleitlager, Reibung zwischen der Welle und der Lagerschale, Wälzlager, Reibung zwischen den Wälzkörpern und den Ringen sowie dem Käfig, sowie Zahnradpaarungen, Reibung zwischen den Zahnflanken von Ritzel und Rad, genannt. Aber auch die Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderlaufbahn oder zwischen Nocken und Stößel gehört dazu. Diese Elemente finden sich in allen Maschinen, wie Motoren, Getrieben, Kompressoren, Hydrauliken usw. Aber auch bei der Metallbearbeitung tritt zwischen Werkzeug und Werkstück Reibung auf. Neben konstruktiven und werkstofftechnischen Maßnahmen stellt die Anwendung von Schmierstoffen eine wichtige Maßnahme zur Optimierung des Reibungs- und Verschleißgeschehens dar. Dieser Schmierstoff trennt entweder die relativ zueinander bewegten Oberflächen durch einen unter Druck stehenden Film oder verändert diese Oberflächen durch chemische und physikalische Reaktionen zwischen dem Schmierstoff und den darin enthaltenen Additiven. Nach DIN ist die Tribologie also wie folgt definiert: Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß einschließlich Schmierung, und schließt entsprechende Grenz- Flächenwechselwirkungen sowohl zwischen Festkörpern als auch zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten und Gasen ein. Bild zeigt schematisch ein solches tribologisches System mit den beiden relativ zueinander bewegten Festkörpern und einem Zwischenmedium (z.b. Schmierstoff), auf das Beanspruchungen wie Belastung, Geschwindigkeit, Temperatur usw. einwirken. Beanspruchungskollektiv Struktur des Tribosystems 1 Grundkörper 2 Gegenkörper 3 Zwischenstoff 4 Umgebungsmedium Oberflächenveränderungen (Verschleisserscheinungsform ) Materialverlust (Verschleiss -Messgröße ) Verschleisskenngrößen Bild Bild 1.2.1: 1: Tribologisches System System nach Czichos nach Czichos.

10 1.3 Definition von Reibung und Verschleiß Reibung Werden zwei Festköper relativ zueinander bewegt ergibt sich ein Widerstand, der als Reibung bezeichnet wird. Bei dieser Bewegung kann es sich um Gleiten (Rutschen) oder Rollen handeln. Beispiele hierfür sind das Rollen eines Balles über das Spielfeld oder das Rutschen auf dem Eis. Beide Mechanismen treten auch zwischen den Autoreifen und der Strasse auf. Während meistens eine niedrige Reibung gewünscht wird, um Reibungs- und damit Energieverluste zu minimieren, wird zwischen Reifen und Strasse eine hohe Reibung gewünscht. Ist diese z.b. bei Glatteis niedrig, hat dies unerwünschte Folgen. Es gibt auch Systeme, bei denen gleichzeitig, aber an verschiedenen Stellen, eine hohe und eine niedrige Reibung gefordert wird. Ein Beispiel sind die Automatikgetriebe, in denen zwischen den Zahnflanken und in den Lagern eine niedrige und zwischen den Reibbelägen eine hohe Reibung notwendig ist. Dieser Widerspruch wird durch eine optimierte Abstimmung zwischen dem Schmierstoff und den beteiligten Werkstoffen verwirklicht. Oberflächen sind in der Regel nicht absolut glatt sondern rau. Wie Bild 1.3.1schematisch zeigt, können sich die Rauheiten von zwei Oberflächen bei einer Relativbewegung gegeneinander verhaken. Damit ergibt sich ein Widerstand gegen die Bewegung, was als Reibung bezeichnet wird. Andere Mechanismen der Reibung sind Anziehungskräfte zwischen den Oberflächen oder die elastische Deformation der Rauheiten der weicheren Oberfläche durch die Rauheiten der härtere. Beide Mechanismen behindern die Bewegung, verursachen also Reibung. Am Beispiel der trockenen Gleitreibung sollen die wichtigsten Gesetzmäßigkeiten erläutert werden, die erstmals von Leonardo da Vinci (ca. 1500) definiert wurden: a. Die Reibungskraft ist proportional zur Belastungskraft b. Die Reibungskraft ist unabhängig von der (scheinbaren) Berührungsfläche c. Die Reibungskraft ist unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit

11 Mechanische Wechselwirkungen a. Verhaken der Rauheiten b. Elastische Deformation der Rauheiten c. Plastische Deformation der Rauheiten Molekulare Wechselwirkungen d. Adh äsion zwischen Rauheiten Bild : Ursachen und Mechanismen der Reibung Bi Die folgenden Bewegungsreibungsarten sind zu unterscheiden: a. Gleichförmige Bewegungsreibung a.1 Gleitreibung a.2 Rollreibung a.3 Wälzreibung a.4 Bohrreibng b. Ungleichförmige Bewegungsreibung c. Intermittierende Bewegunbgsreibung Verschleiss Jede Abnutzung, gewollt oder ungewollt, die zu einer Veränderung der Oberfläche führt, wird als Verschleiß definiert. Verschleiß durch Gleit-, Roll- und Wälzreibung wird als mechanischer Verschleiß bezeichnet. Strömungsverschleiß erfolgt hingegen durch feste Fremdkörper in einem strömenden Medium. Eine häufig verwendete Einteilung des Verschleißes erfolgt nach der Erscheinungsform: - Rissbildung - Abtragung: Glättung, Einlauf - Schälung: Abblättern flächiger Partikel - Grübchen: örtliche Ausbrüche

12 - Kratzer, Riefen, Fresser - Korrosion Schematische Darstellung der 4 Verschleiß -Grundmechanismen nach KRAGELSKI a. Abrasion b. Elastische Deformation c. Plastische Deformation d. Adhäsion Bild : Bild Ursachen 3: und und Mechanismen des des Verschleißes Verschleisses Bild zeigt schematisch die verschiedenen Mechanismen des Verschleißes. Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn die Rauheiten der härteren Oberfläche die Rauheiten der weicheren Oberfläche abradieren. Fressverschleiß entsteht, wenn die Rauheitsspitzen der beiden Oberflächen zunächst verschweißen und anschließend auseinander gerissen werden. Wichtige Verschleißformen sind somit die Abtragung und damit Glättung der Oberflächen (Einlaufen) in ihrer milden Form oder die zerfurchende Zerstörung der Oberflächen in ihrer starken Form. Auch Kratzer und Riefen gehören in diese Kategorie. Eine andere wichtige und stets unerwünschte Verschleißform ist der Fressverschleiß. Beide Verschleißformen können durch den Schmierstoff beeinflusst werden. Ob ein Verschleiß hoch, also stets unzulässig, ist, oder aber niedrig, also manchmal zulässig, ist, hängt zum einen von der Art des Tribosystems ab, und zum anderen von dessen Dimensionen. So wäre ein Verschleiß von 0,5 mm einer Türangel für eine Stalltür zulässig, weil er die Funktion der Türangel nicht, oder kaum beeinträchtigt. Der gleiche Verschleiß bei einer gleich großen Türangel eines Tresors würde zu einer Funktionsstörung der Tür führen, wäre also unzulässig groß. Die Messgrößen für den Verschleiß werden nach DIN wie folgt definiert: a. Direkte Messgrößen - Verschleißbetrag - Relativer Verschleißbetrag - Verschleißwiderstand - Relativer Verschleißwiderstand b. Bezogene Messgrößen - Verschleißgeschwindigkeit - Verschleiß-Weg-Verhältnis

13 - Verschleiß-Durchsatz-Verhältnis c. Indirekte Meßgrößen - Verschleißbedingte Gebrauchsdauer - Gesamtgebrauchsdauer - Verschleißbedingte Durchsatzmenge Bild zeigt schematisch die Definition des häufig verwendeten Verscheißmaßes Verschleiß-Gleitweg-Verhältnis, die sogenannte VGV-Zahl Verschlei ßmaß Forderung: Dimensionslos und allgemeing ültig! Verschlei ßbetrag (als L änge) bezogen auf Verschlei ßweg! Verschlei ß-Gleitweg -Verh ältnis = VGV -Zahl Nach Vogelpohl : Verschlei ß!m Gleitweg km!m VGV -Zahl = 10-9 km Besser: Verschlei ß-Einheit (VE) 1 VE = 1!m = km Bild 1.3.3: Definition des Verschleiß-Gleitweg-Verhältnisses (VGV-Zahl) 1.4 Topografie der Oberflächen und Bedeutung des Einlaufens von Maschinenelementen Wie bereits erwähnt wurde, sind Oberflächen nicht absolut glatt, sondern mehr oder weniger rau. Dies hängt vom Verfahren der Oberflächenbearbeitung ab. Wie das Bild schematisch zeigt, übertragen die beiden Oberflächen nur auf Inseln die anliegende Belastung. Damit ist die spezifische Belastung viel höher, als wenn die gesamte Oberfläche tragen würde. Die Gefahr des unzulässigen Verschleißes oder des Fressens ist entsprechend höher. Man versteht unter dem Einlaufen das Abtragen der Rauheitsspitzen durch abrasiven Verschleiß, wodurch die tragenden Inseln vergrößert werden. Damit verringert sich die spezifische Belastung und die Gefahr des Fressens wird kleiner. Auch dieser Einlaufvorgang kann durch den Schmierstoff optimiert werden.

14 Scheinbare und wahre Ber ührungsfl äche (schematisch) Bild 1.4.1: Oberflächengüte und Tragbild Die genannten Oberflächenrauheiten hängend entscheidend vom Verfahren der Oberflächenbearbeitung ab. So ergibt das Hobeln eine viel rauere Oberfläche als das Läppen. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht. Unterschiedliche Oberfl ächengüte durch verschiedene Bearbeitungsverfahren (Vergr ößerung Vertikal/Horizontal) Gehobelte Oberfl äche Stirngefr äste Oberfl äche Geschliffene Oberfl äche Geläppte Oberfl äche Bild 1.4.2: Unterschiedliche Oberflächengüte durch verschiedene Bearbeitungsverfahren

15 (nach Aßmann, 2006) Oberflächenfeingestalt verschiedener bearbeiteter Werkst ücke Bild 1.4.3: Unterschiedliche Oberflächengüte durch durch verschiedene Bearbeitungsverfahren Stark vergr ößertes Profil einer realen Oberfl äche Bild 1.4.4: Einfluss des Massstabes auf die Oberflächengüte 1.5 Einfluss des Schmierstoffs auf Reibung und Verschleiß Die Höhe von Reibung und Verschleiß hängt von den folgenden Zuständen des Tribosystems ab:

16 Ungeschmierte und geschmierte Kontakte Reibung von Metall gegen Metall oder Nichtmetall Reibung des Materials gegen sich selbst oder gegen ein anderes Material Reibung in Luft oder in einer anderen Atmosphäre Das geschmierte Kontakte und Paarungen Metall/Nichtmetall günstigere Reibungsund Verschleißwerte ergeben als ungeschmierte und Metall/Metall-Paarungen ist leicht einzusehen. Gleitpaarungen im Vakuum sowie gleiche Materialien gegeneinander sind auch ungünstig. Zu beachten ist, dass eine niedrige Reibung nicht einen niedrigen Verschleiß verursachen muss. Andererseits zieht eine hohe Reibung nicht unbedingt einen hohen Verschleiß nach sich. Bild 1.5.1(a-c) zeigt schematisch die verschiedenen Reibungs- und Schmierungszustände, aus denen man die Einflüsse des Schmierstoffs auf Reibung und Verschleiß ableiten kann. Die Reibung nackter Oberflächen (Zustand A) tritt praktisch nur im Vakuum auf und ist durch völlig ungeschützte Oberflächen gekennzeichnet. Reibung und Verschleiß sind unzulässig hoch. Die Oberflächenschicht- oder Grenzreibung tritt bei Luftatmosphäre auf, die zu reibungs- und verschleisschützenden Oberflächenschichten beiträgt, so dass Reibung und Verschleiß niedriger sind (Zustand B). Die Beschichtung der Oberflächen mit Festschmierstoffen (Zustand C) in Form einer Trockenschmierung setzt Reibung und Verschleiß weiter herab. Der wichtige Zustand der Mischreibung (Zustand D) entsteht, wenn flüssiger Schmierstoff mit entsprechenden Additiven in Bereichen mit Festkörperkontakt Reaktionsschichten erzeugt, so dass insgesamt ein akzeptables Reibungs- und Verschleißgeschehen entstehen kann. Der Idealfall tritt ein, wenn ein unter Druck stehender Schmierstofffilm die Oberflächen völlig trennt. Da keine direkte Berührung zwischen den Oberflächen h gegeben ist, ist der Verschleiß theoretisch gleich null. Als Reibung tritt ausschließlich Flüssigkeitsreibung auf. Seitens des Schmierstoffs spielt nur die Viskosität eine Rolle.

17 A) A) Reibung Nackter Oberflächen (z.b. im Vakuum) N V Reibung Verschleiss } sehr hoch B) Trockene Reibung B) Oberfächenschichtreibung (Grenzreibung) Reaktionsschichten: Natürliche durch umgebende Atmosphäre (z.b. Oxidschicht, adsorbierte Gasschicht (H2O -Dampf)) Künstlich, durch Oberflächenbehandlung (z.b. Phosphat - oder Nitridschicht) Reibung Verschleiss Hoch, aber niedriger als im } Fall A Bild 1.5.1a: Bild 5a: Reibungs- und - und Schmierungszustände - 1 C) Trockenschmierung ( -Reibung) auf den Oberflächen Schicht eines Trocken - (Fest -) Schmierstoffs N V Reibung Verschleiss niedrig bis mäßig, aber stets } niedriger als im Fall B D) Oberflächenschichtreibung Schmierstoff (Flüssig, Gasförmig, Pastös ) Reibung } Oberflächenreaktionsschicht Verschleiss N V Mischreibung teilweise Oberflächenschichtreibung (Festkörperkontakt) teilweise Flüssigkeitsreibung (unter Druck stehender Flüssigkeits - oder Gasfilm) niedriger als bei Oberflächenschichtreibung Bild 1.5.1b: Reibungs- und Schmierungszustände Bild 5b: Reibungs - und Schmierungszustände - 2

18 E) N h V Unter Druck stehender Schmierstoff (Flüssig, Gasförmig, Pastös ) Oberflächenreaktionsschicht Flüssigkeitsreibung unter Druck stehender Schmierstoff trennt Oberflächen völlig keine Festkörperberührung mehr Druckerzeugung Hydrodynamisch Hydrostatisch -Film Reibung: Verschleiss : niedriger als bei Oberflächen - schichtreibung null Bild 1.5.1c: Reibungs- und Schmierungszustände Bild 5c: Reibungs - und Schmierungszustände Einfluss des Werkstoffs auf Reibung und Verschleiss Der Zusammenhang zwischen Reibung und Verschleiss ist nicht immer eindeutig. Zwar führt eine niedrige Reibung oft auch zu einem niedrigeren Verschleiss, doch muss dies nicht in jedem Fall so sein. Bild zeigt mögliche Zusammenhänge. Mögliche Zusammenh änge zwischen Reibung und Verschlei ß Verschleiß Reibung

19 Bild 1.6.1: Mögliche Zusammenhänge zwischen Reibung und Verschleiss Dies bedeutet, dass nicht von der Höhe der Reibung auf die Höhe des Verschleisses, und umgekehrt, geshlossen werden darf. Reibung und Verschleiss hängen von den folgenden Bedingungen ab: Ungeschmiert - Geschmiert Metall - Ungeschmiert Werkstoff gegen sich selbst - Werkstoff 1 gegen Werkstoff 2 Luftatmosphäre - Vakuum oder andere Atmosphäre Während im Bereich der Reibung nackter Oberflächen allein die Werkstoffeigenschaften die Höhe von Reibung und Verschleiss bestimmen, kommt bei der Oberflächenschichtreibung das Vermögen der Werkstoffe hinzu, mit der Umgebung, z.b. Schmierstoffen, Reaktionen einzugehen, die zu Oberflächenschichten führen, welche sich auf die Höhe von Reibung und Verschleiss auswirken. Bei den Reibungszustände der Oberflächenschicht- und Mischreibung sind die Wechselbeziehungen zwischen dem Werkstoff der Gleitpartner und dem Schmierstoff von entscheidender Bedeutung. Hier spielen die Additive, welche mit den Werksstoffoberflächen reagieren, eine entscheidende Rolle. Demgegebüber ist im Bereich der Flüssigkeitsreibung (Hydrodynamik) nur die Viskosität von Bedeutung. Bild enthält Reibungszahlen für die verschiedenen Reibungszustände. Reibungszahlen als Funktion des Schmierungszustandes kann man Bild entnehmen. Reibungszahl -Größenordnung f ür die verschiedenen Reibungsarten Reibungsarten und Reibungszust ände (Czichos/Habig ) Bild 1.6.2: Reibungszahl-Grössenordnungen für die verschiedenen

20 Reibungszustände Reibungszahl als Funktion des Schmierungszustandes f Reibpaarungen ür verschiedene Reibungszahl (f) Bild 1.6.3: Reibungszahl als Funktion des Schmierungszustandes Für verschiedene Reibpaarungen Als Mass für die Höhe des Verschleisses kann der Verschleissfaktor verwendet werden. Als Beispiel enthält Bild die Verschleissfaktoren einiger Gleitwerkstoffe als Funktion der Belastung bei Raumtemperatur und Stahl als Gegenwerkstoff.

21 Verschleißfaktor f ür einige Gleitwerkstoffe als Funktion der Belastung bei Raumtemperatur: Gegenwerkstoff: Stahl Bild 1.6.4: Verschleissfaktoren einiger Gleitwerkstoffe gegen Stahl Daraus ergeben sich maximal zulässige Belastungen als Funktion der Temperatur (Bild 1.6.5). Maximal zul ässige Belastung einiger Gleitwerkstoffe als Funktion der Temperatur: Gegenwerkstoff: Stahl Bild 1.6.5: Maximal zulässige Belastungen einiger Gleitwerkstoffe gegen Stahl als Funktion der Temperatur

22 Die Bedeutung der Reibungs- und Schmierungszustände auf Reibung und Verschleiss geht aus Bild hervor. Zusammenfassend zeigt Bild den Einfluss von Werkstoff und Schmierstoff auf Reibung und Verschleiss. Reibungs- und Schmierungszust ände (schematisch) Bild 1.6.6: Reibungs- und Schmierungszustände Einfluss von Werkstoffpaarung und Schmierstoffeigenschaft auf Re und Verschlei ß bei verschiedenen Reibungszust änden ibung

23 Bild 1.6.7: Einfluss von Werkstoff und Schmierstoff auf Reibung und Verschleiss

24 Kapitel 2: Hydrodynamischer und elastohydrodynamischer Schmierfilmaufbau Theoretische Grundlagen der Schmierung 2.1 Grundlagen der Hydrodynamik Das Phänomen des Aufbaus eines tragfähigen Flüssigkeits- oder G asfilms gehört zu den wichtigsten Erscheinungen der Tribologie. Sind bestimmte Mindestvoraussetzungen erfüllt, erfolgt der Aufbau solcher Filme völlig selbsttätig. Er kann zwar durch ungünstige konstruktive, betriebsbedingte und schmierstoffseitige Gegebenheiten gestört aber kaum vollständig unterbunden werden. Zwar sind die theoretischen Zusammenhänge durch komplizierte mathematische Beziehungen definiert, doch können diese geeigneten Vereinfachungen leicht anwendbar werden. Zu den wichtigsten Anwendungen der Hydrodynamik gehören die Gleitlager, deren Dimensionen von den Walzwerkslagern (Durchmesser bis 1 m und Belastungen bis zu 2 x 10 7 N) bis zu den feinwerktechnischen Lagern (Durch- Messer weniger als 1 mm) reichen. Die spezifischen Belastungen können zwischen fast 0 und 10 4 N/cm 2 bei Geschwindigkeiten, die fast 0 sein, aber auch Drehzahlen von bis zu 0,5 x 10 6 U/min erreichen können. Bild enthält Hinweise zu den Voraussetzungen für einen hydrodynamischen Druckaufbau. Bestimmte Spaltform: Relativbewegung: Keil- oder Sichelspalt Parallelspalt Tangentialbewegung Hubbewegung Viskositätsbehaftetes Viskosität Viskosit ät Medium: station äre Gleitlager instation äre Gleitlager Wälzlager Zahnradpaarungen Bild 2.1.1: Voraussetzungen für hydrodynamischen Druckaufbau Verschiedene Spaltformen für einen hydrodynamischen Druckaufbau zeigt Bild

25 Bild : Spaltformen zum Spaltformen zum hydrodynamischen Druckaufbau hydrodyn en Druckaufbau amisch Die Schmierfilmbildung zwischen der Welle und der Lagerschale eines Gleitlagers wird schematisch in Bild dargestellt. Schmierfilmbildung zwischen Lagerschale und Welle Ring Welle Öl : Bild 2.1.3: Schmierfilmaufbau zwischen Welle und Lagerschale eines Gleitlagers

26 2.2 Hydrodynamische Lösung Zur Berechnung hydrodynamischer Gleitlager stehen Näherungsgleichungen zur Verfügung, zu deren Ableitung neben anderen Vereinfachungen von starren Oberflächen und von druckunabhängigen Schmierstoffviskositäten ausgegangen wird. Die Strömung des Schmierstoffs im Lagerspalt kann als die Strömung einer viskosen Flüssigkeit mit der Viskosität aufgefasst werden und durch das folgende Gleichungssystem charakterisiert Zur Lösung des Gleichunssystems werden die folgenden Annahmen und Vereinfachungen getroffen: 1. Schwerkraft und Trägheitskräfte des, auf den Schmierstoff einwirkend, werden vernachlässigt 2. Die den Schmierspalt berandenden Oberflächen sind starr und glatt 3. Die Krümmung des Spaltes ist vernachlässigbar 4. Die Strömung im Spalt ist laminar 5. Der Druck ist über die Spalthöhe konstant 6. Schubspannungen und Geschwindigkeitsgradienten sind nur in Richtung der Spalthöhe zu berücksichtigen 7. Die Spalthöhe ist klein im Vergleich zu den übrigen Lagerabmessungen 8. Der Schmierstoff haftet ohne Schlupf an den Oberflächen 9. Der Schmierstoff entspricht einer newtonschen Flüssigkeit 10. Viskosität und Dichte sind im gesamten Spalt konstant Damit lässt sich dann die Reynolds sche Differentialgleichung für die hydrodynamische Druckentwicklung für inkompressible Flüssigkeiten ableiten. Nach der Umformung erh ält man dann die endg ültige Reynolds sche Differentialgleichung f ür die hydro - dynamische Druckentwicklung, allerdings in der vereinfachten Form f ür inkompressible Medien. Für kompressible Medien lautet die Reynolds Gleichung: sche

27 Für kompressible Medien, z.b. Luft, lautet die Reynolds sche Gleichung: Die einzelnen Terms der Gleichung können nach Bild charakterisiert werden. Systembeschreibung Schematische Hydrodynamische Mechanismen hydrodynamischer Darstellung Druckentwicklung Gleichung 1. Ebene, glatte, starre, geneigte Oberflächen, keine Vertikalbewegung Keil-Term 2. Ebene, glatte, parallele Oberflächen. Die obere Oberfläche ist flexibel und an einem Ende festgehalten. 3. Ebene, glatte, parallele Oberflächen. Keine seitliche Bewegung. Die untere Oberfläche ist fest. Die obere Oberfläche reversiert vertikal. Dehnungs-Term Quetsch-Term Bild 2.2.1: Charakterisierung der Reynolds schen Differentialgleichung für die hydrodynamische Druckentwicklung In einem instationär belasteten Lager durchläuft der Wellenzapfen einee zeitlich veränderliche Bahnkurve im Lagerspalt. Sie wird als Verlagerungsbahn bezeichnet. Diesen Fall der instationären Zapfenbewegung beschreibt die folgende Form der Reynolds sschen Differentialgleichung:

28 Instationäre Gleichung Verursacht wird eine instation äre Bewegung durch eine zeitlich ver änderte Belastung, weshalb man auch vom dynamisch oder instation är belasteten Gleitlager spricht. Instation är wäre aber auch ein station är belastetes Lager, dessen Zapfen oder Lager ungleichf örmig rotieren w ürde, wie z. B. beim Pleuellager. Damit soll nur angedeutet werden, dass der Begriff instation är sich prim är auf die Bewegung des Zapfen - mittelpunktes im Spielkreis bezieht. Im instation är belasteten Lager durchl äuft der Wellenzapfen mit ungleichf örmiger Bewegung eine zeitlich ver änderliche Bahnkurve innerhalb des Lagerspiels, die sog. Verlagerungsbahn. Diesen Fall der instation ären Zapfenbewegung beschreibt die abgeleitete Reynolds sche Differential -gleichung. Bild zeigt das Belastungsdiagramm und das Verlagerungsdiagramm für ein Pleuellager. Schalenfeste Lagerdiagramme f ür ein Pleuellager a. Belastungsdiagramm b. Verlagerungsdiagramm Bild Schalenfeste Lagerdiagramme eines Pleuellagers Für die Reynolds sche Differentialgleichung existiert eine Näherungslösung für die praktische Anwendung zur Berechnung von Gleitlagern. Angewendet auf die

29 geometrischen Bedingungen des zylindrischen Gleitlagers kann eine solche Lösung in einen Zusammenhang zwischen Sommerfeldzahl (siehe Kapitel Gleitlagertechnik) und relativer Exzentrizität überführt werden. Dann gilt: So = f( ) Bild zeigt die Sommerfeldzahl als Funktion der relativen Exzentrizität nach Sassenfeld/Walther und Droste. Sommerfeldzahl als Funktion der relativen Exzentrizit ät (nach Sassenfeld/Walther und Droste) Bild 2.2.3: Sommerfeldzahl als Funktion der relativen Exzentrizität 2.3 Elastohydrodynamische Lösung Für sehr hoch belastete Tribosysteme, z.b. Zahnradpaarungen muss die sogenannte elastohydrodynamische Lösung verwendet werden, welche die Elastizität der Werkstoffe sowie die Druckviskosität berücksichtigt. Bild zeigt schematisch, wie sich die Elastizität der Werkstoffe sowie die Druckviskosität des Schmierstoffs auf die Spalthöhe auswirkt. Beide Einflüsse führen zu einem grösseren

30 Spalt im Vergleich zur Spalthöhe bei starren Oberflächen und einer druckunabhängigen Starre Oberfl ächen, druckunabh ängige Viskosit ät Elastische Oberfl ächen, druckabh ängige Viskosit ät h o = h + h 1 + h 2 h = Mindestspalt f ür starre Oberfl ächen und druck - unabh ängige Viskosit ät h 1 = Spaltvergr ößerung durch elastische Deformation der Oberfl ächen h 2 = Spaltvergr ößerung durch Druckviskosit ät Viskosität. Bild 2.3.1: Elastizität der Werkstoff-Oberflächen sowie Druckabhängigkeit der Schmierstoffviskosität auf die Spalthöhe Damit ergibt sich die sogenannte Filmdickengleichung als elastohydrodynamische Lösung nach DOWSON/HIGGINSON wie folgt: Druckverlauf und Spaltverlauf im isothermen elastohydrodynamischen Spalt werden in Bild gezeigt.

31 Druck- und Spaltverlauf bei der isothermen elastohydrodynamischen Schmierung a. Druck b. Spalt Bild 2.3.2: Druck- und Spaltverlauf bei der elastohydrodynamischen Schmierung Wie stark sich die theoretische Belastbarkeit eines Schmierspaltes auswirkt, wenn realistischere Annahmen zur Berechnung der Spalthöhe angesetzt werden, kann man Bild entnehmen. Theoretische Belastung eines Kontaktes f ür eine angenommene Spaltweite von 2,54 _ m Theorie Belastbarkeit (N/cm Kontaktbreite) Klassische Hydrodynamik ohne Abänderung Berücksichtigung der Druckviskosität Berücksichtigung der Wekstoffelastizität Elastohydrodynamische Lösung 0,14! ,51! ,94! ,00! 10 4 Bild 2.3.3: Theoretische Belastung eines Tribokontaktes für eine

32 angenommene Spalthöhe von 2,54 um

33 Kapitel 3: Grundöle und Additive für Schmierstoffe 3.1 Einführung Zu behandeln sind die folgenden Themen: - Einführung - Vom Rohöl zum Grundöl - Mineralöle - Syntheseöle - Biologisch schnell abbaubare Schmieröle - Additive - Schmierfette Zu den Hauptaufgaben der Schmierstoffe gehören: - Kraftübertragung - durch hydrodynamische und elastohydrodynamische Druckfilme - durch physikalische und chemische Reaktionsfilme - Wärmeabfuhr - Korrosionsschutz - Abdichtung - nach außen gegen sich selbst - nach innen gegen Verunreinigungen - Unschädlichmachen von festen und flüssigen Verunreinigungen Zu den Nebenaufgaben der Schmierstoffe gehören: - Neutrales Verhalten gegenüber Dichtungs- und Konstruktionsmaterialien - Günstiges Schaumverhalten - Geringe Flüchtigkeit - Gutes Reibungsverhalten - Lange Gebrauchsdauer Weil sich diese Aufgaben nicht durch die Eigenschaften eines einzigen Schmierstoffs verwirklichen lassen, andererseits die verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Wertigkeiten hinsichtlich der einzelnen Eigenschaften fordern, müssen zahlreiche Schmierstofftypen formuliert werden. Jenen Wunderschmierstoff, der für alle Anwendungsgebiete hinsichtlich aller Eigenschaften optimal ist, kann es daher nicht geben. Somit müssen die folgenden wichtigsten Schmierstofftypen entwickelt werden. Bild zeigt hierzu einige Beispiele.

34 Schmieröle Schmierfette Mineralöle Synthetische Flüssigkeiten Fette mit Seifenverdickern Fette mit Nicht - Seifenverdicker Unlegierte Öle Legierte Öle Unlegierte Flüssigkeiten Legierte Flüssigkeiten Fette mit Mineralöl als flüssige Phase Fette mit synthetischen Flüssigkeiten als flüssige Phase Fette mit Mineralöl als flüssige Phase Fette mit synthetischen Flüssigketen als flüssige Phase Bild 3.1.1: Vielfalt Bild 6a: möglicher Vielfalt möglicher Schmierstoffe Schmierstoffe Festschmierstoffe Haftschmierstoffe Emulsionen Trockenpulver Pasten Gleitlacke Kunststoffe Sprühhaftschmierstoffe mit Festschmierstoffen Bitumhaltige Schmierstoffe Öl-in-Wasser -Emulsionen Wasser -in-öl-emulsionen Sonstige Schmierstoffe Flüssigkeiten Gase, z.b. Luft Wasser Flüssige Metalle Säuren, Laugen Sonstige Bild : Vielfalt möglicher Schmierstoffe - 2 Bild 6b: Vielfalt möglicher Schmierstoffe - 2

35 Kurzgefasst sind die folgenden Schmierstofftypen zu unterscheiden - Schmieröle - Schmierfette - Festschmierstoffe - Haftschmierstoffe - Emulsionen - Sonstige Schmierstoffe Diese unterschiedlichen Schmierstofftypen müssen für die verschiedenen Anwendungsgebiete formuliert werden. Zu den wichtigsten gehören: - Motoren - Getriebe - Kompressoren - Hydrauliken - Metallbearbeitung Eine Zusammenfassung der von den unterschiedlichen Schmierstofftypen zu erfüllenden Auswahl- und Gütewerte enthält Bild Auswahlwerte Viskosität Dichte Flammpunkt Anilinpunkt Toxizität Sekundäreigenschaften Asche Gütewerte Primäreigenschaften Reibungsverhalten Wichtige Eigenschaften von Schmierstoffen und Betriebsstoffen Viskosität/ Temperatur-Verhalten Viskosität/ Druck-Verhalten Fliessverhalten bei tiefen Temperaturen Fliessverhalten bei hohen Temperaturen Kälteverhalten Chemisches Verhalten (Korrosion, Angriff auf NE-Metalle) Beständigkeit (Thermisch, Oxidativ) Wasser- und Luftabscheidevermögen Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Verkokungsneigung Verdampfungsverhalten Cloudpoint/ Pourpoint Verschleißverhalten (Freßverhalten) Einlaufverhalten Detergent/ Dispersant-Verhalten (Schaumverhalten) Entflammbarkeit Strahlenbeständigkeit Bild 3.1.2: Auswahl und Gütewerte von Schmierstoffen

36 3.2 Vom Rohöl zum Grundöl - Mineralöl Entstehung und Zusammensetzung des Grundöls Das Erdöl entstand vor vielen Millionen von Jahren aus dem Plankton - pflanzliche und tierische einzellige Organismen -, die auf dem Meeresboden verwesten. Hauptbestandteil ist ein Gemisch aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen, also Verbindungen aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Für diese Entstehung sind bestimmte geologische Voraussetzungen sowie bestimmte Temperatur- und Druckverhältnisse notwendig gewesen. Das Erdöl kann in unterschiedlicher Weise unter der Erde vorkommen. So gibt es unter Druck stehende Lagerstätten aber auch Lagerstätten, in denen das Erdöl an Sand gebunden ist. Es muss daher nach unterschiedlichen Methoden an die Erdoberfläche gebracht werden, die unterschiedliche Kosten verursachen. Unter dem Lagerstättendruck ist eine bestimmte Menge an Erdgas im Erdöl gelöst, das frei wird, wenn das Erdöl die Erdoberfläche erreicht. Häufig drängt bei der Ölförderung auch Wasser mit an die Oberfläche. Nach der Entfernung von Wasser und Erdölgas steht dann das Rohöl als Einsatzprodukt für die Ölraffinerien zur Verfügung. Außer den Kohlenwasserstoffen enthält das Rohöl noch organische Sauerstoff- Schwefel-, Stickstoffverbindungen sowie andere Verunreinigungen, zu denen auch mehr oder weniger hohe Konzentrationen an verschiedenen Elementen, die alle im Mineralöl stören und daher entfernt werden müssen. Bild zeigt eine typische Analyse eines Rohöls. Die spezielle Zusammensetzung eines bestimmten Rohöls hängt von seiner Provenienz, also seiner Herkunft ab. Zusammensetzung: Erdöl - (Erdölgas + Wasser) = Rohöl = Einsatzprodukt für die Raffinierie! Kohlenwasserstoffe + organische Sauerstoff -, Schwefel - Stickstoffverbindungen Typische Analyse = f (Provenienz) % C % H - 7 % S - 1 % N, O, Cl, P, K, Na, Mg, V usw. Bild 7: Zusammensetzung und Struktur des Rohöls Bild Zusammensetzung und Struktur des Rohöls

37 Es gibt zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten zur Bildung von Kohlenwasserstoffen; entsprechend groß ist die Zahl möglicher Kohlenwasserstoffen im Rohöl. Das aus dem Rohöl gewonnene Mineralöl ist daher ein komplexes Gemisch und keine eindeutig definierte chemische Substanz. Trotzdem können gewisse Grundtypen unterschieden werden: - Kettenförmige Kohlenwasserstoffe - Ringförmige Kohlenwasserstoffe Ein anderes Unterscheidungsmerkmal besteht darin, ob die Kohlenwasserstoffe nur Einfachbindungen enthalten, also gesättigt sind, oder ob sie Doppelbindungen enthalten, also ungesättigt sind. Einfachbindungen sind stabiler, auch gegen die Reaktion mit Sauerstoff, also alterungsbeständiger. Zur Herstellung von Schmierstoff-Grundölen werden daher Kohlenwasserstoffe verwendet, die nur wenige Doppelbindungen enthalten. Es werden somit zur Schmierstoffformulierung die folgenden Kohlenwasserstofftypen verwendet: - Kettenförmige, gesättigte Kohlenwasserstoffe - Paraffine - Ringförmige, gesättigte Kohlenwasserstoffe - Naphthene Bild enthält eine Zusammenfassung der unterschiedlichen Kohlenwasserstofftypen. Struktur der Mineral öle Variationsm öglichkeit zwischen C und H ist gro ß Mineral öl ist keine exakt definierte Verbindung, sondern ein komplexes u heterogenes Gemisch. Grobe Einteilung der Kohlenwasserstoffe kettenf örmig, ges ättigt (reaktionstr äge) kettenf örmig, unges ättigt (reaktionsfreudig) ringförmig, ges ättigt (reaktionstr äge) ringförmig, unges ättigt (reaktionsfreudig) ringförmig, unges ättigt (sehr reaktionsfreudig) ( Benzolring) PARAFFINE OLEFINE NAPHTHENE NAPHTHENE unges ättigte AROMATEN nd Bild 3.2.2: Zusammenfassung der unterschiedlichen Kohlenwasserstofftypen Die Bilder 3.2.3, 3.2.4, und zeigen schematisch die wichtigsten Kohlenwasserstofftypen. Für Schmierstoffgrundöle kommen vor allem die gesättigten Typen in Frage. Aus toxikologischen Gründen, sollten nur wenige Aromaten, also ungesättigte, ringförmige Kohlenwasserstoffe auf der Grundlage eines Benzolrings im Grundöl enthalten sein.:

38 Normalalkane (Normalparaffine): Summenformel C n H 2n+2 Unverzweigte Ketten, nur mit Einfachbindungen Bild 3.2.3: Normalparaffin Bild 8: Normalparaffin Ringförmiger, gesättigter Kohlenwasserstoff: Summenformel (nur Einfachbindungen). Cycloalkane = Naphthene C n H 2n Bild Bild 9: 3.2.4: Naphthen Naphthen

39 Ringförmiger, ungesättigter Kohlenwasserstoff: Summenformel C n H n, Aromate (Benzolring) Bild Bild 10: 3.2.5: Aromat Aromat Im Erdöl oder Grundöl liegen die Moleküle aber nicht als einzelne Paraffine, Naphthene oder Aromaten vor, sondern in Form zusammengesetzter Moleküle. Die Bilder und zeigen hierzu Beispiele möglicher Strukturen Mögliche Molekülstruktur für einen C 25 - Kohlenwasserstoff (a) Bild 3.2.6: Molekülstruktur eines Kohlenwasserstoffs aus Paraffinen und Naphthene

40 Bild 3.2.7: Molekülstruktur eines Kohlenwasserstoffs aus Paraffinen und Naphthenen Man spricht daher von paraffinischen, naphthenischen und aromatischen Grundölen, je nach dem, welcher Kohenwasserstofftyp mit seinen Eigenschaften, jene des Grundöls dominiert. Mit zunehmender Kohlenstoffzahl im Molekül wird das Molekül größer. Bild zeigt die Abhängigkeit der wichtigsten Produkte von der Molekülgröße.

41 Gase = C1 bis C4 Benzine = ca. C5 bis ca. C12 Dieselöl/Heizöl EL = ca. C10 bis ca. C22 Schmierstoffe = ca. C20 bis ca. C35 Vakuumrückstand = über ca. C35 Bild 3.2.8: Molekülgrößen von Kohlenwasserstoffen Bild 11: Molekülgrössen von Kohlenwasserstoffen Bild 3.2.9: enthält die wichtigsten Kenndaten für Benzine, Mitteldestillate und Schmieröle Molekülgröße Molekulargewicht Siedebereich, C Flammpunkt, C Dichte, g/l Benzine Kenndaten verschiedener C 5 - C Kohlenwasserstoffe bis (- 50 ca.-werte ) Dieselöl/Heizöl EL C10 - C Schmieröle C20- C Bild 3.2.9: Kenndaten verschiedener Kohlenwasserstoffe

42 3.2.2 Struktur und Eigenschaften Die beschriebenen Strukturen des Mineralöls bestimmen verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften. Die wichtigsten sind: - Aggregatzustand - Viskosität und Viskositäts-Temperatur-Verhalten - Oxidationsstabilität - Thermische Stabilität Mit zunehmender Molekülgröße steigen die Temperaturen für den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand sowie vom flüssigen in den gasförmigen Zustand an. Dies wird in Bild gezeigt. Gleichzeitig wird mit größeren Molekülen auch die Viskosität höher. Wie Bild schematisch zeigt, weisen die Paraffine (Öl B) eine geringere Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit auf als die Naphthene (Öl A). Dieser Vorteil der Paraffine niedrigere Viskosität bei tiefen Temperaturen und höhere Viskosität bei höheren Temperaturen wird für viele Anwendung gewünscht. Bild Bild 12: : Schmelz Schmelz- - und Siedetemperaturen und Siedetemperaturen von Normalparaffinen von Normalparaffinen Moleküle mit Doppelbindungen weisen eine geringere Oxidationsbeständigkeit auf als solche mit Einfachbindungen, so dass letztere für die Anwendung als Schmieröle Vorteile haben. Der vollständigkeithalber sei erwähnt dass ringförmige Verbindungen mechanisch stabiler als kettenförmige sind, woraus sich eine höhere thermische Beständigkeit für ringförmige Kohlenwasserstoffe ableiten lässt.

43 . Bild : Viskosität-Temperatur-Verhalten von zwei Mineralölen Bild 13: Viskosität -Temperatur -Verhalten von zwei Mineralölen Herstellung von Mineralölen Wie man aus Bild ersehen kann, besteht der Weg vom Rohöl zum Schmieröl aus den folgenden drei grundsätzlichen Schritten. - Physikalische Trennung - Chemische Umwandlung - Additivierung Ausgangsprodukt Rohöl Verarbeitung durch: Physikalische Trennung atmosphärische Destillation! DESTILLATE Vakuumdestillation Chemische Umwandlung Raffination z.b. Säurebehandlung Bleicherdebehandlung! RAFFINATE Extraktion Entparaffinierung Legierung Zugabe von Additiven Erzeugung von Eigenschaften Verstärkung positiver Eigenschaften Abschw ächung negativer Eigenschaften Bild : Bild Herstellung 14: Herstellung von Schmierölen von Schmierölen - 1

44 - Bild : Bild 15: : Herstellung Vom Rohöl von zum Schmierölen Grundöl - 2 Bei der physikalischen Trennung wird das Rohöl durch atmosphärische Destillation und durch Vakuumdestillation in verschiedene Schnitte zerlegt. Die Endprodukte werden als Destillate bezeichnet, die noch eine Reihe unerwünschter Bestandteile enthalten. Deren Entfernung durch verschiedene Extraktionsverfahren charakterisiert die eigentliche Raffination, deren Endprodukte die Raffinate sind. Weitere Verfahren zum Entparaffinieren und zur Sättigung von Doppelbindungen können sich anschließen. Bild zeigt schematisch den Weg vom Rohöl zum Grundöl. An dieser Stelle ist hervorzuheben, dass es keine Grundöle gibt, die nur aus Paraffinen, Naphthenen oder Aromaten bestehen. Daher spricht man von paraffinbasischen, naphthenbasischen oder aromatischen Ölen, je nach dem, welcher Kohlenwasserstofftyp die Grundeigenschaften dominiert. Damit stehen jetzt die Grundöle für die Formulierung von Schmierstoffen zur Verfügung, deren Eigenschaften aber nicht ausreichen, die Anforderungen für die unterschiedlichen Anwendungen zu erfüllen. Hierfür ist noch die Zugabe von Additiven notwendig Eigenschaften und Typen Einen ersten Vergleich einiger wichtiger Eigenschaften kann man Bild entnehmen. Daraus ergibt sich, dass die paraffinbasischen Grundöle für die meisten Schmierstoffanwendungen Vorteile haben. Das American Petroleum Institute (API) hat daher die in Bild dargestellte Einteilung der wichtigsten Grundöltypen definiert. Die Herstellungskosten dieser verschiedenen Grunöltypen wird schematisch in Bild gezeigt.die unterschiediche Zusammensetzung der

45 Mineralöle der verschiedenen Gruppen wird in Bild dargestellt. Hinweise zur Anwendung der verschiedenen Mineralöle enthält Bild

46 Eigenschaften von Mineralöltypen unterschiedlicher Molekülstrukt Paraffinisch Naphthenisch Aromatisch Dichte niedrig mittel hoch Viskositäts - Temperaturverhalten gut mittel schlecht Viskositätsindex hoch mittel niedrig Kälteverhalten schlecht gut gut Stockpunkt hoch niedrig niedrig Verdampfungsverhalten gut mittel schlecht Flammpunkt hoch mittel niedrig Verkokungsneigung mittel gering hoch Koksform hart, körnig weich, pulvrig Oxidationsstabilität gut gut schlecht Alterungsprodukte Säuren, dann löslich höher Kondensationsprodukte (löslich, disperg.) Schlamm (unlöslich) viskose Verb. dann unlösl. Schlamm Thermostabilität mittel gut hoch Strahlenresistenz niedrig mittel hoch Benetzungsfähigkeit mittel gut hoch Dispergievermögen mittel gut hoch Additivlöslichkeit mittel gut gut Verträglichkeit/ Elastomere gut gut schlecht Toxizität niedrig mittel hoch ur Bild 16: Vergleich einiger Eigenschaften von Grundölen Bild : Eigenschaften von Mineralölen unterschiedlicher Kohlenwasserstoffstruktur Neue API - und ATIEL-Grundölklassen Gruppe Typ Ges ättigte Verb. Schwefel - gehalt Viskosit äts- Index Bemerkungen I Konventionelle < 90 > 0,03 80 < IV < 120 Mineral öle I+ Konventionelle < 90 > 0, < IV < 120 Bessere CCS - und Mineral öle Noack -Werte II Unkonventionelle > 90 < 0,03 80 < IV < 120 Mineral öle II+ Unkonventionelle > 90 < 0, < IV < 120 Bessere CCS - und Mineral öle Noack -Werte III Hydrocrack öle > 90 < 0,03 > 120 III+ Hydrocrack öle?? > 140 Motoren - und Getriebe öle IV Synthese öle PAOs V Synthese öle Ester u.a. Gruppe II + bis 2010 auf dem Markt Nächste Klassifikation nur f ür Gruppe I+, II+, und III+ -Öle Bild : API-Klassifizierung von Grundölen

47 Entwicklung der Grund ölherstellung hoch niedrig Säure / Bleicherde - Behandlung Solvent - raffination Wasserstoff - Behandlung Produktionskosten GTL- Verfahren Zeit < Gruppe I Gruppe I, VI Gruppe II/II+, VI Gruppe III, 120 VI+ Gruppe III+ 135 VI+ Bild : Herstellungskosten unterschiedlicher Grundöle Gruppe IV R R Gruppe II -III R R R R Paraffinisch Mononaphthenisch Gruppe I R R R R R R R Mehrring - Naphthenisch Aromatisch % Kohlenwasserstoff -Typ, m -% Bild : Zusammensetzung unterschiedlicher Mineralöle

48 Bezeichnung Kennzeichnung Viskosität bei 40 C, Einsatzgebiet mpas Mineralische Grund öltypen Spindelöle Niedrige viskose ca. 25 Hochgeschwindigkeitslager Öle Leichte Maschinenöle Mittel viskose Öle Reibstellen mit mittleren Geschwindigkeiten Schwere Maschinenöle Hoch viskose Öle Reibstellen mit niedrigen Geschwindigkeiten Zylinderöle Sehr hoch viskose Öle Dampfzylinder GRUNDLAGEN DER SCHMIERSTOFFE Mineralölbasische Schmier öle Vergleich einiger Eigenschaften - 2 Bild : Mineralische Grundöltypen und ihre Anwendungen

49 3.3 Syntheseöle Einführung Synthetische Schmieröle werden eingesetzt, wenn die Anforderungen des bestimmten Anwendungsfalles durch Mineralöle nicht erfüllt werden können, auch nicht durch die Zugabe von Additiven. Eine grundsätzliche Abgrenzung zwischen Mineralölen und Syntheseölen ist aus Bild ersichtlich. Mineralöle Erzeugt durch Destillation und Raffination Synthetische Flüssigkeiten Erzeugt durch chemische Reaktionen Herkömmliche Technologien Moderne Technologien Synthetische Kohlenwasserstoffe Andere synthetische Flüssigkeiten Säureraffination Extraktion mit Lösungsmitteln Entparaffinierung Hydrotreating Hydrocracken Polyalphaolefine Polyisobutene Dialkylbenzole Dicarboxylester Neopentyl Polyester Polyalkylglykole Phosphatester Silikonöle Polyphenyläther Perfluoralkyläther Chlorfluoralkyläther Methacrylat/ Alphaolefin-Cooligomere Bild 19: 3.3.1: Einteilung Einteilung von von Mineralölen Mineralölen und und Syntheseölen Syntheseölen nach nach der He der Herstellung Definition der Syntheseöle Chemisch betrachtet geht die Herstellung der meisten Syntheseöle vom Äthylen oder Propylen aus. Über Zwischenstufen kommt man zu den Polyglykolen, Estern, Polyalphaolefinen, Polyolestern und Alkylbenzolen (Bild 3.3.2).

50 Bild 3.3.2: Herstellung von Syntheseölen Das Fliessschema zur Herstellung von Mineralölen und Polyalphaolefinen ist schematisch in Bild dargestellt worden.

51 Die Herstellungsverfahren f ür mineralische und synthetische Grundöle (vereinfachtes Flie ß-Schema) Bild 3.3.3: Fließschema zur Herstellung von Mineralölen und Polyalphaolefinen Vorteile und Nachteile Synthetische Schmieröle können im Vergleich zu Mineralölen die folgenden Vorteile aufweisen: - Thermische Stabilität - Oxidative Stabilität - Viskosität-Temperatur-Verhalten - Fliessverhalten bei tiefen Temperaturen - Flüchtigkeit bei hohen Temperaturen - Einsatztemperaturbereich - Entflammbarkeit - Umweltbelastung Leider müssen manchmal auch einige Nachteile der Syntheseöle in Kauf genommen werden. Hierzu können gehören: - Hydrolytische Beständigkeit - Korrosionsschutzverhalten - Verträglichkeit mit anderen Werkstoffen (Metallen, Dichtungen) - Mischbarkeit mit Mineralöl - Additivlöslichkeit - Preis

52 3.3.3 Wichtige Einzeleigenschaften Die Vorteile einiger Syntheseöle gegenüber Mineralölen sollen an einigen Beispielen erläutert werden: - Temperaturgrenzen - Viskosität-Temperatur-Verhalten - Fließen bei tiefen und Verdampfung bei hohen Temperaturen Man erkennt aus Bild 3.3.4, dass sowohl die Oxidationsgrenze als Hinweis auf die oberste Einsatztemperatur als auch die thermische Grenze als Hinweis auf die Temperaturgrenze bei Sauerstoffausschluss einiger Syntheseöle weit höher als die entsprechenden Temperaturen für Mineralölen liegen. Temperaturgrenzen f ür Mineral öle Bild 3.3.4: Temperaturgrenzen für einige synthetische Öle Bild zeigt die Viskosität-Temperatur-Abhängigkeit einiger Syntheseöle im Vergleich zu jener von Mineralöl. Man erkennt, dass Mineralöl die größte Abhängigkeit aufweist, ausgedrückt durch den steilsten Verlauf der Gerade. In Bild ist der Pourpoint als Maß für die Beendigung des Fliessens bei tiefen Temperaturen für ein Mineralöl und ein Syntheseöl (Polyalphaolefin) dargestellt eine

53 Beispiele zum Viskositäts -Temperatur - Verhalten einiger feinwerktechnischer Schmierstoffe Bild 3.3.5: Bild Viskosität- 20: Viskosität Temperatur-Verhalten -Temperatur -Verhalten einiger einiger Syntheseöle Syntheseöle W.R. Murphy: Benefits of Synthetic Lubricants SAIT -Conference 1998, Pretoria Bild 3.3.6:: Vergleich der Pourpoints von PAO und Mineralöl Bild 21: Vergleich der Pourpoints von PAO und Mineralöl Viskosität von 5 mm2/s ergeben sich für das Mineralöl etwa -15 C und das Polyalphaolefin -70 C. Für die gleichen Temperaturen liegt der Verdampfungsverlust (Flüchtigkeit) des Mineralöls bei 20 % und jener des Polyalphaolefins bei 8 % (Bild 3.3.7).

