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Maschinenelemente 1 - Schmierstoffe

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Maschinenelemente 1

Schmierstoffe

Schmierstoffe helfen die Reibung und den Verschleiß von Maschinenbauteilen im Betrieb zu reduzieren und gleichzeitig begünstigen sie die Wärmeabfuhr, welche infolge von Reibungswärme und Abrieb notwendig ist. 
Bei der Auswahl von Schmierstoffen greift man entweder auf Schmieröle oder auf Schmierfette zurück. Beide haben ähnlich gute Eigenschaften, jedoch werden Schmieröle bevorzugt eingesetzt. Daher werden wir in diesem Kurstext hauptsächlich auf Schmieröle eingehen und Schmierfette an Rande behandeln. 

Schmieröle

Viskosität Schmieröl
Viskosität Schmieröl

Neben den oben genannten Eigenschaften von Schmierstoffen allgemein, können die gewünschten Eigenschaften von Schmierölen durch zusätzliche Einstellungen und Maßnahmen begünstigt werden. So kann das Schmieröl mit Hilfe von Wärmetauschern als Kühlmittel eingesetzt werden, oder es unterstützt die Filterung. 
Ganz ohne negative Nebeneffekte kommen Schmieröle jedoch nicht aus. So erfordert eine Schmierölung einen hohen Mengeneinsatz und zudem muss ein intensiver Dichtungsaufwand betrieben werden, damit am Ende auch das gewünschte Ergebnis steht. 

Eigenschaften

In der nächsten Abbildung sehen Sie zwei Bauteile, die durch ein Schmieröl von einander getrennt sind. Werden diese Bauteile nun in unterschiedlicher Geschwindigkeit zueinander bewegt, so wird, wie es Ihnen vielleicht aus der Mechanik noch bekannt sein sollte, das Schmieröl auf Scherung beansprucht. In diesem Zusammenhang spricht man auch von der dynamischen Viskosität $ \eta $ von Schmierölen. 

Um die Belastung errechnen zu können, stellen wir die Gleichung für die Schubspannung $ \tau $ auf:

Merke

Schubspannung: $\tau = \eta \cdot \frac{d \upsilon}{d h } = \eta \cdot S $ [laminare Strömung]
  • $\eta = $ dynamische Viskosität
  • $\ d \upsilon = $ Geschwindigkeitsänderung
  • $\ h = $ Höhe
  • $\ S = $ Schergefälle

Die dynamische Viskosität $ \eta $ dient in der obigen Gleichung als Proportionalitätsfaktor zwischen der auftretenden Schubspannung $\tau $ und der Änderung der Schwindigkeit $ \upsilon $. 

Man bezeichnet die dynamische Viskosität oft als Maß für die innere Reibung, die im Schmieröl stattfindet. 

Merke

Einheit Dynamische Viskosität: $\eta = mPa \cdot s \rightarrow \eta = 10^{-3} \frac{Ns}{m^2} \rightarrow = 10^{-2} P $ (Poise).

Neben der dynamischen Viskosität lässt sich auch die kinematische Viskosität $\nu $ für das Schmieröl bestimmen. Sie ergibt sich aus dem Quotienten von dynamischer Viskosität $\eta $ und der Dichte $\varrho $ des Schmieröls bestimmen. 

Merke

Kinematische Viskosität: $\nu  = \frac{\eta}{\varrho} $ 

Methode

Die Einheiten von dynamische Viskosität und kinematischer Viskosität sind verschieden und dürfen in Berechnungen nicht verwechselt werden.

Merke

Einheit kinematische Viskosität: $\nu = \frac{mm^2}{s} \rightarrow \nu = 1 cST $ (Centistoke). 

Schmieröle kennzeichnet zudem, dass sie lediglich von der Temperatur und dem Druck abhängen und daher als Newtonsche Flüssigkeiten bezeichnet werden. 

Tritt hingegen eine Änderung der Viskosität durch Anstieg des Scheergefälles auf, spricht man von einer strukturviskosen Flüssigkeit.

Einflussfaktor Temperatur

Mit zunehmender Temperatur nimmt die kinematische Viskosität eines Schmieröls ab. Die Verlaufskurve im Viskosität-Temperatur-Diagramm hat einen steilen Abfall [$ 25° C : \nu = 180 \frac{mm^2}{s} \longrightarrow 40° C : \nu = 60 \frac{mm^2}{s} $], Dieser flacht jedoch bei einer Temperatur ab 40°C ab. Ab einer Temperatur von 110°C ist der Verlauf fast parallel zur Koordinatenachse. Aber diesem Punkt ist die Viskosität bei einen Wert von $ \nu = 8 \frac{mm^2}{s} $ angelangt. 

Nicht alle Schmieröle weisen diese Temperaturabhängigkeit auf. Es existieren synthetische Öle, wie Mehrbereichsöle, die deutlich höhere Werte besitzen und zeitgleich temperaturunempfindlicher sind. $\Longrightarrow $ Schmieröle für Verbrennungsmotoren. 

Methode

Mehrbereichsöle müssen bei niedrigen Temperaturen fließfähig bleiben und bei hohen Temperaturen eine Mindestviskosität behalten.
Einflussfaktor Druck

Sowohl für Schmieröle, wie auch beinahe jedem Fluid, nimmt die Viskosität bei einem Druckanstieg zu. Dabei fällt der Einfluss der Druckänderung weit aus weniger ins Gewicht, als die Änderung der Temperatur. 

Zahlenbeispiel:

Beispiel

Für die Änderung der Viskosität, die durch eine Temperaturänderung von $\delta T = - 1 K $ ensteht, muss eine Druckänderung von $\delta p = 300 bar $ vorgenommen werden

Der formale Ausdruck zur Berechnung der Abhängigkeit der Viskosität vom Druck ist nachfolgend dargestellt:

Merke

Viskosität bei Druck: $\eta_p = \eta_0 \cdot e^{\alpha \cdot p} $
  • $\eta_p =$ Viskosität bei Druck p,  
  • $\eta_0 = $ Viskosität bei Atmosphärendruck,
  • $\ p $ = Druck,
  • $\alpha $ = Druckviskositätskoeffizient.

Schmierfette

Konsistenz Schmierfett
Konsistenz Schmierfett

Schmierfette setzen sich aus drei Bestandteilen zusammen. Der Basiseinsatzstoff ist das Grundöl. Diesem wird ein Eindicker und unterschiedliche Additive beigemischt. Die Auswahl der Additive richtet sich nach dem jeweilige Einsatzzweck.  

Nachfolgend sehen Sie eine Übersicht der Mengenanteile in einem Schmierfett:

  • Schmieröl = 75 - 95 % $\rightarrow $ Einsatzstoff Mineralöl, aber auch synthetisches Öl
  • Eindicker = 4 - 20 % $\rightarrow $ Einsatzstoff: Seifen, Alkalimetallseifen
  • Additive = 10 - 15 % $\rightarrow $ Einsatzstoff: Adsorptionsmittel, Antioxidantien, etc.