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Maschinenelemente 1

Schmierstoffe

Schmierstoffe helfen die Reibung und den Verschleiß von Maschinenbauteilen im Betrieb zu reduzieren. 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 am Rande behandeln. 

Schmieröle

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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. Zudem muss ein intensiver Dichtungsaufwand betrieben werden, damit am Ende auch das gewünschte Ergebnis steht. 

Eigenschaften

In der nächsten Abbildung siehst du zwei Bauteile, die durch ein Schmieröl von einander getrennt sind. Werden diese Bauteile nun in unterschiedlichen Geschwindigkeiten zueinander bewegt, so wird, wie es dir 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:

Methode

Hier klicken zum AusklappenSchubspannung: $\tau = \eta \cdot \frac{d v}{d h } = \eta \cdot S $ (für laminare Strömung)
  • $ \eta $ = dynamische Viskosität
  • $ d v $ = 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. 

Die dynamische Viskosität η  ist somit ein Maß für die Zähigkeit oder Zähflüssigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist es.

Methode

Hier klicken zum AusklappenEinheit dynamische Viskosität: $\eta = 1 \, mPa \cdot s \longrightarrow \eta = 10^{-3} \, [\frac{Ns}{m^2}] = 10^{-2} \, [P] \Longrightarrow $ 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. 

Methode

Hier klicken zum Ausklappenkinematische Viskosität: $ \nu  = \frac{\eta}{\varrho} $ 

Merke

Hier klicken zum AusklappenDie Einheiten von dynamischer Viskosität und kinematischer Viskosität sind verschieden und dürfen in Berechnungen nicht verwechselt werden.

Methode

Hier klicken zum AusklappenEinheit kinematische Viskosität: $\nu = 1 \, [\frac{mm^2}{s}] \rightarrow \nu = 1 \, [cST] \Longrightarrow $ Centistoke

Die Viskositäten von Schmierölen 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 X-Achse. Ab 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 z. B. Mehrbereichsöle, die deutlich höhere Werte besitzen und zeitgleich temperaturunempfindlicher sind. $\Longrightarrow $ Schmieröle für Verbrennungsmotoren

Merke

Hier klicken zum AusklappenMehrbereichsöle müssen bei niedrigen Temperaturen fließfähig bleiben und bei hohen Temperaturen eine Mindestviskosität behalten.

Einflussfaktor Druck

Sowohl für Schmieröle wie auch beinahe für jedes 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

Hier klicken zum AusklappenFür 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:

Methode

Hier klicken zum AusklappenViskosität 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

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

Nachfolgend siehst du 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.