54 Dieses unterschiedliche Verhalten ist bei Anwendungen wichtig, bei denen tiefe und hohe Temperaturen auftreten, z.b. bei Kraftfahrzeugen. W.R. Murphy: Benefits of Synthetic Lubricants SAIT -Conference 1998, Pretoria Bild Bild 22: 3.3.7: Vergleich Vergleich der Flüchtigkeit der Flüchtigkeit von PAO von PAO und Mineralöl Mineralöl Eigenschaftsvergleiche Die wichtigsten Eigenschaften im Vergleich zu Mineralölen der Polyalphaolefine, der Polyisobutylene und Diaalkybenzole sowie der wichtigsten organischen Estern wurden in Bild und Bild zusammengestellt. Eigenschaften Synthetische Kohlenwasserstoffe Polyalphaolefine Polyisobutylene Dialkylbenzole Viskosit ätsbereich breit sehr breit sehr breit schmal Viskosit äts-temperaturverhalten mäß ig sehr gut gut mäßig Tieftemperaturverhalten schlecht sehr gut mäß ig gut Hochtemperaturstabilit ät (inhibiert) mäß ig sehr gut gut gut Vertr äglichkeit mit Mineral öl ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet Verdampfungsverhalten mäß ig ausgezeichnet gut gut Vertr äglichkeit mit Farben u. Lacken ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet Hydrolytische Stabilit ät ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet Scherstabilit ät ausgezeichnet ausgezeichnet gut ausgezeichnet Traktionseigenschaften mäß ig sehr gut mäß ig mäßig Rostschutz (inhibiert) ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet Additivl öslichkeit ausgezeichnet gut gut ausgezeichnet Dichtungsschwellverhalten (NBR) ausgezeichnet ausgezeichnet gut ausgezeichnet

55 Bild 3.3.8:Vergleich der Eigenschaften einiger synthetischer Kohlenwasserstoff Eigenschaften Organische Ester Viskosit ätsbereich Dikarbons äureeste r schmal Polyolester schmal Polyglykole sehr breit Phosphatester schmal Viskosit äts-temperaturverhalten gut gut ausgezeichnet schlecht Tieftemperaturverhalten gut gut sehr gut mäßig Hochtemperaturstabilit ät (inhibiert) gut ausgezeichnet gut mäßig Vertr äglichkeit mit Mineral öl gut mäßig schlecht schlecht Verdampfungsverhalten Vertr äglichkeit mit Farben u. Lacken Hydrolytische Stabilit ät ausgezeichnet m äßig m äßig ausgezeichnet mäßig mäßig gut gut sehr gut gut schlecht mäßig Scherstabilit ät ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet ausgezeichnet Traktionseigenschaften gut gut sehr gut/ausgez. N.A. Rostschutz (inhibiert) gut gut gut mäßig Additivl öslichkeit ausgezeichnet sehr gut mäß ig gut Dichtungsschwellverhalten (NBR) m äßig mäßig gut mäßig Bild 3.3.9: Vergleich der Eigenschaften einiger Ester Die Bewertung verschiedener Eigenschaftskomplexe für die wichtigsten synthetischen Schmierstoffe findet man in den folgenden Bildern. a. Viskositätseigenschaften (Bild ) b. Stabilitätseigenschaften (Bild ) c. Verschleissschutzverhalten (Bild ) d. Fressschutzverhalten (Bild ) e. Reibungszahlen (Bild ) f. Wirkungsgradverbesserung in Schneckengetrieben (Bild ) g. Verhalten gegenüber Dichtungswerkstoffen (Bild ) h. Traktionskoeffizienten (Bild )

56 Flüssigkeit Fließverhalten bei tiefen Temperaturen Viskositätsindex Druckviskosität Mineralöl (paraffinisch) mäßig/gut gut gut Polyalphaolefine ausgezeichnet sehr gut gut Diester sehr gut sehr gut sehr gut Polyolester sehr gut sehr gut sehr gut Polyal kylenglykole sehr gut sehr gut sehr gut Phosphorsäureester mäßig*/gut mäßig*/gut sehr gut Silikone sehr gut ausgezeichnet ausgezeichnet Alkylbenzole gut sehr gut gut Fluorkohlenstoffe mäßig/gut mäßig mäßig Polyphenyläther schlecht mäßig schlecht Silikatester ausgezeichnet ausgezeichnet sehr gut Silakohlenwasserstoffe ausgezeichnet ausgezeichnet *Triarylphosphorsäureester haben schlechteres Verhalten bezüglich Kältefließverhalten und VI als Trialkylphosphorsäureester Bild : Relative Bewertung einiger Viskositätseigenschaften synthetischer Flüssigkeiten Flüssigkeit Thermisch Oxidativ Hydrolytisch Verdampfung Mineralöl ( paraffinisch) gut mäßig ausgezeichnet schlecht/mäßig Polyalphaolefine sehr gut sehr gut ausgezeichnet sehr gut Diester gut sehr gut gut gut Polyolester gut sehr gut gut gut Polyalkylenglykole gut gut gut gut Phosphorsäureester mäßig gut mäßig mäßig/gut Silikone sehr gut gut ausgezeichnet ausgezeichnet Alkylbenzole gut gut ausgezeichnet gut Fluorkohlenstoffe ausgezeichnet ausgezeichnet gut schlecht Polyphenyläther ausgezeichnet gut ausgezeichnet gut Silikatester sehr gut gut mäßig/gut gut Silakohlenwasserstoffe ausgezeichnet sehr gut ausgezeichnet. Bild : Relative Bewertung von Stabilitätseigenschaften einiger synthetischer Flüssigkeiten

57 Flüssigkeit Natürliches Verschleissschutz verhalten Verschleissschutz verhalten mit Additiven Ermüdungslebensdauer Erhöhung Relative Bewertung der Schmierf ähigkeit ( Verschleiss, Erm üdung) verschiedener Schmierstoffe Mineralöl ( paraffinisch) gut ausgezeichnet mäßig/gut Polyalphaolefine gut ausgezeichnet gut Diester mäßig gut mäßig Polyolester mäßig gut mäßig/gut Polyalkylenglykole gut gut mäßig Phosphorsäureester ausgezeichnet ausgezeichnet mäßig Silikone schlecht schlecht mäßig/gut Alkylbenzole gut ausgezeichnet gut Fluorkohlenstoffe mäßig/gut gut mäßig/gut Polyphenyläther gut gut gut Silikatester gut sehr gut schlecht Bild : Relative Bewertung einiger Verschleißschutzeigenschaften synthetischer Flüssigkeiten

58 Flüssigkeit Viskosität Fresskraftstufe Mm2s, 100 C A/8,3/90 A/16,6/140 Lasttrageverm ögen synthetischer Fl üssigkeiten im FZG -Test Mineralöl nach DIN Getriebeöl Polyglykol additiviert Polyalphaolefin 10 7 additiviert Dicarbonsäureester 8 8 Phosphorsäureester 5 7 Bild : Relative Bewertung einiger Fressschutzeigenschaften synthetischer Flüssigkeiten Produkt: Paarung Stahl gegen: WM 80 (Sn-Weissmetall) V 738 (Sn-Weissmetall) V 840 (Sn-Weissmetall) Thermit (Pb-Weissmetall Mineralöl bleihaltige Zusätze Mineralöl Phosphor/ Schwefelzusätze Mobil Mobil Glykole (Polyglykol) SHC 600 (Synthetischer Kohlenwasserstoff) Reibungszahlen verschiedener synthetischer Fl üssigkeiten, gemessen bei 20 C in einer modifizierten Tannert -Apparatur Tego II (PB-Bronze) 0,189 0,160 0,101 0,126 0,184 0,144 0,106 0,174 0,232 0,186 0,121 0,193 0,180 0,171 0,116 0,166 0,163 0,176 0,130 0,119 Durchschnitt: 0,190 0,167 0,115 0,115 Bild : Reibungszahlen durch synthetische Flüssigkeiten

59 Wirkungsgradverbesserung in Schneckengetrieben durch synthetische Prüfstelle Schmierstoffe im Wirkungsgradverbesserung Vergleich zu Mineral ölen % Schmierstoffhersteller Polyglykol 5,0 10,0 Polyalphaolefin 2,5 8,5 Getriebehersteller Polyalphaolefin 3,5 10,0 Getriebebetreiber/ Schmierstoffanwender Polyalphaolefin 2,5 8,0 Bild : Wirkungsgradverbesserung in Schneckengetrieben durch synthetische Schmierstoffe gegenüber Mineralölen

60 Typ Synthetischer Kohlenwasserstoff Polyglykol Diester Phosphorsäureester Einwirkung synthetischer Fl üssigkeiten auf Dichtungswerkstoffe NBR ACM CR Schrumpfung, Viskositätsunabhängig Nur geringe Veränderungen Leichte Quellung Starke Schrumpfung Viskositätsabhängig Schrumpfung Quellung Nicht beständig Mäßige bis starke Quellung, Viskositätsabhängig Starke Schrumpfung Nicht beständig Nicht beständig FKM Beständig Mäßige Quellung Quellung Beständig VMQ Starke Quellung, Viskositätsabhängig Mäßige Quellung Quellung Beständig Bild : Verhalten gegenüber Dichtungsmaterialien Traktionskoeffizienten verschiedener Grundfl Polyenthylenglykol Erdnuss öl Poly-alpha -Olefin Leichtes Mineral öl Mittelschweres Mineral öl ATF Fluid Naphthenisches Grund öl TRC Traktionsfluid A Santotrac 40 TRC Traktionsfluid B TRC Traktionsfluid C Kin. Viskosität bei 100 C [mm_/s] Gemessener Traktionskoeffizient _ 4,1 0,020 8,4 0,033 5,6 0,046 5,0 0,060 11,0 0,065 7,0 0,065 10,7 0,079 11,8 0,092 3,7 0,104 10,0 0,112 7,2 0,117 üssigkeiten Prüfbedingungen: - Amsler 2-Scheiben - Maschine - Linienkontakt - keine Bohrreibung - Hertz sche Pressung: 1,6 GPa - Umfangsgeschw.keit : 1 m/s - Öltemperatur: 50 C - Schlupf: 9 % - Scheibenwerkstoff: EN Scheibenrauhigkeit Ra: 0,2 _ Bild : Traktionskoeffizienten synthetischer Flüssigkeiten

61 3.3.5 Zusammenhang zwischen Eigenschaften und Anwendung Der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften und den daraus abzuleitenden wichtigsten Anwendungen soll anhand der Bilder bis für jene Syntheseöle gezeigt werden, die eine besondere Bedeutung haben: a. Ester (Bild ) b.polyalpholefine (Bild 3.319) c. Polybutene (Bild ) d. Polyalkylenglykole (Bild ) e. Silikonöle (Bild ) f. Phosphorsäureester (Bild ) g. Polyphenylether (Bild ) Man erkennt, dass die Eigenschaften der Esteröle und Polyalphaolefine Vorteile für die meisten Anwendungsfälle bieten, für welche Syntheseöle notwenig sind. Vorteile Gute Oxidationsbest ändigkeit Gutes Tieftemperatur -Fließverhalten Hoher Viskosit ätsindex Niedriger Verdampfungsverlust bei hohen Temperaturen Unbegrenzte Mischbarkeit und Vertr äglichkeit mit Mineral ölen Gute Verschlei ß- und Freßschutzeigenschaften Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Nachteile Niedrige Viskosit äten Begrenzte Vertr äglichkeit mit Dichtungswerk - stoffen und Farben/Lacken Schlechte Hydrolysebest ändigkeit Mäßige Korrosionsschutzeigenschaften Besonders geeignet f ür Flugturbinen öle Motorenöle Kompressoren öle Getriebe- und Hydraulik öle Kältemaschinen öle Schnell biologisch abbaubare Schmier öle Nicht geeignet f ür Anwendungen mit hohen Korrosionsschutzanforderungen Anwendungen mit Forderungen nach besonders hohen Viskosit äten Bild : Eigenschaften und Anwendungen von Esterölen

62 Vorteile Gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen Hohe thermische und oxidative Beständigkeit Niedrige Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen Hoher Viskositätsindex Gutes Reibungsverhalten bei Mischreibung Mischbar mit Mineralölen und Estern Gute hydrolytische Beständigkeit Gutes Korrosionsschutzvermögen Nicht toxisch Besonders geeignet für Motorenöle Kompressorenöle Hydrauliköle Getriebeöle Schmierfette Nachteile Begrenzte biologische Abbaubarkeit Begrenzte Additiv -Löslichkeit Nicht geeignet für Hochleistungsgetriebeöle Schnell biologisch abbaubare Öle Bild Bild : 24: Eigenschaften Eigenschaften und und Anwendungen Anwendungen von von Polyalphaolefinen Polyalphaolefinen Vorteile Nicht toxisch Sauber verbrennend ohne R ückst ände Gute Schmierungseigenschaten Gute Korrosionsschutzeigenschaften Mischbar und vertr äglich mit Mineral öl Besonders geeignet f ür Zweitakt -Motoren öle Äthylen -Gaskompressoren öle Kühlschmierstoffe Schmierfette Drahtseilschmierstoffe Nachteile Geringe Oxidationsbest ändigkeit Hohe Verdampfungsverluste Schlechtes Flie ßverhalten bei tiefen Temperaturen Niedriger Viskosit ätsindex Nicht geeignet f ür Alle Umlauf -Schmier öle Bild : Eigenschaften und Anwendungen von Polybutenen

63 Vorteile Hoher Viskosit ätsindex Ausgezeichnete Verschlei ß- und Freßeigenschaften Ausgezeichnetes Reibungsverhalten (Stahl/Bronze) Gute Oxidationsbest ändigkeit Gute Tieftemperatur -Fließeigenschaften Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Besonders geeignet f ür Schneckengetriebe öle Schwerentflammbare Hydraulikfl üssigkeiten Kompressoren öle Schnell biologisch abbaubare Schmier öle Textilmaschinen öle Kältemaschinen öle (Kfz) Kühlschmierstoffe Nachteile Nicht mischbar mit Mineral ölen Schlechte Additiv -Löslichkeit Begrenzte Vertr äglichkeit mit Dichtungs - werkstoffen und Farben/Lacken Nicht geeignet f ür Motoren öle Hochleistungsgetriebe öle Bild : Eigenschaften und Anwendungen von Polyalkylenglykolen Vorteile Höchster Viskositätsindex aller Schmieröle Gute oxidative und thermische Beständigkeit Ausgezeichnete Tieftemperatur -Fließeigenschaften Niedrige Verdampfungsverluste Hohe chemische Beständigkeit Ausgezeichnete Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Gute elektrische Eigenschaften Besonders geeignet für Hochtemperatur -Hydraulikflüssigkeiten Spezielle Schmierfette Sonderschmierstoffe für chemische und elektrische Kontakte Nachteile Schlechteste Schmierungseigenschaften aller Öle bei Mischreibung Nicht mischbar mit Mineralölen Keine Löslichkeit für Additive Nicht geeignet für Alle anderen Anwendungen als oben erwähnt Bild Bild : 26: Eigenschaften Eigenschaften und und Anwendungen Anwendungen von Silikonölen von Silikonölen

64 Vorteile Schwer entflammbar Gute Oxidationsstabilität Gute Tieftemperatur -Fließeigenschaften Ausgezeichnete Verschleiß - und Freßschutzeigenschaften Hohe Strahlenbeständigkeit Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Nachteile Mäßige Hydrolysebeständigkeit Mäßiges Korrosionsschutzverhalten Niedriger Viskositätsindex Begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Nicht mischbar mit Mineralölen Besonders geeignet für Schwer entflammbare Hydrauliköle (Hydraulik - und Lagerschmieröle in Kraftwerken) Gas turbinenöle Nicht geeignet für Alle anderen als oben genannten Anwendungen Bild : 27: Eigenschaften und und Anwendungen von Phosphorsäureesteröle von Phosphorsäureestern n Vorteile Höchste thermische und oxidative Beständigkeit aller Öle Höchste Strahlenbest ändigkeit Hohe chemische Best ändigkeit Hohe hydrolytische Beständigkeit Niedrige Verdampfungsverluste Gute Mischbarkeit mit Mineral ölen Gutes L öseverm ögen f ür Additive Nachteile Schlechtestes Tieftemperatur -Fließverhalten aller Öle Niedrigster Viskosit ätsindex aller Öle (negativer VI) Mäßige Vertr äglichkeit mit Dichtungswerkstoffen und Farben/Lacken Mäßige Korrosionsschutzeigenschaften Besonders geeignet f ür Spezielle Hochtemperatur - schmierstoffe (Öle und Fette) Kernreaktor -Schmierstoffe Nicht geeignet f ür Tieftemperatur -Anwendungen Andere Anwendungen als oben erw ähnt Bild : Eigenschaften und Anwendunen von Polyphenylether

65 Syntheseöltyp Anwendungsschwerpunkte Synthetische Kohlenwasserstoffe Polyalphaolefine Motorenöle, Industrieschmieröle ( Kompressorenöle, Hydrauliköle, Lageröle) Polyisobutene Metallbearbeitungsöle, Zweitaktmotorenöle, elektrische Isolieröle Alkylierte Aromaten Tieftemperaturschmieröle für Getriebe, Motoren, Hydrauliken usw. Cycloaliphate Reibradgetriebeöle (wegen der hohen Reibungszahl) Organische Ester Diester Flugturbinenöle der Klasse I (keine große Bedeutung mehr), Mischungskomponente für PAOs Polyolester Flugturbinenöle der Klasse II und III, Kompressoren-, Hydrauliköl, Getriebeöle Polyglykole Bremsflüssigkeite, Metallbearbeitungsöle, schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten, Schneckengetriebeöle Sonstige Phosphorsäurester Sonderhydraulikflüssigkeiten, Gasturbinenöle Silikonöle Hochtemperaturhydraulikflüssigkeiten, Bremsflüssigkeiten, Kompressorenöle Halogenierte Flüssigkeiten Extrem schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten Polyphenyläther Wärmeträgerflüssigkeiten, strahlenbeständige Schmierstoffe Bild : Anwendungsschwerpunkte von Syntheseölen Bild 28: Anwendungsschwerpunkte von Syntheseölen Wichtige Anwendungen und Marktanteile Eine Zusammenfassung der wichtigsten Anwendungen für die am meisten verwendeten Syntheseöle enthält Bild Bild kann man entnehmen, dass die Polyalphaolefine etwa 45 % des Marktes für Syntheseöle und die Esteröle etwa 25 % ausmachen. Zusammen mit den Polyalkylenglykolen (etwa 10 % Marktanteil für Syntheseöle) erreichen diese drei Syntheseöle etwa 70 % des Marktanteils für Syntheseöl. Bild kann man entnehmen, dass vor wenigen Jahren der gesamte Marktanteil aller Syntheseöle zwischen 5 und 6 % lag.

66 Polyalphaolefine! 45%! 70% Organische Ester! 25%! 80% Polyglykole! 10%! 90% Phosphorsäureester! 5% Polybutene! 5% Andere! 10% Bild : Bild 29: Marktanteile der wichtigsten Syntheseöle G Marktanteile Mineral öle / Synthese öle ! 2,0 % 3,5 % 4,0 %! 5,5 % Bild : Gesamter Marktanteil synthetischer Schmieröle

67 3.4 Bioöle Einführung Unter Bioölen versteht man biologisch schnell abbaubare Öle, um mögliche schädliche Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Die Schmierstoffe machen weniger als 1% des Rohölverbrauchs eines Industriestaates aus. Für die Schweiz dürften dies etwa T pro Jahr sein. Diese werden vor allem in den folgenden Anlagen eingesetzt: - Gemischgeschmierte Zweitaktmotoren - Kettensägen, Sägegatter - Spurkränze gleisgebundener Fahrzeuge - Seile - LKW-Zentralschmieranlagen - Snowmobile, Skipistenpflegegeräte - Schalungen in der Bauindustrie Aber auch in einigen Umlaufkreisläufen sind Bioöle sinnvoll, wenn durch Leckagen die Gefahr einer Umweltverschmutzung besteht. Hierzu können gehören: - Hydraulikanlagen im Hoch- und Tiefbau, in der Forst- und Landwirtschaft sowie in Kläranlagen, Schleusen und Wasserwehren - Maschinen in der Lebensmittelindustrie Für das Ausmaß einer Umweltgefährdung diskutiert man die folgenden Hinweise: - Ein Liter Öl macht 1 Million Wasser ungenießbar - 1 mg Öl in 1 Liter Wasser vernichtet 60 % der darin lebenden Krabben Definitionen Um eine Umweltgefährdung so gering wie möglich zu halten, sollten Stoffe wieder in ungefährliche Bestandteile zerfallen, wenn diese Stoffe in die Umwelt gelangen. Damit gilt die folgende Definition: Unter biologischer Abbaubarkeit versteht man die durch Mikroorganismen unter Kompostierbedingungen hervorgerufene vollständige Zersetzung des Stoffes bei Rückführung seiner Bestandteile in die Natur ohne Bildung ökologisch bedenklicher Zwischenstufen Für Mineralöle bedeutet dies die Zersetzung in Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Die Geschwindigkeit dieses Abbaues muss definiert und bestimmten Tests gemessen werden. Vereinfacht ausgedrückt versteht man unter einer Umweltverträglichkeit folgendes:

68 - Biologisch schnell abbaubar - Nicht toxisch für Menschen, Säuger, Fische und Bakterien - Keine Wassergefährdung Die Formulierung, Prüfung und Hinweise zur Anwendung wird in einer Reihe von Gesetzen und Regelwerken behandelt. Insbesondere Wassergefährdung und schnelle biologische Abbaubarkeit dürfen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Die Wassergefährdungsklassen auf der Basis bestimmter Risikoklassen werden wie folgt definiert: WGK 1: Schwach wassergefährdend WGK 2: Wassergefährdend WGK 3: Stark wassergefährdend Bild verdeutlicht den Zusammenhang zwischen den Bewertungspunkten, welche von den Risikosätzen abhängen, und den Wassergefährungsklassen des Wasserhaushaltsgesetztes. Nicht wassergefährdende Stoffe werden nicht mehr eingeordnet. Nur diese sowie Stoffe mit einer WGK 1 dürfen für umweltverträgliche Schmierstoffe verwendet werden. Wassergefährdungsklasse als Funktion der R-Satz-Einstufung 0-4 Punkte: WGK Punkte: WGK 2 9 und mehr Punkte: WGK 3 Die Bewertungspunkte h ängen von den R -Sätzen ab Bild 3.4.1: Wassergefährdungsklasse als Funktion der Risikosätze (Wasserhaushaltsgesettz)

69 Je nach Test werden für die biologische Abbaubarkeit verlangt, dass das Grundöl zu 70 bzw. 80% und die Additive jeweils zu mindestens 20 % abgebaut werden (Bild 3.4.2). Schnell abbaubar Dauer/Tage Meßgröße OECD RAL Für Komponenten > 5 Gew % Closed Bottle Test OECD 301D 28 O 2! 60 %! 70 % AFNOR -Test (modif.) OECD 301A 28 DOC! 70 %! 70 % Sturm -Test (mo dif.) EG-79/ CO 2! 60 %! 70 % MITI -Test (modif.) OECD 301C 14 BSB! 60 %! 70 % OECD Screening Test OECD 301E 19 Dir.! 80 %! 70 % CEC -Abbautest CEC -L IR! 70 % Für Komponenten < 5 Gew % Zahn-Wellens -Test OECD 302B 28 DOC! 20 %! 20 % Bild 3.4.2: Biologische Abbaubarkeit nach verschiedenen Testen Das biologische Abbauverhalten verschiedener Öle wird in Bild gezeigt.

70 Biologisches Abbauverhalten einiger Grundflüssigkeiten Grundöltyp Biologisch abbaubar Prüfung Dauer/Tage Mineralöle! 30 % CEC-Abbautest 21 Rapsöle > 90 % CEC-Abbautest 21 Synth. Esteröle > 90 % CEC-Abbautest 21 Ether-Ester > 90 % OECD 301C 28 PEG 300 > 90 % OECD 302B 28 Bild 3.4.3: Biologisches Abbauverhalten verschiedener Grundöle Die Wassergefährdungszahl, die wiederum die Wassergefährdungsklasse bestimmt hängt von der Säugetier-, Bakterien- und Fischtoxizität ab wie Bild zeigt. Tatsächliche Wassergef ährdungsklasse unter Ber ücksichtigung der Wassergef ährdungszahl und der Abbaubarkeit Biologisches Abbauverhalten OECD 301E! 70 % " 70 % persistent!akute orale ST S+ BT äugetiertoxizit + FT WGZ = ät!akute Bakterientoxizit ät!akute Fischtoxizit ät 3 WGZ WGK WGK WGK 0 bis 1, ST: Säugetiertoxizität 2 bis 3, BT: Bakterientoxizität 4 bis 5, FT: Fischtoxizität > Weißöl DAB 8 0 Schmieröl, Grundöl 1 Schmieröl, legiert 2 Schmieröl, emulgierbar 3 Altöl 3 Bild 3.4.4: Zusammenhang zwischen Wassergefährdungszahl, Toxizität und Wassergefährdungsklass3

71 3.4.3 Verfügbare Stoffgruppen Als Grundöle für biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe stehen die folgenden Stoffklassen zur Verfügung: - Wassermischbare Flüssigkeiten Z.B. Polyethylenglykol - Nicht-wassermischbare Stoffe Z.B. Synthetische Ester Z.B. Natürliche Ester, Pflanzenöle wie Rapsöl - Synthetische Ester auf der Basis natürlicher Ester. Dies wird in Bild zusammengefasst. Wassermischbar! Monoethyleneglykol! Polyethyleneglykol (MW )! Monopropyleneglykol! Ethylen/ Propylen Mischpolymere Nicht wassermischbar Pflanzliche Öle Synthetische Ester (sterisch gehindert)! Rapsöl/ Rüböl!Trimethylolpropan! Rizinusöl!Pentaerythrith! Sojaöl!Neopentylpolyol! Erdnußöl Bld 3.4.5: Grundflüssigkeiten für biologisch schnell abbaubare Öle Bei der Beurteilung der Umweltgefährdung dieser Stoffe sind ihre Wassergefährdung, ihre biologische Abbaubarkeit, ihr Kältefliessverhalten, ihre Oxidationsbeständigkeit sowie ihre tribologischen Eigenschaften zu bewerten Wichtige Eigenschaften Aus Bild ist die biologische Abbaubarkeit verschiedener Flüssigkeiten ersichtlich. Man erkennt, dass einige Esteröle, Pflanzenöle und Polyglykole unter definierten Testbedingungen Abbauraten von fast 100 % erreichen können.

72 Zwischen dem Oxidationsverhalten und den Tieftemperatureigenschaften besteht ein gewisser Zusammenhang (Bild 3.4.7). Mit zunehmender Anzahl der Doppelbindungen, ausgedrückt durch höhere Jodzahl, wird die Oxidationsbeständigkeit schlechter und das Kältefliessverhalten besser. Hieraus ergeben sich die unterschiedlichen Einsatz-Temperaturbereiche für die verschiedenen Öle (Bild 3.4.8). Biologisch abbaubar, % Biologische Abbaubarkeit von Grund ölen (CEC-L-33-A-94 Test) Mineralöle Weissöle Natürliche Ester; pflanzliche Öle PAOs Polyisobutylene Phtalate und Trimellitate Esters Polyol- und Diesters PAGs PEGs Bild 3.3.6: Biologische Abbaubarkeit verschiedener Öle Natürliche Ester (native Öle) - 8 Festpunkte einiger nativer Öle Mp / C Cocosöl Olivenöl Raps öl Sonnenblumen öl Soja öl Jodzahl (mg Jod/g)

73 Bild 3.4.7: Zusammenhang zwischen Oxidationsbeständigkeit und Tieftemperaturverhalten Einsatz-Temperaturgrenzen verschiedener Schmierstoff -Grundöltypen Mineral öl Polyalphaolefin Polyglykol Polyolester Rapsöl = Dauerbetrieb = abh ängig vom Startdrehmoment = unterbrochener Betrieb Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe Eigenschaftschaftsvergleiche Relevante Eigenschaften von Grund ölen Bild 3.4.8: Einsatztemperaturbereiche verschiedener Öle Von besonderer Bedeutung sind die tribologischen Eigenschaften, also das verschleiß- und fressverhütende Verhalten. Wie Bild und Bild zeigen, ergeben die biologisch schnell abbaubaren Öle Ergebnisse in einem Zahnradprüfstand sowie in einer Hydraulikpumpe, die den mineralölbasischen Schmierölen zumindest gleichwertig sind.

74 HLP Mineralöl HEES Synthetische Ester HETG Natürliche Ester (Rapsöl) HEPG Polyglykol Mechanische Prüfung in der FZG-Zahnrad-Verspannungs- Prüfmaschine Schadenskraftstufe 10 > 10 > > 12 Mechanische Prüfung in der Flügelzellenpumpe Ring (mg Abrieb) < 120 < Flügel (mg Abrieb) < 30 < Bild 3.4.9: Verschleiß- und Fressschutzverhalten verschiedener Öle ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 FZG-Test nach DIN Schadenskraftstufe, Min. 10 Flügelzellenpumpen-Test nach DIN Abrieb (mg), max. Ringe 120 Flügel 30 Bild : Verschleiss- und Fressschutzverhalten für verschiedene Viskositäten

75 Anderes sieht es mit der Oxidationsbeständigkeit aus. Während die synthetischen Esteröle und die Polyglykole gleiche oder sogar bessere Oxidationsstabilitäten wie die Mineralöle aufweisen, sind die natürlichen Ester, also die Pflanzenöle erheblich anfälliger gegen die Reaktion mit Sauerstoff. Der Grund hierfür sind die zahlreichen Doppelbindungen in den Molekülen dieser Stoffklasse (Bild ). HLP Mineralöl HEES Synthetische Ester HETG Natürliche Ester (Rapsöl) HEPG Polyglykol Alterungsverhalten nach DIN Zunahme der NZ nach 1000 h bei 95 C max. 2 2 Alterungsverhalten nach DIN ( Baader-Test) bei 110 C, 72 h Viskositätsverhalten, %, max. 20 bei 95 C, 72 h Viskositätsverhalten, %, max. 20 Anforderung an das Alterungsverhalten umweltvertr Hydraulikfl üssigkeiten im Vergleich zu Mineral äglicher öl Bild : Oxidationsverhalten Auch das Verhalten gegenüber Dichtungsmaterialien ist von praktischer Bedeutung, Wie Bild zeigt, bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den Ölen.

76 Empfohlene Gebrauchselastomere für biologisch schnell abbaubare Hydraulik öle ISO VG 32 bis 68 Öltemperatur < 60 C < 80 C < 100 C < 120 C Druckflüssigkeit HETG HEES HEPG AU NBR HNBR FPM AU NBR* HNBR* FPM AU* NBR HNBR FPM AU* NBR HNBR FPM AU* NBR* HNBR FPM NBR* HNBR FPM FPM HNBR FPM* * Bei überwiegend dynamisch beanspruchten Dichtungen ist deren Einsatz im Einzelfall zu prüfen. AU NBR = Polyurethan = Nitril-Butadien-Kautschuk HNBR FPM = hydriertes NBR = Fluorkautschuk FPM HNBR FPM* Bild : Verhalten gegenüber Dichtungsmaterialien Am Beispiel der Pflanzenöle (Bild ) soll gezeigt werden, dass auch zur Herstellung biologisch schnell abbaubarer Grundöle umfangreiche Raffinationsprozesse notwendig sind. Pflanzenöle Ölsamen Mahlen Tierfutter Rohöl Raffination Fraktionierung Chemische Umwandlung Pflanzliche Öle und Derivate f ür industrielle Anwendungen Oleochemische Prozessfolge (Nach Bondioli, 2005)

77 Bild : Raffinationsprozesse für Pflanzenöle Bild zeigt einen Vergleich wichtiger Eigenschaften für Mineralöle, Polyglykole, Ester und Pflanzenöle. Bild : Vergleich wichtiger Eigenschaften der verschiedenen Grundöle Eine sehr wichtige Eigenschaft ist die Beibehaltung der schnellen biologischen Abbaubarkeit während des praktischen Einsatzes. Dieser hat ergeben, dass sich in verschiedenen Anwendungen in Fahrzeugen- und Industrieumlaufanlagen keine Verschlechterung des Abbauverhaltens über längere Betriebszeiten ergeben hat. Für Hydrauliköle existieren inzwischen genormte Mindestanforderungen nach DIN ISO Diese gelten für die folgenden Hochleistungs-Hydrauliköle:

78 - HETG - Triglyzeride (z.b. Pflanzenöle) - HEPG - Polyglykole - HEES - Synthetische Ester - HEPR - Polyalphaolefine Umweltzeichen Zur Kennzeichnung umweltverträglicher Produkte kann ein Umweltzeichen verliehen werden, das in Deutschland und auch in der Schweiz vereinfachend als Blauer Engel bezeichnet wird. Damit soll der Verbraucher u.a. auf umweltverträgliche Schmierstoffe und Arbeitsflüssigkeiten verwiesen werden. Zur Vergabe eines solchen Umweltzeichens müssen die folgenden Eigenschaften nachgewiesen werden: - Ökotoxikologische Unbedenklichkeit - Technische Brauchbarkeit Außerdem werden die Produktionsverfahren und anlagen überprüft. Um für ein Produkt ein solches Umweltzeichen zu erhalten, dürfen darin bestimmte Stoffe gar nicht und andere nur in geringen Maximalkonzentrationen enthalten sein. Darüber hinaus ist die biologisch schnelle Abbaubarkeit sowie die Nicht- Wassergefährdung nachzuweisen (Bild ). Anforderungen an biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten 1. Inhaltsstoffe Wassergefährdende Stoffe RAL-UZ 48 Sägekettenöle Andere Stoffe Keine nach ChemG gefährlichen Stoffe Kein Chlor, kein Nitrit 2. Abbaubarkeit RAL-UZ 64 Schmierstoffe und Schalöle Keine Stoffe WGK 2 Keine Stoffe WGK 2 und 3 1) und 3 Keine nach ChemG gefährlichen Stoffe Kein Chlor, kein Nitrit RAL-UZ 79 Hydraulikflüssigkeiten Keine Stoffe WGK 3 Keine krebserregenden, erbgutverändernden oder fortpflanzungsgefährdenden Stoffe Kein Chlor, kein Nitrit, keine metallischen Verbindungen 2) Grundsubstanz 3) mind. 70 bzw. 80 % mind. 70 bzw. 80 % mind. 70 bzw. 80 % Zusätze ( Additive) 4) Naturprodukte 3. Giftigkeit der Zusatzstoffe mind. 20 % (= potentiell abbaubar) mind. 70 bzw. 80 % mind. 20 % (= potentiell abbaubar) mind. 70 bzw. 80 % Sehr giftige Stoffe Anteil < 1 mg/l Anteil < 1 mg/l < 1 mg/l mind. 20 % 5) (= potentiell abbaubar) Giftige Stoffe Anteil < 100 mg/l Anteil < 100 mg/l Anteil < 100 mg/l Stoffe mit giftiger Wirkung auf höhere Pflanzen Anteil < 1 mg/l Anteil < 1 mg/l keine 1) WGK 2 und 3 = W assergefährdungsklassen 2 ( wassergefährdend ) und 3 ( stark wassergefährdend ) 2) Ausnahme: Kalzium (Ca) max. 0,01 % m 3) Als Grundsubstanzen gelten Kom ponenten, die zu m ehr als 5 Gew.-% (bei Hydraulikflüssigkeiten zu m ehr als 7 Gew.-%) im Produkt enthalten sind 4) Als Additive gelten Kom ponenten, die bis höchstens 5 Gew.-% (bei Hydraulikflüssigkeiten bis höchstens Bild : Anforderungen an biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe

79 Derzeit existieren Umweltzeichen für die folgenden Produkte und Schmierstoffe: - RAL-UZ 48 für Sägekettenöle - RAL-UZ 79 für Hydrauliköle - RAL-UZ 64 für Schalöle Bild zeigt eine Auswahl solcher Umweltzeichen. In Bild erkennt man das kürzlich verabschiedete europäische Umweltzeichen, auch als Margerite bezeichnet. In Bild werden die zu erfüllenden Kriterien zusammengefasst Spanien Finnland Katalonien (Spanien) Tschech. Republik Deutschland Österreich Frankreich Holland Ungarn Schweden Polen Slovak Republik ECO-LABELS Bild : Umweltzeichen

80 Europäisches Umweltzeichen Dezember 2004 Beschluss der Europäischen Kommission, ein europäisches Umweltzeichen für Schmierstoffe zu schaffen EC - European Eco-Label Sommer 2005 Veröffentlichung des Dokuments 2005/360/EC / ecolabel/product/p_lubricants_en.htm Bild : Europäisches Umweltzeichen Margerite Kriterien, die f ür das Europ äische Umweltzeichen erfüllt werden m üssen: 6 Kriterien, f ür Zusammensetzung und technische Brauchbarkeit 1. Risikobewertung 2. Wassergef ährdung (Toxizit ät) 3. Biol. Abbaubarkeit und Potential zur Bio -Akkumulation 4. Ausschluss spezieller Substanzen 5. Erneuerbare Rohstoffe 6. Technische Brauchbarkeit Bild : Zu erfüllende Kriterien für das europäische Umweltzeichen

81 3.4.6 Verhalten von Gebrauchtölen Lange war befürchtet worden, dass die schnelle biologische Abbaubarkeit während des betrieblichen Einsatz nachlässt. Wie Bild zeigt, ist dies nicht der Fall. Auch Versuche in Hydraulikanlagen von Fahrzeugen haben gezeigt (Billd ), dass sich die biologische Abbaubarkeit über lange Betriebszeiten nicht verschlechtert. 98 Biologische Abbaubarkeit nach CEC, % Bio-Hydraulik öl (Pflanzen öl) 2000 Betriebsstunden Bio-Hydraulik öl (Synth. Ester) 2000 Betriebsstunden Motoren öl (Ester + HC) km Frisch Gebraucht Bild : Veränderung der biologischen Abbaubarkeit während des Betriebs

82 Probekennzeichnung biolog. Abbaub. nach CEC (%) Muster A V 40 (mm 2 /s) NZ (mg KOH/g) Frischöl 98 42,5 0,90 LKW Allzweckfahrzeug nach 1 Woche nach 5 Wochen nach 8 Wochen nach 22 Wochen nach 33 Wochen nach 46 Wochen nach 63 Wochen nach 81 Wochen nach 96 Wochen nach 1 Woche nach 5 Wochen nach 8 Wochen nach 22 Wochen nach 33 Wochen nach 46 Wochen nach 58 Wochen nach 82 Wochen nach 96 Wochen (100) (100) ,1 41,3 41,4 42,0 41,8 41,8 41,9 42,5 41,9 42,2 40,6 42,3 43,0 43,7 42,9 43,3 0,79 0,71 0,81 0,81 0,92 0,99 1,01 1,21 0,62 0,72 0,52 0,66 0,82 0,88 0,78 0,98 Filterpressen Presse I nach 16 Wochen nach 37 Wochen 95, ,0 42,5 0,97 1,15 Presse II nach 16 Wochen nach 37 Wochen 94, ,4 43,0 0,90 0,94 Bild : Kaum veränderte biologische Abbaubarkeit in Fahrzeughydrauliken Zusammenfassung Als Zusammenfassung wird in der Bildern und ein Vergleich der wchtigsten Eigenschaften Polyglykolen, Estern und Rapsölen mit Mineralölen gezeigt.

83 Bild : Vergleich wichtiger Eigenschaften verschiedener Öle - 1 Grundöle im Vergleich Grundstoff / Eigenschaft Rapsöl Ester Polyglykol Mineral öl Biol. Abbaubarkeit ca. 99% % % % (CEC L -33-T-93) Kälteverhalten - 25 C -30 / -40 C ca. -30 C -20 / -30 C Wasserl öslichkeit nein nein ja nein Lackvertr äglichkeit ja ja nein ja Dichtungsvertr äglichkeit ja bedingt nein ja Mischbarkeit mit Mineral öl ja ja nein -- VT-Verhalten sehr gut gut gut befriedigend Schmierwirkung sehr gut sehr gut gut gut Bild : Vergleich wichtiger Eigenschaften verschiedener Öle - 2

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85 3.5 Additive Einführung Voraussetzung für die Formulierung von Hochleistungsschmierstoffen sind gute Grundöle. Allerdings reichen deren Eigenschaften meistens nicht aus, die Anforderungen des Anwendungsfalles zu erfüllen. In Bild sind einige der wichtigsten Eigenschaften von Schmierstoffen unterteilt in Auswahlwerte und Gütewerte aufgelistet. Es leuchtet sicherlich ein, dass es kaum möglich ist, einen Schmierstoff zu entwickeln, der hinsichtlich aller Eigenschaften und für alle denkbaren Anwendungsfälle optimales Verhalten aufweist. Auswahlwerte Viskosität Dichte Flammpunkt Anilinpunkt Toxizität Sekundäreigenschaften Asche Gütewerte Primäreigenschaften Reibungsverhalten Wichtige Eigenschaften von Schmierstoffen und Betriebsstoffen Viskosität/ Temperatur-Verhalten Viskosität/ Druck-Verhalten Fliessverhalten bei tiefen Temperaturen Fliessverhalten bei hohen Temperaturen Kälteverhalten Chemisches Verhalten (Korrosion, Angriff auf NE-Metalle) Beständigkeit (Thermisch, Oxidativ) Wasser- und Luftabscheidevermögen Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Verkokungsneigung Verdampfungsverhalten Cloudpoint/ Pourpoint Verschleißverhalten (Freßverhalten) Einlaufverhalten Detergent/ Dispersant-Verhalten (Schaumverhalten) Entflammbarkeit Strahlenbeständigkeit Bild 3.5.1: Auswahl- und Gütewerte von Schmierstoffen Somit sollen die dem Grundschmierstoff zugegebenen Additive die folgenden Aufgaben erfüllen: - Eigenschaften erzeugen, welche der Grundschmierstoff gar nicht besitzt - Nachteilige Eigenschaften des Grundschmierstoffs abschwächen - Positive Eigenschaften des Grundschmierstoffs verstärken Dabei ist zu bedenken, dass manche Eigenschaften durch Additive nicht beeinflusst werden können. Hierzu gehören physikalische Eigenschaften wie z.b. Verdampfungsverhalten, Paraffinausscheidung, Luftabscheidevermögen usw. Viele Additive wirken auf der Oberfläche der Reibpartner. Sie werden als oberflächenaktive Additive bezeichnet und bestehen grundsätzlich aus dem polaren Kopf, der die eigentliche Aufgabe erfüllt, und dem öllöslichen Teil (Bild 3.5.2).

86 Öllöslicher (Oleophiler ) Teil Polarer Teil Kohlenwasserstoffrest R Wirkstoffe Bild 3.5.2: Grundsätzlicher Aufbau oberflächenaktiver Additive Am Beispiel von verschleissverringernden soll verdeutlicht werden, dass die Wirksamkeit unterschiedlicher Additivekomponenten unterschiedliche Temperaturbereiche überdeckt (Bild 3.5.3). Wirksamkeits -Temperaturbereiche f ür EP/AW-Additive Fettester Ester Polymerester CI-Additive P-Additive S-Additive Schwefel Min. Temperatur = Reaktionstemperatur Max. Temperatur = Zerfallstemperatur oder Schmelzpunkt Bild 3.5.3: Wirksamkeits-Temperaturbereich verschiedener EP/AW-Additiv

87 3.5.2 Wichtige Additivtypen und ihre Wirkungsweise Im Folgenden sollen die wichtigsten Additivtypen und ihre Wirkungsweise und Anwendung kurz besprochen werden. Die Zugabe von Additiven zu einem Grundschmierstoff wird auch als Legieren bezeichnet. Oxidations-Inhibitoren Ihre Aufgabe besteht darin, die chemische Reaktion zwischen den Ölmolekülen und Sauerstoff zeitlich zu verzögern sowie zu verlangsamen. Damit soll die Bildung von sauer reagierenden und zu Ablagerungen führenden Stoffen verringert werden. Vor allem Schmierstoffe für längere Betriebszeiten, also längere Ölwechselfristen, und bei höheren Temperaturen enthalten Oxidationsinhibitoren. Rost- und Korrosions-Inhibitoren Ihre Aufgabe besteht darin, Rost auf eisenhaltigen und Korrosionen auf nichteisenhaltigen Metalloberflächen zu verhindern. Solche Reaktionen können durch -- Wasserverunreinigungen im Schmierstoff verstärkt werden. Man spricht von Metalldesaktivatoren, wenn solche Additive Reaktionen zwischen bestimmten Elementen im Öl, z.b. Schwefel, und bestimmten Metallen, z.b. Kupfer unterbinden. Reibungs-Veränderer Ihre Aufgabe besteht darin, auf metallischen Oberflächen Reaktionsschichten zu bilden, welche die Reibung zwischen relativ zueinander bewegten Oberflächen verringern können. Damit steigt der Wirkungsgrad und es fällt die Energieaufnahme. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind Kraftfahrzeugschmierstoffe, mit denen der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt werden soll. Verschleissschutz-Wirkstoffe Ihre Aufgabe besteht darin vor allem physikalische Oberflächenschichten zu erzeugen, die eine Verringerung des Abriebs, also des Verschleißes ermöglichen. Alle Schmierstoffe, die im Bereich der Mischreibung eingesetzt werden, enthalten solche Additive. Hierzu gehören vor allem alle Kraftfahrzeugschmierstoffe, Getriebeschmierstoffe und Hydrauliköle. Fressschutz-Wirkstoffe Bei so schweren Betriebsbedingungen, bei denen nicht Verschleiß sondern sogar Fressen auftritt, müssen Additive eingesetzt werden, die nicht nur physikalische Schutzschichten, sondern chemische Reaktionsschichten auf den Oberflächen erzeugen. Vor allem Hochleistungsschmierstoffe für Kraftfahrzeuge, Getriebe und Hydraulikanlagen enthalten solche Additive. Detergent- und Dispersant-Wirkstoffe Ihre Aufgabe besteht darin, die bei hohen Betriebstemperaturen (Detergents) und tiefen Betriebstemperaturen (Dispersants) entstehenden festen und flüssigen Verunreinigungen in Schwebe zu halten. Damit verhindern sie, dass diese Schlammablagerungen oder feste Ablagerungen bilden. Alle Motorenöle enthalten solche Additive.

88 Pourpoint-Erniedriger Ihre Aufgabe besteht darin, zu verhindern, dass die bei tiefen Temperaturen auskristallisierenden Paraffinkristalle agglomerieren und ein nicht mehr fliessfähiges Gerüst bilden. Schmierstoffe, die tiefen Temperaturen ausgesetzt werden, z.b. Motorenöle, Kraftfahrzeuggetriebeöle, Mobilhydrauliköle usw. enthalten solche Additive. Viskositätsindex-Verbesserer Ihre Aufgabe besteht darin, die Viskosität-Temperatur-Abhängigkeit von Schmierölen zu verbessern, d.h. abzuflachen. Durch ihr mit steigender Temperatur sich verbesserndes Lösevermögen im Grundöl erhöhen sie relativ die Viskosität bei höhern Temperaturen. Alle Mehrbereichsöle auf Mineralölbasis, vor allem die Kraftfahrzeugschmierstoffe, enthalten solche Additive. Schaum-Inhibitoren Ihre Aufgabe besteht darin, Oberflächenschaum zusammenbrechen zu lassen. Dieser Schaum entsteht durch dispergierte Luftbläschen, die im Öl aufsteigen und sich an der Oberfläche zu Schaum vereinen. Es ist aber zu beachten, dass solche Schaum-Inhibitoren zwar den Oberflächenschaum bekämpfen, aber das Luftabscheidevermögen des Öls, also das Aufsteigen der Luftbläschen behindern. Emulgatoren Öl und Wasser sind nicht ineinander löslich. Um eine stabile Verbindung zwischen diesen beiden Flüssigkeiten, also eine Emulsion herzustellen, sind Emulgatoren nötig, die durch Adsorptionsmechanismen an der ÖL/Wasser-Grenzfläche diese beiden Flüssigkeiten zusammenhalten. Das Anwendungsgebiet für Emulgatoren sind die wassermischbaren Metallbearbeitungsmedien. Bakterizide Besonders die Emulgatoren in wassermischbaren Kühlschmierstoffen sind empfindlich gegenüber dem Angriff von Mikroorganismen. Es ist die Aufgabe von Bakteriziden, auch als Biozide bezeichnet, solche Mikroorganismen abzutöten Weitere Additivtypen Für spezielle Anwendungen können dem Grundschmierstoff noch weitere Additive zugemischt werden. Hierzu gehören u.a. Haftverbesserer, Geruchsveränderer, Farbstoffe usw. Eine Zusammenfassung der wichtigsten Additive und ihre Wirkungsweise wird in Bild und Bild gezeigt.

