TAE-Serie Grundlagen der Technik, Teil 3

Der Schmierstoff als Konstruktionselement am Beispiel der Schmierfilmdickenmessung

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Die von Maschinen durchgeführten verschiedenen Bewegungen werden im Einzelnen durch ein sogenanntes Tribologisches System (DIN 51320) beschrieben. Darin wird der Schmierstoff als Zwischenstoff zweier sich relativ gegeneinander bewegender Körper bezeichnet. Ist dieser in der Lage, die beiden belasteten Körper zu trennen, so spricht man vom tragenden Schmierfilm. Für die Entwicklung von Verbrauch reduzierenden Motorenölen ist die Messung der Schmierfilmdicke ein wichtiges Werkzeug.

Dr. Manfred Jungk, MJ Tribology, Geisenheim

Tribology ist ein von Peter Jost 1966 gebildetes Kunstwort aus den altgriechischen Worten „tribein“ (reiben) und „logos“ (Lehre). Die Tribologie ist interdisziplinär zwischen Physik, Elektro- und Informationstechnik sowie den Schwerpunkten Maschinenbau, Chemie und Werkstoffwissenschaft angesiedelt. Sie wird vereinfachend als Fachgebiet um Reibung, Verschleiß und Schmierung bezeichnet.

Reibungszustände

In der Tribologie werden grundsätzlich drei verschiedene Reibungszustände beschrieben. Als Grenzreibung bezeichnet man den Übergang von Haft- zu Gleitreibung und wenn sich die Rauigkeitsprofile der beiden Reibkörper ineinander verzahnen. Bei der Mischreibung beginnt sich, die Rauigkeitsspitzen zu entzahnen und durch eine ansteigende Relativgeschwindigkeit der Reibkörper beginnt sich, im Beisein einer Flüssigkeit ein Schmierfilm zu bilden. Im Bereich der reinen Flüssigreibung sind die Oberflächen der Reibkörper getrennt und ein tragender Schmierfilm wird gebildet.

Abhängig von der Geometrie des Kontaktes der beiden Reibpartner unterscheidet man zwischen HydroDynamischer(HD) und ElastoHydroDynamischer(EHD) Schmierfilmbildung. Im konformen Kontakt, wie etwa bei Gleitlagern, werden Schmierfilmdicken HD mit Gleichungen nach Vogelpohl berechnet. Im nicht konformen Kontakt, wie bei Wälzlagern oder im Zahnkontakt bei Zahnrädern, werden die Schmierfilmdicken EHD mit Gleichungen nach Hamrock und Dowsen berechnet.

EHD-Filmdickenmessung

Die Schmierfilmdicke ist abhängig von der Geschwindigkeit, der Belastung, dem Durchmesser und der Oberflächenrauigkeit der sich wälzenden Körper, dem Elastizitätsmodul und der Poisson-Zahl des Körpermaterials sowie zuletzt der Viskosität des Schmierstoffes. Obwohl alle oben genannten Größen in dem Tribologischen System bekannt sind, war insbesondere die schwierige Vorhersage der Viskosität, mit deren Abhängigkeit von Druck und Temperatur, der Grund, die Filmdicke zu messen. Dazu wird eine Kugel mit 19,05 mm Durchmesser gegen eine sich drehend angetriebene Glasscheibe gedrückt. Die Kugel wird ebenfalls angetrieben und die Reibkraft der Scheibe auf die Kugel wird mittels Kraftaufnehmer gemessen. Kugel und Scheibe werden unabhängig angetrieben, sodass neben reinem Rollen bei gleicher Geschwindigkeit auch Gleitanteile durch unterschiedliche Geschwindigkeit von Scheibe und Kugel erzeugt werden können. Die bei dieser Anordnung erzeugbaren Flächenpressungen und Scherraten entsprechen denen von Zahnkontakten, Wälzlagern und Nocken. Die Schmierfilmdicke wird durch optische Interferometrie mit Hilfe einer Kamera bestimmt. Aus der Auswertung der Bilder des Schmierfilms können Messungen bis zu minimal 1nm durchgeführt werden. Neben der Schmierfilmdicke wird gleichzeitig die Flüssigreibung aus der oben genannten Reibkraft bestimmt. Die Flüssigreibung, oder auch gleichbedeutend mit der Traktion, wurde in der Vergangenheit auch mit der sogenannten 2-Scheiben-Methode gemessen.

Schmierstoffchemie

In den beiden Diagrammen sind jeweils auf den Abszissen die Rollgeschwindigkeit in m/s und auf den Ordinaten die Schmierfilmdicke in nm aufgetragen. Die verschieden farbigen Messpunktlinien repräsentieren unterschiedliche Temperaturen. Das dem oberen Diagramm zu Grunde liegende Grundöl ohne Additive zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Schmierfilmdicke entsprechend der Viskositätsänderung. Das gleiche Grundöl zeigt im unteren Diagramm durch die Zugabe von Viskositätsindexverbesserern im niedrigerem Geschwindigkeitsbereich durchgehend höhere Filmdicken. eve

www.mj-tribology.com

Details werden in Seminaren der Technischen Akademie Esslingen (TAE) vorgestellt.

Details und Anmeldung unter:

Professionelles Schmierstoff-Management 14.10.2019 bis 15.10.2019: hier.pro/jQHpj

Proportionalhydraulik 08.07.2019 bis 09.07.2019: hier.pro/L4D1n

Fluide für Hochleistungshydrauliken 06.11.2019 bis 07.11.2019: hier.pro/oaZUS


info

Zu dieser Serie

Zusammen mit der Technischen Akademie Esslingen stellt die KEM Konstruktion in dieser Grundlagenserie Hintergründe und praktische Einsatzszenarien in aktuellen Technikfeldern zusammen. Tipps zu passenden Seminarangeboten erleichtern die Planung einer praxisorientierten Weiterbildung.

Erschienen sind bereits:

Teil 1: Digitale Zwillinge aus virtuellen Baugruppen hier.pro/6QiPa

Teil 2: Messverfahren für die Prozessstabilität in der additiven Fertigung hier.pro/7smry

www.tae.de



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