89 Haupttypen Neutralisatoren Funktionen Schmierstoffadditive f ür bestimmte Funktionen - 1 Neutralisation saurer Verbindungen, entstanden durch Verbrennung schwefelhaltiger Kraftstoffe oder weniger häufig durch Zersetzung bestimmter EP-Wirkstoffe. Schauminhibitoren Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Korrosionsinhibitoren Anti-Wear ( Verschleiß-Schutz)- Wirkstoffe Verringern Oberflächenschaum Verringern und verzögern Oxidation Typen: Inhibitoren, Metalldeaktivatoren, Metallposivatoren Verringern Rostbildung auf eisenhaltigen Oberflächen Typ A: Verringern Korrosion bleihaltiger Werkstoffe Typ B: Verringern Korrosion kupferhaltiger Werkstoffe Verringern abrasiven Verschleiß bei mäßig schweren Bedingungen, vor allem bei stationären Beanspruchungen. Bild 3.5.4: Additivtypen für bestimmte Funktionen - 1 Haupttypen Extrem-Pressure (Fress-Schutz)- Wirkstoffe Funktionen Schmierstoffadditive f ür bestimmte Funktionen - 2 Verringern Verschleiß und Fressen bei schweren Bedingungen, vor allem auch bei Stoßbelastungen Reibungsveränderer Detergent-Wirkstoffe Dispersant-Wirkstoffe Verringern Reibung bei Mischreibungs-Bedingungen Verringern der Entstehung von Ablagerungen bei hohen Temperaturen, z.b. in Verbrennungsmotoren. Verhindern des Schlamm bei niedrigen Temperaturen z.b. in Verbrennungsmotoren. Emulgatoren Zur Herstellung von Wasser-in-Öl oder Öl-in-Wasser-Emulsionen Pourpoint-Verbesserer Viskositätsindex-Verbesserer Herabsetzung des Pourpoints paraffinischer Öle Verringerung der Viskosität-Temperatur-Abhängigkeit Haftverbesserer Verringerung der Abtropf- oder Abschleuderneigung desöls Bild 3.5.5: Additivtypen für bestimmte Funktionen - 2

90 Zur Schmierung der wichtigsten Maschinen und Anlagen werden unterschiedliche Kombinationen von Schmierstoffpaketen benötigt. Dies wird in Bild und Bild schematisch gezeigt. Ziel einer solchen Formulierung ist es, eine möglichst lange Gebrauchsdauer des Schmierstoffs zu gewährleisten, die durch Eigenschaftsveränderungen bestimmt wird. Bild zeigt schematisch den Additiverbrauch, die Alterung und die Zunahme fester Fremdstoffe von der Betriebszeit. Art der Maschinenanlagen Verwendete Wirkstoffe Besondere Anforderungen Nahrungsmittelindustrie Keine Unbedenklich bei versehentlichem Genuss Ölhydraulik Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Verschlei ß-Schutz (AW) -Wirkstoffe Pourpoint -Verbesserer Viskos itätsindex -Verbesserer Schauminhibitoren Geringstm ögliche Viskosit ätsänderung mit der Temperatur Geringstm öglicher Verschlei ß Stahl/Stahl Dampf- und Gasturbinen Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Gutes Wasserabscheideverm ögen Dampfmaschinen -Zylinder Keine, eventuell Fett öle Erhaltung des Ölfilms auf heißen Oberfl ächen; Widerstand gegen Abwaschen durch Nassdampf Luftverdichterzylinder Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Geringstm ögliche Ablagerungsneigung GRUNDLAGEN DER SCHMIERSTOFFE Additive f ür Schmierstoffe Additive f ür bestimmte Anwendungen Bild 3.5.6: Gegenüberstellung zwischen Anwendung und benötigten Additivtypen - 1

91 Art der Maschinenanlagen Verwendete Wirkstoffe Besondere Anforderungen Getriebe (Stahl/Stahl) Getriebe (Stahl/Bronze) Gleit- und Bettbahnen (Werkzeugmaschinen) Gekapselte Kältekompressoren Verbrennungsmotoren Verschleiß-Schutzwirkstoffe Fress-Schutzwirkstoffe Oxidationsinhibitoren Schauminhibitoren Pourpoint-Verbesserer Reibungsverbesserer Oxidationsinhibitoren Reibungsverbesserer Haftverbesserer Keine Detergent-/ Dispersant-Wirkstoffe Oxidationsinhibitoren Neutralisatoren Schauminhibitoren Verschleiß-Schutzwirkstoffe Korrosionsinhibitoren Besonderer Schutz gegen Abrieb und Fressen Herabsetzung von Reibung, Temperanturanstieg, Verschleiß und Oxidation Gleichförmiges Gleiten bei niedrigen Geschwindigkeiten; Aufrechterhaltung eines Ölfilms bei senkrechten Flächen Gute thermische Beständigkeit; Mischbarkeit mit Kältemitteln; niedriger Fließpunkt Hohe oxidative Best ändigkeit Gutes Tieftemperatur -Fliess - Verm ögen Niedrige Reibung Bild 3.5.7: Gegenüberstellung zwischen Anwendung und benötigten Additivtypen - 2 Bild 3.5.8: Veränderung von einigen Schmierstoffeigenschaften Während der Betriebszeit Wirkungsmechanismus

92 Viele Additive wirken durch den Aufbau physikalischer und chemischer Reaktionsfilme auf den Oberflächen der tribologischen Kontakte, wie es Bild für einen speziellen Fall zeigt. Schematische Darstellung einer Metalloberfl äche Adsorbierte Gase und Wasser Oxide Bearbeitete Fläche Grundmetall Bild 3.5.9: Schematische Darstellung einer Metalloberfläche Bei der Bewertung der Wirkungsweise von Additiven ist zu berücksichtigen, wo die Additive wirken. Einige wirken auf die Grundölmoleküle ein, während andere auf der Metalloberfläche wirken, wo sie im Wettbewerb zueinander stehen können. Dies wird anhand der Bilder und schematisch erläutert.

93 Bild : Wirkungsort der Additive - 1 Bild : Wirkungsort der Additive - 2

94 Die Wechselwirkungen zwischen den Additiven und der Metalloberfläche kann durch die folgenden 3 Mechanismen gekennzeichnet werden: a. Adsorption b. Chemissorption c. Chemische Reaktion Bei der Adsorption erfolgt zunächst eine Belegung jener Bereiche der Metalloberrläche durch Additivmoleküle mit der höchsten freien Oberlächenenergie. Dabei führen höhere Drücke zu einer stärkeren und höhere Temperaturen zu einer schwächeren Adsorption. Weil polare Verbindungen eine höhere Bindungsenergie zu Metall haben, erleichtern sie auch eine chemische Bindung zwischen Additivmolekül und Metalloberfläche. Damit erfolgt der Übergang zur Chemisorption mit der Entstehung von Schichten, deren Schmelzpunkte in der Grössenordnung von 150 C liegt. Diese Temperatur kennzeichnet das Ende der Wirksamkeit dieer Additive. Bei höheren Drücken bzw. Temperaturen erfolgteine chemische Reaktion zwischen den Additivmolekülen, wodurch höhere Belastbare Reaktionsschichten entstehen.

95 3.6 Festschmierstoffe Anwendungsgebiete Festschmierstoffe werden als Additive eingesetzt zur Verbesserung der Eigenschaften von flüssigen und pastösen Schmierstoffen. Ein anderer Grund für ihre Verwendung sind Betriebsbedingungen, bei denen der Einsatz von Schmierölen und Schmierfetten nicht möglich oder nicht optimal ist. Dies gilt für - sehr kleine Bewegungen und Geschwindigkeiten, z.b. auch für oszillierende Bewegungen, - für sehr hohe spezifische Belastungen und - für ungewöhnliche umgebende Atmosphären. Wie Bild zeigt nimmt bei Festschmierstoffen mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit die zulässige Belastung wegen der steigenden Temperatur ab. Im Gegensatz hierzu kann bei hydrodynamischen Bedingungen bei höheren Geschwindigkeiten die Belastung erhöht werden. Bild 3.6.1: Einsatzbereiche unterschiedlicher Schmierstofftypen Im Einzelnen werden Festschmierstoffe für die folgenden Bedingungen und Bereiche verwendet: - Schmierstellen im Bereich verschmutzungsempfindlicher Teile und Güter, da Festschmierstoffe nicht abtropfen. - Wenn mit der Einwirkung aggressiver oder lösender Chemikalien gerechnet werden muss, z.b. flüssiger Sauerstoff, Laugen, Lösungsmittel, Säuren usw., welche flüssige und konsistente Schmierstoffe angreifen oder lösen können.

96 - Im Bereich extremer Temperaturen (herab bis zu -70 C und herauf bis zu +600 C), wie z.b. in bestimmten Maschinen, im Weltraum oder in Kernkraft- Werken. - Im Vakuum, z.b. Autoklaven, Vakuumanlagen, Weltraum, wo übliche Schmier- Stoffe verdampfen. Es ist bekannt, dass sich manche Festschmierstoffe bei niedrigen Umgebungsdrücken hervorragend verhalten. - Energiereiche Strahlungen, z.b. in Kernkraftwerken, können die Schmierungs- Eigenschaften konventioneller Schmierstoffe erheblich verschlechtern. Festschmierstoffe bleiben aber unter diesen Bedingungen schmierwirksam Festschmierstofftypen Die wichtigsten Festschmierstoffe sind: - Bestimmte organische Stoffe, z.b. Polytetrafluoräthylen (PTFE), Amide, Imide (also Kunststoffe) - Bestimmte Stoffe mit Schichtgitterstruktur, z.b. Sulfide und Selenide Von bestimmten Schwermetallen ( MoS 2, WS 2, WSe 2) oder Grafit Zu den Vorteilen von Festschmierstoffen gehören: - Sehr weiter Temperatureinsatzbereich - Verwendung im Vakuum - Beständig gegenüber aggressiven Medien - Möglichkeit, einfachere Dichtungen zu verwenden. Zu den Nachteilen gehören: - Festschmierstofffilme werden abgerieben und können nicht mehr ersetzt werden. - Bei Verwendung als Additiv in flüssigen Schmierstoffen ist eine Suspendierung notwendig. Die Bilder und enthalten eine systematische Übersicht über die verschiedenen Formen der Anwendung von Festschmierstoffen.

97 Pulver Trockenschmierfilm Paste Mehrere Sorten unterschiedlicher Reinheit und Teilchengröße Festschmierstoffe als Pigment in verschiedenen Bindemitteln, mit flüchtigen Trägerflüssigkeiten im Anlieferungszustand Anteigungen und Dispersionen in Mineralölen und Syntheseölen mit weiteren Additiven ca. 100 % % % Bild 3.6.2: Festschmierstoffformen zur direkten Filmbildung Systematische Übersicht der Öl Fett Lagerwerkstoff Festschmierstoffprodukte Zur indirekten Pulver Filmbildung oder kolloidale Kolloidale Suspensionen 1) In hochkonzentrierter Form als Zusatz zu Schmierölen (Konzentrate) 2) In geringer Konzentration in gebrauchsfertigen Schmierölen Suspensionen in geringer Konzentration in gebrauchsfertigen Schmierfetten aller Arten Zusatz als schmierendes Pigment zu Gleitwerkstoffen aus verschiedenen Kunststoffen und Sinterwerkstoffen 1) 2) 5-20 % 1 % 3 10 % 5 50 % Bild 3.6.3: Festschmierstoffformen zur indirekten Filmbildung

98 3.6.3 Struktur und Wirkungsweise Die Wirksamkeit der Festschmierstoffe beruht auf verschiedenen Mechanismen, die wie folgt gekennzeichnet werden können. a. Physikalisch-mechanischer Effekt ( Kartenspiel -Effekt b. Adsorbierte Gas- oder Dampfschichten c. Interkristallines Gleiten d. Trenneffelkt (Aufplattieren, Ausfüllen von Rauheiten) e. Chemische Reaktionen Offensichtlich ist der physikalisch-mechanische Effekt besonders wichtig. Er beruht auf der leichteren Verschiebbarkeit der Schichtgitter, vor allem von MoS2 und Graphit. Die Bilder und zeigen deren Strukturen. ) Bild 3.6.4: Hexagonale Kristallstruktur des Molydändisulfids (Schichtgitter)

99 Bild 3.6.5: Schichtgitterstruktur des Grafits

100 3.7 Schmierfette Einführung Schmierfette sind konsistente Schmierstoffe, die aus einem Grundöl und einem Verdicker bestehen. Zum Gewährleisten bestimmter Eigenschaften können Additive enthalten sein. Als Grundöl werden Mineralöle oder verschiedene Syntheseöle verwendet. Die meisten Schmierfette enthalten eine Seife als Verdicker. Andere organische oder anorganische Verdicker werden verwendet, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Wichtige Eigenschaften sind: - Tief- und Hochtemperaturverhalten mit Tropfpunkt - Beständigkeit gegenüber Wasser - Korrosionsschutzverhalten - Verschleissschutzverhalten - Wälzlagereignung Komponenten, Vor- und Nachteile Die einzelnen Bestandteile sind in den folgenden Konzentrationen in Schmierfetten enthalten: - Grundöle: % - Verdicker: 5-20 % - Additive: 1-10 % Weil Schmierfette konsistente Stoffe sind, weisen sie die folgenden grundsätzlichen Nachteile auf: - Keine Kühlwirkung, weil sie an der Reibstelle verbleiben und nicht durch diese hindurchfließen - Keine Säuberungswirkung, weil sie z.b. Metallabrieb an der Reibstelle festhalten Zu den Vorteilen gehören: - Sie lassen sich leichter abdichten und können selbst Abdichtaufgaben übernehmen - Mit ihnen lässt sich leichter eine Lebensdauerschmierung verwirklichen Typische Verdickerstrukturen zeigen die Bilder und

101 Bild 3.7.1: Seifengerüst eines Natriumfettes Bild 35: Seifengerüst eines Natriumfettes Bild 3.72: Seifengerüst eines Lithiumfettes Bild 36: Seifengerüst eines Lithiumfettes

102 3.7.3 Herstellung und Schmierfetttypen Am Beipiel der Metallseifenfette soll die Herrstellung und Bezeichnung der Schmierfette erläutert werden. Das Reaktionsprodukt zwischen einer organischen Säure und einer Lauge wird als Metallseife bezeichnet. Bei der Reaktion zwichenb jeweils einer Lauge und Fettsäure entsteht die sogenannte Normalseife. Wird eine Säure aber zwei Laugen zur Reaktion gebracht wird das Reaktionsprodukt als Gemischtseife bezeichnet. Zwei Säuren aber nur eine Lauge führt zu einer Komplexseife. Die unterschiedlichen Seifen wirken sich auf die Eigenschaften der Schmierfette aus, z.b. auf das Temperaturverhalten und die Beständigkeit gegenüber Wasser. Das Verhältnis von Seife zu ÖL bestimmt die Konsistent, also die Festigkeit des Schmierfettes. Wie Bild zeigt, unterscheidet man Metallseifenfette und Nicht-Metallseifenfette. Schmierfette mit Syntheseölen als flüssige Phase werden als synthetische Fette bezeichnet. SCHMIERFETTE Fette mit Metallseifenverdicker * Schmierfette mit Nichtseifenverdicker ** Haftschmierstoffe Mineral öl als flüssige Phase Synthetische Flüssigkeiten als fl üssige Phase *** Mineral öl als flüssige Phase Synthetische Flüssigkeiten als fl üssige Phase Spr ühhaft - schmierstoffe mit Fest - schmierstoffen Bitumenhaltige Schmierstoffe * Seifenverdicker : ** Nichtseifenverdicker : *** Synthetische Fl üssigkeiten: Einfachseife,Gemischtseife, Komplexseife unterschiedlicher Metallbasen, z.b. Ca, Ha, Li, Al usw. Organische und anorganische Feststoffe, z.b. Tonerde (Bentonit, Kieselgel, Polyharnstoff, Ru ß und Farbstoffe) Silikone, Ester, Polyglykole Bild 3.7.3: Schmierfetttypen Wichtige Eigenschaften Einen Vergleich der wichtigsten technologischen Eigenschaften von mineralölbasischen Schmierfetten zeigt Bild 3.7.4, einen solchen von synthetischen Schmierfetten Bild Für die Anwendung der Schmierfette von besonderer

103 Bedeutung sind die Temperatureinsatzgrenzen. Bild enthält Einsatztemperatur- Bereiche für die wichtigsten Schmierfetttypen. Man erkennt, dass der normale Bereich durch synthetische Grundöle und Additive verbreitert werden kann. Schmierfette auf Mineral öl-basis Bild 3.7.4: Eigenschaften von mineralölbasischen Schmierfetten

104 Schmierfette auf Synthese öl-basis Bild 3.7.5: Eigenschaften von synthetischen Schmierfetten Bild 3.7.6: Einsatztemperaturbereiche für Schmierfette

105 Weil sowohl unterschiedliche Verdicker als unterschiedliche Grundöle nicht miteinander verträglich mischbar sind, ist das Vermischen verschiedener Schmierfetttypen im praktischen Einsatz zu vermeiden.

106 3.8 Eigenschaften von Schmierstoffen Allgemeine Zusammenhänge Die Eigenschaften von Schmierstoffen werden durch die folgenden Eigenschaftskomplexe charakterisiert: - Physikalische, chemische und technologische Eigenschaften - Gebrauchseigenschaften Zur Prüfung der Gebrauchseigenschaften sind mehr oder weniger aufwendige Aggregate notwendig, die in der Regel nicht genormt sind. Das gleiche gilt für anwendungsbezogene technologische Eigenschaften. Genormte Prüfverfahren stehen zur Messung von physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften zur Verfügung, die ihrerseits in den genormten Mindestanforderungen für viele Schmierstofftypen enthalten sind. Die wichtigsten dieser Eigenschaften sollen erläutert werden, und zwar für Schmieröle und für Schmierfette. Bei der Messung dieser Eigenschaften ist zu beachten, dass die Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit der einzelnen Eigenschaften unterschiedlich ist. Bild zeigt, wie sich diese Problematik auf den Vergleich zweier Schmierstoffe oder von zwei Eigenschaften eines Schmierstoffs auswirken kann. Eigenschaft o o Eigenschaft o o Öl 1 Öl 2 Schlechte Unterscheidung Schlechte Wiederholbarkeit Öl 1 Öl 2 Gute Unterscheidung Schlechte Wiederholbarkeit Eigenschaft o o Eigenschaft o o Öl 1 Ö l 2 Öl 1 Öl 2 Gute Wiederholbarkeit Schlechte Unterscheidung Gute Unterscheidung Gute Wiederholbarkeit Bild 3.8.1: Unterschiedliche Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit

107 3.8.2 Physikalische, chemische und technlogische Eigenschaften von Schmierölen Physikalische Eigenschaften Bild listet die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Schmierölen mit den zugehörenden Prüfnormen auf. Physikalische Eigenschaften Farbe (ISO 2049) Viskosität (DIN ) Dichte (DIN ) Cloudpoint (ISO 3015) Pourpoint (ISO 3016) Flammmpunkt (ISO 2592) Verdampfungsverlust (DIN ) Bild 3.8.2: Physikalische Eigenschaften für Schmieröle mit Prüfnormen Cloudpoint und Pourpoint Der Cloudpoint ist jene Temperatur, bei welcher beim Abkühlen eines Schmieröles Paraffinkristalle auskristallisieren. Er hat keine praktische Bedeutung. Der Pourpoint ist jene Temperatur, bei welcher die ausgeschiedenen Paraffinkristalle agglomeriert sind, so dass kein Fliessen mehr erfolgt. Er ist ein grobes Maß für das Tieftemperaturfliessen eines Schmieröles. Bild zeigt das einfache Prüfgerät.

108 Bild 3.8.3: Prüfgerät zur Messung des Pourpoints nach DIN ISO 3016 Flammpunkt Der Flammpunkt ist jene Temperatur, bei welcher die Verdampfungsgeschwindigkeit gerade so hoch ist, dass die Öldämpfe von einer Zündquelle entflammt werden. Er hat nur für bestimmte Anwendungen, z.b. bei Kompressorenölen, eine praktische Bedeutung. Das verwendete Prüfgerät zeigt Bild

109 Flammpunkt nach Cleveland im offenen Tiegel (DIN ISO 2592) Bild 3.8.4: Prüfgerät zur Messung des Flammpunktes Verdampfungsverlust Der Verdampfungsverlust kennzeichnet den durch Verdampfung entstandenen Ölverlust. Er ist ein Maß für den Ölverbrauch. Das verwendete Prüfgerät zeigt Bild nach DIN ISO Heizblock 2 Verdampfungstiegel 3 Messthermometer 4 Kontaktthermometer 5 U-Rohr -Manometer 6 Y -Stück mit Hahn 7 1. Woulfesche Flasche (Auffangger ät) 8 2. Woulfesche Flasche (Pufferger ät) Bild 3.8.5: Prüfgerät zur Messung des Verdampfungsverlustes

110 Chemische Eigenschaften Bild listet die wichtigsten chemischen Eigenschaften mit den dazugehörenden Prüfnormen für Schmieröle auf.

111 Chemische Eigenschaften Asche, Sulfatasche (EN 7) Asphaltengehalt (DIN ) Oxidations -, Alterungsbest ändigkeit (DIN ) Verkokungsneigung (DIN ) Neutralisationszahl (DIN ) (NZ) Verseifungszahl (DIN ) (VZ) Basenzahl (ISO 3771) (fr üher Total Base Number) Base Number (BN) Säurezahl (EN ) (fr üher Total Acid Number) Acid Number (AN) Bild 3.8.6: Chemische Eigenschaften mit Prüfnormen für Schmieröle Asche Die Asche eines unlegierten Mineralöls ist ein Maß für die darin enthaltenen festen Verunreinigungen und erlaubt somit Hinweise auf die Sauberkeit des Öles. Bei Ölen, die Additive enthalten, findet man in der Asche die festen Rückstände der Additiv Verkokungsrückstand Reicht beim Versuch, Öl zu verbrennen, der vorhandene Sauerstoff nicht aus, so verkokt das Öl. Dieser Koksrückstand ist ein Maß für die Qualität von Grundölen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, z.b. Motorenöle und Kompressorenöle. Bild zeigt das Prüfgerät nach DIN 51551

112 Koksrückstand nach Conradson (DIN 51551) 1 Conradson -Tiegel aus Porzellan 2 Skidmore -Tiegel aus Stahlblech mit Deckel aus Kupfer -Zink- Gusslegierung 3 Stahlblechtiegel und -deckel 4 Brücke aus Draht 5 Haube aus Stahlblech 6 Hohlkörper aus Blech 7 Dreieck aus Chrom - nickeldraht 8 Dreifu ß 9 Méker-Brenner In einem mit Deckel versehenen Tiegel steht auf Sand ein zweiter Tiegel mit Deckel, in dem sich der mit der Probe gef üllte offene Tiegel befindet. Der äußere Tiegel wird unter einer Haube durch einen Gasbrenner 30 min bis zur Rotglut erhitzt. Nach dem Abk ühlen wird der Koksr ückstand als Massenanteil in % bestimmt Bild : Prüfgerät zur Bestimmung des Verkokungsrückstandes nach DIN Neutralisationszahl (NZ) Bei der Oxidation von Schmierölen entstehen sauer reagierende Produkte, die u.a. zu Korrosionen führen können. Die Neutralisationszahl ist ein Maß für die Versäuerung eines Öles und kennzeichnet die freien Säuren im Öl. Ein unlegiertes Frischöl sollte eine NZ von Null aufweisen. Gesamtbasenzahl (TBN) Bei Motorenölen erfolgt die Versäuerung nicht nur durch Oxidation des Öles sondern auch durch saure Rückstände bei der Verbrennung schwefelhaltiger Kraftstoffe. Daher werden Motorenöle als Frischöle alkalisch eingestellt. Diese Alkalität wird als Gesamtbasenzahl (TBN) gemessen, welche sich während des Gebrauchs des Öles verringert. Gesamtsäurezahl Bei Motoren, die mit aggressiven Kraftstoffen betrieben werden, wie z.b. Erdgas oder Deponiegas, muss mit einer so ausgeprägten Versäuerung während des Betriebes gerechnet werde, so dass eine Gesamtsäurezahl (TAN) gemessen wird, um einen Hinweis auf den Zustand des Öles zu erhalten. Korrosionsverhalten Vor allem das Korrosionsverhalten des Schmieröles und seiner Alterungsbestandteile gegenüber Stahl wird bestimmt. Dies kann durch Additive verbessert werden, verschlechtert sich aber durch die Oxidation und Alterung während des betrieblichen Einsatzes. Bild zeigt das Prüfgerät nach DIN

113 Korrosionsverhalten gegen über Stahl (DIN 51585) Bild 3.8.8: Prüfgerät zur Messung des Korrosionsverhaltens gegenüber Stahl Nach DIN Technologische Eigenschaften Bild listet die wichtigsten technologischen Eigenschaften mit dazugehörenden Prüfnormen für Schmieröle auf.

114 Technologische Eigenschaften Wasserabscheideverm ögen (DIN ) Luftabscheideverm ögen (DIN ) Rostschutzverhalten (gegen über Stahl) (DIN ) Korrosionsschutzverhalten (gegen über Kupfer) (DIN ) Fress- und Verschlei ßschutzverhalten (Vierkugelapparat) (DIN ) Belastbarkeit bei Mischreibung nach Brugger (DIN 51347) Verschlei ßverhalten (Fl ügelzellenpumpe) (DIN ) Fress- und Verschlei ßschutzverhalten (FZG-Verspannungspr üfstand ) (DIN ) (DIN ISO 14635) Scherstabilit ät (DIN ) Bild 3.8.9: Technologische Eigenschaften für Schmieröle mit Prüfnormen Wasserabscheidevermögen Unter dem Wasserabscheidevermögen wird die Geschwindigkeit verstanden, mit der sich aus einem Gemisch mit Öl wieder abscheidet. Luftabscheideverhalten (LAV) Unter dem Luftabscheideverhalten wird die Geschwindigkeit verstanden, mit dispergierte Luftbläschen zur Öloberfläche aufsteigen und dort zerplatzen. Für bestimmte Anwendungen, z.b. bei Hydraulikölen, ist ein gutes LAV sehr wichtig. Rost- und Korrosionsschutzverhalten Die Wirksamkeit von Additiven und Grundölen, das Auftreten von Rost und Korrosionen zu unterbinden, wird mit entsprechenden Prüfstäben gemessen. Verschleiß- und Fressschutzverhalten Hierunter versteht man die Eigenschaft eines Schmieröles sowie der darin enthaltenen Antiwear(AW)- und/oder Extreme-Pressure (EP)-Wirkstoffe, Verschleiß und Fressen zu verhindern oder zumindest zu verringern. Erste Hinweise zur Wirksamkeit von Fress- und Verschleissschutzadditiven erhält man mit dem Vierkugelapparat (Bild ). Als Prüfkörper werden drei feststehende und eine dagegen gepresste rotierende Kugel verwendet (Bild ).

115 ) Bild : Vierkugelapparat zur Prüfung der Wirksamkeit von EP-Additiven Nach DIN Bild : Kugeln als Prüfkörper des Vierkugelapparates nach DIN Wichtiger als die Ergebnisse des Vierkugelapparates ist die Messung des Verschleissverhaltens und der Fresstragfähigkeit. Diese Eigenschaft wird in

116 Prüfgeräten mit realen Maschinenelementen durchgeführt. Bewährt hat sich der FZG-Zahnrad-Verspannungsprüfstand sowie eine Flügelzellen-Hydraulikpumpe Bild ). Den Verschleissverlauf sowie den Umsprung in die Verschleisshochlage erkennt man in Bild Bild : FZG-Verspannungssprüfstand nach DIN Beispiel f ür die Bestim - mung der Verschlei ßentwicklung von Ritzel, Rad sowie Ritzel und Rad durch Änderung der Gewichtst ücke (Massenver - luste) Bild : Verschleissverlauf sowie Umsprung in die Verschleisshochlage

117 Scherstabilität Mehrbereichsöle, welche Viskositätsindex-Verbesserer enthalten, erleiden während des Betriebs einen permanenten Viskositätsverlust durch mechanischen Abbau dieser Additive. Diese Scherstabilität wird durch eine Methode gemessen, bei welcher das Öl einer hohen Scherbeanspruchung ausgesetzt wird. Das Prüfgerät erkennt man in Bild nach DIN Bild : Prüfgerät zur Messung der Scherstabilität von Schmierölen Nach DIN Reibungs- und Verschleissverhalten Zur Bestimmung des Reibungs- und Verschleissverhaltens unter wissenschaftlichen Bedingungen wird häufig das sogenannte Schwing-Reib-Verschleiss-Gerät verwendet (Bild ) verwendet.

118 1 Elektromagn. Antrieb 2 Geh äuse 3 Pr üfk örperhalter 4 Stellmotor 5 Prüfkörper 6 Heizung 7 Kraftmesselement 8 W egaufnehmer F Belastung (Normalkraft) O Oszillierende Bewegung Bild : SRV-Gerät nach DIN zur Reibungs- und Verschleißmessung Physikalische, chemische und technologische Eigenschaften von Schmierfetten Physikalische Eigenschaften Bild listet die wichtigsten physikalischen Eigenschaften für Schmierfette mit dazugehörenden Prüfnormen auf.

119 Physikalische Eigenschaften Scheinbare Viskosit ät, Flie ßverhalten Gehalt an Feststoffen und Festschmierstoffen (DIN ) Gehalt an festen Fremdstoffen (DIN ) Tropfpunkt (ISO 2176) Penetration (ISO 2137) Bild : Physikalische Eigenschaften für Schmierfette mit Prüfnormen Tropfpunkt Der Tropfpunkt eines Schmierfettes kennzeichnet die Temperatur, bei welcher das Fett ein bestimmtes Fliessen erreicht. Die Betriebstemperatur für das Fett muss unterhalb seinem Tropfpunkt liegen, soll das Fett als konsistenter Schmierstoff eingesetzt werden. Bild zeigt das Prüfgerät nach DIN ISO 2176.

120 Bild : Tropfpunkt-Prüfgerät nach DIN ISO 2176 Penetration Die Penetration eines Schmierfettes ist ein Maß für seine mechanische Festigkeit oder für den Widerstand, den das Fett einer Formänderung entgegenbringt. Die Penetration dient der Einordnung eines Schmierfettes in eine NLGI-Klasse. Die Bilder und zeigen die Prüfgeräte nach DIN ISO 2137.

121 Penetration (DIN ISO 2137) Bild : Penetrationsmessung nach DIN ISO Penetration (DIN ISO 2137) Bild : Penetrationsmessung nah DIN ISO

122 Chemische Eigenschaften Bild listet die wichtigsten chemischen Eigenschaften für Schmierfette mit dazugehörenden Prüfnormen auf. Chemische Eigenschaften Asche (DIN ) Anteil an Mineral öl und Seife (DIN ) Wasserbest ändigkeit (DIN ) Oxidationsbest ändigkeit (DIN ) Bild : Chemische Eigenschaften für Schmierfette mit Prüfnormen Wasserbeständigkeit Die statische Methode zur Bestimmung der eines Schmierfettes hat keine praktische relevante Bedeutung (Bild )

123 Bild : Statische Methode zur Prüfung der Wasserbeständigkeit nach DIN Bei der dynamischen Methode zur Bestimmung der Wasserbeständigkeit eines Schmierfettes wird in ein mit Fett befülltes Wälzlager während des Betriebs Wasser eingespritzt (Bild ). Danach wird beurteilt, in welchem Ausmaß Schmierfett aus dem Lager herausgewaschen wurde.

124 Bild : Dynamische Methode zur Prüfung der Wasserbeständigkeit nach DIN Bild : Dynamische Methode zur Prüfung der Wasserbeständigkeit nach DIN Oxidationsbeständigkeit Das Schmierfett wird einem Sauerstoffdruck ausgesetzt. Danach wird der Druckabfall als Maß für die Reaktion des Schmierfettes mit dem Sauerstoff bestimmt (Bild ).

125 1 Druckmessger ät 2 T-Stü ck 3 Ventil zum Ein - und Ablassen von Sauerstoff 4 Rohr zum Druckmessger ät 5 Tragplattenhalterung 6 Mutter 7 Tragplatte 8 Zylinderschrauben DIN M 10 x 40-8 G 9 Deckel 10 Dichtung aus w ä rme - und säureempfindl. Kunststoff, 2 mm dick 11 Druckgef äß 12 Schale 13 Schalenhalter Bild : Oxidationsbeständigkeit von Schmierfetten nach DIN Technologische Eigenschaften Bild listet die technologischen Eigenschaften für Schmierfette mit dazugehörenden Prüfnormen auf. Technologische Eigenschaften Ölabscheidung (DIN ) Fließdruck (DIN ) Förderverhalten (DIN ) Korrosionsschutz -Verhalten (DIN ) Mechanisch -dynamisches Verhalten SKF-Prüfung (DIN nicht mehr g ültig) FAG-Prüfung (DIN ) Bild : Technologische Eigenschaften von Schmierfetten

126 Ölabscheidung In einem statischen Test wird unter Druck gemessen, wie viel Öl das Fett freigibt. Die praktische Bedeutung dieser Methode ist begrenzt (Bild ) Bild : Ölabscheidung nach DIN Fliessdruck Unter dem Fliessdruck versteht man den Druck, der notwendig ist, um einen Schmierfettstrang aus einer Prüfdüse herauszupressen. Er ist ein Maß für die Konsistenz und das Fliessverhalten des Fettes (Bild ).

127 Flie ßdruck nach dieser Norm ist der Druck, der erforderlich ist, um einen Schmierfettstrang unter den Bedingungen dieser Norm aus einer Pr üfdüse herauszupressen. Er gibt Aufschluss über die Konsistenz eines Schmierfettes und kennzeichnet sein Flie ßverhalten. Die mit Schmierfett gef üllte Pr üfdüse des Pr üfger ätes wird mit einer Druckgasquelle und einem Druckmessger ät verbunden. Bei einer vereinbarten Temperatur wird der Druck in Zeitabst änden von 30 Sekunden um einen bestimmten Betrag, der von dem Flie ßdruck des Schmierfettes abh ängig ist, so lange gesteigert, bis der Schmierfettstrang abreisst, bzw. das Druckgas durch die Prüfdüse austritt. Bild : Fliessdruck nach DIN Förderwiderstand Hierunter versteht man den erforderlichen Druck einer Pumpe zur Förderung eines Schmierfettes durch eine Zentralschmieranlage. Damit kann auch die maximale Rohrlänge oder der notwendige Rohrquerschnitt für eine vorgegebene Fördermenge berechnet werden. Korrosionsschutzverhalten Zur Bestimmung des Korrosionsschutzverhaltens von Schmierfetten in Wälzlagern erfolgt die Beurteilung der Lagerringe nach einem Versuch, bei dem Wasser den fettgefüllten Wälzlagern zugesetzt wird (Bild ).

128 Korrosionsverhalten ( Emcor-Verfahren) (DIN 51802) Korrosionsverhalten ( Emcor-Verfahren) (DIN 51802) Prüfkörper Pendelkugellager 1306 / K Prüfdaten Zeit: 168 h gesamt, wobei sich Laufzeiten und Stillstandzeiten abwechs eln Drehzahl: 80 min -1 Prüfmedium: bidestilliertes Wasser oder andere w ässrige Medien Fettvolumen: 11 cm _je Lager Bild : Korrosionsschutzverhalten (EMCOR-Verfahren) nach DIN

129 Bild : Korrosionsschutzverhalten (EMCOR-Verfahren) nach DIN Mechanisch-dynamische Eigenschaften Hierunter versteht man das Ermüdungs- und Verschleißverhalten von Schmierfetten in Wälzlagern. Diese Methode erlaubt eine statistische Bewertung von Schmierfetten und ist realitätsnah. Auch diese Eigenschaft ist in den genormten Mindestanforderungen für Schmierfette enthalten (Bilder Bild ). DIN /2 Wälzlagerfett -Prüfgerät FE 9 Prüfverfahren A71500/6000 Teil 1: Teil 2: Allgemeine Arbeitsgrundlagen Prüfung von Schmierfetten Messung der Beanspruchungsdauer (Lebensdauer) (Ermüdungslebensdauer) Prüflager: Axial belastbare Kugellager (Schrägkugellager) Prüfverfahren A/1500/6000 Temperaturen 120, 140, 160, C Drehzahl 6000 min -1, Belastung axial 1500 N Einbauvariante A Beispiel: Pr üfung nach DIN A/1500/

130 Bild : Wälzlagerprüfgerät FE 9 nach DIN Gehäuse der Prüfvorrichtung 2 Welle 3 Prüflager 4 Hilfslager 5 Wellenmutter 6 Tellerfedern 7 Spannvorrichtung 8 Anschlag 9 Elektromotor 10 El. Widerstandsheizung 11 Prüfkopf 12 Gehäusedeckel 13 W ärmedämmhaube Bild : Wälzlagerprüfgerät FE 9 nach DIN Bild : Wälzlagerprüfgerät FE 9 nach DIN

131 Andere Einbauvarianten sind vorgesehen (Einbauvariante A) Bild : Wälzlagerprüfgerät FE 9 nach DIN Weitere Eigenschaften Für bestimmte Anwendungen können weitere Eigenschaften von Bedeutung sein. Hierzu gehören z.b. Geräuschverhalten, Tief- und Hochtemperaturverhalten, Drehmomentverhalten, Verhalten in speziellen Tribokontakten wie Wasser- und Gashähne und Ketten. Bild führt einige genormte Prüfmethoden auf. Besondere Bedeutung wird zunehmend der Geräuschprüfung zugemessen (Bild ).

132 Weitere Pr üfverfahren Rollstabilit ätstester (ASTM D 1831) Radlagertest (ASTM D 1263) Wälzlager -Geräuschprüfung (DIN 5426 E) Tieftemperatur -Drehmoment -Prüfstand (IP 186 I + II) Tieftemperatur -Drehmoment -Prüfstand (ASTM D 1478) Bild : Weitere genormte Prüfverfahren Pr üfaussage Geräuschdämpfungsverhalten von Schmierstoffen in W älzlagern Prüfergebnis Auswerten der Messsignale in verschiedenen Frequenzb ändern und Angabe der Schwingungsgeschwin - digkeiten in µm/s bzw. Geräuschklassifizierungen Ermittlung des D ämpfungsfaktors: Fettgeräuschverhalten/ Ölger äuschverhalten

133 Bild : Geräuschprüfung nach DIN 5426 Bild listet einige nicht genormte Prüfmethoden für Schmierfette auf. Wasserhahn -Prüfgerät Wälzlager -Drehmoment -Prüfger ät Hochtemperatur -Kettenprüfstand Hochleistungs -Kettenprüfstand Gashahn-Prüfgerät Bild : Weitere nicht genormte Prüfverfahren

134 3.9 Viskosität und Fliessverhalten Definition der Viskosität Die Viskosität von Schmierölen ist die wichtigste Kenngrösse. Sie kennzeichnet die innere Reibung eines strömenden Mediums. Sie ist definiert als der Quotient aus Schubspannung und Schergefälle (Bild 3.9.1) und wird als dynamische Viskosität bezeichnet. Häufig wird die kinematische Viskosität verwendet. Dies ist die durch die Dichte dividierte dynamische Viskosität. Kraft Fläche =! Geschw. Abstand Kraft Geschwindigk. Bewegte Fl äche Kraft Fläche Geschw. Abstand = Schubspannung " = Geschw.gef älle D Abstand! = dynamische Viskosit ät Feste Fl äche Dynam. Viskosit ät Dichte = kinematische Viskosit ät # (Flie ßen unter Schwerkraft) Bild Definition der dynamischen Viskosität Masseinheiten der Viskosität sind: Dynamische Viskosität: mpas, früher cp (Centipoise) Kinematische Viskosität: mm 2 /s, früher cst (Centistoke) Abhängigkeiten der Viskosität Die Viskosität hängt von der Temperatur und vom Druck und bei bestimmten Ölen noch vom Schergefälle ab. Die Temperaturabhängigkeit gibt an, wie stark die Viskosität bei fallenden Temperaturen ansteigt und wie stark sie bei steigenden Temperaturen abfällt Bild 3.9.2).

135 Temperaturabh ängigkeit!steigende Temperatur Fallende Viskosit ät!viskosit ät-temperatur -Verhalten = VT -Verhalten!Lineare Darstellung im UBBELOHDE -Diagramm (DIN )!Je steiler die Gerade, desto ausgepr ägter die VT -Abhängigkeit.!Achtung:! = "/d steigt bei Gasen mit der Temperatur an.! ist im Gegensatz zu " zur Beschreibung des Widerstandes gegen eine Bewegung nur bedingt geeignet. Bild 3.9.2: Temperaturabhängigkeit der Viskosität Ein Mass für die Temperaturabhängigkeit ist der Viskositätsindex (VI), ein dimensionsloser Kennwert zwischen 0 und 100, bzw. mehr als 100. Einbereichsöle mit einem relativ steilen Viskositäts-Temperatur-Verlauf weisen VI-Werte von unter 100 auf, Mehrbereichsöle mit einem flacheren VT-Verlauf haben VI-Werte von über 150. Die Viskosität aller Öle hängt auch vom Druck ab. Mit steigendem Druck nimmt auch die Viskosität zu, und zwar bei 25 C und zwischen 0 und bar um einen Faktor zwischen 20 und Die Druckabhängigkeit der Viskosität hängt von der Struktur des Öles aber auch von der Temperatur ab. Sie wird gekennzeichnet durch den sogenannten Druckkoeffizienten (Bild 3.9.3).

136 Druckabhängigkeit Vereinfachte Beschreibung der Druckabh ängigkeit:! o = Viskosität bei Atmosphärendruck! p =! o e " p! p = Viskosität beim Druck p " = Viskosität-Druck- Koeffizient " = f (Temperatur, Druck, Fl üssigkeit,) muß gemessen werden, ist für die Anwendung der EHD n ötig. Bild 3.9.3: Druckkoeffizient der Viskosität Sogenannte nicht-newtonsche Öle weisen noch weitere Fliessanomalien auf. Von Bedeutung ist die Schergefälleabhängigkeit. Hierzu gehören die Strukturviskosität, also die Verringerung der Viskosität mit zunehmendem Schergefälle, sowie die Thixotropie, also die Abnahme der Viskosität mit zunehmender Zeitdauer der Scherbeanspruchung. Mehrbereichsöle, welche VI-Verbesserer enthalten sowie die Schmierfette sind solche nicht-newtonschen Substanzen. Bild erläutert schematisch das Fliessverhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten.

137 Schergefälleabhängigkeit Nichtnewtonsche Substanzen! " = und! = f (D) D Scheinbare Viskosit ät! = Fließkurve! = f (D) für verschiedene Temperaturen mu ß gemessen werden. Verschiedene Formen nichtnewtonschen Flie ßverhaltens! = f (D) Strukturviskosit ät, Dilatanz! = f (t) D Thixotropie, Rheopexie " D örtl. Bild 3.9.4: Fliessverhalten nicht-newtonscher Flüssigkeiten Häufig wird die scheinbare Viskosität dieser Öle in Abhängigkeit vom Schergefälle, für verschiedene Temperaturen (und Drücke) gemessen. Ein Beispiel für die Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Schergefälle für ein Mehrbereichsmotorenöl zeigt Bild

138 Schergefälleabhängigkeit Beispiele! [Pa s] Abhängigkeit der Viskosit ät von Temperatur und Schergef älle für ein strukturviskoses Öl t [ C] G [s -1 ] Bild 3.9.5: Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Schergefälle für ein Mehrbereichsmotorenöl Messung der Viskosität Zur Messung der in Abhängigkeit von der Temperatur werden Kapillar-, Fallkörperund Rotationsviskosimeter verwendet. Bild zeigt das Ubbelohde-Viskosimeter für Temperaturen bis 100 C und Bild jenes für tiefe Temperaturen (Cold Cranking Simulator, CCS).

139 Kapillarviskosimeter ohne Fremddruckbeaufschlagung Viskosimeter mit langerer Kapillare UBBELOHDE- Viskosimeter nach DIN Bel üftungsrohr 2 Kapillarrohr 3 Einf üllrohr 4 Vorlaufkugel 5 Me ßgef äß 6 Kapillare 7 Kugelkalotte 8 Niveaugef äß 9 Ausgleichsrohr 10 Vorratsgef äß M 1, M 2 Ringme ßmarken M F Füllmarken Bild 3.9.6: Ubbelohde-Viskosimeter für Temperaturen bis 100 C Rotationsviskosimeter Cold Cranking Simulator nach DIN Stator 2 Rotor 8 Probeneinlass 9 Zentrierfl äche Ölprobe Bild 3.9.7: Cold Cranking Simulator (CCS) für tiefe Temperaturen

140 3.9.4 Fliessverhalten von Schmierfetten Bei Schmierfetten wird anstelle der Viskosität die Penetration als Mass für das Fliessen verwendet. Sie stellt eine Art mechanische Festigkeit des Fettes dar und ist der Widerstand gegen eine Formänderung. Auch Schmierfette weisen strukturviskoses und thixotropes Fliessverhalten auf Klassifizierung von Viskosität und Fliessverhalten Zu unterscheiden sind die folgenden Klassifizierungssysteme: - ISO-VG-Klassen für Industrieschmieröle - SAE-Klassen für Kraftfahrzeug-Motorenöle und Getriebeöle - NLGI-Klassen für Schmierfette ISO-VG-Klassen: Alle Industrieschmieröle werden nach ISO-VG beschrieben. Genormt sind 18 Viskositätsklassen von 2 mm 2 /s bis 1500 mm 2 /s. Diese Viskositäten beziehen sich auf die Temperatur von 40 C. Bild enthält die ISO-Viskositäts- Klassen nach DIN ISO- Viskositätsklasse Mittelpunktsviskosität bei 40,0 C mm 2 /s Grenzen der kinematischen Viskosität bei 40,0 C mm 2 /s mindestens höchstens ISO VG 2 2,2 1,98 2,42 ISO VG 3 3,2 2,88 3,52 ISO VG 5 4,6 4,14 5,06 ISO VG 7 6,8 6,12 7,48 ISO VG ,00 11,0 ISO VG ,5 16,5 ISO VG ,8 24,2 ISO VG ,8 35,2 ISO VG ,4 50,6 ISO VG ,2 74,8 ISO VG ,0 110 ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG ISO VG Bild Bild 3.9.8: 37: ISO ISO-Viskositätsklassen nach nach DIN DIN Die Viskositäten von Kraftfahrzeug-Motorenöle und Getriebeöle werden in die SAE- Klassen eingeteilt. Für Motorenöle werden zwei Viskositäten bei tiefen Temperaturen und zwei Viskositäten bei hohen Temperaturen klassifiziert. Die Viskositätsklassen reichen von 0 bis 60, wobei Öle für den Tieftemperatureinsatzbereich die zusätzliche Kennzeichnung W erhalten. Öle, die neben der Einhaltung einer Hochtemperatur- Anforderung auch eine Tieftemperatur-Anforderung erfüllen, werden als Mehrbereichsöle bezeichnet, z.b. 10W-40 oder 5W-50. Bild enthält die SAE- Klassen für Motorenöle. Die SAE-Klassen für Getriebeöle werden in Bild

141 gezeigt. Auch diese werden durch eine Tieftemperatur- und eine Hochtemperatur- Viskosität gekennzeichnet. Kraftfahrzeug- Mehrbereichsöle sind dadurch gekennzeichnet, dass sie bei hohen Temperaturen eine Mindestviskosität nicht unterschreiten und bei tiefen Temperaturen eine Höchstviskosität nicht überschreiten. SAE Viskositätsklasse 0W 5W 10W 15W 20W 25W Tief-Temperatur-Viskositäten a. CCS-Viskosität ( mpa s) max. bei C 6200 bei bei bei bei bei bei 10 b. Grenzpumptemperatur Kinematische Viskosität (mm 2 /s) bei 100 C (mpa s) bei C min. max bei bei bei bei bei bei 15 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 5,6 9,3 12,5 12,5 16,3 21,9 Hoch-Temperatur-Viskositäten < 9,3 < 12,5 < 16,3 < 16,3 < 21,9 < 26,1 Hochschergefälle Viskosität ( mpa s) bei 150 C bei und 10 6 s -1 min. 2,6 2,9 2,9 (0W, 5W, 10W) 3,7 (15W, 20W, 25W, Einbereich) 3,7 3,7 Bild Bild 3.9.9: 38: SAE-Viskositätsklassen SAE -Viskositätsklassen für für Motorenöle Motorenöle (SAE (SAE J J 300, 300, Dez.99) Dez. 99) SAE Viskositätsklasse Höchsttemperatur für eine Viskosität von mpas 75W -40,0 C 4,2 80W -26,2 C 7,0 85W -12,3 C 11,0 Viskosität bei 210 F mm 2 /s Minimum Maximum 90 14, , ,0 Bild 39: SAE -Viskositätsklassen für Getriebeöle (SAE J 306, Jul.98) Bild : SAE-Viskositätsklassn für Kfz-Getriebeöle

142 Die NLGI-Klassen kennzeichnen das Fliessverhalten von Schmierfetten (Bild ). Die Fette 000, 00 und 0 werden als Fliessfette bezeichnet. Sie sind weich und können in Zentralschmieranlagen verwendet werden. Die meisten anderen Fettschmierstellen werden mit den Fetten 1, 2 oder 3 versorgt. Die Fette 4 und auch 5 sind fest und z.b. für Wasserpumpen geeignet. Die Fette NLGI 6 haben keine Bedeutung mehr. +, E:7&%&867F4677F2>3 ;AGH@ IE32&&67#72=>#?@A#"+*+* %:7 ;$6&8%<<8#72=>#?@A#@BC#,+)'#D%7>6%867#/0 ((( (( ( +, )! " -!!"#$%&#!'"!((#$%&#!)( )""#$%&#)*" )+(#$%&#)!(,-"#$%&#,.",,(#$%&#,"( +'"#$%&#,(" +)(#$%&#+-( *"#$%&#++"#/0 _) 1 Einheit! 0,1 mm _) Ruhpenetration Bild : Konsistenzeinteilung für Schmierfette Bild 40: Konsistenzeinteilung für Schmierfette

143 3.10 Gebrauchtschmierstoffanalyse Gebrauchtölanalyse Einführung Eine Gebrauchtölanalyse dient den folgenden Zwecken: - Zustandsüberwachung tribologischer Systeme wie Gleitlager, Wälzlager und Zahnräder aber auch von Maschinen wie Getrieben, Motoren, Kompressoren, Hydraulikanlagen usw. zur Früherkennung eines Schaden - Ermittlung des Schmierölzustandes zur Entscheidung über die weitere Gebrauchsfähigkeit oder über einen notwendigen Ölwechsel Zustandsüberwachung tribologischer Systeme Einführung Diese dient der Beurteilung des Zustandes von Gleitlagern, Wälzlagern, Zahnräder und anderen Maschinenelementen aber auch von Maschinen und Maschinenanlagen wie Getrieben, Turbinen, Motoren, Kompressoren, Hydraulikanlagen usw. Dazu wird das Schmieröl als Informationsträgen verwendet, indem der zeitliche Verlauf bestimmter Elemente im Gebrauchtöl verfolgt wird. Die Entscheidung über den notwendigen Austausches eines Teiles hängt von Grenzwerten ab, die für bestimmte Anlagen oder Anwendungen erstellt wurden. Diese Vorgehensweise gehört in das Gebiet der vorbeugenden Instandhaltung. Zu den wichtigsten Methoden der Zustandsüberwachung gehört die Verschleißmessung Verschleißmessung Wichtigster Parameter dieser Vorgehensweise ist die Erfassung des Verschleisses über der Nutzungsdauer eines tribologischen Sysems in Form einer Trendbewertung. Hierzu dient die sog. Badewannenkurve (Bild ).

144 Bild : Badewannenkurve zur Trendbewertung des Verschleißes Grundlage dieser Trendbewertung ist die Erfassung und Beurteilung der Verschleiß- Partikel im Öl, und zwar lange bevor diese zu einem Schaden am tribologischen System geführt haben. Die chemischen Elemente in den Parikeln liefern dabei Hinweise auf ihre Herkunft, also auf den verschleißenden tribologischen Kontakt. Die Form und das Ausehen der Partikel beschreibt den Verschleißmechanismus. Somit lässt sich zu einem frühen Zeitpunkt der Schadensbeginn und sein Fortschreiten erfassen. Der plötzliche Anstieg bestimmter, kennzeichnender Elemente deutet dabei auf einen sich anbahnenden Schaden hin (Bild )

145 Bild : Verfolgung bestimmter Verschleißpartikel über der Zeit Typische Anwendungen für solche Verschleißmessungen sind: - Ölumlaufanlagen, z.b. in Kraftwerken - Aggregate, z.b. Motoren in Straßen- und Schienenfahrzeuen und in Schiffen Getriebe in der Industrie und in Windenergieanlagen Kompressoren, z.b. Gas- und Kälteompressoren Hydraulikanlagen, z.b. Industrie-, Mobilhydrauliken Natürlich hängen die Grenzwerte für das Einleiten von Maßnahmen, wie der Austausch von Maschinenelementen oder der Ölfüllung vom Anwendngsfall und von der Betriebsbedingungen ab. Bild listet einige Verfahren zur Verschleißmessung sowie ihre Aussage zur Anwendung auf.

146 Verfahren Elementanalyse (AES) PQ-Index (PQ) Optische Partikel - analyse (OPA) Analytische Ferrographie (AFG) Aussage Verschlei ßelemente <5 _m chemischer und mech. Verschlei ß Magnetisierbare Partikel Mechanischer Verschlei ß Partikelanzahl und form, Reinheitsklasse NAS/ISO Verschlei ßmechanismuis Partikelanzahl, -form, -farbe Verunreinigungen, Verschlei ßmechanismus Bild : Wichtige Verfahren und ihre Aussage zur Verschleißmessung Reinheitsklassen Zur Beurteilung der Partikelbelastung des Schmieröls können die sogenannten Reinheitsklassen verwendet werden. Sie werden nach 2 Normen definiert: ISO 4406 und SAE AS Dabei werden die kumulierten Zahlen der Partikel verschiedener Grösse bestimmen Ordnungszahlen zugeordnet. Die Unterschiede der Definitionen in den beiden Normen gehen aus Bild hervor.

147 ISO 4406 SAE AS 4059!Frühere Klassen: >2 _m, >5 _m, >15 _m!heutige Klassen: >4 _m, >6 _m, >14 _m!beispiel: Klasse 20/18/12 (autom.!kalibrierung nach SAE Zähler) >4 _m, >6 _m, >14 _m >21 _m, >38 _m, >70 _m!kalibrierung nach NAS >1 _m, >5 _m, >15 _m >25 _m, >50 _m, >100 _m!beispiel: Klasse 9 Bild : Definition der Reinheitsklassen nach ISO 4406 und SAE AS 4059 Ein Beispiel für die Reinheitsklasse 20/18/12 zeigt Bild

148 Reinheitsklassen nach ISO 4406 Bild : Beispiel für die Reinheitsklasse 20/18/ Probennahme Ohne eine aussagekräftige Ölprob ist kein brauchbares Ergebnis zu erwarten. Die Ölprobe muss deshalb repräsentativ und zeitgerecht sein, uns sollt dokumentiert werden. Wichtig ist der richtige Zeitpunkt für die Probennahme, die immer nach der gleichen Methode an gleicher Stelle gezogen werden sollte. - Bei normaler Betriebstemperatur - Während des Betriebes oder unmittelbar nach dem Stillstand Natürlich ist ein geeignetes und sauberes Probengefäß zu verwenden Von besonderer Bedeutung ist auch der Ort der der Probennahme. Hierzu können die folgenden Hinweise dienen: - Tiefste Stelle der Ölwanne Achtung: Abgesetzte Partikel können herausgespült werden und das Ergebnis Verfälschen - Absaugen durch die Nachfüllöffnung Achtung: Schwierige Positionierung; Schlauch muss stets an gleicher Stelle und gleicher Tiefe angebracht werden (Verwendung eines Hilfsstabes) - Aus der Druckleitung hinter einer Biegung, da durch die Umlenkung eine gute Durchmischung des Öles gegeben ist - Ideale Stelle: unmittelbar nach dem Rücklauf des Öles - Wenn möglich, ist eine fest intallierte Stelle für die Probennahme zu verwenden

149 Falsche Stellen für die Probennahme sind - der Filter - das abgelassene Öl Ölanalyse Einführung Ziel der Ölanalyse ist es, die Veränderungen der Öleigenschaften währen des betrieblichen Einsatzes zu erfassen. Dazu werden de Veränderungen wichtiger physikalischer, chemischer und technologischer Eigenschaften gemessen. Die Entscheidung über einen notwendigen Ölwechsel oder über die weitere Verwendungsfähigkeit des Öles wird anhand bestimmter Grenzwerte getroffe, welche von der Anlage und den Betriebsbedingungen abhängen. Bild zeigt schematisch der Verlauf einiger Veränderungen. Bild : Verlauf der Veränderungen einiger Eigenschaften des Öles

150 Beurteilung der Analysendaten Zur Beurteilung des Ausmaßes der stattgefundenen Veränderungen im Gebrauchtöl muss ein Vergleich mit den entsprechenden Frischöldaten erfolgen. Stehen diese nicht zur Verfügung können folgende Kenndaten herangezogen werden: - Genormte Mindestanforderungen, z.b. für Öle C/CL/CLP, HL/HLP/HVLP, VB/VBL/VDL uns. - Spezifikationen, auf der Grundlage solcher Mindestanforderungen mit anwendungsbezogenen Zusatzanforderungen - Viskositätsklassifikationen SAE-Klassen für Kraftfahrzeugschmierstoffe ISO VG-Klassen für Industrieschmierstoffe - Physikalische, chemische und technologische Kenndaten Die folgenden Eigenschaften und ihre Veränderungen sollen erläutert werden, weil sie von besonderer Bedeutung für die Ölbeurteilung sind: - Viskosität - Versäuerung durch Alterung - Additivabbau - Verunreinigungen, d.h. feste und flüssige Verunreinigungen - Luftabscheidevermögen - Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffe Viskosiät Die Viskositätsänderung während des betrieblichen Einsatzes beruht auf den folgenden Effekten: - Erhöhung durch Verdampfungsverluste - Erhöhung durch feste Verunreinigungen - Verringerung durch flüssige Verunreinigungen - Verringerung durch Abbau hochmolekularer Polymere Viskositätsänderung durch Verdampfungsverluste Der Verdampfungsverlust eines Öles ist von den folgenden Faktoren abhängig: - Molekulargewicht und Viskosität des Grundöles - Grundöltyp bei gleicher Viskosität (Mineralöl oder Syntheseöl) - Grundölzusammensetzung (Kernfraktion oder Gemisch) - Molekulargewicht oder verteilung enthaltener VI-Verbesserer - Scherstabilität enthaltener VI-Verbesserer Für Motorenöle gilt als Grenzwert für die Veränderung des Verdampfungsverlustes von Max. 13 Gew.-% Viskositätsänderung durch den Abbau hochmolekularer Polymere Das Ausmaß einer Viskositätsänderung durch den Abbau der Moleküle durch mechanische und chemische Beanspruchung hängt von der chemischen Konssitution, dem Molekulargewicht und der Konzentration der Polymere als VI- Verbesserer im Öl ab. Es kann durch Bestimmung der Scherstablität eines Öles gemessen werden.

151 Die Grenzwerte werden durch - relevante Spezifiktionen und Klassifikationen oder durch - vereinbarte Mindestviskositäten festgelegt. Zulässige Änderungen können für verschiedene Anwendungen gelten: - Stay-in-Grade für Mehrbereichsmotorenöle - Anstieg um 6 mm2/s für Kompressorenöle - Verlassen der vorgeschriebenen Visoksitätsklasse nach oben oder unten % für Industrieschmieröle Versäuerung durch Alterung Durch eine öleigene Alterung, d.h. durch chemische Reaktionen der Ölmoleküle mit dem Sauerstoff der Luft, vor allem bei höheren Temperaturen, entstehen Alterungsprodukte, die chemisch sauer wirken. Dabei können die folgenden Produkte entstehen: - Saure Produkte in Form organischer Säuren - Ölunlösliche Stoffe, z.b. harzartige Schwebstoffe und lackartige Ablagerungen, die auch zum Verstopfen von Ölkanälen und bohrungen führen können Eine weitere Folge der Versäuerung ist der Abbau der sogenannten alkalischen Reserve infolge einer Neutralisation der sauren Alterungsprodukte. Dieser Effekt ist besonders bei Motorenölen von Bedeutung, die als Frischöle alkalisch eingestellt werden. Die Versäuerung des Öles wird durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet: - Industrieschmieröle - Neutralisationszahl (NZ) - Verseifungszahl (VZ) - Motorenöle - Basenzahl, Total Base Number (TBN) - Säurezahl. Total Acid Number (TAN) - Strong Acid Number (SAN) Weit verbreitet sind die folgenden Grenzwerte für eine Versäuerung des Öles - Industrieschmieröle - Unlegiert: Anstieg der NZ auf 2 mg KOH/g Öl - Legiert: Anstieg der NZ um 2 mg KOH/g Öl - Motorenöle - Verringerung der TBN auf 20-30% des Frischölwertes - Syntheseöle: Restkonzentration der Antioxidantien: 0,5 1,0 Gew.-%

152 Additivabbau, -erschöpfung Hierunter sollen in erster Linie die beabsichtigten chemischen und physkalischen Reaktionen und Wechselwirkungen der Additive zur Erfüllung ihrer Funktionen verstanden werden. Dies bezieht sich in erster Linie auf folgende Additivtypen: - Oxidations- und Korosionsinhibitoren - Verschleiß- und Fressschutzadditive - Detergent- und Dispersantadditive - Emulgatoren Oxidations- und Korrosionsinhibitoren Oxidationsinhibitoren werden durch chemisschen ingriff in den Oxidationsprozess, Korrosionsinhibitoren durch chemisch-physikalische Schichtbildung auf den Oberflächen der tribologischen Partner oder durch chemische Rektionen mit den sauer wirkenden Alterungssprodukten abgebaut. Grenzwerte: Die relevanten Mindestanforderungen an den Alterungs- und Korrosionsschutz werden nicht mehr erfüllt. Verschleiß und Fressschutzwirkstoffe Der Abbau oder Verbrauch dieser Additive erfolgt durch chemische und physikalische Reaktionen mit den Metlloberflächen der tribologischen Elemente. Zur Bestimmung dieser Effekte können die folgenden Messungen durchgeführt werden: - Restkonzentration durch spektroskopische Verfahren - Fress- und Verschleißmessungen mit geeigneten Prüfgeräten, z.b. VKA- Apparat oder FZG-Verspannungsprüfstand Grenzwerte: Die relevanten Mindestanforderungen an den Verschleiß- und Fressschutz werden nicht mehr erfüllt. Detergent- und Dispersantwirkstoffe Diese Additive werden durch ihre Funktionserfüllung verbraucht. Brauchbare Laboratoriumsmethoden zur Bestimmung dieses Effektes sind nicht bekannt. Als Schnelltest kann aber ein sogenannter Tüpfeltest durchgeführt werden. Grenzwerte: Diese sind kaum angebbar. Emulgatoren Durch mikrobielle Verseuchung, insbeondere durch Bakterienbefall, werden die Emulgatoren abgebaut. Man erkennt dies zum einen durch Aufschwimmen des Öles auf der Oberfläche einer Emulsion sowie zum andere durch unangenehme Gerüche Verunreinigungen Während des betrieblichen Einsatzes kann das Öl durch öleigene Produkte verunreinigt werden, etwa durch Alterungsprodukte. Aber auch ölfremde Stoffe können das Öl verunreinigen. Hierzu gehören die - festen Verunreinigungen, wie Verschleiß-, Rost- und Russpartikel sowie - flüssige Verunreingungen und - gasförmige Verunreinigungen

153 Öleigene Verunreinigungen durch Alterungsprodukte Durch Wechselwirkungen zwischen den Ölmolekülen und dem Sauerstoff der Luft entstehen vor allem bei höhern Temperaturen sauer wirkende Reaktionsprodukte. Nach einer Daumenregel verdoppelt sich bei Temperaturen über 60 C die Oxixdationsgeschwindigkeit. Bei bestimmten Anlagen neigen diese Produkte zu Ablagerungen in Form Lack. Dieser Prozess wird schematisch anhand von Bild verdeutlicht. Lackbildung in Turbinen Oxidation: Kondensation: Polymerisation: Löslichkeit: ölen Ablagerungen Reaktion zwischen Sauerstoff + Schmierstoffmolek ülen Durch Oxidation wird das Molek ül polar + gr ößer durch Kondensation mit Polymersation. Diese Verunreinigungen sind immer noch öllöslich. Entfernung durch Ionenladungsbindungen. Noch keine sch ädliche Auswirkungen. Mit zunehmender Polarit ät sinkt die L öslichkeit. Je nicht -polarer das Grund öl ist, desto geringer ist die Löslichkeitoxidierter Moleküle. Gruppe II Öle weniger polar als Gruppe I Öle geringeres Trageverm ögen für Verunreinigungen Ausfällungen Entstehen von Lackbildung Bild : Lackbildung durch Ablagerungen in Turbinen

154 Ölfremde Verunreinigungen Bei den ölfremden Verunreinigungen ist zwischen festen und flüssigen Verunreinigungen zu unterscheiden. Auch Luft im Öl gehört zu den Verunreinigungen. Die Bedeutung fester Partikel wie Verschleiß wurde weiter oben erörtert. Aber auch Russpartikel sind feste Vereunreinigungen. Bereits wenige Zehntel Prozent Russ verursachen einen erheblichen Vikositätsanstsieg. Als Genzwert gilt: 2 % Russ bei Motorenölen oder das Erreichen der nächst höheren Viskositätsklasse. Zu den flüssigen Verunreinigungen gehören Kraftstoff und Wasser. Bei Motorenölen ist auf dieverdünnung durch Kraftstoff zu achten, da bereits wenige Prozent eine merkliche Viskositätsverringerung versachen. Die Bestimmung kann indirekt über die Messung des Flammpunktes erfolgen. Als Grenzwert gilt: Unterschreiten der unteren Viskositätslage. Durch Wasser im Öl kommt es zu physikalischen, reversiblen, und chemischen, irreversiblen, Effekten. Physikalische Effekte Bei Normbedingungen weren bis zu 100 mg/kg Wasser im Öl klar gelöst. Größere Mengen werden dispergiert und setzen sch mehr oder weniger schnell ab Bei detergierenden Ölen entstehen Wasser-in-Öl-Emulsionen. Es gelten folgende Hinweise: Viskositätsanstieg: 10 Vol-% Wasser in Öl ergeben einen Anstieg um etwa 10 %. Messung: Bestimmung des Wassabscheidevermögen nicht emulgierender Öle. Demulgierverhalten, Spratztest Infrarot-Spektroskopie, Titration nach Karl- Fischer Grenzwert: 0,2 bis 1,0% je nach Anwendung Chemische Effekte Durch chemische Umsetzung mit Wasser bei höheren Temperaturen werden viele organische Stoffe gespalten (Hydrolyse). Zu den hydrolyseempfindlichen Stoffen gehören manche Additive und synthetische Öle, wie z.b. Ester. Entstehende Produkte: - Ölunlösliche Spaltprodukte, siehe Verunreinigungen - Korrosive Reaktionsprodukte, siehe Korrosionsinhibitoren - Umwandlung von Wirkstoffen in wirkungslose Produkte, siehe Additiv- Erschöpfung Luftabscheidevermögen, Shaumverhalten Durch intensiven Kontakt mit Luft können folgende negative Effekte eintreten: - Luft verbleibt gelöst im Öl - Luft verbleibt dispergiert im Öl - Auf der Oberfläche bildet sich Öl-Luft-Schaum - Schmierstoff reagiert vor allem bei höheren Temperaturen mit Luft (siehe Alterung) Gelöste Luft im Öl Unter Normbedingungen lösen sich bestimmte Luftmengen im Öl. Diese hängen vom Öltyp ab (Bild ).

155 Gelöste Luft in Schmier Mineralöl ölen Vol % 20 C, 1013 mbar 7 bis 9 Silikonöl 15 bis 25 Dicarbonsäureester Ca. 9 Phosphatester Ca. 9 PCB Ca. 4 Wasser 1,87 Bild : Gelöste Luft in Schmierölen Bild zeigt den Einfluss der Temperatur auf das Luftabscheideverhalten verschiedenen Grundöle.

156 Einfluss der Temperatur auf des Luftabscheide - verhalten verschiedener Grund öle (nach W. D. Phillips, 2006) Bild : Einfluss der Temperatur auf das Luftabscheideverhalte Mit steigender Viskosität, d.h. mit zunehmendem Molekulargewicht, nimmt die Löslichkeit von Luft ab, mit steigendem Druck nimmt sie zu. Daraus folgt bei Entspannung ein Ausscheiden von Luftblasen (Kavitationsgefahr), und zwar schneller als die Luftaufnahme bei einem Druckanstieg. Mit den folgenden nachteiligen Auswirkungen von Luft im Öl muß man rechnen: - Kavitation - Kraftübertragungsschwierigkeiten - Temperaturanstieg - Alterungsbeschleunigung - Filterverstopfung - Verringerung der Ölfilmdicke Dispergierte Luft im Öl Auch durch dispergierte Luft im Öl können in Anlagen Nachteile oder Probleme auftreten. Mit den folgenden Effekten muß man rechnen: Viskositätsanstieg: 10 Vol-% Luft verursachen etwa 15 % Viskositätsanstieg Kompressibilität: Sie führt zum Temperaturanstieg und zu schnellerer Alterung Grenzwerte: Sie ist abhängig von der Anwendung. Verringerung der Dichte um max. 10 %. Messung: Luftabscheidevermögen (LAV) Verunreinigungen im Öl und bestimmte Additive verschlechtern das LAV. Zu beachten ist vor allem der negative Einfluss von Silizium, auch in Form von Silikonöl als Schauminhibitor (Bild )

157 Silikon ölgehalt und Luftabscheideverhalten 4 Silikon ölgehalt mg/kg min 50 Luftabscheideverm ögen Bild : Einfluss des Silikongehaltes auf das Luftabscheidevermögen Die Abhängigkeiten für das Luftabscheidevermögen können wie folgt zusammengefasst werden: - Öltyp: Mineralöl oder Syntheseöle - Viskosität: Steigende Viskosität führt zu langsameren Aufstieg der Luftblasen. Dieser Effekt hängt von der Temperatur und vom Druck ab - Verunreinigungen: Oxidationssprodukte verzögern das Aufsteigen von Luftblasen. Daher weisen Gberauchtöle ein schlecchteres Luftabscheidevermögen als Frischöle auf - Additive: Manche Additive verzögern das Aufsteigen von Luftblasen. Daher Haben unlegierte Öle en besseres Luftabscheidevermögen als legierte Öle

158 Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Auch die Verträglichkeit des Schmieröles mit Dichtungswerkstoffen kann durch die veränderten Gebrauchtöleigenschaften beeinträchtigt werden. Die Verträglichkeitsprüfungen werden mit Frischölen durchgeführt uns in nur bedingt auf das Verhalten der Gebrauchtöle zu übertragen. U.U. muss die Verträglichkeitsprüfung wiederholt werden Praxisbeispiele Anhand von zwei Beispielen soll die Bedeutung einer periodischen Ölanalyse verdeutlicht werden: - Hydraulikanlage - Industriegetriebe Anhand von zwei Beispielen soll gezeigt werden, wie sich eine periodische Ölanalyse auf die Verlängerung der Ölwechselfrist auswirken kann. Bild zeigt die Überwachung eine Hydraulikölfüllung durch periodische Messung der Neutralisationszahl als Maß für die durch Alterung eingetretene Versäuerung es Öles. Da die NZ bereits nach kurzer Betriebszeit relativ schnell zunahm, wurde nach etwa Betriebsstunden eine Nachadditivierung vorgenommen, die auch die erwartete Verlangsamung der Alterung erbrachte Als dann aber nach etwa BH die Alterung wieder stark zunahm, wurde nach etwas mehr als BH ein Ölwechsel vorgenommen Bild : Ölüberwachung einer Hydraulikanlage

159 Das zweite Beispiel bezieht sich auf die Überwachung einer Ölfüllung in einem Industriegetriebe. Nach Betriebsanweisung sollte ein Ölwechsel alle 3000 BH vorgenommen werden. Allerdings hatte sich der Ölzustand nach 3300 kaum verändert, so dass keine Notwendigkeit für einen Ölwechsel bestand. Wie aus Bild ersichtlich ist, steigt die NZ weiter langsam an. Auch der Eisengehalt erreichte nach BH einen Wert, der an sich einen Ölwechsel nahe legte. Erst nach BH bei einer NZ von 2,1 wurde aber das Getriebeöl ausgetauscht. Bild : Überwachung einer Getriebeölfüllung

160 Gebrauchtfettanalyse Die Analyse gebrauchter Schmierfette aus einem tribologischen Kontakt, z.b. aus einem Lager ist in der Regel schwieriger. Der Grund ist, dass nur aus Großlagern, z.b. aus Walzwerkslagern, für eine Analyse ausreichende Fettmengen entnommen werden können. Bild enthält eine Übersicht über die notwendigen Fettmengen für die wichtigsten Analysen. Gebrauchtfett-Analyse Schmiermengen zur Gebrauchtfett - Analyse Strukturdaten Tropfpunkt Penetration (1/4 Wert) Flie ßdruck SRV Grund ölgehalt Ölabscheidung Daten zur ver änderten Zusammensetzung Elementaranalyse (AA, XRF) NZ Aschegehalt Wassergehalt Feste Fremdstoffe IR: Oxydationsbanden Grund IR. Abbauprodukte Verdicker IR. Abbauprodukte Additive Technologische Daten zur Restperformance SKF -Emcor -Test (Rostschutz) SRV Gebrauchsdauer z. B. FE 9 Erforderl. Probemenge 1 g 5 g 2 g 1 g 10 g 60 g öl 1 g 10 g 5 g 100 g 10 g 1 mg - 1 g 1 mg - 1 g 1 mg - 1 g 20 g 1 g 10 g : Für Schmierfettanalysen notwendige Fettmengen

161 Kapitel 4: Auslegung und Schmierung von Maschinenelementen 4.1 Einführung Grundlage eines langzeitigen und störungsfreien Betriebs von Maschinen und Maschinenanlagen ist die tribologisch optimale, unter Berücksichtigung des Schmierstoffs und seiner Eigenschaften erfolgte Auslegung und Schmierung der verschiedenen Maschinenelemente. Für Reibpaarungen, die unter hydrodynamischen Bedingungen laufen, ist die Viskosität des Schmierstoffs seine wichtigste Eigenschaften, welche bei der Auslegungs- und Lebensdauer- Berechnung berücksichtigt werden muss. Liegt jedoch überwiegend Mischreibung vor, ist das oberflächenaktive Verhalten des Schmierstoffs bzw. ein Mass für diesen Eigenschaftskomplex zugrunde zu legen. Unter diesen Gesichtspunkten sollen in den nächsten Abschnitten die wichtigsten Maschinenelementen wie Gleitlager, Wälzlager und Zahnradradpaarungen behandelt werden. Bild zeigt die wichtigsten Reibungsarten, während in Bild das Verhalten der unterschiedlichen Gleitlagerbauarten dargestellt wird. Kriterium: Reibung Reibung Ruhereibung Bewegungsreibung Äußere Reibung Innere Reibung Gleitreibung Rollgleitreibung Rollreibung Trockenreibung Mischreibung Flüssigkeitsreibung Bild 4.1.1: Kriterium Reibung

162 0Belastbarkeit 0 hydrostatische Gleitlager Magnetlager hydrodynamische Gleitlager Trockengleitlager Gleitgeschwindigkeit m/s Bild 4.1.2: Verhalten unterschiedlicher Lagerungen 4.2 Kraftübertragung durch Lagerungen Zunächst ist die Art der Belastung eine Kraft oder ein Moment- zu definieren. Danach ist festzulegen, ob es sich um eine stationäre oder instationäre Belastung handelt. Bild charakterisiert diese unterschiedlichen Belastungszuständen. Bild 4.2.1: Belastungsarten - Belastungszustand

163 Von grosser Bedeutung ist auch, ob sich um eine Gleit- oder eine Roll- bzw. Wälzbewegung handelt. Die unterschiedliche Beanspruchung geht aus Bild hervor. Schematische Darstellung der Roll - und Gleitbewegung Bild 4.2.2: Beanspruchung der Reibpartner bei Gleit- und Roll/Wälz- Bewegung Die unterschiedliche Beanspruchung dieses Tribosystems sowie einer Zahnradpaarung wird schematisch in Bild gezeigt.

164 Spez. Flächenbelastung Werkstoffpaarung Schmiegung Reibung Beanspruchung des Systems Gleiten niedrig günstig günstig hoch hoch Gesamtbeanspruchung bei Gleiten, Rollen und W Rollen hoch ungünstig ungünstig niedrig niedrig Gleiten/Rollen = Wälzen hoch ungünstig ungünstig hoch hoch älzen Bild 4.2.3: Beanspruchung von Tribosystemen bei Gleit- und Roll-/Wälzbewegung In Bild werden die wichtigsten Lagertypen für kontinuierliche Bewegung am Beispiel der Radiallager dargestellt.

165 Bild 4.2.4: Lagertypen am Beispiel der Radiallager Die Einsatzgrenzen für diese Lagertypen in Abhängigkeit von Belastung, Drehzahl und Durchmesser zeigt Bild Bild 4.2.5: Einsatzgrenzen verschiedener Radiallagertypen

166 Man erkennt, dass die Trockenlager nur für niedrige Drehzahlen geeignet sind, die deutlich abnehmen, wenn höhere Belastungen zu übertragen sind. Einen grösseren Bereich für Drehzahl und Belastung können durch die geschmierten Gleitlager und die Wälzlager überdecken. Man erkennt auch, dass für hydrodynamische Gleitlager der mögliche Einsatzbereich zu höheren Geschwindigkeiten verschoben ist. Hydrostatische Gleitlager sind hingegen für den gesamten in diesem Diagramm überdeckten Bereich geeignet. Ähnliche Grenzen für Axiallager zeigt Bild Bild 4.2.6: Einsatzgrenzen für verschiedene Axiallager Eine vergleichende Bewertung von Radiallagern soll für kontinuierliche Bewegungen erfolgen. Bild enthält Hinweise zur Auswahl von Radiallagern für besondere Umgebungsbedingungen. In Ergänzung dazu findet man in Bild einen Vergleich der verschiedenen Lagertypen für spezielle Anforderungen.

167 Bild 4.2.7: Auswahl von Radiallagern für besondere Umgebungsbedingungen Bild 4.2.8: Auswahl von Radiallagern für spezielle Anforderungen Die entsprechenden Vergleiche für Axiallager enthalten die Bilder und

168 Bild 4.2.9: Auswahl von Axiallagern für bestimmte Umgebungsbedingungen Bild : Auswahl von Axiallagern für spezielle Anforderungen

169 Für die Auswahl eines optimalen Lagertyps kann man wie folgt vorgehen. Zunächst wird die Art der Belastung sowie die Bewegungsart ermittelt. Anhand der Bilder und erfolgt danach die Vorauswahl eines Lagertyps. Nachdem dann die Einsatzgrenzen des gewählten Lagertyps unter Berücksichtigung der Umgebensbedingungen und speziellen Anforderungen beurteilt worden sind, kann dann die endgültige Festlegung des Lagertyps erfolgen. Diese Vorgehensweise wird in Bild Bild 4.11: Auswahl eines optimalen Lagertyps 4.3 Gleitlager Einführung in die Gleitlagertechnik Im Rahmen dieser Publikation erfolgt eine Beschränkung auf die hydrodynamschen Radiallager. Sie sind durch den hydrodynamischen Druck in Umfangs- und Längsrichtung gekennzeichnet (Bild 4.3.1).

170 Bild 4.3.1: Druckverteilung in Umfangs- und Längsrichtung eines Hydrodynamischen Radiallagers

171 Bild 4.3.2: Verschiedene Mehflächengleitlager Neben den zylindrischen Radialgleitlagern werden vor allem zur Stabilisierung des Betriebs auch Mehrflächengleitlager verwendet. Bild zeigt verschiedene Ausführungsformen solcher Lager Betriebspunkt und Tragfähigkeit Der Reibungsverlauf eines Gleitlagers mit den Reibungszuständen Fest körperreibung, Mischreibung und Flüssigkeitsreibung (Hydrodynamik) kann am besten durch die nach STRIBECK benannte Kurve gekennzeichnet werden (Bild 4.3.3).

172 Bild 4.3.3: Stribeckkurve und Betriebsbereich eines Gleitlagers Um Verschleiß zu vermeiden, muß der Betriebspunkt des Lagers rechts vom Ausklinkpunkt liegen (untere Betriebsgrenze). Die obere Betriebsgrenze ist die durch die Gleitgeschwindigkeit gekennzeichnete maximal zulässige Lagertemperatur gegeben. Der Reibungsverlauf eines Lagers, insbesondere die Lage des Ausklinkpunktes hängt von der Dicke des sich ausbildenden Tragfilms ab. Diese wird durch die Belastung und die Viskosität bestimmt. Damit ergibt sich der in Bild dargestellte Verlauf der Reibungszahl.

173 Bild 4.3.4: Reibungszahlverlauf im Gleitlager als Funktion der Drehzahl für verschiedene Belastungen bei konstanter Viskosität Man erkennt, dass im Bereich der Mischreibung eine höhere Belastung eine höhere Reibung nach sich zieht, und dass der Ausklinkpunkt zu höheren Geschwindigkeiten verschoben wird, während bei Flüssigkeitsreibung eine steigende Belastung wegen der damit verbundenen verringerten Filmdicke die Reibung herabsetzt. Die Veränderung der Filmdicke im Spalt eines Gleitlagers ist bei gegebener Belastung wird auch durch die Viskosität verwirklicht (Bild 4.3.5). Reibungsverlauf eines Gleitlagers als Funktion der Drehzahl f ür verschiedene Viskositäten bei unver änderter Belastung (schematisch) Bild 4.3.5: Reibungsverlauf im Gleitlager für verschiedene Viskositäten Durch eine höhere Viskosität wird der Übergang in die Hydrodynamik bei niedrigeren Drehzahlen erreicht ein positiver Effekt. Allerdings muß dann bei höheren Drehzahlen wegen des sich ausbildenden Ölfilms mit höheren Reibung gerechnet werden ein negativer Effekt Grundlagen der Berechnung und Auslegung Wie bereits erwähnt wurde, existiert keine geschlossene Lösung für die Reynoldssche Differentialgleichung für die hydrodynamische Druckentwicklung. Für technische Anwendungen hinreichend genau kann eine Näherungslösung verwendet werden. Sie kennzeichnet den Zusammenhang zwischen der Sommerfeldzahl und der relativen Exzentrizität (Bild 4.3.6).

174 So = f (! ) Hierin bedeuten: So = p " 2 # $ = Sommerfeldzahl! = relative Exzentrizit ät h o = S/2 (1 -! ) = engster Spalt mit dem Lagerspiel S Bild 4.3.6: Zusammenhang zwischen Sommerfeldzahl und Exzentrizität Das Diagramm in Bild zeigt den Zusammenhang zwischen Sommerfeldzahl und relativer Exzentrizität als Näherungslösung der Reynoldsschen Gleichung für die hydrodynamische Druckentwicklung. Bild 4.3.7: Sommerfeldzahl als Funktion der relativen Exzentrizität

175 Die folgende Vorgehensweise zur Berechnung eines Gleitlagers hat sich bewährt: 1. Schritt: Berechnung der Reibung aus den verfügbaren Daten 2. Schritt: Berechnung der Temperatur für die gegebenen Betriebsbedingungen 3. Schritt: Ermittlung der Viskosität für das gewählte Öl aus der Viskosität-Temperatur-Kurve des Öles 4. Schritt: Berechnung der Sommerfeldzahl 5. Schritt: Ermittlung der relativen Exzentrizität für die errechnete Sommerfeldzahl aus dem Diagramm nach Bild Schritt: Berechnung des engsten Spaltes aus der Exzentrizität und dem Lagerspiel Dies wird in Bild schematisch verdeutlicht. So = Viskosit ät p! 2 " # Temperatur Reibung So $ Filmdicke Rauheit R Hydrodyn. Betriebsicherheit Bild 4.3.8: Schematische Darstellung der Vorgehensweise zur Lagerberechnung Einzelheiten der Lagerberechnung Um einerseits den Übergang in der Mischreibung mit Verschleiß und andererseits eine zu starke Erwärmung des Lagers und des Öles zu vermeiden, sind die untere und die obere Betriebsgrenze zu beachten. Dieser Zusammenhang wird anhand von Bild verdeutlicht.

176 Bild 4.3.9: Untere und obere Betriebsgrenze eines hdrodynamischen Geitlagers Eine Definition des Schnelllauf- und Schwerlastbereiches, jeweils gekennzeichnet durch das Verhältnis zwischen Belastung und Drehzahl erfolgt in Bild Bild : Definition von Schnelllauf- und Schwerlastbereich von Gleitlagern

177 Um einen verschleißfreien Betrieb eines Gleitlagers zu gewährleisten muß für einen Ölfilm gesorgt werden, dessen Dicke die Oberflächenrauheiten übersteigt. Dies bedeutet, dass die Exzentrizität nicht zu groß sein darf. Dies wird durch die Übergangsdrehzahl gewährleistet. Deren Definition wird in Bild erläutert. Bild : Übergangsdrehzahl eines Gleitlagers Eine weitere wichtige Konstruktionsgrösse ist das Lagerspiel. Zu unterscheiden sind das Einbauspiel und das Betriebsspiel. Je grösser das Lagerspiel ist, desto kleiner ist die Exzentrizität und desto kleiner ist der engste Spalt, so dass die Gefahr des Übergangs in die Mischreibung gegeben is. Es gelten daher die folgenden Grenzbedingungen: Lagerspiel nicht zu groß, um einen ausreichende Abstand zum Ausklinkpunkt zu gewährleisten. Lagerspiel nicht zu klein, um die Reibungswärme zu begrenzen. Man kann von der folgenden Faustregel ausgehen: Hohe Drehzahlen, niedrige Belastungen - großes Lagerspiel Niedrige Drehzahlen, hohe Belastungen - kleines Lagerspiel Mittelwerte für optimale Lagerspiele in Abhängigkeit der Gleitgeschwindigkeit, d.h. von der Umfangsgeschwindigkeit zeigt Bild

178 3 Lagerspiel = f (W ärmeentwicklung) = f ( Umgebungsgeschwindig - keit, nicht Drehzahl)! = f (u) ( ) Graphische Ermittlung des Lagerspiels Ausgleichskurve f ür Mittelwerte experimenteller Versuche! = " u /2,5 Bild : Optimale Lagerspiele Weitere allgemeine Hinweise zur Wahl des in Abhängigkeit verschiedener Konstruktionsgrößen enthält Bild Betriebsbedingungen Untere Werte f ür ψ Obere Werte f ür ψ Bild : Allgemeine Hinweise für die Wahl des Lagerspieles Die Lagertemperatur steigt bis zum Erreichen des thermischen Beharrungszustandes an, d.h. Erzeugte Wärme = Abgeführte Wärme.

179 Die Wärmeabfuhr erfolgt einerseits durch Konvektion, einschließlich Leitung und Strahlung und andererseits durch das umlaufende Öl. Die Gleichungen ur Ermittlung dieser Wärmeabfuhrgrößen enthält Bild Bild : Wärmeabfuhr aus einem Gleitlager Die in diesen Gleichungen verwendeten Zeichen werden in Bild erklärt und definiert. ) Bild : Definition der in Bild verwendetetn Zeichen

180 Die genannte Vorgehensweise sowie der Aufbau tragender Ölfilme setzt natürlich voraus, dass dem Lager die benötigte Ölmenge zugeführt wird. Diese muß natürlich dem Ölabfluß aus dem Lager entsprechen. Damit ergibt sich der folgende Ölbedarf eines Gleitlagers (Bild ). Bild : Ölbedarf von Gleitlagern Eine Abschätzung dieses Ölbedarfs ist durch die sogenannte Vergleichsölmenge möglich (Bild ).

181 Bild : Vergleichsölmenge eines Gleitlagers Die Berechnung eines Gleitlagers lässt sich schematisch wie folgt darstellen (Bild ). Bild : Schematische Darstellung einer Gleitlagerberechnung Dazu gilt zusammenfassend das folgende Flussdiagramm (Bild ).

182 Ablaufdiagramm Zur Berechnung und Optimierung von Gleitlagern Bild : Flussdiagramm zur Gleitlagerberechnung Konstruktive Hinweise Zu den wichtigsten Aspekten der konstruktiven Gestaltung einer Gleitlagerung gehören: - Einbau der Lagerung - Schmierstoffversorgung - Abdichtung - Kleinster zulässiger Spalt - Mögliche Anpassung der Lagerschale an die Wellendurchbiegung Wegen ihrer Bedeutung sollen hier die folgenden Aspekte behandelt werden: - Gestaltung von Ölnuten - Kleinste engster Spalt - Vermeidung von Verkantungen Die Ölnuten im Lager sollten so gestaltet werden, dass der hydrodynamische Druckaufbau möglichst wenig gestört wird. Bild zeigt den hydrodynamischen Druckaufbau in einem Gleitlager ohne und mit einer umlaufenden Nut. Zu bedenken ist, dass bei einer umlaufenden Nut die Spitzenöldrücke entsprechend höher sein können, was in extremen Fällen zur Beschädigung des Lagermateriales führen kann.

183 Bild : Druckaufbau mit und ohne umlaufende Ölnut Beispiele für mögliche Gestaltungen von Ölnuten zeigt Bild Bild : Mögliche Gestaltung von Ölnuten Der kleinste engste Spalt sollt so bemessen werden, dass unter Berücksichtigung der Rahtiefe der Oberflächen keine direkte Berührung stattfindet. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht.

184 Bei eingelaufenen Lagern und ungehärteten Oberflächen sind die Rauheitsspitzen geglättet. Richtwerte für anzustrebende Herstellungsrauheiten kann man Bild entnehmen. Bild : Kleinste zulässige Spalte und anzustrebende Rauheiten Bei im Lager verkannteter oder gekrümmter Welle kann es zu Kantenpressungen kommen, welche Verschleisserscheinungen nach sich ziehen. Daher sind Massnahmen zu treffen, die dies vermeiden. Vo allem ändert sch der hydrodynamische Druckaufbau, wie Bild zeigt. Schmierfildr ücke p oo im seitlich unbegrenzten + p im begrenzten Gleitraum Schmierfildr ücke p bei schiefstehender (verkanteter) Welle Schmierfildr ücke p bei gekr ümmter Welle Bild : Durch verkannteter oder gekrümmter Welle bedingte verändeter hydrodynamische Druckaufbau Es gibt verschiedene Massnahmen, um Kantenpressungen zu vermeiden. Richtige und falsche Gestaltung der Lagerung zeigt Bild

185 Vermeidung von Kantenpressungen Einfache Radiallager mit Breitenverh ältnis ß = b/d = 1 Erh öhte Kantenpressung + Reibung bei breiten Lagern Anpassungsf ähiges Radiallager f ür optimale Betriebsverh ältnisse ( Buske -Lager) Unterbrechung der Gleitfl äche durch Freidrehung in der Mittelzone von breiten Lagern Bild : Richtige und falsche Gestaltung eine Lagerung Wichtig ist dabei, dass sich die Lagerschale an die verkanntete oder gekrümmte Welle anpassen kann. Die Bilder und zeigen Beispiele für geeignete konstruktive Gestaltungen der Lagerungen. Bild : Gestaltung der Lagerschale zur Vermeidung von Kanten- Pressungen

186 Randnachgiebige Lagerbuchsen durch frei auskragende Buchsenenden Radiallager mit Kugelsitzfl äche im horizontal geteilten Geh äuse + Halteschraube a. durch Freidrehungen an den Buchsenau ßenflächen b. durch Verj üngung der Buchsenenden Lager mit breiter Sitzfl äche + verk ürzter Gleitfl äche durch Freihdrehungen an den Lagerenden Randnachgiebige Lagerbuchse mit erh Querschnittssteifigkeit (Schlauchlager) öhter Bild : Gestaltung der Lagerung zur Vermeidung von Verkantungen 4.4 Wälzlager Einführung Die ideale Rollbewegung ist durch eine Punkt- oder Linienberührung gekennzeichnet, woraus sich eine gegen Null gehende Reibung ableiten lässt. Reale Wälzlager sind aber durch eine Kombination aus Roll- und Gleitbewegung gekennzeichnet, die als Wälzbewegung bezeichnet wird. Daher der Name Wälzlager. Zur Bezeichnung der Wälzlager dienen verschiedene Kriterien: Radial- oder Axiallager Kugel- oder Rollenlager Bild enthält eine Übersicht über die verschiedenen Wälzlagertypen. Eine Zuordnung zwischen Lagertyp und Anforderungserfüllung geh aus Bild hervor.

187 Wälzlager-Bauformen -Übersicht Drehende Bewegungen für Wälzlager für Lineare Bewegungen vorwiegend radiale Belastungen kombinierte radiale u. axiale Belastungen vorwiegend axiale Belastungen Linear - führungs - systeme Kugellager Rollenlager Kugellager Rollenlager Kugellager Rollenlager Kugellager Rollenlager Rillen - kugellager Einstellrillen - Zylinder - rollenlager mit K äfig kugellager Zylinder - Pendel - rollenlager kugellager vollrollig Schulter - kugellager Schrägkugellager einreihig Schrägkugellager zweireihig Laufrollen Pendel - rollenlager Tonnenlager Schulter - kugellager (paarweise) Schrägkugellager einreihig Schrägkugellager zweireihig Vierpunkt - lager Kegelrollen - lager (paarweise Zylinder - rollenlager (mit Borden) Kreuz - rollenlager Nadellager Nadelkr änze Kugel - drehkr änze Rollen - drehkr änze Nadelh ülsen Kombinierte Radial -Axiallager Axial - Zylinder - rollenlager Axial -Rillen - kugellager Axial -Schrägkugellager Axial - Pendel - rollenlager Axial - Nadellager Kugelflach - käfige Kugelumlauf - schuhe Linear - kugellager Kugelumlauf - führungen Miniatur - Linear - führungen Laufrollen Angetriebene Linear - einheiten Rollenflach - käfige Flachk äfig - führungen Rollenumlauf - schuhe Rollenumlauf - einheiten Miniatur - Linear - führungen Laufrollen Bild 4.4.1: Übersicht über die verschiedenen Wälzlagertypen Aus Bild kann man eine Zuordnung zwischen dem Anforderungssprofil und einem optimalen Wälzlagertyp entnehmen. Für einzelne Kriterien besonders geeignete Lager Bild 4.4.2: Zuordnung zwischen Anforderungsprofil und optimalem Lagertyp Oft wird angenommen, dass die Schmierung von Wälzlagern nur eine untergeordnete Bedeutung hat. Dies ist nicht richtig. Bild zeigt eine Analyse der wichtigsten Ursachen für Wälzlagerschäden und man erkennt, dass 43% auf tribologische Einflüsse zurückzuführen sind. Montagefehler stehen an zweiter

188 Stelle als Schadensursache, während die Ermüdung nur für etwa 9 % der Schäden verantwortlich ist. Analyse der wichtigsten Ursachen f ür den vorzeitigen Ausfall von W älzlagern Schäden durch Erreichen der Ermüdungslebensdauer 9% Schäden durch ungeeignete Schmierung 43% Schäden durch andere Ursachen 21% Schäden durch ungeeignete Montage 27% Bild 4.4.3: Analyse der wichtigsten Ursachen für Wälzlagerschäden Einflüsse von Belastung und Schmierung auf die Wälzlagerreibung Bild zeigt die Abhängigkeit der Reibungsverluste in einem Wälzlager von der Drehzahl und der Belastung. Die unterschiedliche Anteile durch die Belastung einerseits und die Viskosität/Drehzahl andererseits sind deutlich zu erkennen. MR mmkg M 0 = Reibungsverlust durch EHD-Schmierung M 1 = Reibungsverlust durch Werkstoff -Hysterese M 2 = Reibungsverlust durch Gleitung d m M 2 M 0 H mm = R tw M 1

189 Bild 4.4.4: Abhängigkeit der Reibungsverluste von Drehzahl/Viskosität und Belastung Der konstante lastabhängige Reibungsanteil ist gut zu erkennen. Deutlich wird auch der Anstieg des Reibungsmomentes durch den zunehmenden hydrodynamischen bzw. elastohydrodynamischen Anteil, abhängig von Drehzahl und Viskosität. Eine Zusammenfassung der Einflüsse von Belastung und Schmierung auf die Wälzlagerreibung zeigt Bild Belastungseinfluss Reibungsmoment M R = M O + M 1 lastabh ängig drehzahl- + viskositätsabh ängig Schmierungseinfluss Einfluss der Viskosit ät! Einfluss der Ölmenge! EHD-Schmierung Bild 4.4.5: Einflüsse von Belastung und Schmierung auf die Wälzlagerreibung Bild zeigt das Reibungsmoment in einem Axialwälzlager für unterschiedliche Belastungen. Die Parallelverschiebung der Reibungskurven ist deutlich zu erkennen und verdeutlicht den Belastungs- und den hydrodynamischen Anteil.

190 22 Ø - 22 [mm] MR [mmkp ] d m = 215 [mm] Schmierung: Mineral öl 125 cst F a = kp F a = kp F a = kp d m n = 215 [mm min -1 ] Bild 4.4.6: Reibungsmoment in einem Axialwälzlager für unterschiedliche Belastungen Den Einfluß der Ölviskosität auf die Reibung in einem Wälzlager zeigt Bild Man erkennt deutlich, dass mit steigender Viskosität der Ausklinkpunkt, also der Übergang von der Mischreibung mit Verschleiß zur hydrodynamischen Reibung zu niedrigeren Drehzahlen verschoben wird. Allerdings steigt die Reibung danach mit der Drehzahl steiler an. MR [mmkp ] Ø - 22 [mm] F a = kp Schmierung: Mineral öl 4500 cst d m n = [mm min -1 ]!d m n = 2, [cst mm min -1 ] 550 cst d m = 215 [mm] 125 cst 20 cst

191 Bild 4.4.7: Reibungsmoment in Abgängigkeit von der Drehzahl für verschiedene Ölviskositäten Die Dicke des sich im Lagerspalt aufbauenden hydrodynamischen Tragfilms hängt bei gegebener Ölviskosität von der zur Verfügung gestellten Ölmenge ab. Ein dickerer Film erzeugt natürlich mehr Reibung. Dieser Zusammenhang wird anhand von Bild verdeutlicht. In den engen Lagerspalten eines Wälzlagers ist zum Aufbau eines Tragfilms nur wenig Öl erforderlich. Jedes überschüssige Öl erzeugt Reibung, die zum Temperaturanstieg führt. Man kann also in einem Wälzlager durch zu viel Schmierstoff einen Schaden verursachen. MR [mmkp ] F a = kp Ø 22 [mm] Schmierung: Mineral öl 550 cst Voll -EHD -Film + Ölüberschu ß d m = 215 [mm] Voll-EHD-Film Teil -EHD -Film d m n = [mm min -1 ] Bild 4.4.8: Reibungsmoment in Abhängigkeit von der Ölfilmdicke in einem Wälzlager Das unterschiedlich Reibungsverhalten eines Wälzlagers bei Öl- und Fettschmierung soll anhand von Bild erläutert werden. Zunächst ist klar ersichtlich, dass die Reibung in einem frisch gefetteten nach einer gewissen Betriebszeit absinkt, weil sich das Lager überschüssigem Fett befreit. Wird das Lager aber mit einem Öl geschmiert, welches die gleiche Viskosität wie jene des Grundöls in dem Fett aufweist, steigt die Reibung mit der Drehzahl steiler an als bei Fettschmierung. Daraus lässt sich ableiten, dass ein mit reichlich Öl geschmiertes Lager mehr Reibung erzeugen kann, als ein fettgeschmiertes Lager, welches sich von überschüssigem Fett befreien kann.

192 Li-Fett Grund öl: 385 cst MR [mmkp ] Ø 22 [mm] = frisch gefettet = nach kurzer Betriebszeit F a = kp F a = kp d m = 215 [mm] Mineral öl 385 cst F a kp d m n = [mm min -1 ] Bild 4.4.9: Reibungsverlauf bei Fett- oder Ölschmierung Bedeutung von Verunreinigungen in Wälzlagern Wälzlager sind sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Öl. Dies bezieht sich sowohl auf feste Partikel als auch auf Wasser. Bild zeigt den Lagerverschleiß in Abhängigkeit von der Ölviskosität. Man erkennt, dass eine bestimmte Menge an Partikeln den Verschleiß des Lagers in einem bestimmten Versuch von 5 mg auf 100 mg ansteigen lässt. Wird nun die Viskosität verringert, was mit einem dünneren Film und somit mit einer niedrigeren Reibung verbunden ist, verursacht die gleiche Partikelmenge einen Verschleißanstieg von 12 auf 150 mg, bei einer noch niedrigeren Viskosität von 20 auf 280 mg. Dieser Effekt kann nur damit erklärt werden, dass mit abnehmender Viskosität, verbunden mit einer sich verringernden Reibung, der hydrodynamische Ölfilm immer dünner wird, so dass immer weniger der gleichen Anzahl von Partikeln, die natürlich unterschiedliche Größen haben, durch den Spalt passen. Ein zunehmender Verschleiß ist die Folge.

193 G Verschlei ßgewicht [mg] 5 = Mineral öl = Mineral öl mit 1 Fe 2 O c F a = kp n = U/min dm n = mm min -1 Laufzeit = 20 Std _ = 20 c = t [ C] 44 12,5 8! [cst] Bild : Abhängigkeit des Verschleißes in einem Wälzlager von der Ölviskosität (Ölfilmdicke) Auch Wasserspuren in dem Öl reduzieren die Lagerlebensdauer erheblich (Bild ). 3 2,5 Lebensdauer 2 1,5 1 0,5 0 0,001 0,01 0,03 0, Wassergehalt % (nach FAG) Bild : Reduzierte Lagerlebensdauer durch Wasser im Öl

194 Bereits ein Wassergehalt von 0,03 % reduziert die Lagerlebensdauer um 50 % Schmierung von Wälzlagern Allgemeine Zusammenhänge Für eine optimale Schmierung müssen die folgenden Parameter berücksichtigt werden: - Schmierstoff: Festschmierstoff, Schmierfett oder Öl - Schmierverfahren - Geräte zur Schmierstoffzufuhr - Konstruktive Maßnahmen - Erreichbarer Drehzahlkennwert - Geeignete Lagerbauarten Bild gibt Hinweise für den Zusammenhang zwischen den genannten Parametern bei Schmierung mit Festschmierstoffen und Schmierfetten. Schmierstoff Schmierverfahren Geräte für das Schmierverfahren Festschmier - stoff Konstruktive Maßnahmen for -life -Schmierung Nachschmierung Erreichbarer Dreh - zahlkennwert n d m in min - 1 mm 1 = 1500 Geeignete Lagerbauarten, Betriebsverhalten Vorwiegend Rillenkugellag er Fett for -life -Schmierung Nachschmierung Sprühschmierung Handpresse, Fettpumpe Verbrauchs - schmieranlage Zuführbohrungen, even - tuell Fettmengenregler, Auffangraum für Altfett Zuführung durch Rohre oder Bohrungen, Auffangrau m für Altfett = 0, = 0, für geeignete Sonderfette, Schmierfristen nach Diagramm 19 Alle Lagerbauarten, außer Axial - Pendelrollenlager, jedoch abhängig von Drehgeschwindigkeit und Fettart. Niedrige Reib ung und günstiges Geräuschverhalten mit Sonderfetten Bild : Wahl des Schmierungsverfahrens für Festschmierstoffe und Schmierfette Wird mit Öl in größeren Mengen geschmiert, gelten die in Bild Zusammenhänge.

195 Schmierstoff Schmierverfahren Geräte für das Schmierverfahren Öl (größere Ölmenge) Ölsumpfschmierung Ölumlaufschmierung durch Eigenförderung der Lager oder dem Lager zugeordnete Förderelemente Ölumlaufschmierung Peilstab, Standrohr, Niveaukontrolle Umlaufschmieranlage Öleinspritzschmierung Umlaufschmieranlage mit Spritz-düsen Konstruktive Maßnahmen Erreichbarer Drehzahlkennwert n d m in min -1 mm 1 Gehäuse mit ausreichendem Ölvolumen, Überlaufbohrungen, Anschluß für Kontrollgeräte Ölzulaufbohrungen, Lagergehäuse mit ausreichendem Volumen. Förderelemente, die auf Ölviskosität und Drehgeschwindigkeit abgestimmt sind. Förderwirkung der Lager beachten. ausreichend große Bohrungen für Ölzulauf und Ölablauf Ölzulauf durch gerichtete Düsen, Ölablauf durch ausreichend große Bohrungen 0, Muß jeweils ermittelt werden bis 4-10 = erprobt Geeignete Lagerbauarten, Betriebsverhalten Alle Lagerbauarten. Geräuschdämpfung abhängig von der Ölviskosität, höhere Lagerreibung durch Ölplanschverluste, gute Kühlwirkung, Abführung von Verschleißteilchen bei Umlauf- und Spritzschmierung Bild : Wahl des Schmierungsverfahrens für größere Ölmengen Wird Öl in kleinen aber ausreichenden Mangen zugeführt, kann man sich an die Hinweise in Bild halten. Schmierstoff Schmierverfahren Geräte für das Schmierverfahren Konstruktive Maßnahmen Erreichbarer Drehzahlkennwert n d m in min -1 mm 1 Geeignete Lagerbauarten, Betriebsverhalten Öl (Minimalmenge) Ölimpulsschmierung Öltropfschmierung Ölnebelschmierung Öl-Luft-Schmierung Sprühschmierung Ölnebelanlage, evtl. Ölabscheider Verbrauchsschmieranlage, Tropföler, Ölsprühschmieranlage Öl-Luft- Schmieranlage Verbrauchsschmieranlage Ablaufbohrungen eventuell Absaugvorrichtung eventuell Absaugvorrichtung Zuführung durch Rohre oder Bohrungen, Auffangraum für Altfett = 1, abhängig von Lagerbauart, Ölviskosität, Ölmenge, konstruktiver Ausbildung Alle Lagerbauarten. Geräuschdämpfung abhängig von der Ölviskosität, Reibung von der Ölmenge und der Ölviskosität abhängig. Bild : Wahl des Schmierungsverfahrens für eine Minimalmengen- Schmierung Für die Entscheidung zwischen Fett- und Ölschmierung sind die folgenden Gesichtspunkte zu berücksichtigen:

196 - Drehzahl, d.h. Erwärmung - Konstruktion - Betriebsbedingungen - Wartung Bild enthält hierzu einige Hinweise. a) Drehzahlgrenze = f (Lagertyp) Richtwert : n d m > 0,5 10 6! Ölschmierung (bei Nachschmierfrist > 200 h) c) Betriebsbedingungen Wärmeabfuhr b) Konstruktion Dichtungen Andere Reibstellen Geräuschdämpfung Vibrationsdämpfung d) Wartung Lebensdauerschmierung Abtropfen Bild : Hinweise für die Entscheidung für Fett- oder Ölschmierung Zulässige Drehzahlen in Abhängigkeit von der Lagergröße für verschiedene Lagertypen zeigt Bild Man erkennt, dass bei gegebener Lagergröße die zulässige Drehzahl für Fettschmierung bi einem Pendelrollenlager viel niedriger ist als bei einem Rillenkugellager. Der Grund hierfür ist der viel höhere Gleitanteil der Geschwindigkeit bei Rollenlager, der zu niedrigeren Grenzdrehzahlen für Fettschmierung führt. Dieser unterschiedliche Gleitanteil wird durch einen Faktor gekennzeichnet. Einzelheiten hierzu enthält Bild , welches eine Grenzkurve für den Übergang von der Fettschmierung zur Ölschmierung zeigt. Zusätzlich zeigt dieses Bild die zulässigen Betriebsbereiche N, HL und HN, die wie folgt gekennzeichnet sind: Bereich N - Normaler Betriebsbereich für Schmierfette K nach DIN Bereich HL - Bereich hoher Belastungen für Schmierfette KP Bereich HN - Bereich hoher Drehzahen

197 Fettauswahl nach Belastungsverh ältnis P/C und lagerbezogenem Drehzahlkennwert k a n d m Bereich N Normaler Betriebsbereich. W älzlagerfette K nach DIN Bereich HL Bereich hoher Belastungen. W älzlagerfette KP nach DIN oder andere geeignete Fette. Bereich HN Bereich hoher Drehzahlen. Fette f ür schnell laufende Lager. Bei Lagerbauarten mit k a > 1 Fette KP nach DIN oder andere geeignete Fette. k a - Werte k a = 1 Rillenkugellager, Schr ägkugellager, Vierpunktlager, Pendelkugellager, radial belastete Zylinderrollenlager, Axial -Rillenkugellager. k a = 2 Pendelrollenlager, Kegelrollenlager, Nadellager. k a = 3 axial belastete Zylinderrollenlager, vollrollige Zylinderrollenlager. P/C bei radial belasteten W älzlagern 0,9 0,6 0,3 HL 0,15 0,09 N 0,06 HN 0,03 0, k a n d m [min-1 mm] 0,6 0,4 0,2 0,1 0,06 0,04 0,02 0,013 P/C bei axial belasteten W älzlagern Bild : Abgrenzung zwischen Fett- und Ölschmierung Eine Beschreibung der geeigneten Schmierfette für bestimmte Anforderungen kann man Bild entnehmen. Schmierfette f ür Beschreibung Hohe Drehzahlen und Fette der NLGI -Klasse 2 (evtl. 1) mit Oxidationsinhi - hohe Temperaturen bitoren, auch mit synthetischen Fl üssigkeiten (z. B. Silikonöle) und/oder Nichtseifenverdickern Niedrige Laufger äusche Speziell gefilterte Fette (Maschenweite 25 µm), evtl. höhere Grund ölviskosität Niedrige Reibung Fette der NLGI -Klasse 2; synthetische Fl üssigkeiten niedriger Viskosit ät als Grund öl Niedrige Dr ücke Fette mit Grund ölen, deren niedrigsiedende Bestand - teile entfernt wurden ( Apiezonfette ), oder mit syntheti - schen Flüssigkeiten niedriger Verdampfungsneigung (z. B. Silikon öle) Strahlenbest ändigkeit Fette mit Nichtseifenverdicker (Gel) und strahlenbe - ständiger fl üssiger Phase (aromatischer Kw), evtl. mit Strahlenschutzstoffen (Additiven) Bild : Beschreibung der Schmierfette für bestimmte Anforderungen Wichtiger Aspekt für die Wahl eines Schmierfettes ist die zu erwartende Temperatur. Dabei gilt generell, daß mit zunehmender Betriebstemperatur immer

198 höherwertige Fette verwendet werden müssen, die natürlich höhere Kosten bedeuten. Stark vereinfacht kann man von den folgenden relativen Schmierfettpreisen in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur im Wälzlager ausgehen: 100 C C C /170 C /200 C /250 C Werden die zulässigen Betriebsgrenzen für eine Fettschmierung überschritten, muß auf Ölschmierung übergegangen werden. Hierfür erfolgt eine Berechnung der Ermüdungslebensdauer nah DIN/ISO 281 unter der Berücksichtigung - des Lagertyps, - der Schmierung und - der Sauberkeit des Schmierstoffs. Die nominelle Ermüdungslebensdauer ergibt sich nach der Standardberechnung wie in Bild L 10 = (C/P) p 33,3/n [Stunden] Dabei sind L 10 C P Ermüdungslebensdauer (Stunden) Dynamische Tragzahl (kn) Dynamisch Äquivalente Belastung des Lagers (kn) p Lebensdauerexponent (3 f ür Kugellager bzw. 3,33 f ür Rollenlager) n Drehzahl (U/min) Bild : Berechnung der nominellen Ermüdungslebensdauer Unter Berücksichtigung von Ausfallwahrscheinlichkeit sowie Werkstoff- und Schmierungseinfluß ergibt sich dann die modifizierte Ermüdungslebensdauer wie folgt (Bild ).

199 L na = a 1 a 2 a 3 L 10 mit a 1 = Faktor f ür Ausfallwahrscheinlichkeit a 2 = Faktor f ür Werkstoffeinfluss a 3 = Faktor f ür Schmierungseinfluss Bild : Berechnung der modifizierten Ermüdungslebensdauer Bild zeigt die Berechnung der erweiterten modifizierten Ermüdungslebensdauer aus der nominellen Lebensdauer. Dazu werden die Ausfallwahrscheinlichkeit, der Temperaturfaktor und ein spezieller DIN-Faktor benötigt. L na = a 1 a 2 a 3 f t L 10 = a 2 a 23 L 10 L nm = L na! f t mit f t = Faktor f ür Temperatureinfluss! = Faktor f ür Sauberkeit Neu L nm = a 1 f t a DIN L 10 Bild : Berechnung der erweiterten modifizierten Lebensdauer

200 Die Bilder , und enthalten den Faktor für die Ausfall- Wahrscheinlichkeit, den Temperaturfaktor sowie den DIN-Faktor. Ausfallwahr - scheinlichkeit % Faktor a 1 1 0,62 0,53 0,33 0,21 Bild : Faktor für die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Wälzlagers Betriebs - temperatur C C C C Temperatur - faktor f t 1,00 0,73 0,42 0,22 Bild : Temperaturfaktor

201 Cu a DIN = f (e c P,!) Schmierstoff: Sauberkeit bzw. Verunreinigung Die Einflussgr ößen auf den Faktor a DIN Schmierstoff: EP - Wirksamkeit der Additive Belastung des Lagers a DIN Betriebs - temperatur Erm üdungs- Grenzbelastung Schmierstoff: Nennviskosit ät Bild : DIN-Faktor Die verschiedenen Schritte zur Berechnung der erweiterten modifizierten Ermüdungslebensdauer werden in Bild beschrieben. Erweiterte modifizierte Lebensdauer: L nm = a 1 f t a DIN L 10 (Stunden) Berechnung in 5 Schritten 1. Schritt: Ermittlung der Belastung P 2. Schritt: Ermittlung der Erm üdungsgrenzlast C u 3. Schritt: Ermittlung des Verunreinigungsbeiwertes e c 4. Schritt: Ermittlung des Viskosit ätsverhältnisses! 5. Schritt: Ermittlung des Faktors a DIN 6. Schritt: Ber ücksichtigung der Ausfallwahrscheinlichkeit a 1 und des Temperatureinflusses f t Ermittlung der erweiterten modifizierten Lebensdauer L nm Bild : Schritte zur Berechnung der erweiterten modifizierten Modifizierten Lebensdauer

202 Während die Belastung aus den Konstruktionsdaten sowie dem Lagertyp bestimmt werden kann, muß die Ermüdungsgrenzlast vom Lagerherstellen erfragt werden. Zur Abschätzung des Verunreinigungsbeiwertes können die Angaben in Bild verwendet werden. Der Verunreinigungsbeiwert ec Grad der Verunreinigung Grösste Sauberkeit Partikel in der Gr öße der Schmierfilmh öhe Laborbedingungen Gro ße Sauberkeit Feinstfiltrierung der Ölzufuhr abgedichtete Lager bei Fettschmierung Normale Sauberkeit Feinfilterung der Ölzufuhr abgedeckte Lager bei Fettschmierung Leichte Verunreinigung: Leichte Verunreinigung in der Ölzufuhr Typische Verunreinigung: Abrieb von anderen Maschinenelementen gelangt in das Lager Starke Verunreinigung: stark verschmutzte Lagerumgebung und unzureichende Abdichtung der Lagerstelle Sehr starke Verunreinigung: Beiwert e c D pw <100mm D pw >100mm bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis Bild : Abschätzung des Verunreinigungsbeiwertes Als nächstes muß das Viskositätsverhältnis als Maß für die geeignete Viskosität im Lager ermittelt werden (Bild ). Als Ma ß für die G üte der Schmierfilmbildung dient das Viskosit ätsverh ältnis! Viskosit ätsverh ältnis! = " / " 1 " ist die im betrachteten Fall vorliegende Viskosit ät (mm _/s) bei Betriebstemperatur, zu bestimmen aus einem nachfolgenden Diagramm " 1 ist die Bezugsviskosit ät (mm _/s), die vom Lagerteilkreisdurchmesser und von der Lagerdrehzahl abh ängt; auch sie wird aus einem nachfolgendem Diagramm bestimmt Man kann! auch als Verh ältnis von gegebener zu erforderlicher Viskosit ät des Schmiermittels bezeichnen Bild : Ermittlung der effektiven Viskosität im Lager

203 Dazu wird zunächst die vom Lager in Abhängigkeit von Lagergröße und Drehzahl abhängige benötigte Viskosität bestimmt (Bild ). Danach kann abgeschätzt werden, welche Viskosität das gewählte Öl im Lager aufweist (Bild ). Viskosit ätsverhältnis κ Ermittlung der benötigten Viskosit ät ν 1 Bild : Ermittlung der benötigten Viskosität in Abhängigkeit von Drehzahl Und Lagergröße Viskosit ätsverh ältnis! Ermittlung der vorhandenen Viskosit ät " Bild : Ermittlung der vorhandenen Viskosität im Lager für das gewählte Öl

204 Zur Bestimmung des Erweiterungs- oder DIN-Faktors stehen für die folgenden Wälzlager-Grundausführungen eigene Diagramme zur Verfügung. Radial-Rollenlager (Bild ) Axial-Rollenlager (Bild ) Radial-Kugellager (Bild ) Axial-Kugellager (Bild ) Ermittlung des Faktors a DIN als Funktion von e c Cu/P für verschiedene κ-werte Radial -Rollenlager Bild : Ermittlung des DIN-Faktors für Radial-Rollenlager Ermittlung des Faktors a DIN als Funktion von e c Cu/P für verschiedene κ-werte Axial -Rollenlager Bild : Ermittlung des DIN-Faktors für Axial-Rollenlager

205 Ermittlung des Faktors a DIN als Funktion von e c Cu/P für verschiedene κ-werte Radial - Kugellager Bild : Ermittlung des DIN-Faktors für Radial-Kugellager Ermittlung des Faktors a DIN als Funktion von e c Cu/P für verschiedene κ-werte Axial-Kugellager Bild : Ermittlung des DIN-Faktors für Axial-Kugellager Nachschmierung von Wälzlagern Fettgeschmierte Wälzlager

206 Bei der Erstbefüllung eines Wälzlagers mit Schmierfett kann man sich an die folgenden Regeln halten. Dabei gilt der Grundsatz, wonach die Nachschmierfrist umso länger ist, je mehr Schmierfett sich in der Nähe des Lagers befindet Dabei ist aber zu bedenken, dass bei schnell drehenden Lagern das Schmierfett zu erhöhter Reibung beitragen kann. - Die freien Räume im eigentlichen Lager sind vollständig mit Fett zu befüllen. - Bei sehr langsam laufenden Lagern ist auch der Gehäuseraum mit Fett vollständig zu befüllen. - Bei sehr schnell laufenden Lagern ist der Gehäuseraum nur teilweise (etwa zu 30 bis 40 %) mit Fett zu befüllen. Die Nachschmiermengen und fristen hängen von der Lagergröße, der im Lager befindlichen Fettmenge sowie die Betriebsbedingungen ab. Die sich ergebende nominelle Nachschmierfrist ist mit sogenannten Minderungsfaktoren zu multiplizieren. Hinweise hierzu enthält Bild Nachschmierung Schmierfristen = f (n d m und Lagertyp) Tats ächliche Schmierfristen = f (Betriebs -, Umweltbedingungen) t fq = t f f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 fq = t f q Ermittlungen der Minderungsfaktoren Bild : Ermittlung der Nachschmierfristen für Wälzlager Hinweise für die Minderungsfaktoren durch erschwerte Betriebszustände kann man Bild entnehmen.

207 Einfluß von Staub und Feuchtigkeit an den Funktionsflächen des Lagers mäßig f 1 = 0,9... 0,7 stark f 1 = 0,7... 0,4 sehr stark f 1 = 0,4... 0,1 Einfluß von stoßartiger Belastung, Vibrationen und Schwingungen mäßig f 2 = 0,9... 0,7 stark f 2 = 0,7... 0,4 sehr stark f 2 = 0,4... 0,1 Einfluß höherer Lagertemperatur Mäßig (bis 75 C) Stark (75 bis 85 C) sehr stark (85 bis 120 C) f 3 = 0,9... 0,6 f 3 = 0,6... 0,3 f 3 = 0,3... 0,1 Einfluß hoher Belastung P/C = 0,1... 0,15 P/C = 0, ,25 P/C = 0, ,35 f 4 = 0,9... 0,7 f 4 = 0,7... 0,4 f 4 = 0,4... 0,1 Einfluß von Luftströmung durch das Lager geringe Strömung f 5 = 0,7... 0,5 starke Strömung f 5 = 0,5... 0,1 Bei Zentrifugalwirkung oder bei senkrechter Welle je nach Abdichtung f 6 = 0,7... 0,5 Bild : Minderungsfaktoren für ungünstige Betriebs- und Umgebungsverhältnisse In der Praxis kann der gesamte Minderungsfaktor Werte von kleiner 0,1 annehmen. Ausserdem sind noch die Gleitverhältnisse im Wälzlager zu berücksichtigen. Wälzlager mit niedrigerer Gleitreibung, z.b. Radialkugellager, weisen einen niedrigeren Minderungsfaktor auf als Lager mit höheren Gleitanteilen, z.b. Axialrollenlager. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht. Lagerbauart Rillenkugellager Schrägkugellager einreihig zweireihig einreihig zweireihig _ = 15 kf 0,9... 1,1 1,5 1,6 2 0,75 Fettgebrauchsdauer F10 f ür Standardfette auf Lithiumseifenbasis nach DIN 51825, bei 70 C, _ = 25 0,9 Ausfallwahrscheinlichkeit 10 % Spindellager Vierpunktlager 1,6 Pendelkugellager 1,3... 1,6 Axial-Rillenkugellager Axial-Schrägkugellager zweireihig 1,4 Zylinderrollenlager einreihig zweireihig vollrollig ,5*) 3,5 25 Axial-Zylinderrollenlager 90 Nadellager 3,5 Kegelrollenlager 4 Tonnenlager 10 Pendelrollenlager ohne Borde ( E ) Pendelrollenlager mit Mittelbord *) für radial und konstant axial belastete Lager; bei wechselnder Axiallast gilt k f = Schmierfrist tf [h] k f n d m [10 3 min -1 mm] Bild : Nachschmierfristen bei günstigen Betriebsverhältnissen für unterschiedliche Gleitanteile

208 Ölgeschmierte Wälzlager Auch bei ölgeschmierten Wälzlagern besteht ein Zusammenhang zwischen verfügbarer Ölmenge und Ölwechselfrist. Bei gegebener Lagergröße kann eine bestimmte Ölmenge umso länger im Einsatz bleiben, je größer diese ist. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht. Ölmenge und Ölwechselfrist in Abh ängigkeit von der Lagerbohrung Lagerbohrung d 300 mm Ölwechselfrist 2-3 Monate Monate ,2 0,4 0,6 1, I 20 Ölmenge Bild : Zusammenhang zwischen Lagergröße, Ölwechselfrist und Ölmenge Konstruktive Hinweise Fettgeschmierte Wälzlager Durch eine optimale konstruktive Gestaltung der gesamten Lagerung muß gewährleistet werden, daß einerseits die Schmierung sichergestellt wird und andererseits beim Nachschmieren eine Überschmierung vermieden wird. Ein Idealfall liegt vor, wenn Wälzlager verwendet werden können, die vom Lagerhersteller gefettet und abgedichtet sind. Dabei ist aber darauf zu achten, dass die Lebensdauer des Lagers und jene der Fettfüllung identisch sind, weil eine Nachschmierung nicht möglich ist. Bild zeigt einige Beispiele für eine solche Lösung.

209 Abgedichtete und vom W älzlagerhersteller gefettete Lager Bild : Gefettete und abgedichtete Wälzlager Eine gezielte seitliche Nachschmierung einschließlich der Beobachtung des Schmierungszustandes ist durch die in Bild gezeigte Lösung möglich. C Z S K F B Bild : Gezielte seitliche Nachschmierung einer Wälzlagerung Eine Lösung zur Schmierung mehrerer Einzellager oder zweireihiger Lager wird in Bild gezeigt. Die Fettzufuhr kann dabei durch den Lageraußenring erfolgen oder durch Bohrungen zwischen den einzelnen Lagern einer Lagerung.

210 Bild : Zufuhr des Schmierfettes durch den Lageraußenring Bei einer Nachschmierung muß gewährleistet werden, dass die Wälzlager nicht überschmiert werden. Hierzu dienen sogenannte Fettmengenregler, welche nach der vollständigen Befüllung des Lagers mit Fett durch Fliehkraftwirkung sicherstellen, dass sich das Lager von überschüssigem Fett befreien kann. Bild zeigt die Funktionsweise eines solchen Reglers. S S A A vor dem Anlauf während des Betriebes Bild : Funktionsweise eines Fettmengenreglers

211 Die Förderwirkung ins solchen Reglers kann durch Veränderung des Duchmessers des Ringspaltes variiert werden. Bild zeigt dies an einem Beispiel. Die Förderwirkung der Reglerscheibe richtet sich nach dem Scheibendurchmesser a b c Bild : Veränderung der Förderwirkung der Reglerscheibe Wie aus Bild ersichtlich ist, kann eine solche Regelung der im Lager verbleibenden Fettmenge auch bei senkrechter Welle vorgesehen werden. Bild : Fettmengenregler bei senkrecher Welle

212 Ölgeschmierte Wälzlager Beispiele für große Ölmengen im Bereich der Lagerung ohne die Eintauchtiefe der Wälzkörper zu erhöhen, zeigen die Bilder und Bild : Tauchschmierung bei Wälzlagern Spritz öl wird in einer Fangtasche gesammelt und Bohrungen dem Zylinderrollenlager zugeleitet über Bild : Durch Fangtasche gewährleistet Ölversorgung einer Lagerung

213 Der Ölumlauf wird gewährleistet, ohne dass eine fremdangetriebene Ölpumpe benötigt wird. Eine ähnliche Lösung wird in Bild gezeigt. Bild : Schmierung von Zahnrädern und Wälzlager Bild zeigt die Ölförderung durch einen Ölförderring aus einem großen Ölbehälter unterhalb der Lagerung. A A R Bild : Ölzufuhr zum Lager durch Ölförderring

214 Auch bei senkrechter Welle kann die Ölförderung ohne Pumpe gewährleistet werden. Bild zeigt eine solche Lösung durch einen Förderkegel. S Bild : Ölförderung durch einen Förderkegel Eine ähnliche Lösung zeigt Bild , wobei die Ölförderung durch eine konische Hohlspindel erfolgt. S Bild : Ölförderung durch eine konische Bohrung in einer Hohlspindel

215 Bekanntlich besitzen manche Lagerbauformen eine interne Förderwirkung. So maß etwa bei einem Kegelrollenlager das Öl am kleinen Durchmesser zugeführt werden, weil es zum großen Durchmesser gefördert wird. Bild zeigt eine solche Lösung. Das am großen Durchmesser eingespritzte Öl dient in erster Linie der Kühlung des Lagers. Öleinspritzschmierung: Beidseitige Ölzufuhr bei schnellaufendemkegelrollenlager Bild : Öleinspritzung in ein Kegelrollenlager 4.5 Zahnradpaarungen Einführung Getriebe diesen der Kraft- und Momentenübertragung. Dies kann durch Strömungsgetriebe mit fluchtenden Wellen und durch mechanische Getriebe mit nicht-fluchtenden Wellen geschehen(bild 4.5.1).

216 GETRIEBE ZUR KRAFT - UND BEWEGUNGS ÜBERTRAGUNG FLUCHTENDE WELLEN STRÖMUNGSGETRIEBE NICHT FLUCHTENDE WELLEN MECHANISCHE GETRIEBE UNGLEICHF ÖRMIGE ÜBERSETZUNG GLEICHF ÖRMIGE ÜBERSETZUNG KRAFTSCHL ÜSSIGE ÜBERTRAGUNG STUFENLOSE ÜBERSETZUNG FORMSCHLÜSSIGE ÜBERTRAGUNG STUFENWEISE ÜBERSETZUNG z.b. ZAHNRADGETRIEBE Bild 4.5.1: Der Getriebebaum bis zu den Zahnradgetrieben Grundsätzlich zu unterscheiden sind die geschlossenen und die offenen Getriebe. Sie sind wie folgt zu kennzeichnen: Geschlossene Getriebe: - Zentral- oder Umlaufschmierung - Breite Last-/Moment-, Geschwindigkeits und Temperaturbereiche - Lange, ununterbrochene Betriebezeiten mit starker Verwirbelung - Alle Zahnradtypen - Verschiedene Schmierstofftypen und Viskositäen Offene Getriebe - In der Regel grosse, langsam laufende Getriebe - Meistens Stirnradgtriebe - Hochleistungsgetriebe - Schmierstoffeinsatz als Verlustschmierung - Hochviskose Schmierstoffe, meistens Schmierfette mit EP-Legierung Zur Beurteilung der Anforderungen an Schmierstoff und Schmierung sind die verschiedenen Einflussfaktoren, die Werkstoffgruppen und die Art der Schmierung zu bedenken (Bild 4.5.2).

217 Anforderungen an Schmierung und Schmierstoff Analyse und Bewertung aller Einflussfaktoren n ötig Einflussfaktoren Auslegung und Gestaltung von Verzahnung und Geh Werkstoffpaarung Fertigung und Oberfl ächeng üte Betriebsbedingungen Andere Reibpartner und Werkstoffe Werkstoffgruppen Schwermetalle: Stahl, Gusseisen, Buntmetalle Leichtmetalle Kunststoffe Art der Schmierung Öl- oder Fettschmierung Trocken - oder Selbstschmierung Ohne Schmierung äuse Bild 4.5.2: Anforderungen an Schmierung und Schmierstoff Hinsichtlich der Werkstoffe und der Oberflächen gelten die folgenden Hinweise: Stahl In der Regel gehärtet, für hohe Geschwindigkeiten und Drehmomente Gusseisen Gewöhnlich für niedrigere Geschwindigkeiten und Drehmomente Nichteisenmetalle, z.b. Bronze Für hohe Gleitanteil der Geschwindigkeit, z.b. in Schneckengetrieben Hinsichtlich der Oberflächengüten gelten die folgenden Hinweise: - Sehr starker Einfluss auf die Zahnrad-Lebensdauer - Geringe Rautiefen, d.h. gut Oberflächen, erlauben erlauben niedrig viskose Öle - Europa: Wälzgefräst und geschliffen - USA: Gehobelt und wälzgefräst Empfehlung: Einsatzgehärtet und geschliffen Bild zeigt, wie durch optimale Werkstoffwahl und Oberflächenbearbeitung die zulässigen Beanspruchungen der Getriebe angestiegen sind, wodurch für die gleiche zu übertragende Leistung wesentlich kleinere Baugrössen der Getriebe eingesetzt werden können,

218 Ritzel und Rad Ritzel und Rad Ritzel 20MnCr5 Ritzel und Rad Ritzel und Rad Ritzel und Rad Werkstoff C45 42CrMo4 Rad 42CrMo4 31CrMoV9 34CrMo4 20MnCr5 Baugr ößen- und Gewichtsverringerung durch h öhere spez. Beanspruchung Wärmebehandlung ößen- und Gewichtsverringerung bei enem Rad: vergütet Getriebe durch h öhere spezifische flankengehärtet Ri.: einsatzgehärtet induktiv normalisiert vergütet gasnitriert Baugr Einsatzgehärtet Beanspruchung mit Hilfe hochfester Werkstoffe (M Ri.: geschliffen 1 = Nm, n 1 = 500 min -1, i = 3, Bearbeitung wälzgefräst wälzgefräst feinstgefräst gefräst, geläppt geshwei ßtes Geh äuse in Einzelfertigung) [11] Rad: wälzgefräst Geschliffen Achsabstand a Modul m 830 mm mm mm mm mm mm 10 Baugröße (Gehäuse geschweißt) Gesamtgewicht 8505 kg 4860 kg 3465 kg 2620 kg 2390 kg 1581 kg Gesamtgewicht in % 174 % 100 % 71 % 54 % 49 % 33 % Beitz, W.: M öglichkeiten zur material - und energiesparenden Konstruktion. Konstruktion 42 (1990) 12, ) Bild 4.5.3: Verringerung der Getriebebaugrösse durch optimale Werkstoffwahl Und Oberflächenbearbeitung Zahnrad- und Getriebetypen Die wichtigsten Zahnradtypen zeigen die Bilder bis in schematischer Darstellung. Bild 4.5.4: Stirnräder (schematisch)

219 Bild 4.5.5: Zahnstange Bild 4.5.6: Kegelräder

220 Bild 4.5.7: Schneckenräder Ein komplettes Stirnradgetriebe mit Gehäuse, Zahnrädern, Wellen und Lagern wird in Bild gezeigt. Bild 4.5.8: Komplettes Stirnradgetriebe in schematischer Darstellung

221 Grundsätzlich wird auch zwischen Wälzgetrieben, ohne eine Gleitgeschwindigkeit im Wälzpunkt, und Wälz-Schraubgetrieben, mit einem Gleitanteil im Wälzpunkt, unterschieden (Bild 4.5.9). Wälzgetriebe Wälzschraubgetriebe Stirnradgetriebe parallele Achsen gerade und schräge Zähne Schraubradgetriebe sich kreuzende Achsen schräge Zähne Kegelradgetriebe sich schneidende Achsen gerade, schräge und gebogene Zähne Schneckengetriebe sich kreuzende Achsen gebogene Zähne Kegelradgetriebe (achsversetzt) sich kreuzende Achsen gebogene Zähne Bild 4.5.9: Unterscheidung zwischen Wälz- und Wälz-Schraubgetrieben Verlustleistung und Wirkungsgrad Die Verlustleistung eines Zahnradgetriebes umfasst neben die Verzahnungsverlusten noch die Lager-, Dichtungs- und sonstige Verluste (Bild ).

222 P V = P VZ + P VL + P VD + P VS P VZ = Verzahnungsverluste P VL = Lagerverluste P VD = Dichtungsverluste P VS = Verluste sonstiger Aggregate P V = Gesamtverlustleistung von Zahnradgetrieben Bild : Gesamtverlustleistung von Zahnradgetrieben Die Verzahnungsverluste setzen sich ihrerseits durch eine Reihe verschiedener Einzelverluste zusammen (Bild ). P VZ Verzahnungsverluste - Anzahl der Getriebestufen - Zerzahnungsgeometrie - Zahnflanken -Oberfl ächenrauheit - Umfangsgeschwindigkeit - Schmier ölniveau ( Ölstand) / Art der Schmierung - Schmier öl-viskosit ät - Reibungskoeffizient des Schmier öles Bild : Einflussfaktoren auf die Verzahnungsverluste von Zahnradgetrieben

223 Trotz dieser zahlreichen Einzelverlusten ergeben sich für Zahnradgetriebe hohe Wirkungsgrade. Diese können z.b. bei einem einstufigen Stirnradgetriebe zu zu 99 % erreichen (Bild ). Getriebebauart Stirnradgetriebe einstufig zweistufig dreistufig vierstufig Wirkungsgrad bei Nennleistung (%) bis 99 bis 98 bis 97,5 bis 97 Kegelradgetriebe bis 98 Kegelstirnradgetriebe zweistufig dreistufig vierstufig Planetengetriebe einstufig zweistufig dreistufig bis 97,5 bis 97 bis 96,5 bis 98 bis 97 bis 96 Gleitlagergetriebe einstufig ,5 Stirnradschraubgetriebe Hypoidgetriebe große Übersetzung kleine Übersetzung Schneckenge triebe Bild : Wirkungsgrade von Zahnradgetrieben Zahneingriff und Schmierung Wie man Bild entnehmen kann, muss bei Zahnradgetrieben bei jedem einzelnen Zahneingriff ein Ölfilm zwischen den Zahnflanken neu aufgebaut werden. Selbst bei langsam drehenden Getrieben steht dafür nur eine kurze Zeit zur Verfügung. Trotzdem wird ein tragender Ölfilm aufgebaut, wenn gewisse Voraussetzungen gegeben sind.

224 Gleiten W älzen treibend Stadium der Ann äherung Berührung im Teilkreis Stadium der Trennung Bild : Zahneingriff und Tragfilmaufbau in schematischer Darstellung Die zur hydrodynamischen Trennung der miteinander kämmenden Zahnflanken nötige Ölfilmdicke hängt vor allem von der Rauheit der Zahnflanken ab. Andere wichtige Einflussgrössen sind die Geschwindigkeit und Belastung. Wie Bild zeigt, ist bei unzureichenden Filmdicken der Einfluss der Additivwirksamkeit von grösster Bedeutung, während für eine Filmdicke, welche ausreichend ist, um die Oberflächen der Zahnflanken bei den gegebenen Betriebsbedingungen zu trennen, von der Viskosität abhängt. (nach Doleschel, 2003) Bild : Schmierstoffeinfluss auf den Zahnflankenschutz

225 Somit ergeben sich unterschiedliche Schmierungszustände auf den Flanken miteinander kämmender Zahnräder. Wie Bild schematisch zeigt, herrscht bei niedrigeren Geschwindigkeiten Im Bereich des Wälzkreises Mischreibung vor, die sich in Richtung des Kopfkreises zur Grenzreibung verschlechtert. Mit zunehmender Geschwindigkeit gehen die Bereiche der Mischreibung mehr und mehr in die Hydrodynamik oder Elastohydrodynamik über, so dass nur im Bereich des Zahnkopfes sowie des Zahnfusses Mischreibung vorherrscht. Typische Reibungs - und Schmierungszust ände auf Zahnflanken a. niedrige Umfangsgeschwindigkeit b. hohe Umfangsgeschwindigkeit Bild : Schmierungszustände auf Zahnflanken bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten Einflüsse auf Zahnradschäden Bei der Auslegung von Zahnradgetrieben ist die Sicherheit gegen Zahnbruch, Grübchen und Fressen von grösster Bedeutung (Bild ). Insbesondere Die Fresstragfähigkeit eines Getriebes hängt ausser von der Viskosität vor allem von der EP-Legierung des Getriebeöles ab.

226 Beeinflußbar durch Sicherheit gegen Werkstoff Konstruktion, Betriebsbedingungen Schmierstoff Zahnbruch (Zahnfußfestigkeit) Grübchenbildung (Zahnflankenfestigkeit) X X X X (X) Fressen (Freßfestigkeit) (X) X X Übermäßige Erwärmung X X X beeinflu ßbar, (X) bedingt beeinflu ßbar, nicht beeinflu ßbar Bild : Einflüsse von Werkstoff, Konstruktion, Betriebsbedingungen Ind Schmierstoff auf Zahnradschäden Hinsichtlich der Beeinflussung der Grübchenbildung durch den Schmierstoff sind die Zuammenhänge nicht gleicherweise eindeutig. Trotzdem kann man von folgenden Einflüssen ausgehen: Viskosität: Höhere Viskosität, geringere Grübchengefahr Grundöl: Manche synthetischen Öle verringern die Grübchengefahr Additive: Neutrale, negative und positive Effekte Generell können die folgenden Schmierstoffeinflüsse unterschieden werden (Bild ):

227 Unter Druck Chemischer - stehender physikalischer Tragfilm Reaktionsfilm Fressen/ Verschleiss direkt direkt Grübchen direkt nur bedingt Schmierstoffeinfluss auf Filmbildung Unter Druck stehender Tragfilm: Chem. -physikal. Reaktionsfilm: Viskosit ät Viskosit ät Additiv -Wirksamkeit (Oberfl ächenaktivit ät) Bild : Schmierstoffeinflüsse auf Zahnradschäden Die Höhe der einzelnen Einflüsse auf Langsamlaufverschleiss, Grübchenbildung, Graufleckigkeit und Fressen wird anhand der Bilder , , und verdeutlicht. Die Einflüsse auf den Zahnbruch werden in Bild zusammengefasst. Dieser Schaden kann nicht über den Schmierstoff beeinflusst werden. Einfl üsse auf den Langsam -Lauf-Verschleiss Werkstoff Schmierstoff Geometrie Paarung gleicher H ärte Einsatzgeh ärtet : Gasnitriert 1 : 10 Einsatzgeh ärtet : Vergütet 1 : 0,5 Vergütet : Sphäroguss (GGG) 1 : 1 Härteunterschiede bis 50 HV 1 : 0,8 Paarung unterschiedlicher H ärte Weich/Weich : Hart/Weich 1 : 0,1 Hart/Weich : Hart/ Sphäroguss 1 : 2,5 Verdoppeln der Nennviskosit ät bei 40 0 C 1 : 3 Additive 1 : : 3 Ungeschmiert : Geschmiert Hart/Hart 1 : 20 Weich/Weich 1 : 200 Ausgeglichene : Einseitige Verzahnung 1 : 1 Verdoppeln des Moduls 1 : 1,4 Kopfr ücknahme 1 : 1,2 Bild : Langsamlaufverschleiss

228 Werkstoff Schmierstoff Geometrie Relative Einfl üsse auf die Gr übchentragf ähigkeit (Drehmoment) Vergütet : Nitriert : Einsatzgeh ärte 1 : 2 : 5 Verg ütungsstahl : Gefr äst : Gekl äppt : Geschliffen 1 : 1,2 : 1,4 Geschliffen : Geschliffen verkupfert 1 : 1,2 Einsatzstahl Geschliffen : Geschliffen verkupfert 1 : 1,1 Weich/Weich : Hart ( feingeschliffen )/Weich 1 : 1,1 Gegossen : Gewalzt : Gesenkgeschmiedet 1 : 1,15 Doppelte Nennviskosit ät Vergütet 1 : 1,1 Einsatzgeh ärtet 1 : 1,05 Betriebsviskosit ät über 20 : unter 10 mm 2 /s 1 : 0,8 Mineral öl : Synthese öl Verg ütet 1 : 2 Einsatzgeh ärtet 1 : 1,3 Mineral öl : Mineral öl mit EP -Zusätzen 1 : 1 Null-Verzahnung : V -Verzahnung Z 1 unter 20 1 : 1,3 Z 1 über 40 1 : 1,1 Eingriffswinkel 20 0 : 28 0 Z 1 unter 20 1 : 1,3 Z 1 über 40 1 : 1,3 Normalverzahnung : Hochverzahnung 1 : 1,3 Geradverzahnung : Schr ägverzahnung ( ß = 30 0) 1 : 1,4 Ohne : Mit Kopfr ückname 1 : 1,2 Bild : Grübchenbildung Relative Einfl üsse auf die Graufleckigkeit (Drehmoment) Werkstoff Oberfl äche 6 µm : 3 µm Rauheit R Z 1 : 3 Werkstoff, H ärtung ( Austenitgehalt günstig) 1 : 2,8 Schmierstoff ZDTP : S -P Additive 1 : 2,7 Betriebsviskosit ät verdoppeln 1 : 2 Reibungszahl halbieren 1 : 2 niedrige : hohe Umfangsgeschwindigkeit 1 : 1,3 Öltemperatur verringen um 20 0 C 1 : 1,25 Bild : Grauflecken

229 Werkstoff, Oberfl äche Schmier - stoff Relative Einfl üsse auf die Fresstragf ähigkerit (Drehmoment) Flankenrauheit verringern auf 1/16 1 : 2 nicht eingelaufene : eingelaufene Oberfl äche 1 : 3 Einsatzh ärte : Nitrieren : Phosphatieren : Verkupfern 1 : 2 : 1,4 : 3 normaler Austenitgehalt : rostfreier Stahl 1 : 0,3 EP Additive 1 : 5 unlegierte Öle - Viskosität verdoppeln 1 : 1,5 legierte Öle - Viskosität verdoppeln 1 : 1,15 Geometrie Betr. -Beding. Ändern der Verzahnungsgeometrie 1 : 6 (Modul, Profilverschiebung) Kopfr ückname 1 : 2 Geradverzahnung : Schr ägverzahnung 1 : 0,75 hohe : niedrige Umfangsgeschwindigkeit 1 : 8 Bild : Fressen Bild : Zahnfussfestigkeit (Zahnbruch) Berechnung der Fresstragfähigkeit Wegen des grossen und eindeutigen Enflusses des Schmierstoffes auf die Fresstragfähigkeit, ist es möglich, die sogenannte Fress-Sicherheit unter Berücksichtigung der Schmierstoffeigenschaften zu berechnen. Somit wird der

230 Schmierstoff als Konstruktionselement angesehen. Wie man aus Bild ersehen kann, wird die Fress-Sicherheit als Quotient aus zulässiger und und vorhandener Beanspruchung definiert. Dieses Verhältnis muss grösser 1 sein, damit kein Fressen eintritt. Zulässige Beanspruchung Fress -Sicherheit S F = Vorhandene Beanspruchung > 1 Elastohydrodynamische S FEHD = Fress -Sicherheit S FEHD Grenzbelastung des Tragfilms Zahnradbelastung Reaktionsfilm -bedingte Fress -Sicherheit S FEP S FEP = Grenzbelastung des Reaktionsfilms Zahnradbelastung Bild : Definition der Fress-Sicherheit Zu unterscheiden sind die elastohydrodynamische Fress-Sicherheit sowie die durch den Additiveinfluss gegebene Fress-Sicherheit. Erstere hängt von der Tragfähigkeit des unter Druck stehenden Ölfilms ab. Letztere von der Tragfähigkeit Des von den EP-Additiven durch chemisch-physikalische Reaktionen erzeugten Oberflächenfilms ab. Informationen zur Berechnung der elastohydrodynamischen Filmdicke kann man Bild entnehmen.

231 Bild : Ermittlung des elastohydrodynamischen Tragfilms Unter Berücksichtigung der Rautiefen der Zahnflankenoberflächen lässt sich dann die spezifische Filmdicke errechnen, die eine bestimmte Grösse erreichen muss, um Fressen zu unterbinden (Bild ). Filmdicke als Schadenskriterium (nach Akin) 2 h min! = S1 + S 2! : spezifische Filmdicke h min : Mindestfilmdicke S 1 + S 2 : mittl. Rauhtiefe (RMS) der beiden Oberfl ächen! > 4 - kein Fressverschleiss 1,5 <! < 4 - Fressverschleiss möglich! < 1,5 - Fressverschleiss wahrscheinlich Bild Spezifische Filmdicke Zur Ermittlung der durch den die Schmierstoffadditive gewährleisteten Sicherheit gegen Fressen kann man die Integralgrenztemperatur ermitteln, bei welcher für ein

232 gegebenes Öl Fressen auftritt, die höher als die auf den Zahnflanken herrschende Temperatur sein muss (Bild ). Reaktionsbedingte Fress Verfahren nach MICHAELIS -Sicherheit Fress -Sicherheit = Integralgrenztemperatur f ür Fressen Integraltemperatur auf Zahnflanken! Fint S FT =! int " (Index T = Testgetriebe / -öl) Bild : Definition der durch die Schmierstoffadditive gewährleisteten Sicherheit gegen Fressen. Zur Bestimmung der Integralgrenztemperatur für Fressen müssen die folgenden Parameter ermittelt werden: Integraltemperatur auf den Zahnflanken - Massentemperatur - Mittlere Blitztemperatur über den ingriff Mittlere Blitztemperatur über den Eingriff - Maximale Blitztemperatur über den Eingriff Massentemperatur - Ölemperatur - Mittlere Blitztemperatur über den Eingriff Maximale Blitztemperatur über den Eingriff - Reibungszahl Integralgrenztemperatur für Fressen - Massentemperatur im Versuchsgetriebe (FZG) - Mittlere Blitztemperatur über den Eingriff im Versuchsgetriebe (FZG) Diese Parameter lassen sich durch Verwendung verschiedener geometrischer Getriebedaten und Betriebsbedingungen im Versuchsgetriebe bestimmen. Auf jeden Fall muss die Fresstragfähigkeit des infrage stehenden Öls in einem FZG- Test ermittelt werden. Mit den Formeln in den Bildern und kann dann aus Bild die reaktionsbedingte Fress-Sicherheit abgelesen werden.

233 Integraltemperatur auf Zahnflanke _ int = _ M + C 2 _ flaint _ M = Massentemperatur _ fla int = mittlere Blitztemperatur über Eingriff C 2 = Gewichtsfaktor = ~ 1,5 Berechnung der Integralgrenztemperatur - 1 Bild : Bestimmung der Integraltemperatur auf der Flanke Integralgrenztemperatur f ür Fressen! Fint =! MT + C 2 X wrel T! flaint T C 2 = Gewichtungsfaktor = ~ 1,5 X w rel T = Gefügefaktor! fla int T = mittlere Blitztemperatur über Eingriff in Versuchsgetriebe (aus FZG -Test)! M T = Massentemperatur in Versuchsgetriebe Ermittlung der Integralgrenztemperatur f ür Fressen - 1 Bild : Bestimmung der Integralgrenztemperatur für Fressen

234 Reaktionsbedingte Fress -Sicherheit Ermittlung der Integralgrenztemperatur f ür Fressen - 4 Bild : Ermittlung der reaktionsbedingten Fress-Sicherheit Die hervorragende Treffsicherheit dieses Verfahren wurde für verschiedene Getriebetypen nachgewiesen. Bei einer nach diesem Verfahren bestimmen Fress- Sicherheit von um die 2 trat kein Fressen auf, während sofort mit Fressen gerehnet werden musste, wenn diese Fress-Sicherheit kleiner 1 war. Bei Werten für die Fress-Sicherheit zwischen 1 und 2 trat kein Fressen auf, wenn die Zahnflanken gut eingelaufen waren (Bild ). Reaktionsbedingte Fress - Sicherheit nach MICHAELIS Treffsicherheit V e r f a h r e n s des :

235 Bild : Treffsicherheit des Verfahrens Abschliessend wird in Bild der Zustand von zwei Zahnflanken gezeigt, die mit einem Öl ausreichender Fresstragfähigkeit (linkes Bild) bzw. einem unzureichend legierten Öl (rechtes Bild) geschmiert wurden. Reaktionsbedingte Beispiele Fress -Sicherheit Bild : Zustand der Zahnflanken nach Schmierung mit einem guten bzw. einem unzureichenden Öl.

236 Kapitel 5: Schmierung von Maschinen 5.1 Industriegetriebe Allgemeine Zusammenhänge In Abschnitt 4.5 waren die Zahnradpaarungen und ihre tribologischen Besonderheiten beschrieben worden. Daraus konnten die Anforderungen an den Schmierstoff und an die Schmierung abgeleitet werden, die vor allem auch vom Zahnradtyp abhängen Dieser bestimmt auch die Verlustleistung und den Wirkungsgrad einer Verzahnung. Die Analyse des Zahneingriffs ergibt dann die Schmierungszustände, welche im Zahneingriff vorherrschen. Es wurde gezeigt, dass der schadensfreie Betrieb einer Zahnradpaarung vom Werkstoff, den Konstruktionsund Betriebsbedingungen sowie vom Schmierstoff abhängt. Besonders die Schadensform Fressen kann über den Schmierstoff beeinflusst werden. Somit übt der Schmierstoff zur Berechnung der Fresstragfähigkeit und in etwas geringerem Ausmaß zur Ermittlung der Grübchentragfähigkeit die Funktion eines Maschinenelementes aus Grundlagen der Getriebeschmierstoffe Aus den Anforderungen an di Getriebeschmierstoffe lassen sich die geforderten Eigenschaften ableiten, die in Auswahl- und Gütewerte unterteilt werden können wie Bild zeigt. Zu den Primäreigenschaften gehören jene, die für bestimmte Anwendungen unverzichtbar sind. Für Getriebeschmierstoff sind dies u.a. Reibungs-, Verschleiss- Fressschutz-, Einlauf-, und Grübchenverhalten. Auswahlwerte Gütewerte Sekundäreigenschaften Primäreigenschaften z.b. Viskosität Stockpunkt Flammpunkt z.b. Viskosität/Temperatur chemisches Verhalten (Korrosion, Angriff auf NE Beständigkeit (thermisch gegen Oxidation) Schaumverhalten Hochtemperaturverhalten Tieftemperaturverhalten Kälteverhalten -Verhalten Verträglichkeit mit Dichtungs - elementen -Metalle) z.b. Reibungsverhalten Verschleißverhalten Fressve rhalten Einlaufverhalten Grübchenverhalten Verhalten gegen Grau - fleckigkeit Eigenschaften von Getriebeschmierstoffen

237 Bild 5.1.1: Anforderungen und Eigenschaften von Schmierstoffe insbesondere Getriebeschmierstoffe Zur Erfüllung ihrer Aufgaben werden Getriebeöle, Getriebefette und Sprühhaftschmierstoffe (spezielle Getriebefette) formuliert. Diese Schmierstoffe können unlegiert oder legiert sein, also Additive enthalten. Grundöle für Getriebeöle können Mineralöle oder Syntheseöle sein. Somit können die folgenden Grundtypen von Getriebeschmierstoffen unterschieden werden. - Getriebeöle - Getriebefette (Getriebefliessfette) - Sprühhaftschmierstoffe (spezielle Getriebefliessfette Die Additive werden auf die Betriebsbedingungen abgestimmt, wobei folgende Additivtypen verwendet werden können: - Verschleissschutz- (AW)- und Fressschutz- (EP)-Additive - Reibungsveränderer - Oxidationsinhibitoren - Korrosionsinhibitoren - Schauminhibitoren - Viskositätsindexverbesserer - Pourpointverbesserer - Schauminhibitoren Getriebeöle Die folgenden Getriebeöltypen werden benötigt: - Unlegierte Öle für niedrige Anforderungen - Legierte Öl für hohe Anforderungen - Gefettete Öle oder Syntheseöle für spezielle Anforderungen (z.b. hohe Gleitanteil mit bestimmter Werkstoffpaarung, z.b. in Schneckengetrieben) Somit besteht ein Getriebeöl aus dem Grundöl ode Grundölgemisch und dem Additivpaket. Das Additivpaket wird an die Betriebsbedingungen, d.h. an den Einsatz des Getriebes angepasst, um eine optimale Formulierung zu erzielen. Eine grundsätzliche Formulierung eines Getriebeöls (Rahmenformulierung) kann wie folgt aussehen: % Grundöl % Viskositätsindexverbesserer % Pourpointverbesserer % Leistungsadditive (AW(EP-Additive, Oxidations-/Korrosions- Inhibitoren

238 5.1.4 Getriebefette Zu unterscheiden sind die Getriebefette, also die Getriebefliessfette sowie die Sprühhaftschmierstoffe. Die Getriebefliessfette, bestehend üblicherweise aus Seife und Mineralöl, fallen in die NLGI-Klasse 000, 00 oder 0. Auch sie enthalten Additive, z.b. AW/EP-Additive und Oxidations- und Korrosionsinhibitoren. Ihre Ensatzgebiete sind: Industrie: Untersetzungstriebe, Getriebemotoren Kraftfahrzeuge: Lenkgetriebe Die Sprühhaftschmierstoffe werden bei offenen oder einfach abgedeckten Verzahnungen verwendet, wobei die Umfangsgeschwindigkeit in der Regel auf 5-8 m/s beschränkt ist. Interessant ist, dass es verschiedene Typen gibt. Diese sind: - Grundierschmierstoffe - Einlaufschmierstoffe - Betriebschmierstoffe. Nur diese werden durch Sprühen aufgebracht. - Korrekturschmierstoffe Eine Rahmenformulierung für Sprühhaftschmierstoffe zeigt Bild Sprühhaftschmierstoffe werden wie folgt aufgebaut: Grund öl + Eindicker + Additive + Festschmierstoffe Die einzelnen Bestandteile werden in den folgenden Anteilen verwendet: Grundöl % Eindicker etwa 5 % Additive % Festschmierstoffe 5 10 % Zur leichteren Anwendung k önnen auch die Spr ühhaftschmier - stoffe ein Lösungsmittel enthalten. Als Konsistenz wird die NLGI -Klasse 0 bevorzugt Bild 5.1.2: Rahmenformulierung für Sprühhaftschmierstsoffe Für den Einsatz in offenen Getrieben werden immer häufiger biologisch schnell abbaubare Schmierfette verlangt Klassifikationen, Spezifikationen und Normen

239 Viskosität für Getriebeöle Die Viskosität von Getriebeölen wird nach DIN (ISO-Viskositätsklassen) festgelegt (Bild 5.1.3). Viskositätsklasse ISO Mittelpunktsviskosität bei 40,0 C mm 2 /s ( cst) Grenzen der kinematischen Viskosität mm 2 /s ( cst) min. max. Viskositätsklasse ISO Mittelpunktsviskosität bei 40,0 C mm 2 /s ( cst) Grenzen der kinematischen Viskosität mm 2 /s ( cst) min. max. ISO VG 2 ISO VG 3 ISO VG 5 2,2 3,2 4,6 1,98 2,88 4,14 2,42 3,52 5,06 ISO VG 68 ISO VG 100 ISO VG ,2 90, , ISO VG 7 ISO VG 10 ISO VG 15 6, ,12 9,00 13,5 7,48 11,0 16,5 ISO VG 220 ISO VG 320 ISO VG ISO VG 22 ISO VG 33 ISO VG ,8 28,8 41,4 24,2 35,2 50,6 ISO VG 680 ISO VG 1000 ISO VG ISO-Viskosit ätsklassen nach DIN f ür Industrieschmier öle Bild 5.1.3: Viskositätsklassen für Industrieschmieröle Einen Vergleich verschiedener Viskositätsklassifizierung, Industrieöle, Kraftfahrzeug- Getriebe- und Motorenöle zeigt Bild mm 2 /s bei 40 C ISO VG Grad W 80 W 75 W SAE Gear Viskosit ätsgrad W 5 W SAE Viskosit ätsgrad 150 Brt. 650 N 500 N 300 N 200 N 100 N Allgemeine Grund öl-bezeichnung Vergleich unterschiedlicher Viskosit äts-klassifizierungs -Systeme mm 2 /s bei 100 C Bild 5.1.4: Vergleich unterschiedlicher Viskositätsklassifizierungen

240 NLGI-Klassen für Schmierfette Die Festigkeit von Schmierfetten wird auf der Basis der Konsistenz (siehe Abschnitt 3.8.3) nach NLGI-Klassen geordnet (Bild 5.1.5). NLGI-Klasse Walkpenetration Allgemeine Anwendungsgebiete (DIN 51818) in Einheiten Einsatzgebiete Konsistenzbeurteilung (Zehntelmillimeter) von Schmierfetten nach Konsistenzklassen bis 475 fließend GE, Z bis 430 schwach fließfähig GE, Z bis 385 halbflüssig GE, Z bis 340 sehr weich GE, WL, GL, Z bis 295 weich WL, GL, Z bis 250 mittelfest WL, GL, bis 205 fest WL, WP bis 160 sehr fest WP 6 85 bis 115 hart GL GL = Gleitlagerschmierung GE = Getriebeschmierung WL = W älzlager -, Radlagerschmierung Z = geeignet f ür Zentralschmieranlagen WP = Wasserpumpenschmierung Bild 5.1.5: NLGI-Klassen für Schmierfette Leistungseigenschaften für Getriebeöle Für Industriegetriebeöle gibt es die folgenden Klassifizierungssysteme: - DIN-Normen - AGMA-Normen (USA) - Firmenspezifikationen Die Leistungseigenschaften von Industriegetriebeölen werden in den Mindestanforderungen festgelegt (DIN 51517). Getriebeöle C - Unlegierte Mineralöle für niedrige Anforderungen an Lebensdauer und Belastung (Bild 5.1.6) Getriebeöle CL - Mit Oxidations- und Korrosionsinhibitoren für längere Lebensdauer (Bild 5.1.7) Getriebeöle CLP - Mit Oxidations- und Korrosionsinhibitoren für längere Lebensdauer und mit Verschleissschutz- und Fress- Schutz-Additiven für niedrigeren Verschleiß (Bild 5.1.8)

241 Bild enthält die Mindestanforderungen an Getriebeöle C. Dabei handelt es sich um unlegierte Mineralöle, so dass keinerlei Anforderungen an das Oxidations- und Korrosionsverhalten sowie an die Fresstragfähigkeit gestellt werden können. Mindestanforderungen an Getriebe öle C (nach DIN 51517) ISO VG Flammpunkt, C Pourpoint, C NZ, mg KOH/g max. 0,15 Asche, % max. 0,05 Korrosionsverhalten - gegen Kupfer keine Anforderungen - gegen Stahl keine Anforderungen Oxidationsverhalten keine Anforderungen Fress-/Verschlei ßverhalten keine Anforderungen Bild 5.1.6: Mindestanforderungen nach DIN für Getriebeöle C Bild enthält die Mindestanforderungen an Getriebeöle CL. Das L steht für Oxidations- und Korrosionsschutzadditive im Öl, welche bestimmte Mindestanforderungen erfüllen müssen.

242 Mindestanforderungen an Getriebe öle CL (nach DIN 51517) ISO VG Flammpunkt, C Pourpoint, C Korrosionswirkung - auf Kupfer max. Korrosions - grad A3 Korrosionswirkung - auf Stahl max. Korrosions - grad 0 - A Alterungsverhalten - Zunahme der NZ nach 1000 h, mg KOH/g max. 2,0 Fress-/Verschlei ßverhalten keine Anforderungen Bild 5.1.7: Mindestanforderungen nach DIN für Getriebeöle CL Die Mindestanforderungen an Getriebeöle CLP sind in Bild auszugsweise zusammengefasst worden. Das P steht für Extreme-Pressure- und Verschleissschutz-Additive im Öl. Man erkennt das bei einem Prüflauf im FZG- Prüfstand mindestens die Schadenskraftstufe 12 erreicht werden muss. Ausserdem darf der Verschleiss in einem Wälzlagertest bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Mindestanforderungen an Getriebe öle CLP (nach DIN 51517) ISO VG Flammpunkt, C Pourpoint, C Korrosionswirkung - auf Kupfer zu vereinbaren Korrosionswirkung Korrosions - -auf Stahl -Alterungsverhalten grad 0 - A - Zunahme der NZ nach 1000 h, mg KOH/g max. 2,0 Fress-/Verschlei ßschutz FZG-Prüfstand min. 12 Wälzlagerpr üfgerät FE8 Wälzk örperverschlei ß, mg max. 30 Käfigverschlei ß, mg ist anzugegen Bild 5.1.8: Mindestanforderungen nach DIN für Getriebeöle CLP

243 Für bestimmte Anwendungen reichen die genormten Mindestanforderungen nicht aus. Ein Beispiel hierfür sind die Getriebe in Windenergieanlagen. Dann schreiben die Hersteller der Getriebe die Erfüllung zusätzlicher Anforderungen vor. Ein Beispiel hierfür zeigt Bild Allgemeine Anforderungen für Getriebeöle (OEM Spezifikationen ) Verlangte Tests DIN Teil 3, CLP -Getriebe öle FVA 54/7 Graufleckigskeitst bei 90 C and 60 C => 10 ISO 220VG FZG Fresslasttest A/8,3/90 und bei doppelter Drehzahl A/16,6/90 Freudenberg Dichtungstest (statisch und dynamisch ) NBR (Nitrile ) und FKM ( Flouroelastomer ) Schaumtest nach ASTM 892 oder Flender -Schaumtest Vertr äglichkeitsteste mit allen Beschichtungen und Flüssigkeiten Erfüllung der FAG Spezifikation für Windturbinen Erfüllung der SKF Spezifikation für Windturbinen Bild 5.1.9: Mindestanforderungen an Getriebeöle für Windenergieanlagen (nach FLENDER) Mn erkennt, dass die geforderte FZG-Schadenskraftstufe bei der doppelten Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden muss und dass das Öl zusätzlich einen Graufleckigkeitstest besehen muss Leistungseigenschaften für Schmierfette Auch für Getriebefette gibt es genormte Mindestanforderungen. So enthält die DIN die zu erfüllenden Anforderungen an Schmierfette G der NLGI-Klassen 000 bis 1. Diese Fette sind für den Einsatz in geschlossenen Getrieben bei Tauchschmierung vorgesehen. Die Einsatztemperaturen können zwischen -20 bis 100 C liegen. Anwendungsbereiche sind z.b. Getriebemotoren, Stellantriebe ode Zahnkupplungen, in denen aufgrund der Abdichtungverhältnisse oder der Betriebs- Bedingungen Fettschmierung optimaler als Ölschmierung sein kann Praktische Getriebeschmierung In diesem Abschnitt sollen die folgenden Aspekte behandlt werden: - Ölauswahl nach DIN Schmierungsverfahren

244 - Schmierstoffzufuhr - Luft im Öl - Synthetische Getriebeöle Ölauswahl nach DIN Diese Norm enthält Hinweise für die Abgrenzung zwischen dem möglichen Einsatz unlegierter und der notwendigen Verwendung legierter Getriebeöle. Ach die Anwendung bestimmter Schmierungsverfahren für die vorliegenden Umfangsgeschwindigkeiten wird erläutert. Dabei wird zwischen der Schmierung von Wälzgetrieben und Wälz-Schraubgetrieben unterschieden. Bild enthält Hinweise für Richtwerte zum Einsatz verschiedener Schmierstoff- Typen und Schmierungsverfahren für Wälzgetriebe. Umfangsgeschwindigkeit bis 1 m/s Umfangsgeschwindigkeit bis 4 m/s Umfangsgeschwindigkeit bis 15 m/s Umfangsgeschwindigkeit über 15 m/s Haftschmierstoffe (Sprühschmierung) Getriebefette (Tauchschmierung) Schmier öle (Tauchschmierung) Schmier öle (Spritzschmierung) Bild : Richtwerte zum Einsatz verschiedener Schmierstofftypen und Schmierungsverfahren für Wälzgetriebe Die entsprechenden Richtwerte für Wälz-Schraubgetriebe werden in Bild gezeigt.

245 Schnecke eintauchend Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke bis 1 m/s Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke bis 10 m/s Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke über 10 m/s Schneckenrad eintauchend Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke bis 1 m/s Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke bis 4 m/s Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke über 4 m/s Getriebefette (Tauchschmierung) Schmieröle (Tauchschmierung) Schmieröle (Spritzschmierung) Getriebefette (Tauchschmierung) Schmieröle (Tauchschmierung) Schmieröle (Spritzschmierung) Bild : Richtwerte zum Einsatz verschiedener Schmierstofftypen Und Schmierungsverfahren für Wälz-Schraubgetriebe Auch zur Wahl einer geeigneten Viskosität enthält diese Norm praktische Hinweise. Bild zeigt die Viskosität in Abhängigkeit von einem Kraft- Geschwindigkeitsfaktor, der ebenfalls in der Norm DIN definiert ist. 5 mm 2/s mm 2 /s 6 Kinematische Nennviskosit ät! bei 50 C Kinematische Nennviskosit ät! bei 40 C mpa s/m Kraft -Geschwindigkeits -Faktor k s /v Bild : Viskositätswahl für Stirnrad- und Kegelradgetriebe

246 Die entsprechenden Hinweise zur Viskositätswahl für Schneckengetriebe findet man in Bild Die Definition des Kraft-Geschwindigkeitsfaktors enthält ebenfalls die DIN mm 2 /s 1200 mm 2 /s Kinematische Nennviskosit ät! bei 50 C Kinematische Nennviskosit ät! bei 40 C Kraft -Geschwindigkeits N min m Faktor M 2 /a 3 n s Bild : Viskositätswahl für Schneckengetriebe Bestimmte Betriebsbedingungen erfordern die Verwendung höherer Viskositäten, während bei anderen Bedingungen auch niedrigere Viskositäten zu wählen sind. Die Bilder und enthalten praktische Beispiele hierzu. a. Umgebungstemperatur dauernd über 25 0 C. Erforderlicher Viskosit ätsanstieg etwa 10 % pro 10 K. b. Sto ß- und zeitweise Überbelastung. Stoß- und kurzzeitige Überbelastung sind bei Berechnung der Kraft -Geschwindigkeits -Faktoren zu ber ücksichtigen. c. Ähnliche oder gleiche Werkstoffe f ür beide Getriebe - räder. Für Getriebe aus CrNi-Stählen sollte die Viskosit ät um etwa 35 % erh öht werden. d. Fressempfindliche Zahnradpaarung, wenn kein Schmierstoff mit verschleissverringernden Wirkstoffen eingesetzt werden kann. Bild : Bedingungen für die Wahl einer höheren Viskosität

247 a. Umgebungstemperatur dauernd unter 10 0 C. Zulässige Viskosit ätsverringerung liegt bei etwa 10 % pro 3 K. b. Zahnflanken sind phosphatiert, sulfuriert und verkupfert. Zul ässige Viskosit ätssenkung beträgt etwa 25 %. Bild : Bedingungen für die Wahl einer niedrigeren Viskosität Schmierungsverfahren Die Wahl des für den Anwendungsfall am besten geeigneten Schmierungs- Verfahrens hängt ab von der Zahnradpaarung, der Versorgung weiterer Reibstelle und der Umfanagsgeschwindigkeit Man unterscheidet die einmalige Schmierung bei der Montage mit einer möglichen Nachschmierung in grossen Zeitintervallen sowie einer kontinuierlichen bei Tauchschmierung. Das häufigste Verfahren ist die Öl-Tauchschmierung. Dabei kann die Wärmeabfuhr durch folgende Verfahren verbessert werden: - Gehäusegestaltung - Wasserkühlung - Gebläse Die folgenden Grenzen sollten beachtet werden: Grenzumfangsgeschwindigkeit: 15 m/s Eintauchtiefe: (3-5)m bis zu 5 m/s, (1-3)m bis zu 15 m/s (m=modul) Wichtig ist eine ausreichende Ölmenge im Getriebegehäuse. Diese sollte der Verlustleistung angepasst werden. Dabei sind auch Vorkehrungen für die Mitversorgung anderer Reibstellen, z.b. Lager, zu treffen. Bild enthält einige Hinweise hierzu.

248 Zahnverlustleistung Ölfüllmenge 0,1 0,03 P Z = P 1 + (kw) Z 1 cos! V+1 Q = (3-10) P Z (1) Bild : Ölmenge in Abhängigkeit von der Zahnverlustleistung Die Umlauf-/Einspritzschmierung bietet natürlich die beste Gewähr für eine sichere Ölversorgung der Zahnräder, ist aber mit einem grösseren Aufwand vebunden. Sie kann bis zu sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten (z.b. 250 m/s) eingesetzt werden. Das Öl wird mit Drücken zwischen 1,0 und 3,5 bar in den Zahneingriff eingespritzt. Auch bei diesem Schmierungsverfahren hängt die Einpritzmenge für die Verzahnung von der Verlustleistung ab wie Bild zeigt. Einspritzmenge f ür Verzahnung P Z Q e = (1/min)! a -! e Gesamtmenge einschlie ßlich Lager usw. P vges Qeges = (1/min)! a -! e Zweckmäßige Temperaturen! a = 90 0 C! e = 60 0 C Bild : Einspitzmenge in Abhängigkeit von der Zahnverlustleistung

249 Ein Beispiel für eine Ölversorgungsanlage für ein Industriegetriebe zeigt Bild Relief Valve Oil Supply Piping Filter Thermometer Clean -Oil Pump for Oil Supply to Gears and Bearings Pump Oil Cooler Dirty-Oil Inlet Clean -Oil Outlet Level Gage Vent Fixture Return -Oil Piping Reservoir Strainer Baffle Drain Ölversorgungsanlage Bild : Ölversorgungsanlage Schmierstoffzufuhr Insbesondere bei Tauchschmierung sind geeignete konstruktive Massnahmen für die Zufuhr des Getriebeöls in den Zahneingriff zu treffen. Die Bilder und zeigen praktische Beispiele hierfür. Dabei ist darauf zu achten, dass kein Zahnrad zu tief in den Ölsumpf eintaucht, um die Planschverluste zu begrenzen. Durch entsprechende Deckelkonstruktion kann abgeschleudertes Öl aufgefangen werden, das dann in den Zahneingriff zurücktropft (Bild ). Bei mehrstufigen Getrieben hilft ein unterteilter Ölsumpf dabei, einzelne Räder nicht zu tief eintauchen, andere Räder aber eintauchen zu lassen (Bild ).

250 Spritz öl bei waagrechtem Achsabstand Bild : Beispiel für eine geeignete Schmierstoffzufuhr 1 Tauchschmierung eines mehrstufigen Getriebes mit unterteiltem Ölsumpf Bild : Beispiel für eine geeignete Schmierstoffzufuhr - 2 Bei einer Einspritzschmierung ist zu entscheiden, on vor oder hinter dem Engriff das Öl eingespritzt werden soll. Vor dem Eingriff trägt das abgekühlte Öl für den Aufbau eines Ölfilmes bei, hinter dem Eingriff eingespritzt, kühlt das Öl. Bild zeigt verschiedene Möglichkeiten für den Ort der Öleinspritzung.

251 Düsenpositionen und Spritzrichtungen bei der Einspritzschmierung v Die Einspritzvarianten lassen sich wie folgt unterteilen: on Zahnradgetrieben. A: Strahlrichtung tangential zu den W älzkreisen (A1: D üse vor Eingriff; A2: D üse hinter Eingriff) B: Strahl auf den Umfang des treibenden und/oder des getriebenen Rades (B1: D üse vor Eingriff; B2: D üse hinter Eingriff) A A1 B B1 C: Strahlrichtung parallel (oder geneigt) zu den Radachsen (C1: D üse auf Eingriffsh öhe; C2: Düse auf Radk örper gerichtet, nur K ühlung m öglich) D: Zentrifugal -Einspritzschmierung. (Durch radiale im Zahngrund auslaufende Bohrungen wird das stirnseitig zugef ührte Öl mittels Zentrifugalkraft in die Zahnl ücken gedr ückt und trifft zu einem gro ßen Teil als Spritz öl die Z ähne des Gegenrades) C A2 C1 C2 D B2 Bild : Verschiedene Stellen für die Öleinspritzung Sehr optimal erscheint die Einspritzung in den Zahngrund, wie es in Teil D des Bildes gezeigt wird. Durch eine axiale Einspritzung und radiale Bohrungen in den Zahngrund kann der Herstellungsaufwand begrenzt werden Luft im Öl Insbesondere bei Tauchschmierung kann nicht vermieden werden, dass vor allem bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten vom eintauchenden Rad Luft in das Öl eingeplanscht wird, die vor allem als dispergierte Luft im Öl verbleibt. Vor allem bei höheren Temperaturen, auch durch die Verdichtung der Luftbläschen im Zahneingriff ergibt sich eine schnellere Alterung des Öles. Dabei stellt sich die Frage, ob sich diese Alterungsprodukte achteilig auf den Schmierungszustand auswirken. Wie man Bild entnehmen kann, ergab sich in Abhängigkeit von der übertragenen Arbeit für das luftfreie Öl eindeutig der höhere Verschleiss.

252 40 Gesamtverschlei ß, mg Verzahnung A (A/8,3/50), Serie 2 v _ = 6 l/min, Öl FVA 3 Schadenskraftstufe! CA = 0% FL7! CA = 10%! CA = 20% FL6 FL Übertragene Arbeit, kwh Gesamtverschlei ß in Abh ängigkeit von der übertragenen Arbeit f ür verschiedene Luftgehalte Bild : Fresstragfähigkeit und Verschleiss durch Luft im Öl Dieser Versuch wurde mit unlegiertem Öl durchgeführt. Der Gesamtverschleiss bei längerer Laufzeit wird in Bild gezeigt. Auch in diesem Fall ergibt sich für das luftfreie Öl der höchste Verschleiss. 60 Gesamtverschlei ß, mg Laststufe 7 Verzahnung A (A/8,3/50), Serie 2 _ v = 6 l/min, FVA Öl 3 Schadenskraftstufe! CA = 0%! CA = 10%! CA = 20% Übertragene Arbeit, kwh Gesamtverschlei ß in Abh ängigkeit von der übertragenen Arbeit f ür verschiedene Luftgehalte Bild : Fresstragfähigkeit und Verschleiss bei längerer Laufzeit Versuche mit legierten Getriebeölen bestätigen diese Ergebnisse (Bild ). Offensichtlich können sich Alterungsprodukte wie schwache Verschleissschutzadditive auswirken.

253 Gesamtverschlei ß, mg Kraftstufe Verzahnung A (A/8,3/50), v _ = 6 l/min. FVA Öl 3 + 4% A99 TÖl = 50 C! CA = 0%! CA = 10%! CA = 20% Übertragene Arbeit, kwh Gesamtverschlei ß in Abh ängigkeit von der übertragenen Arbeit f ür verschiedene Luftgehalte Bild : Fresstragfähigkeit und Verschleiss bei längerer Laufzeit mit Luft Im Öl Synthetische Getriebeöle Vor allem in Wälz-Schraubgetrieben, z.b. in Schneckengetrieben ist der Gleitanteil der Geschwindigkeit sehr hoch, so dass an die Leistungsfähigkeit des Schmierstoffs besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Der Einsatz von Schmierstoffen mit AW- und EP-Additiven ist unumgänglich. Viele Additive enthalten aber Schwefelträger, so dass oft eine Unverträglichkeit mit dem Kupfer der Bronze des Schneckenrades gegeben ist. Zu Schmierung von Schneckengetrieben haben sich daher einige Syntheseöle, z.b. Polyglykole aber auch Polyalphaolefine bewährt. Bild zeigt die Grenzdrehmomente in einem Schneckengetriebe bei Schmierung mit einem Polyglykol im Vergleich zu einem Mineralöl. Das deutlich höhere Grenzdrehmoment, welches das Polyglykol zulässt ist deutlich zu erkennen.

254 T2 Grenzdrehmoment Nm ,5 0,4 0,3 K-Faktor Polyglykol Mineral öl 500 0,2 Nennviskosit ät bei 40 C mm 2 /s Bild : Grenzdrehmomente in Schneckengetriebe Offensichtlich führt das Polyglykol zu niedrigeren Reibungszahlen, die wiederum niedrigere Temperaturen nach sich ziehen.dies kann man aus Bild erkennen. Temperatur in Eingriffsh öhe ( C) C 68 C 220 C 460 C 680 PG 150 PG Drehmoment T [Nm] Temperatur in Abh ängigkeit vom Ausgangsmoment T 2 n 1 = 1450 min E -Schnecke Bild : Temperatur im Eingriff eines Schneckengetriebes Offensichtlich ist die Verlustleistung bei Schmierung mit einem Polyglykol deutlich niedriger als beim Einsatz eines Mineralöles. Bild zeigt diesen Zusammenhang.

255 [kw] 1,6 [PS] 2,2 PG 220 1,4 2,0 PG 150 Verlustleistung P V 1,2 1,0 0,8 1,8 1,6 1,4 1,2 CLP 220 (Zn, S, P, Pb) C 220 1,0 0,6 0,8 Drehmoment T 2 [danm ] Flanken -Grenzleistung von unlegierten Mineral ölen im Vergleich zu Polyglykol Bild : Verlustleistung eines Schneckengetriebes bei Schmierung mit Polyglykol und Mineralöl Polyglykole haben sich als synthetische Getriebeöle in Schneckengetrieben (Werkstoff: Phosphorbronze) gut bewährt, da sie eine niedrige Reibung erzeugen und somit wegen der hohen Gleitreibung die Temperaturerhöhung begrenzen, den Wirkungsgrad verbessern und die Tragfähigkeit erhöhen. Damit lassen sich längere Ölwechselfristen erzielen, wie Bild zeigt. Auch Polyalphaolefin ergibt im Vergleich zu Mineralöl eine Verbesserung, wenn auch nicht so ausgeprägt wie Polyglykol. Allerdings ist es in der Praxis leichter zu handhaben.

256 Schmierstoffart 1. Ölwechsel Folgende Schmierstoffwechsel CLP PAO PG Fett Bh Bh Bh Bh Bh Bh Bh Zeitliche Begrenzung Monate 2 3 Jahre 4 5 Jahre 18 Monate Bild : Verlängerung der Ölwechselintervalle in Schneckengetrieben durch synthetische Getriebeöle 1 Wie sich die Öltemperaturen trotz längerer Ölwechselintervallen auswirken, kann man Bild entnehmen. 170 Ölbaddauertemperatur [ C] synthetische Getriebe öle mineralische Getriebe öle Ölwechselintervall [h] Bild : Verlängerung der Ölwechselintervallen in Schneckengetrieben durch synthetische Getriebeöle 2

257 5.2 Kraftfahrzeuggetriebe Schalt- und Achsgetriebe Allgemeines In den Schaltgetrieben finden sich vor allem Stirnräder, während die Achsgetrieben durch achsversetzte Kegelradgetriebe gekennzeichnet sind. Bild zeigt eine Kegelradverzahnung, während in Bild ein komplettes Schaltgetriebe zu erkennen ist. Bild 5.2.1: Kegelradverzahnung

258 Bild 5.2.2: Kraftfahrzeug-Schaltgetriebe Beanspruchung eines Kraftfahrzeug-Getriebes Gegenüber einem Industriegetriebe sind Kraftfahrzeug-Getriebe grundsätzlich spezifisch höher beansprucht. Der Grund hierfür liegt einerseits an der kleineren Baugrösse der Getriebe, die aber trotzdem höhere Momente übertragen müssen, und zum anderen an der höheren Gleitgeschwindigkeit infolge der Achsversetzung. Die Bilder und zeigen das Prinzip der Achsversetzung für einen Kraftfahrzeug-Achsantrieb.

259 Bild 5.2.3: Achsversetzung bei Kraftfahrzeug-Achsantrieben 1 Bild 5.2.4: Achsversetzung bei Kraftfahrzeug-Achsantrieben 2 Während bei Wälzgetrieben im Wälzpunkt keine Gleitgeschwindigkeit in Flankenrichtung auftritt, daher die Bezeichnung Wälzgetriebe, gibt es in den Wälz- Schraubgetrieben zusätzliche eine Gleitgeschwindigkeit in Flankenrichtung. Dies wird anhand von Bild erläutert.

260 V GH = Gleitgeschwindigkeit in H öhenrichtung VGF = Gleitgeschwindigkeit in Flankenrichtung VGR = resultierende Gleitgeschwindigkeit am Zahn Bild 5.2.5: Gleitgeschwindigkeiten auf der Zahnflanke Wie man Bild entnehmen kann, wirkt sich die Achsversetzung ganz erheblich auf die maximale Gleitgeschwindigkeit aus. Gegenüber eine Verzahnung ohne Achsversetzung erhöht sich die maximale Gleitgeschwindigkeit bei unveränderter Drehzahl und gegebener Übersetzung von etwa 5 m/s auf etwa 17 m/s bei einer Achsversetzung von 40 mm. Dies ist ein üblicher Wert für Kraftfahrzeug-Getriebe. Gleitgeschwindigkeit (ms -1 ) I = 3,82 n = 5000 U/min VG max V GH max 5 V GF max Achsversetzung (mm) Bild 5.2.6: Einfluss der Achsversetzung auf die maximale Gleitgeschwindigkeit

261 Die Gesamtbelastung eines Getriebes setzt sich aus der Nennbelastung und Zusatzkräften zusammen. Eine Besonderheit bei Fahrzeuggetrieben sind darüber hinaus Drehmomentspitzen beim Schalten, die 50 bis 150 % des Nennmomentes ausmachen können, wobei auch die Schubflanke, und nicht nur die Zugflanke, beansprucht wird. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht. 3. Gang 4. Gang 3. Gang Drehmoment [ mkp] 447 mkp 545 mkp Zugflanke 802 mkp Zugflanke 0 Zeit [s] 20,7 mkp Schubflanke 0,21 Sekunden Bild 5.2.7: Drehmomentspitzen beim Schalten eines Kraftfahrzeug-Getriebes Formulierung von Kraftfahrzeug-Getrieben Wie bei den Industriegetriebeschmierstoffen besteht das Kraftgetriebeöle aus dem Grundölgemisch und dem Additivpaket. Für Standardanforderungen sind hochwertige Mineralöle als Grundöle nach wie vor wichtig. Allerdings werden zur Formulierung von Hochleistungsgetriebeölen, vor allem für den Langzeiteinsatz, häufig Syntheseöle oder Hydrocracköle verwendet. Das Additivpaket muss an die Betriebsbedingungen angepasst werden, die durch die Geschwindigkeit und die Belastung gekennzeichnet sind. So wird unterschieden zwischen den folgenden Kombinationen: - Hohe Geschwindigkeit/niedriges Drehmoment - z.b. der PKW-Einsatz - Niedrige Geschwindigkeit/hohes Drehmoment - z.b. der LKW-Einsatz Bild enthält Formulierung von Kraftfahrzeug-Getriebeölen m Vergleich zu Industrie-Getriebeölen. Man erkennt, dass die Fahrzeug-Getriebeöle sowolh inbezugauf auf das Tief- als auch auf das Hochtemperaturverhalten höher legiert sind. Auch die Konzentration an AW- und EP-Additiven ist höher. Darin kommt die im Kraftfahrzeug und seinem Betrieb wesentlich höhere Beanspruchung zum Ausdruck.

262 Getriebeöle für Kraftfahrzeuge Industrie Öltyp MIL-B 85W-90 MIL-B 85W-140 MIL-C 85W-90 ATF Dexron STOU 15W-30 DIN C-LP US Steel Basisöl VI-Verbesserer Stockpunktverbesserer Oxidationsinhibitoren Korrosionsinhibitoren Passivatoren Verschleißinhibitoren/ Friction Modifier DO-Additive Entschäumer Additive ca. % Gehalt an S % P % CI % N % Zn % Ca % Ba % EP-Additive 0, ,1 4, , , ,1 4, , ,5 0,5 0,2 paraffinische 1 Solventraffinate ,1 4, ,5 0, ,5 0,05 0,01 0,1 0,1 0,12 0,2 0, ,2 0,1 0,06 0,6 0,2 0,5 0, ,6 0,06 0,07 0,2 0,5 0,5 0,1 2 3,5 0,7 0,1 Formulierung von Industrie - und Kraftfahrzeug -Gtriebe ölen Bild 5.2.8: Additivierung von Getriebeölen Klassifikationen, Spezifikationen und Normen Viskosität Die Viskosität von Kraftfahrzeug-Getriebeölen wird anhand der SAE J 306 festgelegt. Bild zeigt diese Klassifizierung. Die Klassen SAE 70 W bis SAE 85 W werden durch Höchstviskositäten bei tiefen Temperaturen und einer Mindestviskosität bei 100 C definiert. Demgegenüber müssen Gtriebeöle der Klassen SAE 90, 140 und 250 keine Anforderungen an die Höchstviskosität bei tiefen Temperaturen einhalten.

263 SAE- Viskositätsklasse Höchsttemperatur für die scheinbare Viskosität von mpa! s nach DIN Kinematische Viskosität bei 100 C nach DIN mm 2 /s C min. max. SAE 70W ) 4,1 SAE 75W -40 4,1 SAE 80W -26 7,0 SAE 85W SAE 90 13,5 unter 24,0 SAE ,0 unter 41,0 SAE ,0 1 ) Z. Z. wird die Erweiterung des Anwendungsbereiches der Prüfung nach DIN auf -55 C erarbeitet. SAE-Viskositätsklassen nach SAE J 306 f ür Kraftfahrzeuggetriebe öle Bild 5.2.9: SAE-Viskositätsklassen für Kraftfahrzeug-Getriebeöle Erst kürzlich sind zwei zusätzliche SAE-Viskositätsklassen für Getriebeöle hinzugekommen (Bild ). Bild : Neue SAE-Viskositätsklasse für Kraftfahrzeug-Getriebeöle

264 Leistungsverhalten Für Kraftfahrzeug-Getriebeöle existieren die folgenden Klassifizierungen: - API-Klassifikationen - Militärspezifikationen - Firmenspezifikationen Bei den API-Klassifikationen spielen nur die API GL4 und API GL5 eine grössere Rolle. Bild definiert ihre Einsatzbereiche und ihre Zuordnung zu bestimmten Firmenanwendungen. Im engeren Sinne wird nur noch die API GL5 gepflegt. API-Klasse MIL Spezifikation Einsatzart Firmenspezifikation GL1 gering belastete Schaltgetriebe VOLVO GL2 Schneckengetriebe GL3 GL GL5 2105B, C, D normal belastete Schaltgetriebe hoch belastete Schaltgetriebe höchst belastete Schaltgetriebe, speziell für Hypoidgetriebe FIAT MAN 341 MB Blatt VW TL 726, 726x, 726y, G50 MAN 342 MB Blatt 235 VW TL 727, 727y Bild : API-Klassifikationen für Kraftfahrzeug-Getriebeöle Auch die Militärbehörden haben Spezifikationen für Kraftfahrzeug-Getriebeöle entwickelt. Bild zeigt die Anforderungen der MIL-L-2105D. Die zu erfüllenden Leistungsanforderungen sind den Betriebsbedingungen angepasst.

265 Viskosit ät bei C, mm _/s Temperatur f ür scheinbare Viskosit ät bei mpas Channel -Punkt, 0 C Flammpunkt, 0 C Dichte, g/cm _ Viskosit ätsindex Pourpoint, 0 C Gehalt an Pentanunl öslichem, Schwefel, Phosphor, Chlor, Stickstoff, metallorganische Verbingungen Leistungs - und Gebrauchseigenschaften Vertr äglichkeit Schaumverhalten Korrosionsverhalten bei Feuchtigkeit Oxidationsstabilit ät Fress- und Verschleissverhalten bei Niedrigen Geschwindigkeiten hohen Drehmomenten (L -37) Hohen Geschwindigkeiten niedrigen Drehmomenten (L -42) Anforderungen an Getrieb öle nach MIL -L-2105D n Bild : Anforderungen der MIL-L-2105D an Kraftfahrzeug-Getriebeöle Zunehmend gewinnen die Firmenspezifikationen für Kraftfahrzeug-Getriebeöle an Bedeutung. Zu den ersten gehören die in Bild gezeigten Beispiele. Man erkennt, dass der Getriebehersteller nicht nur den Additivtyp, sondern auch die Additiv-Konzentration sowie die Konzentration der Elemente Schwefel und Phosphor vorschreibt. Spezifikation SQM -2C-9002-AA oder SQM -2C-9003-AA für Hypoidgetriebe öle SAE 90 Chemische und technologische Grenzwerte Additivtyp Additivgehalt, % Schwefelgehalt Phosphorgehalt TIMKEN-Verschlei ß, mg VKA-Schwei ßkraft, mg Leistungsstufe SQM-2C AA Schwefel -Phosphor 6,5 1,9 bis 3,5 min. 0,9 max. 10 min. 360 API GL-5 SQM-2C AA Schwefel -Phosphor 5,0 1,5 bis 3,0 min. 0,8 max. 15 min. 320 API GL-4 Bild : Frühes Beispiel für die Spezifizierung von Kraftfahrzeug-Getriebeölen

266 durch einen Getriebehersteller Ein neueres Beispiel für eine Fahrzeug-Getriebeöl-Spezifikation eines Getriebeherstellers zeigen die Bilder und Anforderungen a. Chemische und physikalische Eigenschaften IR-Spektrum (Additiv -Typ und -Gehalt) Sulfat-Asche Dichte Viskosit ät Pourpoint Korrosionsverhalten Grenzwerte sind Verdampfungsverlust einzuhalten Schaumverhalten Luftabscheideverm ögen Oxidationsbest ändigkeit Synthetische Mehrbereichsbetriebe öle API GL-4, SAE 75W -90, nach TL Bild : Neueres Beispiel für eine Spezifikation von Fahrzeug-Getriebeölen b. Funktionelle Anforderungen FZG -Test Scherstabilit ät Grübchentragf ähigkeit Elastomervertr äglichkeit Grenzwerte sind einzuhalten c. Freigegebenes EP -Additiv Hitec 380 (Ethyl), 4,5-5,0 Gew. -% Synthetische Mehrbereichsgetriebe öle API GL-4, SAE 75W -90, nach TL

267 2 Bild : Neueres Beispiel für eine Spezifikation von Fahrzeug-Getriebeölen Man erkennt, dass ein bestimmtes Additiv eines Herstellers in einer bestimmten Konzentration vorgeschrieben wird. Die neueste Entwicklung zeigt einen etwas anderen Weg auf. Parallel zur Entwicklung eines neuen Getriebes kann ein Schmierstoff-Hersteller ein Pflichten- Heft erhalten und die Entwicklung eines passenden Getriebeöles beginnen. Die Bilder bis zeigen diesen Weg an einem Beispiel. Bild Pflichtenheft für ein neues Getriebeöl - Allgemeine Anforderungen

268 Bild : Pflichtenheft für ein neues Getriebeöl Anforderungen Chemisch/Physikalische Bild : Pflichtenheft für ein neues Getriebeöl - Chemisch/Physikalische Anforderungen - 2

269 Bild : Pflichtenheft für ein neues Getriebeöl - Technologische Anforderungen Bild : Pflichtenheft für ein neues Getriebeöl - Umweltverträglichkeit

270 Synthetische Kraftfahrzeug-Getriebeöle Anhand einiger ausgesuchter Beispiele soll gezeigt werden, das sich auch bei Kraftfahrzeug-Getrieben durch synthetische Getriebeöle Vorteile ergeben können. Wie Bild zeigt war das Kälteverhalten eines synthetischen Getriebeöles viel besser als jenes eines Mineralöles. Kälteverhalten Startmoment in Nm Mineral öl SAE-90 Beispiel: PKW-Hypoid -Hinterachse Startmoment bei -40 C Synthetic Axle Fluid (SAE 75W -90) Besseres Kälteverhalten synthetischer Schmierstoffe Bild : Vergleich des Kälteverhaltens eines synthetischen und eines Mineralischen Getriebeöles Die Überlegenheit des synthetischen Getriebeöles hinsichtlich Oxidationsbeständigkeit gegenüber einem Mineralöl kann man Bild entnehmen.

271 ! Alterungskennzahl (IR) Mineral öl SAE 80 mit Anglamol 99 Synthese -Schmierstoff Syntrans ! Testdauer (h) Besseres Alterungsverhalten synthetischer Schmierstoffe Bild : Besseres Alterungsverhalten synthetischer Getriebeöle Wegen der niedrigeren Reibung durch ein synthetisches Getriebeöl konnte auch die Ölsumpftemperatur herabgesetzt werden, ein weiterer positiver Einfluss auf die Oxidationsbeständigkeit (Bild ). Ölsumpftemperatur in C Mineralöl SAE 90 GL 5 Hinterachse, PKW V max SAF Synthese -Schmierstoffe verringern MTF = Manual Transmission Fluid TAF = Trans Axle Fluid SAF = Synthetic Axle Fluid Synthetischer Schmierstoff SAE 75W-90 GL 5 Mineralöl SAE 80 GL 4 TAF Transaxle V max Synthetischer Schmierstoff SAE 75W-90 GL 4+ Ölsumpftemperatur Geringere Getriebe öltemperaturen synthetischer Schmierstoffe (Polyalphaolefine /Ester (nach Güsmer ) Mineralöl SAE 75W GL 3 MTF Schaltgetriebe V max Synthetischer Schmierstoff SAE 75W-90 GL 4 Bild : Niedrigere Ölsumpftemperaturen durch synthetische Getriebeöle

272 Durch synthetische Getriebeöle konnten auch die Verlustleistung verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden. Diese Effekte werden anhand der Bilder und erläutert. Verlustleistungsanteile in % Mit Synthese -Schmierstoffen 20-30% Reibungsminderung m öglich Leerlauf - Verlustleistung Verlustleistung aus Verzahnungsreibung Verlustleistung aus Lagerbelastung 4,7 9,3 14,0 m/s Umfangsgeschwindigkeit Bild : Verlustleistung in Hypoidgetrieben Wirkungsgrad -Verbesserung durch synthetische Getriebeschmierstoffe in Leicht -LKW -Hinterachsen* Wirkungsgrad 97% 96% City Bedingungen 96,78% Highway Bedingungen 95,91% 96,56% #!! 30% 25% 20% 15% 29% 15,9% 95,44% 10% 5% 95% Referenzöl SAE 90 M2C 154A BOT-Synthese - schmierstoff SAE 75W -90 Referenzöl SAE 90 M2C 154A BOT-Synthese - schmierstoff SAE 75W -90 0% City Highway Verlustgrad! = 1 -" Ritzeldrehzahlen: 500/1000/2000 min -1 * gefahren ALI Genauigkeit ± 0,1% Temperaturen: 23,9/37,8/51,7/65,5/93,3 C Wirkungsgradverbesserung durch synthetische Schmierstoffe (nach Güsmer) Bild : Wirkungsgrad in Hypoidgetrieben Durch diese Effekte konnte der Kraftstoffverbrauch entsprechend abgesenkt werden. Bild zeigt dies für verschiedene Fahrgeschwindigkeiten.

273 Kraftstoffersparnis in % mph ~64 ~ 80 ~88 km/h Kraftstoffersparnis durch synthetische Schmierstoffe (nach Güsmer ) Bild : Kraftstoffverbrauchssenkung durch synthetische Getriebeöle Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass synthetische Getriebeöle auch die Geräuschentwicklung beeinflussen können. Bild zeigt dies anhand eines Beispieles. Konstantfahrt 50 km/h Beschleunigte Vorbeifahrt Schallpegel (db) Messung links 96 91, rechts 98,5 92, Messung links 91 91, rechts 96, , Messung links rechts Messung links rechts ,5 70 mit SAF -X mit Scheiben Weniger Ger äusch durch synthetische Schmierstoffe Bild : Verringerung der Geräuschentwicklung durch synthetische Getriebeöle

274 Zukünftige Entwicklung Die zukünftige Entwicklung auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Getriebeöle ist durch die in Bild gezeigten Aspekte gekennzeichnet. Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch moderne Getriebetechnologien Verwendete Getriebetechnologien Manuelle Schaltgetriebe Stufenlosgetriebe (CVT = Continuonsly Variable Transmission) Automatische Schaltgetriebe ( Techtronic -Getriebe ) Doppelkupplungs -Automat-Schaltgetriebe Leistungsverz ögerungs -Getriebe in Hybrid -Fahrzeugen Tendenz bis 2010 (Europa/Deutschland) Verinngerung des Marktanteils manueller Schaltgetriebe von derzeit etwa 80% auf mehr als 40%. Entsprechend zunehmende Verbreitung der automatischen Schalt - getriebe und der CVT -Getriebe. (nach Lepperhoff, Infineum Insight Juni 2003) Bild : Zukünftige Trends bei den Kraftfahrzeug-Getriebeölen Automatische Getriebe Einführung Automatische Getriebe werden für die folgenden Anwendungen vorgesehen: - Personenwagen - Nutzfahrzeuge und Omnibusse - Baumaschinen - Industriemaschinen Vor allem im Fahrzeugsektor drängen sie die Handschaltgetriebe immer weiter zurück. Es wird noch zu zeigen sein, dass sie besondere Anforderungen an den Schmierstoff stellen. Zum Vergleich werden in Bild die unterschiedlichen Anforderungen an die Schmierung von Kraftfahrzeug-Getrieben dargestellt.

275 Handschaltgetriebe und auto - matisierte Handschaltgetriebe Stirnräder Fressen Synchronisationsbauteile (Buntmetalle) Reibverhalten, Korrosion W älzlager Abrieb Achsgetriebe Hypoidgetriebe mit Achs - versatz Fressen W älzlager Abrieb Evtl. LS ( Limited Slip)-Systeme (Reibkuppelungen) Reibverhalten Automatikgetriebe Planetenr äder (Stirnr äder) Fressen Nasse Reibkupplungen (im Ölbad) Reibverhalten Hydrodynamische Systeme Hydraulisches Verhalten Wälzlager Abrieb stufenlos verstellbare Getriebe (CVT) Stirnräder/Planetenr äder Fressen CVT-Kraft übertragung ( Variator ) Abrieb, Erm üdung Wälzlager Abrieb Bild : Anforderung an die Schmierung unterschiedlicher Kraftfahrzeug- Getriebe Zu den automatischen Getrieben gehören die - Automatgetriebe mit hydrodynamischem Wandler und mechanisches Mehrstufengetriebe - CVT-Getriebe (Continuously Variable Transmission), Stufenloses Getriebe Automatgetriebe Grundsätzlicher Aufbau und Schmierstoffanforderungen Zu den Komponenten eines Automatgetriebes gehören - Drehmomentwandler - Ölpumpe - Überbrückungskupplung - Planetengetriebe - Lamellenkupplungen - Bandbremsen - Steuerungssysteme Hinzu kommen noch Reibpaarungen wie Wälz- oder Gleitlager und Brems- und Kupplungsbeläge. Die Bilder und zeigen schematisch den Aufbau eines Automatgetriebes.

276 1. Eingangswelle 2. Ausgangswelle 3. Turbinenwelle Freil äufe 6. Bild : Automatgetriebe mit Wandler, 3 Vorwärtsgängen und 1 Rückwärtsgang Bauteile : Drehmomentenwandler Ölpumpe Überbr ückungskupplung Planetengetriebe Lamellenkupplungen Lamellen - /Bandbremsen Steuerungssysteme hydraulische Systeme/Komponent en Elektronik Bild : Bauteile eines Automatgetriebes Die Hauptaufgaben eines Automatgetriebeöles sind - Kraft- und Drehmomentübertragung - Schmierung der tribologischen Systeme - Hydraulikfunktion - Wärmeabfuhr

277 Daraus ergeben sich die folgenden Anforderungen: Allgemein: Wärmeabfuhr, Verschleissschutz, Schmierung, Schaumverhalten, Hydraulik, Schaltverhalaten Einflüsse: Tiefe und hohe Temperaturen, Langzeiteinsatz, Verträglichkeit mit allen Reibpartnern Besonderheiten: Reibverhalten mit den Reibbelag-Paarungen Gegenüber konventionellen Getriebeölen müssen die sogenannten Automatic Transmission Fluids (ATFs) einige zusätzliche Eigenschaften aufweisen. Diese sind: Viskosität bei tiefen Temperaturen Scherstabilität Reibverhalten/Dauerfestigkeit (Anti-Shudder) Thermische und oxidative Beständigkeit Verschleiss-Schutz Luftabscheidevermögen/Schaumverhalten Elastomerverträglichkeit Korrosionsschutzverhalten Von überragender Bedeutung ist das Rebungsverhalten zwischen den Kupplungsbelägen, weil hiervon das Schaltverhalten des Getriebes abhängt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten beim Schalten garantiert ein positiver Kurvenverlauf, d.h. eine zunehmende Reibung mit zunehmender Geschwindigkeit einen vibrationsund geräuschfreien Betrieb (Bild ). 0 m/s 1 Bild : Optimales Reibungsverhalten zwischen den Kupplungsbelägen eines Automatgetriebes

278 Auch andere Reibungsverläufe sind möglich, wie Bild zeigt. So hängen die Höhe der Reibung sowie der Reibungsverlauf stark vom Grundöl und dem Additivsystem ab, aber auch vom Werkstoff oder der Beschichtung der Lamelle. µ Ideale positive Reibwertkurve (steigender Reibwert mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit zu niedriger Reibwert führt zu Leistungsverlusten bei der Kraft übertragung hoch Reibkoeffizient fallender Reibwert über Gleitgeschwindigkeit führt zu Ruckeln und Ger äuschen (shudder) niedrig 0 m /s 1 Bild : Reibungsverläufe beim Schaltvorgang in einem Automatgetriebe Ein moderater Anstieg der Reibung gegen Ende des Schaltvorganges garantiert einen exakten Gangwechsel ohne Vibrationen und Rucken. Bild zeigt diesen optimalen Reibungsverlauf, welcher sich positiv auf den Komfort auswirkt. µ 0 m/s 1 ca. 1 s Bild : Idealer Reibungsverlauf für einen komfortablen Gangwechsel

279 Spezifikationen für Automatic Transmission Fluids (ATFs) Die einzelnen Kraftfahrzeughersteller oder Hersteller von Automatgetrieben haben jeweils eigene Spezifikationen für Automatic Transmission Fluids herausgegeben (Bild ). Die Anforderungen, vor allem an das Reibungsverhalten unterscheiden sich oft ganz erheblich. Spezifikationen f ür ATFs Ford Mercon (revised Sept. 1992) Ford Mercon V GM Dexron II D GM Dexron II E GM Dexron III GM DexronIII G Allison C -4 Daimler -Chrysler Daimler -Chrysler Mopar ATF3+ Mopar ATF4+ Leyland E85 Weltweite ATFs für Off-Road -Einsatz Caterpilar TO-4 ZF TE-ML 03 ZF TE-ML 09 Komatsu Komatsu -Dresser ATFs für Werkf üllung General Motors, Factory Fill GM M Ford Factory Fill for Life, M2C 202B Daimler -Chrysler Factory Fill for Life, MS 9602 Europ äische ATFs für Bau- und Off-Road-Einsatz ZF TE-ML-14, Standard drain km ZF TE-ML-14, Extended drain km Voith G607, Standard drain km Voith G1363, Extended drain km Renk standard drain Daimler -Chysler VW TL Bild : Spezifikationen für Automatic Transmission Fluids Einen Vergleich der GM-DEXRON und FORD-MERCON Speziikationen enthalten die Bilder bis

280 GM-DEXRON - und FORD-MERCON-ATFs 1 Bild : Vergleich der Spezifikationen GM-DEXRON und FORD-MERCON - GM-DEXRON - und FORD-MERCON-ATFs 2 Bild : Vergleich der Spezifikationen GM-DEXRON und FORD-MERCON -

281 GM-DEXRON - und FORD-MERCON-ATFs Bild : Vergleich der Spezifikationen GM-DEXRON und FORD-MERCON - 3 GM-DEXRON - und FORD-MERCON-ATFs 4 Bild : Vergleich der Spezifikationen GM-DEXRON und FORD-MERCON Verhalten synthetischer Automatic Transmission Fluids Die Überlegenheit synthetischer Automatic Transmission Fluids gegenüber Mineralölen soll anhand weniger Beispiele gezeigt werden. Bild verdeutlicht das erheblich bessere Alterungsverhalten synthetischer ATFs. Diese ermöglichen somit auch viel längere Ölwechselfristen, wie man Bild entnehmen kann.

282 Viskositätsanstieg (%)/100 C normal 200 h Dexron II Transmax Z Transmax S Stunden Bild : Alterungsverhalten von synthetischen und mineralischen ATFs Mineral öl km Synthetik öl z.b. Transmax Z km am Beispiel der ZF -Automatikgetriebe 5 HP x km Bild : Längere Ölwechselfristen durch synthetische ATFs CVT-Getriebe (Continuously Variable Transmission) Einführung

283 Das Leistungs-Kennfeld eines Verbrennungsmotors ist durch Motormoment und Drehzahl bestimmt. In dieses Kennfeld-Diagramm kann man Linien konstanter Motorleistung und konstanten Kraftstoffverbrauch eintragen (Bild ). Motorkennlinien (Drehmoment -Drehzahl -Feld eines PKW -Benzinmotors (nach Mang/ Dresel ) Bild : Leistungskennfeld eines Verbrennungsmotors Die folgenden Betriebszustände können definiert werden: - Ausnutzung der vollen Motorleistung bei jeder Geschwindigkeit, entlang der Kennfeldkurve für das maximale Motormoment (Kurve 1) - Betrieb des Motors beim niedrigsten Kraftstoffverbrauch bei Teilleistung (Kurve 2) Um einen Motor entlang einer optimalen Betriebskennlinie zu betreiben, sind möglichst viele Übersetzungs-Getriebestufen (Gänge) erforderlich. Eine erste Stufe zur Realisierung dieser Forderung ist das konventionelle Automatgetriebe, bestehend aus Drehmomentwandler und Zahnrad-Übersetzungsstufen. Es dient natürlich in erster Linie der Bequemlichkeit de Autofahrers, die man mit einem etwas höheren Kraftstoffverbrauch erkaufen muss. Gegenüber Handschaltgetrieben wird oft mit einem um etwa 10% höheren Verbrauch zu rechnen sein, wobei natürlich die Fahrweise eine grosse Rolle spielt. Hingegen ist mit einer Continuously Variable Transmission, also mit einem CVT- Getriebe ein Betrieb entlang einer optimalen und vorgegebenen Kennlinie möglich, also entlang der Kurven 1 oder 2, möglich Bauformen für CVT-Getriebe Die folgenden grundsätzlichen Bauformen für CVT-Getriebe sind bekannt: - Belt Type (Riemen)

284 - Chain Type (Kette) - Toroidal Type (Traktionsglieder) (Reibradprinzip) Damit haben folgende Bauformen Serienreife erlangt: - Schubgliederverband-CVTs (Push Belt- oder b-cvt) - Zugketten-CVTs (Chain- oder c-cvt) - Trakion-CVTs, z.b. Toroidal- oder t-cvt) Der zentrale Teil eines CVTs ist der Variator. Dieser ermöglicht die stufenlose Anpassung der Motordrehzahl und der Motorleistung an die jeweilige Fahrsituation bzw. an di Leistungswünsche des Fahrers. Praktische Erfahrungen haben ergeben, dass die Kraftstoffverbräuche zwischen jenen der Handschaltgetriebe und der Automatgetriebe liegen. Sie können zwischen 10 und 20% niedriger als bei konventionellen Automatgetrieben sein. Weitverbreitet ist die Ausführung b-cvt, welche auf dem Van-Doorne-Prinzip beruht (Bild ). Bild : Van-Doorne-Prinzip Hierbei erfolgt die Momentübertragng durch Schub auf der Druckseite des Bandes und weniger durch einen Zugvorgang. Daher die Bezeichnung Push Belt Prinzip. Bild zeigt das Funktionsprinzip.

285 (nach Mang + Dresel ) Bild : Prinzip eines Push-Belt-CVTs (b-cvt) Die praktische Ausführung eines solchen Getriebes der Firma JATCO, Japan erkennt man in Bild Durashift -Getriebe (JATCO) Bild : Push-Belt-Getriebe von JATCO, Japan Die Leistungsgrenze für die Verwendung solcher Getriebe liegt bei etwa 100 kw und 2 Liter Hubraum, doch sind Verbesserungen in der Zukunft zu erwarten

286 Bei den Chain-CVTs (c-cv) wird eine Kette zur Drehmomentübertragung verwendet. Diese funktioniert eher auf Zug als auf Druck. Das Übertragungsprinzip entspricht jenem des b-cvt-getriebes. Die Leistungsgrenze der c-cvt-ausführung ist höher als bei der b-cvt-ausführung. Etwa 150 kw und 3 Liter Hubraum sind leicht zu erreichen. Bild zeigt das AUDI-Getriebe. Bild : c-cvt-getriebe von AUDI Beim Traction-CVT-Getriebe, Toriodal-CVT oder t-cvt, werden Rollen gegenüber voll- oder teil-toroidalen Laufbahnen geneigt. Wie Bild zeigt, ergeben sich dadurch unterschiedliche grosse Ablaufdurchmesser, wodurch sich das Übersetzungsverhältnis einstellt.

287 Bild : Prinzip eines Traction CVT-Getriebes (t-cvt) Mit dieser Bauform hofft man, die für b-cvt- und c-cvt-getriebe geltenden Leistungsgrenzen überschreiten zu können Tribologische Aspekte und Anforderungen an die Schmierstoffe Aufgrund der gegenüber Zahnradgetrieben und konventionellen Automatgetrieben abweichenden Kraft-, Momenten- und Drehzahlübertragungen in den Variatoren der CVTs ergeben sich unterschiedliche tribologische Aspekte. Push- Belt- und Chain-CVTs Die Kraftübertragung bei diesen Antrieben erfolgt über einen Metall/Metall-Kontakt zwischen Band oder Kette und den Scheiben. Damit herrscht Mischreibung mit den Konsequenzen für Reibung, Verschleiss, Fressen und Grübchenbildung. Natürlich sind die Anforderungen anderer Reibstellen wo Kupplungen und Lager auch zu erfüllen. Traktions-CVTs Bei diesen Antrieben erfolgt die Kraft- oder Momentenübertragung durch den Scherwiderstand des Ölfilms zwischen den Rollen und den Toroidalscheiben. Damit herrscht der Zustand der Hydrodynamik bzw. Elastohydrodynamk vor. Die Anforderungen anderer Reibstellen müssen natürlich auch erfüllt werden. Vereinfacht dargestellt sind somit CVT-Fluids ATFs, welche gewisse Zusatzanforderungen erfüllen müssen. Generell muss auf die Bild dargestellten Anforderungen geachtet werden

288 Reibwertanforderungen Reibwertcharakteristik Kupplung Reibwertcharakteristik Variator Stabilit ät - thermisch / oxidativ / chemisch Versch äumungsverhalten Werkstoffvertr äglichkeit Elastomere Polymere Dichtmittel Buntmetalle multitronic Rheologische Eigenschaften VT-Verhalten Scherstabilit ät Schmierungseigenschaften Keine Pittingbildung Hohe W älzlagerlebensdauer Schmierfilmbildung Verschleissschutz Bild : Hauptanforderungen an CVT-Öle Im Einzelnen müssen CVT-Fluids die folgenden Anforderungen erfüllen. b- und c-cvt-fluids Physikalische, chemische und leistungsbezogene Eigenschaften ähnlich wie bei den ATFs Zusätzliche Reibungseigenschaften für den Metall/Metall Kontakt Höhere Reibungszahlen, aber auf Lager und Zahnräder achten Aussgeprägtes Anti-Pitting-Verhalten Guter Verschleissschutz t-cvt-fluids Wegen der grundsätzlich anderen Momentenübertragung durch einen EHD-Film gelten andere Anforderungen. Die sogenannte Traktionszahl (positive Reibungszahl) kennzeichnet die Momentenübertragung zwischen der treibenden und angetriebenen Oberfläche. Dieser hängt von der Molekülstruktur des Getriebeöls ab. Bewwährt haben sich naphthenbasische Mineralöle sowie cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe, die zu einer höheren Reibungs-,d.h. Traktionszahl führen. Zusammengefasst gelten die folgenden vergleichenden Anforderungen Anforderungen an CVT-Getriebeöle (Bild ).

289 Anforderungen an die Schmierstoffe - Vergleiche und Einsatz Für ATFs existieren Spezifikationen, die als Basis f ür die Entwicklung zumindest von b -und c-cvt-fluids verwendet werden Ein kurzer Vergleich der Grundanforderungen der unterschiedliche Anforderungen geht aus Bild 11 hervor n Bild : Zusammengefasste Anforderungen an CVT-Getriebeöle. Kinematische Viskosit ät bei 100 C (mm_/s) Dynam. Viskosit ät bei -40 C (mpas ) *current ATF standard, Group I -II-III VM = 6% Shell Global Solutions (Deutschl.) PAE Labor ATF mit neueren Additivkonzeption, guter Volatility und sehr guter Scherstabilit ät. Spezifikationserleichterungen für die Volatility und die Scherstabilit ät ergeben kosteng ünstige Lösungen Bild : Formulierung von Automatic Transmission Fluids Einen Vergleich möglicher Kraftstoffeinsparungen durch die unterschiedlichen Getriebekonzeptionen kann man Bild entnehmen.

290 Kraftstoff -Einsparungs -Potential Pkw Antriebskonzepte 4-Speed AT 5-Speed AT CVT 6-Speed AT IVT Shell Global Solutions (Deutschl.) PAE Labor Bild : Potential der möglichen Kraftstoffeinsparung durch verschiedene Getriebekonzeptionen Weitere Tendenzen zeigt Bild auf. Konventionelle automatische Getriebe Trend zur Lebensdauerf üllung steigende Anforderungen an Oxidationsstabilit ät und Verschlei ßschutz neuartige Bauweisen von Kupplungen/Drehmomentenwandlern hohe Reibwertstabilit ät des ATFs mit sehr engen Toleranzen Entwicklung von maßgeschneiderten ATFs ATFs der Zukunft werden nicht mehr austauschbar sein Automatische Getriebe mit stufenloser Übersetzung (CVT) erfordern steigendes Interesse aufgrund hohen Potentials an Kraftstoffeinsparung riemengetriebene CVTs - schon auf dem Markt verf ügbar (z.b. Nissan Micra, Ford Fiesta,..) - herkömmliche ATFs i.a. nicht einsetzbar Traction Drive Transmissions ( Toroidgetriebe ) - noch in der Entwicklung - völlig andere Öladditiverung erforderlich Shell Global Solutions ( Deutschl.) PAE Labor Bild : Tendenzen der Getriebeentwicklung

291 5.3 Windenergieanlagen Einführung Die Nutzung der Windenergie ist nicht neu, denn sie wurde schon früher zum Antrieb von Mühlen verwendet (Bild 5.3.1). Historie: Die Kraft des Windes - schon fr üher verstanden die Menschen, diese zu nutzen. Mehr als Windm ühlen drehten sich zur Blütezeit der M ühlenkultur in Deutschland. Ging es damals um die Versorgung der D örfer mit gemahlenem Korn so gilt es heute, einen Beitrag zur regenerativen Stromerzeugung zu leisten, mit aktuell ca Anlagen. Windm ühle: Friedrichskoog (Nach Kempkes, 2007) Bild 5.3.1: Frühe Nutzung der Windenergie Es wird immer notwendiger, nachhaltige und stets verfügbare Energiequellen zu nutzen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung der dem Wind innewohnenden Energie. Die dazu notwendige Technik hat in vergangenen 25 Jahren gewaltige Fortschritte erzielt. Allerdings wird es insbesondere in Europa immer schwieriger, geeignete landseitige Plätze für Windparks zu finden. Als Konsequenz werden Off-shore- Bereiche als Plätze für die Errichtung von Windenergieanlagen zu nutzen (Bild 5.3.2).

292 Bild 5.3.2: Off-shore Windenergieanlage (VESTAS WIND SYSTEMS) Leistungen und Abmessungen Die zu bewältigen Herausforderungen für Montage, Betrieb und Wartung einer modernen Windenergieanlage werden in Bild zusammengefasst. Starker, aber stetiger Wind, durchschnittliche Geschwindigkeit 35 km/h Winterorkane mit 165 km/h, Windst ärke 12, extreme Wellenh öhe Bis 100 m hohe Masten, 60 m lange Fl ügel Verankerung im Meeresgrund mit 25 langen Stahlpf ählen Größtes Problem: - Wartung und Instandsetzung - Nur an wenigen Tagen im Jahr so ruhige See, dass der Mechaniker mit dem Schiff anlegen kann - Sonst:: riskante Hubschrauberlandungen f ür Material und Mechaniker - 20 % der Jahreskosten f ür Stillstand + Wartung Bild 5.3.3: Zu bewältigende Herausforderungen

293 Heute können Windenergieanlagen mit Leistungen von 5 MW und mehr baut werden. Sie benötigen Lager mit mehr als 2 m Durchmesser (Bild 5.3.4) und besitzen einen Rotordurchmesser von fast 100 m. (SKF, 2001) Bild 5.3.4: Hauptlager für eine Windenergieanlage Die riesige Gondel solcher Anlagen wird in Bild gezeigt. Allein im Hauptgetriebe können 800 l Öl und mehr enthalten sein (Bild 5.3.6). Hauptgetriebe Bordkran R otorlager Pitchgetriebe R otorblattlager, -verzahnung M Generatorlager Bremsen Azimutgetriebe S chmier öl Hydraulik öl S chmierfett Azimutlager, -verzahnung Bild 5.3.5: Gondel einer grossen Windenegieanlage Quelle: R epower S ys tems AG

294 20 l 50 l 100 l 400 l 800 l Quelle: BWE, 2004 Bild 5.3.6: Mit der Leistung der Windenergieanlagen zunehmende Ölfüllungen Die grossen Rotoren mit Durchmessern von 80 m drehen mit etwa 30 U/min und benötigen Türme von höher als 100 m. Die riesige Antriebseinheit enthält alle Getriebe und Generatoren und ist mit allen anderen Hilfseinrichtungen in einer Gondel untergebracht (Bild 5.3.7). Bild 5.3.7: Antriebseinheit einer Windenergieanlage Tribologische Kontakte

295 Tribologische Kontakte bei Windenergieanlagen gibt es in den folgenden Einrichtungen: - Wellenlager - Getriebe mit Zahnrädern und Lagern - Hydraulikanlagen - Giermechanismus - Schmierölkreislauf Im Einzelnen müssen die folgenden Maschinenelemente geschmiert werden: - Radial-Pendelrollenlager mit Stahl- oder Messingkäfig - Zylinderrollenlager - Kegelrollenlager - Rillenkugellager - Stirnradgetriebe - Schneckengetriebe Betriebsbedingungen Die Betriebsbedingungen sind durch die folgenden Besonderheiten gekennzeichnet: - Vibrationen, die zu Eigenfrequenzen und Resonanzen führen - Drehzahländerungen von Null zu sehr schnell - Extreme Belastungsbereiche von sehr niedrig bis zu sehr hoch - Häufige und plötzliche Belastungsänderungen - Hohe und plötzliche Lastspitzen - Notbremsungen mit zusätzlichen Belastungen - Energieträger Wind führt zu häufigen Lastwechseln - Schwierige Wartungsverfahren - Extreme Umweltbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Salz, Staub usw.) Benötigte Schmierstoffe Zur Erfüllung der gegebenen Anforderungen sind die folgenden Grundschmierstoffe nötig: - Schmieröle - Schmierfette Zur Schmierung der Hauptkomponenten werden die folgenden Schmiertofftypen eingesetzt: - Getriebeöle und Getriebefette - Wälzlageröle und Wälzlagerfette - Hydrauliköle

296 Es gilt die folgende Gegenüberstellung zwischen Reibstelle und Schmierstoff: CLP-Getriebeöle - Hauptgetriebe Giergetriebe Schneckengetriebe Schmierfette für offene Getriebe - Giergetriebe Hydrauliköle - Blattverstellung Scheibenbremsen Hochleistungsschmierfette - Hauptlager Rotorlager Kardanwellen Giergetriebelager Gleitlager Generatorlager Vor dem Einsatz müssen die folgenden Eigenschaften der Schmierstoffe auf ihre Eignung geprüft werden: Verschleissschutzverhalten sowie Fresstragfähigfkeit und Graufleckenverhalten Viskositätsindex Oxidationsverhalten Korrosionsschutzeigenschafen Wasser- und Luftabscheideverhalten Biologische Abbaubarkeit Die wichtigsten Anforderungen an Getriebeöle für Windenergieanlagen werden in Bild aufgelistet. Betriebezeiten bis zu 5 Jahren Filtrierbarkeit Keine Schlammbildung Verschleissschutz Sauberkeit während des Betriebs Korrosionsschutz Oxidationsbest ändigkeit Gutes Luftabscheideverm ögen Starttemperatur -20/-40 C Temperaturbest ändig bis zu 120 C Schnell biologisch abbaubar Hoher VI Vermeidung von Schlupf Breiter Betriebstemperaturbereich Hohe Fresstragf ähigkeits und Graufleckigkeitsvermeidung Breiter Drehzahalbereich WGK I Hohe Umwälzzahlen Bild 5.3.8: Wichtige Anforderungen für Getriebeöle in Windenergieanlagen

297 Die Erfüllung der in Bild aufgelisteten Mindestanforderungen für Getriebeöle CLP reichen oft nicht aus, die Anforderungen des Einsatzes in Windenergieanlagen zu erfüllen. Manche Hersteller von Getrieben verlangen das Bestehen zusätzlicher Tests, wie sie in Bild aufgeführt sind. Viskosit ät ISO VG 230 or ISO VG 320 Viskosit ätssindex Ausgezeichnete Kupfervertr äglichkeit Ausgezeichneter Korrosionsschutz Ausgezeichneter Lager-Verschleissschutz Hoher Fress -, Pitting -, Graufleckigk. -Schutz Hohe thermische und hydrolytische Stabilit ät Gutes Tieftemperaturverhalten Elastomervertr äglichkeit Geringe Schaumneigung Gutes Luftabscheideverm ögen Hohe Oxidationsbest ändigkeit A 3 (DIN EN ISO 2160) - O-A (DIN ISO 7120) - max. Wälzkörperveschleiss 30 mg (FE 8 Test) - FZG-Schadenslast 12!"#$#%&"'#($)*+,-#(%.#")*#(%(")*-%"(%+//#(% 01//#(%+2$3 Bild 5.3.9: Mindestanforderungen an Getriebeöle CLP nach DIN Häufig reichen diese Eigenschaften zur Versorgung der Getriebe in Windenergieanlagen nicht aus. Für solche Einsätze müssen die Getriebeöle zusätzliche Anforderungen erfüllen. Hierzu geehören: - FZG-Schadenslast 14 - FZG-Graufleckigkeitsstufe > 10 - Viskositätsindex >150 - Pourpoint -40 C - FE 8 Verschleiss <30 mg Solche Anforderungen können nur von synthetischen Getriebeölen erfüllt werden.

298 Verlangte Tests DIN Teil 3 FVA 54/7 Graufleckigskeitst bei 90 C and 60 C => 10 ISO 220VG FZG Fresslasttest A/8,3/90 und bei doppelter Drehzahl A/16,6/90 Freudenberg Dichtungstest (statisch und dynamisch ) NBR (Nitrile ) und FKM ( Flouroelastomer ) Schaumtest nach ASTM 892 oder Flender -Schaumtest Vertr äglichkeitsteste mit allen Beschichtungen und Flüssigkeiten Erfüllung der FAG Specifikation für Windturbinen Erfüllung der SKF Spezifikation für Windturbinen Bild : OEM-Anforderungen an Getriebeöle Da die Getriebe neben der Zahnpaarung auch Wälzlager enthalten, verlangen die Wälzlagerhersteller noch den Nachweis der Eignung der Getriebeöle im Wälzlager. Bild zeigt ein Prüfprogramm in 4 Stufen für diesen Nachweis. spezifisch f ür Windkraft und Papiermaschine Stufe 4 Prüfung der R ückstandsbildung bei angehobenen Temperaturen Stufe 3 Lebensdauertest unter EHD-Bedingungen Stufe 2 Lebensdauertest unter moderaten Mischreibungsbedingungen Stufe 1 Kurzzeitverschlei ßtest unter extremen Mischreibungsbedingungen (nach Specht, FAG) Bild : 4-stufiges Prüfprogramm für Getriebeöle

299 Für den Einsatz in den Hydrauliken einer Windenergieanlage werden Hydrauliköle HVLP nach DIN verlangt. Die Mindestanforderungen an diese Öle werden in Bild zusammengefasst. Viscosit ät Viscosit ätsindex Pourpoint Korrosionsschutz Kupfer Stahl FZG Schadenslast Flügelzellenpumptest Ringverschleiss Flügelzellenverschleiss ISO VG32 > 140 < -30 C A3 0-A > 10 < 120 mg < 30 mg DIN ISO 2909 DIN ISO 3016 DIN DIN DIN DIN Bild Mindestanforderungen für Hydrauliköle HVLP nach DIN Auch an die in Windenergieanlagen verwendeten Schmierstoffe müssen Mindestanforderungen erfüllen sowie zusätzliche Tests bestehen. Wichtige Eigenschaften für Schmierfette, welche zur Schmierung von offenen Getrieben vorgesehen sind, werden in Bild aufgelistet. Deren wichtigste Eigenschaften können wie folgt definiert werden : Temperatureinsatzbereich -30 to +100 C NLGI 1 Ausgezeichneter Verschleissschutz Hohes Lasttrageverm ögen Gutes Adhäsionsverm ögen Gute Pumpfähigkeit

300 Bild : Schmierfette für offene Getriebe Ein Beispiel für die notwendigen Eigenschaften von Hochleistungs-Schmierfetten zeigt Bild Grundöl/Verdicker Konsistenz Betriebstemperatur Synth./Ca -Seife DIN NLGI class 2 dauernd -55 C bis zu +140 C kurzzeitig C Korrosionsschutz (EMCOR) Kupferekorrosion Wasserbest ändigkeit Fafnir-Test Fliessdruck ISO DIN DIN ASTM D 4170 DIN / < 0.5mg Verschleiss < C Bild : Notwendige Eigenschaften von Hochleistungs-Schmierfetten Ölanalyse und Wartung Hinsichtlich der Inspektion und Wartung von Windenergieanlagen sind die folgenden Aspekte zu beachten: - Extrem schwierige Betriebsbedingungen - Schwieriger Zugang zu den Anlagen, speziell bei Off-shore Windpaks Zur Beurteilung der Betriebsbedingungen müssen die folgenden Daten gemessen und aufgezeichnet werdeb: - Windgeschwindigkeit - Leistungsabgabe - Temperaturen in Lagern, Getrieben und Ölfüllungen - Vibrationen Für einen langzeitigen und störungsfreien Betrieb haben sich Online- Messeinrichtungen bewährt. Die Beurteilung gemessener Öleigenschaften hilft dabei, einen notwendigen Ölwechsel zu bestimmen, wenn gewisse Grenzwerte überschritten werden. Grenzwerte für einige Eigenschaften enthält Bild

301 Analysis parameter Borderline Unsatisfactory Water (Karl Fischer) 0.0% > 0.10% Sediment (see other Table) visible TAN increase over fresh oil 40% > 75% Viscosity change from ISO VG limits 10% > 20% Iron (Fe) ( ppm) > 100 Copper (Cu) ( ppm) > 75 Silicon (Si) increase over fresh oil ( ppm) > 20 ISO/DIS 4406 cleanliness (Acceptable is -/16/13) -/17/14 -/18/15 Typical contaminants in fresh oil ( ppm) Water ( %) Iron (Fe) 1-2 Silicon (Si) 2-3 ISO/DIS 4406 cleanliness of fresh oil -/20/18 (acc. to AGMA) Bild : Grenzwerte für Getriebeöle in Windenergieanlagen 5.4 Motorenschmierung Benzin- und Dieselmotoren Einführung Die Verbrennungsmotoren gehören zu den Kraftmaschinen, welche Energie abgeben (Bild 5.4.1). Als Kraftstoff werden Benzin, Dieselkraftstoff oder ein Treibgas verwendet (Bild 5.4.2).

302 Motoren Station äre Motore Fahrzeug -, Schiffsmotoren Verbrennungsmotoren Elektromotoren Kolbenmotoren Strömungsmaschinen Ottomotoren Dieselmotoren Gasturbinen Bild 5.4.1: Unterscheidung der verschiedenen Motorentypen Kraft-/Treibstoffe Ottokraftstoff Dieselkraftstoff Treibgase Erdgas Deponiegas Biogas Wasserstoff Elektrizit ät Batterie Brennstoffzelle Bild 5.4.2: Antriebsquellen für Motoren Ein anderes Merkmal ist die Art der Zündung, die Entstehung des Gemisches und das Verdichtungsverhältnis (Bild 5.4.3).

303 Verbrennungskraftmaschinen mit Art der Zündung Fremdz ündung Selbstz ündung Zündkerze Glühkopf Entstehung des Gemisches im Vergaser Einspritzen im Saughub Einspritzen im Verdichtungshub Einspritzen nachverdichtung Verdichtungs - verh ältnis bis etwa 10:1 bis etwa 22:1 Arbeits - verfahren Otto Diesel Bild 5.4.3: Unterscheidung verschiedener Verbrennungsmotoren Die verschiedenen Typen von Verbrennungskraftmaschinen haben sehr unterschiedliche Wirkungsgrade, wobei der Benzinmotor besonders schlecht abschneidet (Bild 5.4.4). 70 Wirkungsgrad in % Dieselmotor Brennstoffzelle Gasturbine 20 Benzinmotor Leistung in kw Bild 5.4.4: Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren Tribologie im Motor

304 In weiten Bereichen eines Kolbenmotors bauen sich hydrodynamische Druckfilme auf, welche Kräfte übertragen können. In Abhängigkeit von sich bei Drehung der Kurbelwelle verändernden Kräften (Bild 5.4.5) ergibt sich die sogenannte Verlagerungsbahn (Bild 5.4.6). nach FEDERAL MOGUL Bild 5.4.5: Lagerbelastungen im Motor nach FEDERAL MOGUL Bild 5.4.6: Verlagerungsbahn Sowohl durch die Drehung der Welle als auch durch die Verdrängung ergeben sich bei einem instationär belasteten Lager Druckfilme, welche die anliegende Belastung übertragen. Die Bilder und zeigen diese Einzeleffekte.

305 nach FEDERAL MOGUL Bild 5.4.7: Hydrodynamischer Druckaufbau durch Drehung nach FEDERAL MOGUL Bild 5.4.8: Hydrodynamischer Druckaufbau durch Verdrängung Beide Effekte gemeinsam ergeben den gesamten hydrodynamischen Druck in einem instationär belasteten Gleitlager (Bild 5.4.9).

306 nach FEDERAL MOGUL Bild 5.4.9: Gesamter Öldruckaufbau in einem instationär belasteten Gleitlager Bild zeigt, in welchen Bereichen eines Motors Hydrodynamik auftritt. Das Ausmass hydrodynamischer Tragfilme bestimmt natürlich auch das Reibungs- und Verschleissgeschehen im Motor. Reibstelle Reibungszustand Kurbelwellenlager Mischreibung und Fl üssigkeitsreibung Hydrodynamik ( Elastohydrodynamik) im Motor Pleuellager Kolbenbolzenlager Nockenwellenlager Kolben/Kolbenring-Zylinder Bereich von O.T. und U.T. Bereich zwischen O.T. und U.T. Nocken-Stössel Hydrodynamik ( Elastohydrodynamik) Hydrodynamik / Mischreibung Hydrodynamik Mischreibung Hydrodynamik Elastohydrodynamik / Mischreibung Bild : Hydrodynamik in einem Motor

307 Natürlich wirkt sich die Belastung der Lager auch entscheidend aus. Sie hängt vor allem von der Art des Motors ab. Wie Bild zeigt, sind Lager in Kolbenmotoren spezifisch höher belastet als Lager in Turbinen und Elektromotoren. Belastung, kn Kolben - motoren Gleitlagerbelastungen in Abh ängigkeit vom Durchmesser f ür verschiedene Anwendungen (Kolbenmotoren, b/d = 0,3, 2300 N/cm 2, E-Motoren/Turbinen, b/d = 0,7, 100 N/cm 2 ) (nach NEALE) 44,5 4,45 0,445 Elekro - motoren Turbinen 0,0445 2,54 25, Zapfendurchmesser, mm Bild : Gleitlagerbelastung in verschiedenen Motortypen Aus Bild kann man ersehen, dass grosse stationäre Mororen niedrigere Verschleissraten aufweisen als die Lager in Fahrzeugmotoren. Mit dem höchsten Verschleiss muss man in Motoren für tragbare Geräte rechnen). Verschlei ßraten der Zylinderlaufbahnen von Motoren (nach NEALE) Durchmesserverschleiss -Rate, mm/1000 h Bereich für Viertakt - motoren Motorräder, transportable Geräte Pkw Lkw Verschlei ßrate bezogen auf Durchmesser und 1000h Betrieb Zweitakt - Schiffsmotoren Lokomotiven Gro ße station äre Motoren Bohrungsdurchmesser, mm Bild : Zylinderlaufbahnverschleiss in verschiedenen Motortypen

308 Beanspruchung des Motorenöles Bild zeigt, wie sich Beanspruchung des Motorenöles verändert hat. Obwohl die durchschnittliche Leistung der Motoren über den betrachtetn Zeitraum um ein Mehrfaches erhöht hat und die Ölverbräuche zurückgegangen sind, ist das Ölvolumen im Motor kaum angestiegen. Berücksichtigt man noch die um ein Vielfaches verlängerten Ölwechselfristen, erkennt man die erheblich erhöhte Beanspruchung des Öles. Kraftfahrzeug - und Ölentwicklung Personenwagen A B C Modelljahr (J. Vetter, Röhm 1949 Spektrum 42, 1995) Leistung (kw)/ Drehzahl ( u/min) Ölfüllung (l) Ölverbrauch (l/1000 km) Ölwechselintervall (km) Ölspülung beim Wechsel ja nein nein Gebrauchtöl-Menge nach km Kraftstoffverbrauch Durchschnitt (l/100 km) Bild : Entwicklung der Motoren- und der Schmierung Man kann daraus eine sogenannte Ölbelastungs-Kennziffer definieren, welche in den vergangenen Jahren ganz dramatisch angestiegen ist (Bild ). Gleichzeitig wurden auch die Warungsintervalle für die Motoren erheblich verlängert (Bild ).

309 Ölbelastungskennziffer f ür wassergek ühlte Motoren ( ÖBK) Ölbelastungskennziffer 300 kw km l Ölwechselintervall (km) kw km Leistung (kw) 1000 ÖBK l 2 = Hubraum (l) Ölsumpfvolumen (l) Jahr Bild : Ölbelastungskennziffer Wartungsintervall [km] Zunehmende Wartungsintervalle (nach Shell) Lkw Pkw Jahr 2000 Bild : Entwicklung der Wartungsintervalle für Nutzfahrzeug- und Personenfahrzeug-Motoren Im Prinzip gelten die in den Bildern und zusammengefassten Hinweise Über den Ölverbrauch und den Ölbedarf von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren und Personenkraftfahrzeug-Benzinmotoen.

310 Kraftfahrzeug - und Ölentwicklung Personenwagen A B C Modelljahr (J. Vetter, Röhm 1949 Spektrum 42, 1995) Leistung (kw)/ Drehzahl ( u/min) Ölfüllung (l) Ölverbrauch (l/1000 km) Ölwechselintervall (km) Ölspülung beim Wechsel ja nein nein Gebrauchtöl-Menge nach km Kraftstoffverbrauch Durchschnitt (l/100 km) Bild : Ölverbrauch und Ölbedarf von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Ölwannen-Füllmenge Ölverbrauch und Ölbedarf eines PKWs mit 4,5 l4-taktmotor (von Eberan, VDI-Berichte 1066, 1993) Spez. Ölverbrauch 0,075 l/1000 km Öl : Kraftstoff-Verhältnis (Verbrauch) 1 : 1333 Ölwechselintervall Gesamtölverbrauch pro Ölwechselintervall Peilstabdifferenz max./min. Nachfüllmenge pro Ölwechselintervall Gesamtölbedarf pro Ölwechselintervall Spez. Kraftstoffverbrauch Gesamt-Kraftstoffverbrauch/Ölwechsel km 1,125 l 1,0 l 0,5 l 4,5 + 0,5 = 5,0 l 10 l/100 km l Öl : Kraftstoff-Verhältnis (Bedarf) 1 : 300 Bild : Ölverbrauch und Ölbedarf von Personenkraftfahrzeug- Benzinmotoren Der Aufgabenkomplex für Fahrzeugmotoren kann durch die folgenden Hauptaufgaben gekennzeichnet werden: - Übertragung von Kräften - Unschädlichmachen von Verunreinigungen - Verschleiss- und Fressschutz

311 - Korrosionsschutz - Abdichten - Kühlung Diese Aufgaben werden durch mehrere Nebenaufgaben ergänzt: - Neutrales Verhalten gegenüber Werkstoffen und Dichtungsmaterialien - Geringe Schaumneigung - Lange Gebrauchsdauer, lange Ölwechselfristen - Niedriger Ölverbrauch - Niedriger Kraftstoffverbrauch Die Unterscheidung zwischen und Haupt- und Nebenaufgaben ist natürlich fliessend. Zur Erfüllung dieser Aufgaben müssen die Motorenöle bestimmte Eigenschaften aufweisen, die bestimmten Eigenschaftskomlexen zugeordnet werden können (Bild ). Aufgaben und Funktionen Eigenschaften Übertragung von Kr äften Unschädlichmachen unerwünschter Produkte Verschlei ßschutz Korrosionsschutz Abdichten Viskosit ät und Flie ßverhalten Oberfl ächenaktives Verhalten Neutralisationsverhalten Kühlen Bild : Gegenüberstellung von Aufgaben, Funktionen und Eigenschaften Von Motorenölen (Eigenschaftskomplexe) Eine Beschreibung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Motorenölen wurde in Bild zusammengestellt.

312 a. Physikalische Eigenschaften a.1. a.2. Optimale Viskosität und optimales Fließverhalten bei tiefen und hohen Temperaturen Viskosität-Temperatur-Verhalten Viskosität-Druck-Verhalten Viskosität-Schergefälle-Verhalten Viskosität (= f (!, p, G) ) Viskositätsindex Pourpoint Hohe spezifische Wärme b. Chemische Eigenschaften b.1. Thermische und oxidative Beständigkeit (hohe Temperaturen, lange Einsatzzeiten) Oxidationsbeständigkeit Alterungsneigung b.2. Geringe Verkokungsneigung Koksrückstand b.3. Neutralisationsvermögen ( Alkalität) Total Base Number (TBN) b.4. Oberflächenaktives Verhalten Aufbau von Korrosionsschutzfilmen z.b. Kupferkorrosion Aufbau von Extreme-Pressure-(EP)- und Anti-Wear-(AW)- Filmen Technologische Kennwerte c. Chemisch-phsikalische Eigenschaften c.1. Dispergiereigenschaften Verhinderung von Kaltschlamm-Ablagerungen bei tiefen Temperaturen Technologische Kennwerte c.2. Detergiereigenschaften Vermeidung von Ablagerungen bei hohen Temperaturen Technologische Kennwerte Bild : Chemische und physikalische Eigenschaften von Motorenölen Betriebsverhalten von Motorenölen Allgemeines Zur Beurteilung des Betriebsverhaltens von Motorenölen muss das Temperaturniveau in einem Motor berücksichtigt werden. - Kurbelgehäuse, Ölsumpf - 80 bis 160 C - Kurbelwellenlager bis 170 C

313 - Pleuellager bis 180 C - Kolbenbolzenlager bis 220 C - Kolbenring-, Zylinderbereich bis 300 C Das Betriebsverhalten von Motorenölen ist durch die folgenden Aspekte gekennzeichnet: - Viskosität bei tiefen und hohen Betriebstemperaturen - Detergier- und Dispergiervermögen - Neutralisationsvermögen Viskositätsverhalten Zur Beurteilung der Viskosität bei Betriebstemperatur (Hochtemperaturveralten) soll von einer Mindestviskosität von 5 mm2/s sowie 5000 mpas ausgegangen werden. Bild zeigt die sogenannten Äquiviskositätsbereiche für verschiedene SAE- Viskositätsklassen. Also die Temperaturbereiche für die genannten Viskositäten. Um einen häufigen Ölwechsel zu vermeiden, müssen Öle mit einer niedrigen Viskositäts -Temperaturabhängigkeit eingesetzt werden. Äquiviskosit ätsbereiche von Motoren ölen unterschiedlicher SAE-Viskosit ätsklassen Temperatur ( C) Höchste Ölsumpftemperatur 50 Tiefste Mehr - bereichs öl SAE 10W SAE 20W SAE 30 SAE 40 SAE 50 20W Bild : Äquiviskositätsbereiche für verschiedene Viskositätsklassen Bild zeigt schematisch den tatsächlichen Viskositätsverlauf für Einbereichsöle und die gewünschten Verlauf mit einer Höchstviskosität bei tiefen und einer Mindestviskosität bei hohen Temperaturen.

314 Tatsächlicher und gew ünschter Viskosit ät-temperatur -Verlauf von Mineral ölen (schematisch) Tats ächlicher Verlauf von zwei Ölen Höchstviskosit ät Gew ünschter Verlauf Mindest - viskosit ät Tiefe Temperatur Hohe Temperatur Bild : Tatsächlicher und gewünschter Viskositätsverlauf Für die gewünschte oder benötigte Verflachung der Viskositäts-Temperatur-Kurve, also zum Erreichen der Mehrbereichs-Charakteristik, gibt es zwei Möglichkeiten: - Grundöl mit entsprechend flachem VT-Verlauf, z.b. die Verwendung von Hydrocrack- oder Syntheseölen - Verwendung von sogenannten Viskositätsindex-Verbesserrern Bild zeigt schematisch den Effekt durch Einsatz von VI-Verbesserrern. Dabei entstehen sogenannte Mehrbereichsmotorenöle mit relativ niedrigen Viskositäten bei tiefen und relativ hohen Viskositäten bei hohen Temperaturen. " 1!" 1!" 2 A M G = Grund öl f ür Mehrbereichs öl M G = Grund öl f ür Mehrbereichs öl M M gew ünschtes Mehrbereichs öl M = Mehrbereichs öl zu hoher Viskosit ät M G G B " 2!"!" A, B - Festpunkte f ür gewünschtes Öl # 1 # 2

315 Bild : Verflachung der VT-Kurve eines Einbereichsöles durch Verwendung von VI-Verbesserrern Der Wirkungsmechanismus der VI-Verbesserer beruht auf dem Effekt, wonach diese Additive bei tiefen Temperaturen im Grundöl schlecht löslich sind und damit deren Viskosität relativ wenig erhöhen. Mit steigenden Temperaturen verbessert sich ihr Lösungsvermögen, so dass sie Viskosität bei höheren Temperaturen stärker erhöhen. Die gewünschte Verflachung de Viskositäts-Temperatur-Verlaufs ist die Folge (Bild ). schlecht niedrig Löslichkeit Temperatur gut hoch Bild : Wirkungsmechanismus von VI-Verbesserrern Das Tieftemperaturverhalten von Motorenölen ist durch den Kaltstart des Motors und das Pumpverhalten des Öles nach einem Kaltstart gekennzeichnet. Um einen Motor bei tiefen Temperaturen zu starten, muss eine Mindestdrehzahl erreicht werden. Diese liegt bei etwa 1U/s und wird als Anspringdrehzahl bezeichnet. Ein Mass für das Startverhalten bei tiefen Temperaturen ist die sogenannte CCS- Viskosität. Nach dem Kaltstart muss das Öl von der Ölpumpe angesaugt und zu den Reibstellen gefördert werden. Zur Beurteilung des Pump- und Förderverhaltens sind die Einflüsse der Viskosität einerseits und des Leitungssystem auf der Saugseite der Pumpe zu beachten. Ein Mass für das Pumpverhaltens von Motorenölen bei tiefen Temperaturen ist die sogenannte Grenzpumpviskosität, die im Minirotary- Viskosimeter gemessen wird Detergier- und Dispergierverhalten Das Detergier- und Dispergiervermögen eines Motorenöls soll die beim Betrieb des Motors entstehenden festen und flüssigen Verunreinigungen unschädlich machen. Zu diesen Verunreinigungen gehören - Brennstoffreste - Wasser

316 - Russteilchen - Oxidationsprodukte Die Detergier- und Dispergieradditive sollen folgende Aufgaben erfüllen: Verhinderung - von Schlammbildung (Kalt- und Heissschlamm) - von Ablagerungen m Kolben, hauptsächlich in den Nuten - des Festgehens der Kolbenringe (Kolbenklemmen) - von Lackbildung an heissen Metaaloberflächen - von mechanischen und korrosiven Verschleiss - von Rostbildung - von Säurebildung - Agglomeration der Verbrennungsprodukte Zu unterscheiden sind das Peptisieren und das Solubilieren. Unter dem Peptisieren versteht man die Umhüllung fester Verunreinigungen vor allem durch aschegebende Detergents. Sie wirken in erster Linie im oberen Temperaturbereich und sind für Nutzfahr-Dieselmotorenöle wichtiger als für PKW-Benzinmotoren. Unter dem Solubilisieren versteht man die Umhüllung flüssiger Verunreinigungen (Säuren, Wasser, Kraftstoff), die in erster Linie bei niedrigeren Temperaturen, also im PKW-Betrieb entstehen Neutralisationevermögen Hierunter werden chemische Reaktionen zwischen sauren Oxidationsprodukten und alkalischen Verbindungen verstanden. Dies kann man durch alkalisch eingestellte Detergents und einige Dispersants erreichen. Bild zeigt den Kolbenringverschleiss in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffes für verschieden hohe Alkalitäten des Motorenöles. Einflu ß des Schwefelgehalts des Kraftstoffs und der TBN des Motoren öls auf den Kolbenringverschlei ß eines Dieselmotors Kolbenringverschlei ß, mg/h TBN 3,0 TBN 7,0 1 TBN 10, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 % S (nach _tepina und Vesel_ ) Bild : Kolbenringverschleiss in Abhängigkeit vom Kraftstoffschwefelgehalt

317 und der Alkalität (TBN) des Motorenöles Veränderungen des Motorenöles im Betrieb Während des betrieblichen Einsatzes unterliegt das Motorenöle durch mechanische und thermische Beanspruchungen physikalischen Veränderungen sowie durch chemisch Reaktionen verursachte chemische Veränderungen im Einzelnen sind dies Veränderungen durch - Verdampfungsverluste - Viskositätsverringerung durch Scherung - Eindickung durch feste Fremdstoffe - Verdünnung durch Kraftstoff - Versäuerung durch Oxidationen - Rückstandsbildung - Schlammbildung Diese Veränderungen können die Viskosität herabsetzen oder heraufsetzen, wie Bild zeigt. Viskosit ätsänderungen durch Scherbeanspruchung Ruß, Fremdstoffe Strukturviskosit ät Verdampfungsverlust Polymeroxidation Grund öloxidation Kraftstoff Abnahme Druck Zunahme Bild : Viskositätserhöhende und viskositätssenkende Veränderungen des Motorenöles Die Folge von Verdampfungsverlusten sind Öleindickung und Ölverbrauch. Sie hängen vom Grundölgemisch, der Viskosität und der Molekulargewichtsverteilung ab. Irreversible Viskositätsverringerungen entstehen durch mechanischen Abbau hochmolekularer Polymere (VI-Verbesserer). Sie hängen von der Konzentration, dem Molekulargewicht und der Struktur der Polymere ab.

318 Viskositätsverringerungen durch Kraftstoffeintrag ergeben sich vor allem im Kurzstreckenverkehr, wenn an Motorteilen unterhalb der Betriebstemperatur Kraftstoff kondensiert. Wenige Prozent Kraftstoff genügen, um die nächst niedrigere SAE-Viskositätsklasse zu erreichen. Durch den Eintrag von Verunreinigungen von aussen, durch Rückstände aus der Kraftstoffverbrennung sowie durch Produkte der Ölalterung wird die Viskosität erhöht. Eine Versäuerung des Öles entsteht durch Oxidationsprodukte mit der Bildung organischer, öllöslicher Säuren. Schlammbildung ist eine Folge der bei Betriebstemperatur oder aber im unterkühlten Betriebszustand entstehenden Reaktionssprodukte, welche Ablagerungen an kritischen Motorteilen aufbauen können. Bild zeigt schematisch die Wechselwirkungen zwischen Reaktionsprodukten und bestimmten Öladditiven. Motoren ölalterung: Wechselwirkung zwischen Reaktionsprodukten und Ölzusätzen Verbrennung H 2 O NO/NO 2 SO 2/ SO 3 Antirost Rost Korrosion Kraftstoff Schmier öl Oxidation Antioxydantien Pyrolyse Hydroperoxyde Carbons äure Hydroxys äuren Ketone Aldehyde Radikale Olefine freier C H 2 Anti - korrosion Detergents /Dispersants Ölkohle Eindickung Schlamm Lack Bild : Wechselwirkungen zwischen Reaktionsprodukten und Öladditiven Motorenöle Grundsätzlich ist zwischen den folgenden Motorenöltypen zu unterscheiden: - Benzinmotorenöle - Dieselmotorenöle - Gasmotorenöle - Schwerölmotorenöle - Zweitaktmotorenöle - Drehkolbenmotorenöle - Gasturbinenöle - Traktormotorenöle

319 In diesem Kapitel sollen vor allem die Benzin-, Diesel- und Gasmotorenöle behandelt werden. Motorenöle bestehen aus dem Grundölgemisch und dem Additivpaket. Als Grundöle werden Mineralöle, Syntheseöle sowie Gemische aus Mineral- und Syntheseöle verwendet. Zur Formulierung von Hochleistungsmotorenölen müssen hochwertige Grundöle Einen Vergleich einiger Eigenschaften in Abhängigkeit vom Grundöl zeigt Bild API / ACEA API / ACEA Gruppe 2 Gruppe 3 Bedeutung von Hydrocrack -Grundölen (HC) im Vergleich zu HC - I HC - II HC - III paraffinischen Solventraffinaten (SN) und Polyalphaolefinen (PAO) VI 100 VI 130 VI 145 Chemisch rein Chemisch rein Chemisch rein Schwefelfrei Schwefelfrei Schwefelfrei Erhöhte thermische Stabilität Erhöhte thermische Stabilität Erhöhte thermische Stabilität Verdampfung nach Noack ähnlich wie bei SN-Ölen Produktionskosten ähnlich wie bei SN-Ölen Verdampfung nach Noack ähnlich wie bei SN-Ölen Produktionskosten erheblich niedriger als bei PAO Verdampfung nach Noack ähnlich wie bei SN-Ölen Produktionskosten niedriger als bei PAO Bild : Einfluss der Grundölqualität auf wichtige Motorenöleigenschaften Natürlich wirkt sich die Verwendung höherwertiger Grundöle stark auf die Herstellungskosten von Motorenölen aus (Bild ). Anteilige Grund öl- und Additiv -Kosten bei PKW -Motoren ölen (Leistungsklasse entsprechend ACEA A3/B3) 26% 22% 16% 7% 47% 74% 78% 84% 93% 53% 15W-40 SN 10W-40 HC II 5W-40 PAO/HC II 0W-30 PAO 0W-30 Ester Grundöle Additive Bild : Auswirkung der Grundölqualität auf die Herstellungskosten Von Motorenölen

320 Neben dem Grundöl kommt der Additierung eine grosse Bedeutung zu. Die folgenden Additivtypen werden in Motorenölen benötigt: - Basische Detergents - Nicht aschegebende Dispersants - Oxidationsinhibitoren - Verchleiss- und Fressschutzadditive - Korrosionsschutzadditive - Viskositätsindexverbesserer - Pourpointverbesserer - Schaumdämpfer - Reibungsveränderer (Friction Modifier) Die Bild und enthalten Hinweise zur Funktionsweise dieser Additive sowie die verwendeten chemischen Verbindungen. Typ Beispiele Funktion 1. Basische Detergents 2. Aschefreie Dispersants Calzium-, Barium-Magnesium- Sulfonate, -Phenolate oder - Salicylate Polyisobuten-Succinimide 1. Neutralisation von Säuren 2. Verhinderung von Lackbildung 1. Dispergieren von Ruß und Oxidationsprodukten 2. Verhinderung d. Ablagerung von Fremdstoffen und Lackbildung 3. Antioxidantien Zinkdithiosphosphate, gehinderte Phenole, phospho-sulfurisierte Metallsalicylate Olefine, Verhinderung von Öloxidation und Öleindickung 4. Hochdruck (EP) Additive Zinkdithiosphosphate, org. Phosphate, org. Schwefelverbindungen Verhinderung von Verschleiss (an Nocken und Stößeln) Bild : Additive für Motorenöle - 1

321 Typ Beispiele Funktion 5. Korrosionsschutz- Additive 6. Viskositätsindex- Verbesserer 7. Stockpunkt- Verbesserer Calzium-, Barium-Natrium-Sulfonate, org. Amine Polymethacrylate, Äthylen-, Propylen-, Copolymere, Styrol-Butadien-Copolymere Polymethacrylate Verhinderung von Korrosion Reduzierung des Viskositätsabfalls mit steigender Temperatur Verbesserung der Fliesseigenschaften bei niedrigen Temperaturen 8. Schaumdämpfer Silikon-Verbindungen Verhinderung von Schaumbildung bei starker Umwälzung 9. Reibkraftminderer ( Friction-Modifier ) Fettsäuren, Fettsäure-Derivate, org. Amine, Amin-Phosphate i. a. mildere EP-Additive Reduzierung der Reibkraftverluste Bild : Additive für Motorenöle - 2 Hinweis zu Konzentrationsbereichen für die verschiedenen Additivtypen enthält Bild % Oxidationsinhibitoren 0,3 1,0 VI-Verbesserer, PAMA 0,5 15 (Getriebe öle 40,0) Pourpointverbesserer 0,2 0,5 Korrosionsinhibitoren O,05-0,3-10,0 Metalldeaktivatoren 0,05 1,0 Demulgatoren 0,01 0,2 % Verschlei ß-/Freßschutzadditive bis 5,0 Reibungsver änderer 0,5 1,0 - Ottomotoren öle Detergentadditive 5,0 12,0 - Dieselmotoren öle Dispersantadditive bis 20,0 Geruchsverbesserer 0,01 0,3 Schauminhibitoren ppm Bild : Konzentrationsbereiche für Additive Aus Bild kann man entnehmen, das für Dieselmotorenöle eine höhere Konzentration an Detergentadditiven vorgesehen wird als für Benzinmotoren. In

322 letzteren ist jedoch die Konzentration an Dispersantadditiven höher. Der Grund sind die bereits besprochenen Unterschiede der Betriebsbedingungen. Bild : Formulierungsunterschiede zwischen Benzinmotorenölen und Nutzfahrzeugdieselmotorenölen 37,0% Aschelose Dispergatoren 11,1% Magnesium Detergentien 9,8% 52,2% 23,2% Kalzium Detergentien 17,4% 13,0% ZDTP 13,0% 15,7% Antioxidantien 7,6% Nfz-Motoren öladditive Pkw-Motoren öladditive (nach Raddatz, 1998) Als Beispiel enthält Bild die Formulierung eines Motorenöles SAE 5W-40 Typische Formulierung (Gew. -%) eines synthetischen Motoren öls SAE 5W -40 ( Fuel Economy Oil) PAO 6 55,00 PAO 8 23,00 Polyolester 5,00 VI-Verbesserer 0,50 Verschleissschutz (ZnDTP ) 2,50 Dispersant 7,00 Detergent 5,00 Antioxidantien 1,00 Korrosionsinhibitoren 0,30 Friction Modifier 0,70 100,00 Bild : Formulierung eines Motorenöles SAE 5W-40

323 Umweltaspekte Die Umweltaspekte bei Motorenölen beziehen sich in erster Linie auf eine Verminderung der Emissionen. Aber auch Fragen der biologischen Abbaubarkeit vom Motorenölen gewinnen an Bedeutung Emissionsreduzierung Bei Dieselmotoren steht die Reduzierung von Partikeln, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden im Mittelpunkt des Interesses. Die zunehmend strengeren Anforderungen durch die Übergänge von EURO I auf EURO II, dann auf EURO III, EURO IV und letztendlich auf EURO V verschärft die Anforderungen an die Motorenöle aber auch an die Betriebsbedingungen. Dies wird anhand von Bild verdeutlicht. Bild : Strengere Anforderungen hinsichtlich reduzierter Emissionen Bild zeigt Hinweise, mittels welcher Massnahmen diese Reduzierungen erreicht werden können. Ohne geeignete Abgasnachbehandlungen ist dies nicht möglich.

324 PM De-NOx CAT Aftertreatment device Fuel changes Turbochargers & Intercoolers EURO 2 EURO I Retarded injection, piston design changes SCR CRT OXICAT EGR EURO 4 EURO 3 Engine design NOx Bild : Massnahmen zur Reduzierung von Partikel- und Stickoxidemissionen In Bild wird die Problematik aufgezeigt und es wird deutlich, dass es zwar möglich entweder die Partikel- oder die Stickoxidemissionen weitgehend zu vermeiden, aber es kaum möglich ist, beide gleichzeitig mit einer Anlage herabzusetzen. Oxicat DFP Diesel particulate filter NO x Trap EGR SCR (with precatalyst ) NOx Reduction 0 % 0 % % % % Pm Reduction 50 % SOF % 0 % 0 % 0 % Bild : Herabsetzung der Abgasemissionen durch verschiedene Nach- Behandlungseinrichtungen

325 Für den Bereich der Nutzfahrzeugdieselmotoren hat die sogenannte SCR Selective Catalytic Reduction Eine grosse Bedeutung erlangt. Sie kann wie folgt gekennzeichnet werden: Prinzip Mittels eines katalytischen Konverters werden durch eine genau bemessene Menge von AdBlue, die in den heissen Abgasstrom gesprüht wird, die Stick- Oxide in Stickstoff und Wasser umgewandelt, AdBlue Markenname für eine hochkonzentrierte, standardisierte und synthetische Wässrige Harnstofflösung Vorkehrungen am Fahrzeug/Infrastruktur Separate Tanks und Zumesseinrichtungen/Tankstellen mit AdBlue-Vertrieb Ergebnisse (Emissionen) Erfüllung der EURO 4 Anforderungen an Emissionen (ab 2006) Verbesserte Version: Erfüllung der EURO 5 Anforderungen (ab 2009) Kraftstoffverbrauch Senkung um 2-5% gegenüber EURO 3 Fahrzeugen Schmierung Kein Einfluss auf Ölverbrauch und Ölwechselfristen Generell muss aber berücksichtigt werden, dass die Funktion und der Wirkungsgrad von Abgas-Nachbehandlungseinrichtungen durch die Schmierstoff- und Kraftstoff- Eigenschaften beeinflusst werden. Damit ergeben sich die folgenden Forderungen: Kraftstoff: - Weniger Schwefel (S) Schmierstoff - Weniger Sulfatasche (SA) - Weniger Phosphor (P) - Weniger Schwefel (S) Die Erfüllung dieser Forderungen bedeutet den Einsatz sogenannter Low SAPS-Motorenöle Im Einzelnen müssen die folgenden Einschränkungen bei der Formulierung von Motorenölen hingenommen werden: Wenig Schwefel und Phosphor -Verzicht auf einige AW- und EP-Additiev (z.b. ZnDDP), dadurch Einflüsse auf Verschleiss und Oxidation -Sulfonate und geschwefelte Phenate als Detergentien enthalten Schwefel, dadurch Beeinträchtigung der TBN -Gruppe I Grundöle enthaltn Schwefel, dadurch Notwendigkeit für höherwertige Grundöle Niedrige Asche -Verzicht auf ZnDDP, dadurch Einflüsse auf Verschleiss und Oxidation -Detergentien mit hoher TBN ergeben hohe Aschewerte, dadurch Notwendigkeit Der TBN-Begrenzung mit Verschlechterung der Kolbensauberkeit

326 Auch gewissä Sekundäreffekte sind zu beachten wie - Elastomerverträglichkeit - Russbegrenzung - Kraftstoffverbrauch Biologische Abbaubarkeit Basierend auf eines Beschlusses der Jury Umweltzeichen wird durch das RAL e.v. auch für Motorenöle ein Umweltzeichen vergeben. Die Erfüllung der folgenden Anforderungen sind die Vorasetzung: - Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit - Hervorragendes Viskksitäts-Temperatur-Verhalten - Nachgewiesene Reibungsminderung mit entsprechender Kraftstoffeinsparung - Langlaufeigenshaften. Im einzelnen müssen die folgenden Technischen Anforderungen erfüllt werden: - Klassifizierung nach ACEA A1/B1 bzw. A5/B5 (HTHS >2,9 mpas, <3,5 mpas) Nach ACEA A3/B3/B4 (HTHS > 3,5 mpas) - M111E Test gegen Referenzöl RL191 (SAE 15W-40) Einsparung > 1,8 % - Verdampfungsverlust (nach DIN 51581) < 12 Vol.-% Hinzu kommen noch die folgenden chemischen Anforderungen: Folgende Stoffe dürfen nicht enthalten sein: Stoffe nach folgenden R-Sätzen: - R40 (irreversible Schäden möglich) -R45 (kann Krebs rezeugen) - R46 (kann vererbbare Schäden erzeuge) - R 61/R63 (kann das Kind im Mutterleib schädigen) Stoffe mit einer WGK 3 Krebserzeugende, erbgutverändernde, fortpflanzungsgefährdende Stoffe Bezüglich bestimmte Stoffe gibt es Ausnahmen und besondere Bschränkungen Leichtlaufmotorenöle Leichtlaufmotorenöle sollen im Motor die Reibung herabsetzen und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Dies resultiert in einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Dieser Effekt erreicht man entweder oder - durch eine abgesenkte Viskosität bei Flüssigkeitsreibung (Hydrodynamik)

327 - durch reibungsmindernde Additive bei Miscshreibung Nach API erfolgt ein Test entsprechend den Bedingungen nach Bild Ab Oktober 1995 Pr üfstandtest API Sequence VI A Motor: FORD Motor (1993) 4,6 l Hubraum, 8 Zylinder (V) Einspritz -Benzinmotor Referenzöle: Prüfverfahren: R SAE 5W -30, API SG ohne FM Prüflauf mit Referenz öl 30 min mit 6 -maliger Verbrauchsmessung Prüflauf mit Sp ülöl Prüflauf mit Kandidaten öl 30 min mit 6 -maliger Verbrauchsmessung Prüflauf mit Sp ülöl Prüflauf mit Referenz öl Bild : API Sequence Test VIA Test zur Kraftstoff-Verbrauchsmessung Mittels der in Bild gezeigten Gleichung kann dann die sogenannte EFEI (Equivalent Fuel Economy Improvement) errechnet werden. Zur Einstufung als Leichtlaufmotorenöle müssen die folgenden Vrbesserungen erzielt werden: Energy Conserving: EFEI >1,5% Energy Conserving II: EFEI >2,7% V A66 V K66 VA66 V K135 VA135 V B135 0,65 [ 100] + 0,35 [ ] + 2,76 V A66 V A66 V A135 EFEI = 1,45 Berechnung der Kraftstoffeinsparung Kraftstoffeinsparung EFEI (Equivalent Fuel Economy Improvement ) Energy Conserving : EFEI > 1,5% Energy Conserving II: EFEI > 2,7%

328 Bild : Berechnung der kraftstoffverbrauchs-senkenden Wirkung Nach API In den ACEA-Klassifikationen werden andere Grenzwerte gefordert, die in einem anderen Test gemessen werden müssen Synthetische Motorenöle Die an Hochleistungsmotorenöle gestellten Anforderungen können häufig nicht von Formulierungen erfüllt werden, die auf Minerlölen nach API I und API II aufgebaut sind. Insbesonder geht es dabei um die folgenden Eigenschaften: - Niedrige Tieftemperaturviskosität bei gleichzeitig hoher Hochtemperatur- Viskosität - Exzellente Oxidationsbeständigkeit In solchen Fällen werden als Grundöle Hydrocracköle oder Polyalphaolefine verwendet. Bild zeigt als Beispiel das Verhalten derart aufgebauter Motorenöle. Probleml ösung K älte-viskosit ät PKW Motoren öle (CCS Methode) Viskosität, mpas (Tausend) Mineral öl Klassengrenzwert f ür 5W-X- und 10W -X-Öle Leichtlauf öle (PAO) Mineral öl 15W -40 PAO-Synthetik 5W -50 PAO-Synthetik 5W -30 Temperatur, C Bild : Viskositätsverhalten synthetischer Motorenöle Ein weiterer Vorteil kann die Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs durch die Verwendung synthetischer Motorenöle sein. Bild zeigt ein Beispiel hierfür.

329 PAO-basische Motoren öle setzen den Kraftstoffverbrauch gegen über Mineral öl-basischen Motoren ölen um bis zu 1,2% herab 0.4 % Fuel Economy Benefit (15W-40 Ref. M0) Cold start at 20 C Hot start at 80 c -1.4 RL133 min* 10W -40 Part Syn 5W-40 VHVI 5W-40 PAO 0W-40 PAO 5W-30 PAO * Standard European reference oil (15W -40) Bild : Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch synthetische Motorenöle Klassifizierung von Motorenölen Viskosität Bild zeigt die SAE-Viskositätsklassifizierung für Motorenöle. Man erkennt, dass die sogenannten Winteröle W durch maximale Viskositäten bei tiefen Temperaturen gekennzeichnet sind, während die sogenannten Sommeröle eine Mindestviskosität bei hohen Temperaturen und hohen Schergefällen einhalten müssen. Mehrbereichsöle sind solche, die sowohl eine Maximalviskosität beie tiefen Temperaturen nicht überschreiten und eine Mindestviskosität bei hohen Temperaturen nicht unterschreiten dürfen.

330 SAE Viskositätsklasse Tief-Temperatur-Viskositäten Hoch-Temperatur-Viskositäten a. CCS- Viskosität b. Grenzpumptemperatur Kinematische Viskosität (cst) bei 100 C Hochschergefälle Viskosität ( cp) bei (cp) max. bei C (cp) bei C min. max. 150 C bei und 10 6 s -1 min. SAE-Viskosit ätsklassen f ür Motoren öle (SAE J 300, Dez. 99) 0W 5W 10W 15W 20W 25W bei bei bei bei bei bei bei bei bei bei bei bei 15 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 5,6 9,3 12,5 12,5 16,3 21,9 < 9,3 < 12,5 < 16,3 < 16,3 < 21,9 < 26,1 2,6 2,9 2,9 (0W, 5W, 10W) 3,7 (15W, 20W, 25W, Einbereich) 3,7 3,7 Bild : SAE-Viskositätsklassen für Motorenöle Leistungsverhalten Zur Klassifizierung des Leistungsverhaltens von Motorenöle existieren die folgenden Systeme: - API (American Petroleum Institute) - ILSC (International Lubricant Standardization and Approval Committee) - ACEA (Association des Constructeurs Europeens d Autobiles - SAE (Society of Automotive Engeneers) - JASO (Japan Automobile Standards Organization) - Globale Klassifizierungen - Militärspezifikationen - Firmenspezufikataionen Lange Jahre waren die API-S-Klassen für Benzinmotorenöle und die API-C-Klassen für Dieselmotorenöle das Mass aller Dinge. Bild zeigt die API-S-Klassen und Bild die API-C-Klassen.

331 Bild : API-S-Klassen für Benzinmotorenöle Bild :API-C-Klassen für Dieselmotorenöle Die ILSAC-Klassifizierungen, basierend auf den API-Klassen beinhalten höhere Anforderungen an die Kraftstoffverbrauchssenkung (Bild ).

332 Gegenüber API -Ölen schließen ILSAC -Öle Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch ein. ILSAC GF -1 API SH + Energy Conserving II ILSAC GF -2 GF-1 + Energy Conserving II ILSAC GF -3 ILSAC GF -4 Höhere Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch (anderer Test). Niedrigerer Phosphorg ehalt (max. 0,1 %) Niedrigere Verdampfungsverluste Entsprechen API SJ Erfüllen höhere Anforderungen als GF-2-Öle hinsichtlich Emissionen und Kraftstoffverbrauch. Höhere Anforderungen als an GF -3 Öle ILSAC GF -5 Noch höhere Anford erungen Bild : ILSAC-Klassifizierungen für Benzinmotorenöle Neben den API- und ILSAC-Klassifikationen gibt es noch die Globalen Klassifikationen, welche die Anforderungen japanischer Motorenbauer einschliessen. Globale Klassifikationen: DLD-1, DLD-2 und DLD-3 für leichte Nutzfahrzeugmotorenöle DHD-1 für Hochleistungsdieselmotorenöle Für Europa und zunehmend auch für USA und den asiatischen Raum haben die ACEA-Klassifikationen erlangt. Bild gibt Hinweise zu dieser Klassifikation.

333 ACEA EUROPEAN OIL SEQUENCES Im Januar 1996 wurden die CCMC -Klassifikationen durch die ACEA Sequenzen (Klassifikationen) ersetzt. CCMC ACEA = Comité des Constructeurs du March é Commun = Association des Constructeurs Européens de l Automobile = European Automobile Manufacturers Association 3 Motoren öl-klassen A/B C E Benzin- und Diesel -Motoren öle (4 Ölqualit äten) Katalysator -vertr ägliche Motoren öle (4 Ölqualit äten) Hochleistungsdiesel -Motoren öle (4 Ölqualit äten) Bild : ACEA Klassifikationen für Motorenöle Die nächste Überarbeitung dieser Klassifizierung wird Ende 2008/Anfang 2009 veröffentlicht werden. Die Bilder und enthalten Enzelheiten zu den zusammengefassten Klassen A/B. A/B - Otto- und Diesel -Motoren öle A1/B1 Öl f ür Benzinmotoren (Pkw)und leichte NFZ -Dieselmotoren die f ür reibungsarme und niedrig -viskose Öle mit einer HTHS Viskosit ät zwischen 2,6 und 3,6 m Pa s ausgelegt sind. Diese Öle sind nicht f ür die Motoren geeignet A3/B3 Stay-in-Grade -Öl für Hochleistungsbenzinmotoren und leichte NFZ-Dieselmotoren und/oder verl ängerte Ölwechselfristen und/oder f ür den Ganzjahres -Einsatz als niedrig -viskoses Öl und/oder f ür schwere Betriebsbedingungen A3/B4 Stay-in-Grade -Öl für Hochleistungsbenzinmotoren und leichte NFZ-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Auch f ür Beding - ungen entsprechend B3 Bild : ACEA-Klassen A/B - 1

334 A5/B5 Stay-in-Grade -Öl für verl ängerte Ölwechselintervalle in Hoch - leistungsbenzinmotoren und leichten NFZ -Dieselmotoren, die für niedrig -viskose und niedrige Reibung verursachende Öle mit einer HTHS -Viskosit ät von 2,9 bis 3,5 m Pa s geeignet sind. Diese Öle können f ür einige Motoren ungeeignet sein Bemerkungen Die früheren separaten Kategorien A und B wurden zusammengefasst Die Kategorie A2/B2 entf ällt Die Kategorie A4 ist f ür direkteinspritzende Benzinmotoren vorgesehen Bild : ACEA-Klassen A/B - 2 Die Bilder , und beschreiben die E-Klassen für Hochleistungsmotorenöle. E Hochleistungsdiesel -Motoren öle E1 und E3 sind nicht mehr g ültig E 2 Mehrzweck öl für selbstansaugende und turbo -aufgeladene Hochleistungs -Dieselmotoren mit mittleren bis schweren Betriebsbedingungen und meist normalen Ölwechselfristen E4 Stay-in-Grade -Öl mit ausgezeichnetem Verhalten hinsichtlich Kolbensauberkeit, Verschlei ß, Rußbildung und Schmierstoffstabili - tät.vorgesehen für Hochleistungsbenzinmotoren, welche die Emissionsanforderungen nach EURO 1, 2, 3 und 4 erf üllen und unter sehr schweren Betriebsbedingungen betrieben werden, z. B. erheblich verl ängerten Ölwechselfristen. Geeignet f ür Motoren ohne Partikelfilter, einige Motoren mit EGR -Anlagen und einige Motoren mit SCR -Anlagen zur NO x -Verringerung. Anforderungen / Empfehlungen der Motorenhersteller sind zu beachten! Bild : ACEA-Klassen E für Hochleistungsdieselmotorenöle - 1

335 E6 - Stay-in-Grade -Öl mit ausgezeichnetem Verhalten hinsichtlich Kolben - sauberkeit, Verschlei ß, Rußbildung und Schmierstoffstabilit ät.vor - gesehen für Hochleistungsbenzinmotoren, welche die Emissions - anforderungen nach EURO 1, 2, 3 und 4 erf üllen und unter sehr schweren Betriebsbedingungen betrieben werden, z. B. erheblich verl ängerten Ölwechselfristen. Geeignet f ür EGRausgestattete Motoren, mit und ohne Partikelfilter,und für Motoren mit SCR-Anlagen zur NO x -Verringerung. E6 -Öle sind höchst empfehlenswert für Motoren mit Partikelfiltern und sind vorgesehen f ür die Verwendung von Dieselkraft -stoffen mit geringem Schwefelgehalt (max. 50 ppm ). Anforderungen/Empfehlungen der Motorenhersteller sind zu beachte n! Bild : ACEA-Klassen E für Hochleistungsdieselmotorneöle - 2 E7 - Stay-in-Grade-Öl mit wirksamer Kontrolle von Kolbensauberkeit und Bore Polishing (Spiegelbildung). Weiterhin gew ährleistet es ausgezeich - neten Verschlei ß- und Turbolader -Ablagerungsschutz, Rußbildungs- und Schmierstoffstabili -täts-verhalten. Es ist empfohlen f ür Hochleistungs - dieselmotoren, die die Emissionsanforderungen nach EURO 1, 2, 3 und 4 erf üllen und unter schwe-ren Betriebsbedingungen laufen, z. B. verlängerte Ölwechselfristen.Geeignet f ür Motoren ohne Partikelfilter und f ür die meisten EGR -Motoren und die meisten Motoren mit SCR -Anlagen zur NO x -Verringerung. Anforderungen/Empfehlungen der Motorenhersteller sind zu beachten! Bild : ACEA-Klassen E für Hochleistungsdieselmotorenöle - 3 Zum Klassifizieren der Motorenöle, welche bestimmte Umweltbedingungen erfüllen, also zum Klassifizieren der Low SAPS Öle, wurde die ACEA C-Klasse geschaffen. Bild beschreibt diese Öle C1, C2, C3 und C4. Sie unterscheiden sich inbezugauf auf Schwefelgehalt, Phosphorgehalt, Sulfatasche und Viskosität bei hoher Temperatur/hohem Schergefälle.

336 ACEA-C-Klassifikation ( (Ausgabe Ausgbe 200) 08) C1-08 C2-08 C3-08 C4-08 HTHS Viskosit ät (mpa.s )! 2,9! 2,9! 3,5! 3,5 Verdampfungsverlust (Noack) % " 13 " 13 " 13 " 13 Sulfatasche % " 0,5 " 0,8 " 0,8 " 0,5 Schwefel % " 0,2 " 0,3 " 0,3 " 0,2 Phosphor % " 0,05 " 0,070 " 0,070 " 0,090 " 0,090 " 0,090 TBN (mg KOH/g) - - " 0,6 " 0,6 Die C-Reihe basiert auf dem Leistungsniveau von A5/B5 aber mit chem. G renzwerten Bild : ACEA-C-klassen für Low-SAPS-Motorenöle Zunehmende Bedeutung erlangen die Firmenspezikationen. Oft sind diese auf allgemeinen Klassifikationen aufgebaut, enthalten aber zusätzliche Anforderungen. Bild zeigt als Beispiel einzusetzende Motorenöle sowie die einzuhaltenden Ölwechselintervalle.nach AUDI/VW. AUDI / VW Motor öl-wechselintervall Fahrzeuge mit Inspektions -Service (Modelljahre 1986 bis einschlie ßlich 1999) alle 12 Mon., wenn Jahresfahrleistung unter km alle km, wenn Jahresfahrleistung über km bei - Benzinmotoren - Dieselmotoren mit Direkteinspritzung - Turbodieselmotoren im Audi 80 ab Modelljahr 93 alle km bei - Saugdieselmotoren - Turbodieselmotoren im Audi 80 bis Modelljahr 92 Fahrzeuge mit Longlife -Service (ab Modelljahr 2000 au ßer Cabrio) Service nach Anzeige im Kombiinstrument, max. m öglich - Benzinmotoren km oder 24 Monate - V6 TDI -Motoren km oder 24 Monate - 4 Zyl. Dieselmotoren km oder 24 Monate - 4,0 TDI km oder 24 Monate Bild : AUDI/VW Motorenölvorschriften und Wechselintervalle

337 Ölwechselfristen Allgemeine Kriterien für einen Ölwechsel werden dadurch gekennzeichnet, dass das Öl seine Fähigkeit verloren, die Schmierung im Motor aufrecht zu erhalten. Im Einzelnen sind dies die Alterung des Öles durch Oxidation, die Erschöpfung der Additive sowie feste und flüssige Verunreinigungen. In der Praxis kennt man die folgenden Gesichtspunkte für einen Ölwechsel: - Nach festen Zeitintervallen - Nach bestimmten Betriebszeiten - Nach bestimmten Fahrstrecken - Nach Verbrauch bestimmter Kraftstoffmengen - Aufgrund des Ölustandes Dabei kann man von den folgende Anhaltswerten für einen notwendigen Ölwechsel ausgehen: - Viskositätsänderung um mehr als eine SAE-Klasse - Wassergehalt >1 % - Feste Fremdstoffe > 1% - Erhebliche Verschlechterung der Detergent-Dispersant-Eigenschaften (abgeschätzt in einem Tüpfeltest) - Erhebliche Verringerung der TBN oder Basenzahl Mit wenig Aufwand können diese Teste votf Ort durchgeführt werden. Für grössere Ölfüllungen ist eine Laboratoriumsprüfung sinnnvoll. Dann wird ein Ölwechsel empfohlen, wenn gewisse Grenzwerte erreicht oder überschritten werden. Bild und Bild enthalten Hinweise für solche Grenzwerte eines Motorenherstellers. Kennwert Einheit Grenzwert Viskosit ät 40 0 C mm 2 /s + 10 % C mm 2 /s + 10 % Viskosit ätsindex Wassergehalt mg/kg > 0,2 % Kraftstoffgehalt mg/kg > 1 % Glykolgehalt mg/kg 500 ppm Nitration A/cm 30 feste Fremdstoffe mg/kg > 1 % (Verschmutzung) Abfall um 20 Einheiten Total -Base-Number (TBN) mg KOH/g < 50% d. Ausgangswerts Total -Acid -Number (TAN) mg KOH/g nachweisbar Bild : Kriterien zur Beurteilung von Motorenölen - 1

338 Kennwert Einheit Grenzwert Eisen mg/kg > 50 % Chrom mg/kg > 5 % Zinn mg/kg > 10 % Blei mg/kg > 20 % Kupfer mg/kg > 20 % Aluminium mg/kg > 10 % Silicium mg/kg > 15 % Magnesium mg/kg < 50% d. Ausgangswerts Calcium mg/kg < 50% d. Ausgangswerts Zinc mg/kg < 50% d. Ausgangswerts Bild : Kriterien zur Beurteilung von Motorenölen Zukünftige Entwicklung Die zukünftige Entwicklung bei den Motorenölen ist durch verlängerte Ölwechselfristen und verringerte Kraftstoffverbräuche gekennzeichnet. Die Erfüllung dieser Anforderungen hat erhebliche Auswirkungen auf die Qualität der Grundöle, die durch folgende Kriterien gekennzeichnet ist: - Niedrigere Tieftemperaturviskosität bei ausreichend hoher Hochtemperatur- Viskosität - Niedrige Verdampfungsverluste ohne Eindickung bei hohen Temperauren - Hohe Oxidationsbeständigkeit - Beibehaltung der kraftstoffverbrauchssenkenden Wirkung über lange Betriebszeiten Diese Forderungen können nur durch die Verwendung von Hydrocrackölen oder synthetischen Grundölen erfüllt werden. Bild zeigt schematisch eine Zusammenfassung des zukünftigen Trends der Motorenölentwicklung.

339 (nach Ethyl Petroleum Additives, 2004) Bild : Zukünftige Trends der Motorenölentwicklung Gasmotorenöle Gasmotorenöle stellen eine Besonderheit unter den Motorenölen dar. Der Grund sind die Eigenschaften der Treibgase, die oft aggressiver sind als Benzine und Dieselkraftstoffe. Bild zeigt einige Eigenschaften von Biogas und Erdgas m Vergleich. Bild : Eigenschaften von Biogas und Erdgas im Vergleich

340 Generell erfordern Gasmotoren Öle mit vergleichbaren Leistungseigenschaften wie Dieselmotoren. Um aber die Anforderungen zu erfüllen, die Sulfatasche verringert werden, um Ascheablagerungen im Brennraum, an den Zündkerzen und an den Ventilen auf ein Mindestmass zu begrenzen. Dies kann man nur mit optimierten Formulierungen erreichen. Eine Zusammenstellung der wichtigsten Forderungen sowie der Beurteilungskriterien enthält Bild Bild : Forderungen und Beurteilungskriterien für Gasmotorenöle Gasmotoren können generell wie folgt gekennzeichnet werden: - Hochleistungsmotoren bis zu 5000 kw (und mehr) - Ölverbrauch etwa 0,3 bis 0,5 g/kwh - Gesamtverbrauch bis zu kg/jahr - Ölwechselintervalle - Öle mit niedriger Sulfatasche Die Betriebsbedingungen sind wie folgt zu kennzeichnen: - Kontinuierlicher Betrieb bi hoher Belastung - Konstante Drehzahlen - Betriebszeiten bis h/jahr - Hohes Temperataurniveau - Forderung: Hoher Wirkunsgrad, niedrige Emissionen - Standard: SCR- oder Oxidationskatalysator Diese Motoren sind empfindlich gegenüber Ablagerungen, daher die Forderung, die Asche der Motorenöle zu begrenzen.

341 Für den Erdgasbetrieb gelten die folgenden Richtwerte: - Ausreichender Schutz gegen Lagerkorrosionen - TBN etwa 5 - Hohe thermische Beständigkeit - Hohe Nitrations- und Oxidationsbeständigkeit - Ölwechselintervalle >1.500 h - Sulfatasche des Motorenöles etwa 0,5 % Für andere Gase, welche aggressiver sein können, z.b. Klärgase, Biogase, gelten höhere Anforderungen an das Motorenöl. - Höherer Korrosionsschutz - Ausreichendes Säureneutralisationspotential - TBN zwischen 8 und 10 - Hohe Oxidations- und Nitrationsstabilität - Sulfatasche etwa 1,0 % Bild vergleicht die Eigenschaften von zwei Gasmotorenölen mit hoher und niedriger Asche. Bild : Vergleich von zwei Gasmotorenölen Auch für den Ölwechsel bei Gasmotoren gelten bestimmte Grenzwerte. Diese können bei unterschiedlichen Herstellern von Gasmotoren abweichen, wie Bild zeigt.

342 Bild : Grenzwerte für einen Ölwechsel von verschiedenen Gasmotoren- Herstellern Zur Erfüllung der hohen Anforderungen kann auch bei Gasmotorenölen der Einsatz synthetischer Grundöle sinnvoll sein. Bild zeigt, ist die Oxidationsstabilität eines synthetischen Gasmotorenöles jener eines Mineralöles weit überlegen. Wenn man einen Viskositätsanstieg von etwa 30 % als Grenze für einen notwendigen Ölwechsel ansieht bestätigt die Überlegenheit eines synthetischen Öles (Bild Probleml ösung Oxidationsstabilit ät Feldtest BHKW -Heidenheim Viskosität, 40 C, qmm /s Mineralisches Gasmotoren öl Viskosit ätszunahme nach 1000 Bh sehr hoch Synthetisches Gasmotoren Viskosit ätszunahme 30 % öl Öllaufzeit, 1000 Bh

343 Bild : Höhere Oxidationsstabilität von synthetischen Gasmotorenölen Probleml ösung Oxidationsstabilit ät Feldtest Turbodiesel, 800 kw Viskositätsanstieg, % ! mineralisch + Ölwechselbereich vollsynthetisch +!!! +!!! +!! ! +! CD-Plus -Öl, SAE SHPD - Öl, SAE 15W -40 PAO, SAE 5W -30 Betriebsstunden Bild : Längere Ölwechselfristen durch synthetische Gasmotorenöle

344 Kapitel 6: Schmierstoffe und Kühlschmierstoffe für die Zerspanung und Umformung 6.1 Einführung Die wichtigsten Verfahren der Metallbearbeitung sind: Urformen (Giessen) Zerspanen (Materialabtrag) Umformen (Materialdeformation) Insbesondere für die Zerspanung und die Umformung werden Schmierstoffe benötigt- 6.2 Grundlagen der Zerspanung Einführung Unter der Zerspanung versteht man die Herstellung eines Werkstückes durch Materialabtrag von einem Rohling. Die Schmierstoffe für die Zerspanung werden auch als Kühlschmierstoffe bezeichnet, womit ihre Doppelfunktion Kühlen und Schmieren zum Ausdruck gebracht wird. Die wichtigsten Zerspanungsverfahren werden in Bild bis Bild gezeigt. Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 1 Drehen Normalbohren Tieflochbohren Bild 44a: Verfahren der Zerspanung - 1 Bild : Verfahren der Zerspanung -1

345 Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 2 Fräsen Räumen Hobeln Bild : Verfahren der Zerspanung - 2 Bild 44b: Verfahren der Zerspanung - 2 Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 3 Gewindeschneiden Zahnradherstellung Bild : Verfahren der Zerspanung - 3 Bild 44c: Verfahren der Zerspanung - 3

346 Zerspanen mit unbestimmten Schneiden Honen Schleifen Läppen Bild Bild 44d: : Verfahren der der Zerspanung Aufgaben des Kühlschmierstoffs Der Kühlschmierstoff soll die Zerspanungsleistung verbessern, und damit ein wirtschaftlicheres Zerspanung im Vergleich zur Trockenbearbeitung ermöglichen. Diese Zerspanungsleistung hängt von den folgenden Einflussfaktoren ab: - Zerspanbarkeit des Werkstoffes - Werkzeug (Geometrie und Werkstoff) - Zerspanungsbedingungen - Schmierstoff und seine Zufuhr Der Kühlschmierstoff hat dabei die folgenden Aufgaben: - Die Schnittkräfte verringern und damit den Energieverbrauch senken - Die Oberflächengüte und die Maßhaltigkeit verbessern - Die Werkzeugstandzeiten verlängern, z.b. durch Verschleiß- und Reibungs- Senkung - Die Späne abführen - Die Werkstücke gegen Korrosionen schützen - Die Temperatur des Werkstücks senken 6.3 Grundlagen der Umformung Einführung Unter der Umformung versteht man die Herstellung eines Teiles durch plastische Verformung eines Rohlings. Dies kann nach dessen Erwärmung (Warmumformung) oder aber ohne seine Erwärmung (Kaltumformung) erfolgen. Man unterscheidet noch

347 zwischen der Blechverarbeitung und der Massivumformung. Die wichtigsten Umform- Verfahren zeigen Bild bis Bild Blechumformung Walzen Tiefziehen warm Streckziehen kalt Schneiden Abstreckziehen Bild 6.3.1: Bild 45a: Verfahren Verfahren der der Umformung Umformung Massivumformung Schmieden Kaltfließpressen warm kalt Strangpressen kalt warm Bild 6.3.2: Verfahren der Umformung - 2 Bild 45b: Verfahren der Umformung - 2

348 Draht-, Rohr-, Profilziehen Drahtzug Rohrzug Stangenzug Bild : Verfahren der Umformung - 3 Bild 45c: Verfahren der Umformung - 3 Sonstiges Gewindewalzen außen innen Bild Bild 45d: : Verfahren der Umformung Aufgaben des Umformschmierstoffs Dem Umformschmierstoff werden die folgenden Aufgaben zugeordnet: - Reibungs- und Verschleisssenkung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück - Korrosionsschutz des Werkstücks - Verringerung der Umformarbeit - Erleichterung der Umformung

349 Darüber hinaus werden an den Umformschmierstoff folgende Anforderungen gestellt, die vor allem mit nachfolgenden Prozessen zu tun haben: - Leichte Entfettung - Verträglichkeit mit Lacken - Ermöglichung des Klebens 6.4 Schmierstoffe und Kühlschmierstoffe Allgemeines Einführung Zu den Hauptaufgaben eines Kühlschmierstoffs gehören - Schmieren - Kühlen - Spänetransport Durch die Aufgabe Schmieren sollen folgende Verbesserungen ermöglicht werden: - Reduzierung der Reibung und damit Herabsetzung des Energieverbrauchs - Verringerung des Verschleißes der Werkzeuge und damit längere Standzeiten - Bessere Oberflächengüten der Werkstücke - Damit wird auch die Wärmeentwicklung verringert Durch die Aufgabe Kühlen wird erreicht: - Abfuhr jener Wärme, deren Entstehung durch Schmieren nicht vermieden werden kann Die Aufgabe Spänetransport bedeutet die Entfernung der Späne aus dem Arbeitsbereich bei der Zerspanung. Für diese Aufgaben stehen die folgenden Kühlschmierstoff- und Schmierstofftypen zur Verfügung: - Wassermischbare Kühlschmierstoffe - Nicht-wassermischbare Kühlschmierstoffe Wassermischbare Kühlschmierstoffe Die wassermischbaren Kühlschmierstoffe werden vor dem Gebrauch mit Wasser gemischt, wobei das Mischungsverhältnis zwischen Wasser und Öl von der Schwere des Zerspanungsprozesses abhängt. Je höher der Wassergehalt ist, desto besser ist die Kühlwirkung, je höher der Ölgehalt ist, desto besser ist die Schmierwirkung. Da

350 Wasser und Öl nicht ineinander löslich sind, muss durch einen sogenannten Emulgator eine stabile Verbindung hergestellt werden. Einen Emulgator kann man sich als ein Molekül vorstellen, welches einen öllöslichen Teil und einen wasserlöslichen Teil besitzt (Bild 6.4.1). Mehrere Emulgatormoleküle können so ein Öltröpfchen im Wasser stabilisieren (Bild 6.4.2). Je nach dem, ob Wasser die äußere Phase ist oder aber Öl, man Öl-in-Wasser-Emulsionen oder Wasser-in-Öl- Emulsionen (Bild 6.4.3): - Öl-in-Wasser-Emulsionen: Vor allem für die Zerspanung - Wasser-in-Öl-Emulsionen: vor allem für die Umformung Bild : Aufbauprinzip eines Tensidmoleküls Bild 46: Aufbauprinzip eines Tensidmoleküls Bild 6.4.2: Tensidmoleküle Bild 47: Tensidmoleküle im Öltröpfchen im einer Öltröpfchen Emulsion einer Emulsion

351 Bild : Emulsionstypen Öl/Wasser und Wasser/Öl Bild 48: Emulsionstypen Öl/Wasser und Wasser/Öl Die ausgefüllten Kreise symbolisieren die Öl - tröpfchen, die Sterne die Emulgatormizellen, die Striche die molekulare gelösten Tenside. 1 Konventionelle Emulsion mit mittleren Mineralölgehalt 2 Emulsion mit niedrigem Mineralölgehalt (halbsynthetisch, teilsynthetisch) 3 Mineralölfreier Schmierstoff mit hohem Tensidgehalt Bild 6.4.4: Bild Unterschiedliche 49: Emulsionen Wie Bild werden: zeigt, können die folgenden drei Emulsionstypen unterschieden - Konventionelle Emulsionen mit hohem Mineralölgehalt. Sie sind meistens milchig. - Semi-synthetische Emulsionen mit niedrigerem Mineralölgehalt. Sie sind transparent bis milchig.

352 - Mineralölfreie Emulsionen (Lösungen). Sie sind transparent Nicht-wassermischbare Kühlschmierstoffe Die nicht-wassermischbaren Kühlschmierstoffe bestehen aus dem Grundöl, den verschleißverringernden und freßverhütenden Additiven und weiteren Additivsystemen. Bild zeigt eine Übersicht über den systematischen Aufbau solcher Schmierstoffe, die auch als Schneidöle bezeichnet werden. Hinweise zur Anwendung der unterschiedlich aufgebauten Metallbearbeitungsöle enthalten Bild bis Bild A B Fettöle C Geschwefelte Fett öle D Geschwefelte Mineral öle Zusätze zur Verbesserung Mineral öl + E F G H Geschw. Fett - + Mineral öle Chlorparaffine Chlorparaffine, geschwefelte Fett öle Chlorierte Fett öle des Korrosionsschutzes, der Nebeleigenschaften, des Schaumverhaltens, der Benetzungseigenschaften, des Geruchs, der Sp ülwirkung, I Chlorierte Fett öle der Oxidationsstabilit ät J Sulfochlorierte Fettöle K L Schwefel -Phosphorverbind. Phosphorverbindungen Bild : Additivierungsmöglichkeiten nicht-wassermischbarer Kühlschmierstoffe Bild 6.14: Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Metallbearbeitungsöle 1

353 Die auf der Basis des Schemas vom Bild aufgebauten nicht-wassermischbaren K ühlschmierstoffgruppen können wie folgt charakterisiert werden: Gruppe A Mineralöle ohne polare Zus ätze und EP -Additive: Der Einsatz erfolgt bei anspruchlosen Umformungen. Manchmal wählt man für die Bearbeitung von Kupfer nichtadditivierte Solventraffinate mit extrem niedrigem Schwefelgehalt, um bei der Bearbeitung dekorativer Werkst ückoberflächen jede Verf ärbung zu vermeiden. Bild 6.4.6: Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Kühlschmierstoffe - 1 Gruppe B Mineralöle mit Fett ölen: Die Beimischung von Fett ölen in Form nat ürlicher Fettstoffe oder synthetischer Ester zu Mineral ölen führt zur deutlichen Verbesserung der Schmier - und Benetzungseigenschaften. Typische Einsatzgebiete sind anspruchsvollere Umformungen an Kupfer und Messing und auch Kupferwerkstoffen h öherer Festigkeit. Gruppe C Mineralöle mit geschwefelten Fett ölen: Geschwefelte Fett öle bieten die M öglichkeit, in Mischungen mit Mineralölen kupferaktive Produkte mit guten EP -Eigenschaften und guter Benetzung herzustellen.

354 Bild 6.4.7: Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Metallbearbeitungsöle 2 Gruppe D Mineralöle mit geschwefelten Mineral ölen: Je nach Art und Grad der Schwefelung sind Mischungen von Mineral - ölen und solchen geschwefelten Ölen kupferaktive Schmierstoffe; diese Öle haben gute EP -Eigenschaften, sind vergleichsweise kosteng ünstig herzustellen, sind aber insgesamt mit ihrem Schmierverhalten un - günstiger zu beurteilen als Mischungen mit geschwefelten Fett ölen. Gruppe E Mineralöle mit geschwefelten Fett ölen und geschwefelten Mineral ölen: Man nutzt hier die kosteng ünstige Möglichkeit, gute EP -Eigenschaften zu erreichen, im Gegensatz zu den meisten Mischungen nur auf Bas is geschwefelter Fett öle ergeben sich kupferaktive Öle, so daß die Bearbeitung von Kupfer und Kupferwerkstoffen ausgeschlossen werden mu ß. Bild 6.4.8: Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Metallbearbeitungsöle -3

355 Gruppe F Mineral öle mit Chlorparaffinen Chlorparaffine sprechen schon bei relativ niedrigen Temperaturen EP -Additive an. Um ähnlich geringen Werkzeugverschlei ß im allgemeinen zu erreichen, wie dies bei schwefelh ältigen EP -Additiven der Fall ist, ben ötigt man h öhere Chlor - als Schwefelmengen; man findet deshalb h äufig auch relativ hohe Chlormengen in dieser Gruppe von Schneid ölen. Der Einsatz von Mischungen aus Mineral ölen und Chlorparaffinen hat seinen Schwerpunkt bei schwerzerspanbaren Werkstoffen, insbesondere bei Nickel und bei der Zerspanung kupferhaltiger Metalle. Gruppe G Mineral öle mit Chlorparaffinen und geschwefelten Fett ölen Die synergistische Wirkung von Chlorparaffinen mit einigen Schwefeladditiven kommt hier zum Tragen. Es handelt sich um eine wichtige Additivkombination, da man sowo hl werkstoffseitig als auch im Hinblick auf die Art der Zerspanungsverfahren ein breites Spektrum überdecken kann. Gruppe H Mineral öle mit chlorierten Fett ölen Man verbindet die bei relativ niedriger Temperatur ablaufende EP -Reaktion des Chlors mit den polaren Eigenschaften meist synthetischer Ester. Die Öle sind sowohl f ür die meisten Nichteisenmetalle als auch für viele Einsenwerkstoffe in vielen Zerspanungsarten einsetzbar. Als Einsatzbereiche bilden Honöle, Schleif öle und Tieflochbohr öle einen gewissen Schwerpunkt. Gruppe I Mineral öle mit chlorierten Fett ölen und geschwefelten Fett ölen Auch diese Additivkombination l ässt den Einsatz in weiten Bereichen zu. In Verbindung mit geeign eten Deaktivatoren und Inhibitoren gelangt man zu Ölen, die auch nach l ängerer Gebrauchsdauer und hoher thermischer Belastung keine Korrosionen auf Eisen - und Nichteisenmetallen verursachen. Bild 6.4.9: Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Metallbearbeitungsöle 4 Gruppe J Mineral öle mit sulfochlorierten Fettölen Schneid öle auf der Basis sulfochlorierter Fettöle sind sehr reaktiv, was sich bei der Zerspanung schwerstzerspanbarer Werkstoffe, wie z.b. rostfreier St ähle g ünstig bemerkbar macht. Schwer zu beherrschen ist die Korrosionsproblem atik. Gruppe K Mineral öle mit Schwefel -/Phosphorverbindungen Niedriger Werkzeugverschlei ß, besonders bei normal zerspanbaren Stählen und Nichteisenmetallen (Werkstoffgruppen 1, 5 und 6) ohne Kupferakti vität, sind die Vorteile dieser Öle. Hervorzuheben sind auch die g ünstigen Korrosionsschutz - eigenschaften auf Eisenwerkstoffen f ür viele Produkte dieser Gruppe. Gruppe L Mineral öle mit Phosphorverbindungen Unter den EP -Additiven haben sie die geringste Wirkung. In einigen F ällen, wo weder der Einsatz schwefelhaltiger noch chlorhaltiger Produkte aus Gr ünden der Spannungsrisskorrosion erlaubt ist, bilden sie die einzige M öglichkeit, auf EP -Additive nicht verzichten zu m üssen. Auf der Basis von Phosphorverbindungen konnten in den letzten Jahren Öle entwickelt werden, die auch f ür die Zerspanung von Titanwerkstoffen ausreichend geeignet sind.

356 Bild : Anwendungshinweise für nicht-wassermischbare Metallbearbeitungsöle - 5 Die chlorhaltigen Metallbearbeitungsöle werden nur noch für spezielle Zerspanungen und Umformungen eingesetzt. Zu beachten ist, dass die Öle mit schwefelhaltigen Additiven oft nicht zur Zerspanung und Umformung von kupferhaltigen Werkstoffen verwendet werden können, und zwar wegen der Gefahr von chemischen Reaktionen zwischen Schwefel und Kupfer. Nicht-wassermischbare Kühlschmierstoffe werden auch zur sogenannten Minimal- Mengenschmierung eingesetzt, wobei kleinste Schmierstoffmengen aufgebracht werden. Auch für die Umformung kann mit kleinsten Schmierstoffmengen gearbeitet werden. Diese werden bereits im Walzwerk aufgebracht. Bei der Anwendung von Metallbearbeitungsölen sind noch die folgenden Aspekte zu beachten: - Hygienische, gesundheitliche und toxikologische Gesichtspunkte - Mikrobielle Beeinträchtigung - Korrosionsschutz, vor allem bei wassermischbaren Kühlschmierstoffen - Lackverträglichkeit und Entfettung

357 Kapitel 7 Weiter Schmierstofftypen Weitere Schmierstofftypen sind: - Seilschmierstoffe - Umlauföle für industrielle Anwendungen - Kältemaschinenöle - Sägekettenöle Ihre Zusammensetzung hängt von den Anforderungen des speziellen Anwendungsfalles ab. 7.1 Seilschmierstoffe Grundsätzlich werden je nach Anwendung die folgenden Seiltypen unterschieden: - Laufende Seile, die über Rollen, Scheiben und Trommeln laufen. Hierzu gehören auch die Zugseile von Seilbahnen und Schleppliften. - Stehende Seile. Hierzu gehören auch die Führungsseile von Aufzügen. - Tragseile. Hierzu gehören auch die Standseile von Seilbahnen. - Anschlagseile zum Einhängen von Lasten Drahtseile bestehen aus einem Kern, der von Litzen wendelförmig umgeben ist. Die Litzen bestehen aus Stahl, während der Kern aus Natur- oder Kunststoffen hergestellt wird. Bild zeigt verschiedene Querschnitte für Drahtseile. T+S AKADEMIE Seilschmierstoffe TRIBOLOGIE UND SCHMIERUNGSTECHNIK Querschnitte von Drahtseilen: a) Förderseil b) Schiffsseil c) Bremsbergseil d) Bohrseil GRUNDLAGEN DER SCHMIERSTOFFE Wichtige Schmierstofftypen Industrieschmierstoffe GRUNDLAGEN II Bild 7.1.1: Querschnitte für Drahtseile

358 Die Schmierung der Drahtseile erfolgt wie folgt: - Tränkung des Kerns während der Fertigung - Innenschmierung der Drähte und Litzen während der Fertigung - Aussenschmierung nach der Ferigung - Nachschmierung während des Betriebs Die folgenden Schmierstofftypen werden eingesetzt: - Tränkung des Kerns mit Vaseline, Wachse, Fliessfette, additivierte Mineralöle - Innenschmierung von Drähten und Litzen mit additivierten Ölen und Fetten - Aussenschmierung mit Seillacken, Bitumen und Schmierfetten - Nachschmierung mit Bitumen, Rostschutzölen, biologisch schnell abbaubaren Ölen und Fetten

359 Kapitel 8: Schäden an geschmierten Maschinenelementen 8.1 Schadensstatistik Bild zeigt die Schadensverteilung bei den Bauteilen von Turbostirnradgetrieben. Man erkennt den hohen Anteil der Gleitlagerschäden, der jenen der Zahnradschäden übersteigt. Bild 8.1.1: Schadensverteilung an einem Stirnradgetriebe Die Schadensursachen an Turbogetrieben nach der Statistik der ALLIANZ im Vergleich zur Auswertung eines Getriebeherstellers (Klammerwerte) kann man Bild entnehmen.

360 Bild 8.1.2: Schadensursachen an Turbogetrieben Die Verteilung der Schadensursachen und Schadensstellen bei stationären Getrieben (meist wälzgelagerte Industriegetriebe, Drehzahl unter 3000 U/min) kann man aus Bild ersehen. Bild 8.1.3: Verteilung von Schadensursachen und Schadensstellen an Industriegetrieben.

361 Die maßgebenden Bedingungen für die Schadensentstehung und die Schadensbilder an stationären Getrieben wurden in Bild zusammengestellt. Bild 8.1.4: Maßgebende Bedingungen für Schadensentstehung sowie die Schadensbilder an stationären Industriegetrieben Eine Statistik über Gleitlagerschäden über einen Zeitraum von 5 Jahren enthält Bild Man erkennt das bei den rotierenden Kraft- und Arbeitsmaschinen 917 Lagerschäden aufgetreten waren, für die ewa 7.5 Millionen DM an Entschädigung zu zahlen waren. Bei den elektrischen Maschinen waren etwa 0,7 Millionen Dm für 94 Schäden zu zahlen. Bei den Turbomaschinen musste für 228 Schäden ein Betrag von etwa 2,6 Millionen DM gezahlt werden.

362 Bild 8.1.5: Schadensstatistik über 5 Jahre für rotierende Maschinen Hinweise zur Schadensverteilung und den Schadensbildern für die 55 Axiallagerschäden enthält Bild 8.1.6, die entsprechenden Informationen zu den 173 Radiallagerschäden kann man Bild entnehmen Bild 8.1.6: Axiallagerschäden in Turbomaschinen (55 Schäden)

363 Bild 8.1.7: Radiallagerschäden in Turbomaschinen (173 Schäden) Sehr interessant ist der Vergleich der Schadenshäufigkeit für zwei 5-Jahresperioden (Bild 8.1.8). Untersuchungszeitraum Anzahl der Lagersch äden Schadensursache: Planung, Berechnung Konstruktion Montage Fertigung Werkstoff Instandsetzung Wartung Bedienung Fremdeinwirkung 5 Jahresperiode (1) 5 Jahresperiode (2) % % 19,7 12,2 20,7 10,3 13,2 11,6 5,4 7,8 4,9 3,2 21,5 31,0 9,5 8,4 Schadenart Schmiermangel Laufunruhe mech. Überlastung 32,4 39,0 18,0 13,3 11,1 22,7 Entwicklung von Schaden - ursachen und der wichtig - sten Schadenarten in station ären Radial - + Axial - gleitlagern Bild 8.1.8: Vergleich de Schadenshäufigkeit in zwei 5-Jahresperioden Während die durch Planung, Berechnung und Konstruktion verursachten Schäden deutlich zurückgegangen sind, das Gleiche gilt für die Montageschäden, haben die

364 wartungsbedingten Schäden erheblich zugenommen. 8.2 Einflüsse von Schmierstoffe und Schmierung Die folgenden Einflüsse von Schmierstoff und Schmierung auf die Entstehung von Schäden sind zu berücksichtigen. - Falscher Schmierstoff (Art, Qualität, Vikosität) - Falsche Art der Schmierung (Tauch-, Umlauf-, Ölnebelschmierung, d.h. äussere Ölführung) - Falsche Schmierstoffzufuhr (Ölnuten, -bohrungen, -taschen, d.h. inner Ölführung) - Schmierstoffmangel - Verunreinigter Schmierstoff (feste oder flüssige Verunreinigungen) 8.3 Gegenüberstellung von Schadensbild und Schadensursache Eine Hilfe zur Schadensaufklärung sind die folgenden Bilder, welche eine Gegenüberstellung von Schadensbild und Schadensursache für Gleitlager-, Wälzlager- und Zahnradschäden enthalten. Gleitlager Bild 8.3.1: Gegenüberstellung von Schadensbild und Schadensursache

365 für Gleitlagerschäden Wälzlager Bild 8.3.2: Gegenüberstellung von Schadensbild und Schadensursache für Wälzlagerschäden Zahnr äder Bild 8.3.3: Gegenüberstellung von Schadensbild und Schadensursache für Zahnradschäden

366 8.4 Systeme zur Einordnung von Schäden Eine Gliederung und Einordnung der Schäden nach dem Schadensbild enthält die folgenden Schadenstypen als Oberbegriff: - Verschleiss - Deformationen - Ermüdung - Risse - Brüche - Korrossion - Sonstiges (Erosion, Kavitation, Stromdurchgang usw.) Eine Gliederung und Einordnung der Schäden nach Schadensablauf bzw. ursache enthält die folgenden Oberbegriffe: Herstellungsbedingte Schäden - Konstruktionsfehler - Werkstofffehler - Fertigungsfehler - Montagefehler Betriebsbedingte Schäden - Schmierungsfehler - Überlastungen - Fremdeinwirkungen Zur Erleichterung der Schadensanalyse können die folgenden Normen für die Zuordnung zwischen Schadensbild, Schadensursache und Abhilfemassnahmen herangezogen werden: DIN ÖNORM ISO Gleitlager Begriffe, Merkmale und Ursachen von Veränderungen und Schäden Wälzlager Wälzlagerschäden Benennungen, Merkmale und Ursachen DIN 3979 Zahnschäden an Zahnradgetrieben Bezeichnungen, Merkmale, Ursachen 8.5 Vorgehensweise bei der Schadensaufklärung Um Betriebsstörungen und unerwartete Kosten durch vorzeitig und unplanmässig ausgefallene Maschinenelemente auf ein Minimum zu begrenzen, werden die folgenden Ziele angestrebt:

367 Grundsätzliches Vermeiden von Schäden durch - konstruktive Massnahmen - vorbeugende Instandhaltung Verhinderung der Wiederholung von Schäden durch Schadensanalyse Die zum Erreichen dieser Ziele notwendigen Massnahmen können wie folgt charakterisiert werden: Konstruktive Massnahmen: Schmierungs- und wartungsgerechtes Konstruktieren unter Berücksichtigung tribologischer Erfordernisse Vorbeugende Instandhaltung: Kontrolle und Überwachung zur rechtzeitigen Entdeckung potentieller Schadensstellen, Abstellen der Ursachen einer Schadensentstehung, rechtzeitiger Austausch eines Teiles Schadensanalyse: Festlegung des Schadensbildes, Rekonstruktion des Schadensablaufes, Aufdeckung der Schadensursachen Somit umfasst die Vorgehensweise zur Schadensaufklärung die folgenden drei Schritte: - Identifizierung des Schadensbildes - Rekonstruktion des Schadensablaufes - Aufdeckung der Schadensursachen Dabei ist zu berücksichtigen, dass für jedes Schadensbild mehrere Ursachengruppen (Ursache) und für jede Ursachengruppe mehrere Einzelursachen (Grund) massgebend sein können. Dies wird anhand von Bild am Beispiel des Verschleisses verdeutlicht.

368 Schadensgrund Schadensursache Schadensbild Unzureichende Dimensionierung Stoßbeanspruchungen Schrägsitz Bruch der Ölleitung Verstopfung der Ölleitung Ausfall der Ölpumpe Falsche Bemessung der erforderlichen Ölmenge Überhöhte Belastung Schmierstoffmangel Verschlei ß Bild 8.5.1: Vorgehensweise zur Schadensaufklärung Beispiel Verschleiss In Anlehnung an die VDI-Richtlinie 3822 wurde für das Beispiel für Fahrzeuggetriebe von einem namhaften Hersteller die folgende Vorgehensweise zur Durchführung einer Schadensanalyse ausgearbeitet (Bild 8.5.2): Bild 8.5.2: Durchführung einer Schadensanalyse an Fahrzeuggetrieben