Tribologie
--Benni1981 12:27, 8. Dez 2007 (CET)
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Inhaltsverzeichnis
Bedeutung
Die Tribologie (griechisch: Reibungslehre) ist eine Wissenschaft, mit der sich Maschinenbauer, Werkstofftechniker, Physiker und Chemiker befassen.
Die Tribologie umfasst die Gebiete
- Reibung
- Verschleiß
- Schmierung
Ziel der Tribolologie ist es, das Bewegungssystem zu optimieren. In ökologischer, ökonomischer und funktioneller Hinsicht. Das heißt Minderung von Verschleiß und Optimierung von Reibungsbedingungen
Anwendung
Die Anwendung der Tribologie erstreckt sich auf alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Instandhaltung mechanischer Bewegungssysteme in den verschiedenen Industrie- und Wirtschaftsbereichen:
- Maschinenbau
- Fertigungstechnik
- Antriebs-und Fördertechnik
- Kraftfahrzeug- und Motorenindustrie
- Bautechnik
- Luft und Raumfahrt
- Schienenfahrzeugtechnik
- Feinwerktechnik
- EDV Technik
- Energieversorgung
- Medizintechnik
Aufgaben
Die Tribologie hat einen enormen Einfluss auf die Ressourcen eines Betriebes, zudem auch die Betriebssicherheit d.h. ein störungsfreier und anwendungssicherer Ablauf eines Gerätes/Maschine. Sie hilft außerdem die Produktionskosten zu senken und sorgt für eine Reduzierung von Energie/Emissionen.
Bei der Dimensionierung von Maschinenelementen gilt häufig die Anforderung, dass während des Betriebszustandes Reibung und Verschleiß auf ein minimales zu reduzieren ist, ebenso der Energieverlust. Es gibt aber auch Anwendungen, wo eine verstärkte Reibung erwünscht ist, z.B. bei Reibradgetrieben oder Bremsen.
Schäden an Maschinenelementen
.
Es gibt zwei wesentliche, teilweise auch genormte Einteilungen. Sie erfolgen nach dem Verschleißmechanismus bzw. dem Schadensbild. Demnach kann es auch vorkommen, dass bestimmte Begriffe in unterschiedlicher Weise verwendet werden. So wird "Verschleiß" im Allgemeinen als fortschreitender Materialabtrag, speziell aber auch nur für bestimmte Schäden (Riefen, Kratzer, Fresser) verwendet.
Verschleiß
Der Begriff Verschleiß kann als fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers(Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers definiert werden.
Die Unterteilung erfolgt nach dem Verschleißmechanismus in Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerüttung und tribochemischen Reaktionen.
Abrasion: Sie tritt auf, wenn sich der Grundkörper mit einem härteren und raueren Gegenkörper im Kontakt befindet bzw. harte Partikel im Kontakt wirksam sind.
Adhäsion: Adhäsion entsteht durch stoffliche Wechselwirkungen im Oberflächenbereich zweier Kontaktpartner. Es handelt sich dabei um Bindung (Verschweißung) und Trennung von Grenzflächenbindungen. Die Ursache ist das Zusammenbrechen oder Fehlen von schützenden Oberflächenschichten bei örtlich hohen Beanspruchungen und Temperaturen. (Bsp. Kolbenfresser)
Oberflächenzerrüttung: Sie entsteht bei sich häufig periodisch ändernden Belastungen in bestimmten Werkstoffbereichen. Bei Erreichen einer bestimmten Risslänge kommt es zum Bruch bzw. zum Heraustrennen von Partikeln aus dem Oberflächenbereich.
Tribochemische Reaktionen: Entsteht durch chemische Reaktion in Folge tribologischer Beanspruchung (zwischen Grund- und Gegenkörper. Es beteiligen sich Bestandteile des Zwischenstoffs bzw. des Umgebungsmediums. Durch eine Relativbewegung werden ständig neue Reaktionsprodukte erzeugt und wieder abgerieben.
Korrosion
Man bezeichnet als Korrosion Grenzflächenreaktionen zwischen Metalloberflächen und festen, flüssigen oder gasförmigen Korrosionsmedien. Man unterscheidet hierbei in 3 Korrosionsarten:
Chemische Korrosion: hierbei bewirken Metalle und reaktionsfähige Gase/Flüssigkeiten eine Oxidation oder Verzunderung
Chemisch metallphysikalische Korrosion: Dies ist die Reaktion bestimmter Metalle und Wasserstoffgas, die zu Korngrenzenveränderungen und Rissen führt.
Elektrochemische Korrosion: Bei dieser Korrosionsart handelt es sich um Reaktionen von Metallen in elektrolytisch leitenden Medien.
Häufig auftretende Korrosionsvorgänge in der Praxis sind:
- chemische Korrosion (Reaktion von Metallen mit Luftsauerstoff und Säuren, Ergebnis = Rost und Verzunderung).
- Kontaktkorrosion (Wenn sich ein ionenleitendes Medium zwischen den Metallen befindet).Zudem sind auch Konstruktionen aus Metallen mit unterschiedlichem Elektrodenpotential gefährdet) siehe RM TB 4-5.
- Reibkorrosion (Entsteht durch vorhandene Mikro-Gleitbewegungen im Bereich elastischer Verformungen, diese verursachen metallisch reine Oberflächen, welche sehr reaktionsfreudig gegenüber Luftsauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff sind).
- Spaltkorrosion (Konstruktiv bedingte elektrochemische Korrosion, bei der sich in Spalten, Rissen und Riefen z.B. von Schrauben- und Punktschweißverbindungen, korrosionsfördernde Substanzen sammeln).
- Spannungsrisskorrosion (Entsteht durch Zugspannungen oder Eigenspannungen unter korrosionsfördernden Bedingungen).
- Schwingungsrisskorrosion (Ensteht durch eine zusätzliche mechanische oder thermische Schwingbeanspruchung).
Korrosionsschutz
Es gibt umfangreiche Möglichkeiten des Korrosionsschutzes. Die Wahl der geeigneten Bauteilwerkstoffe und die Aufbringung metallischer Überzüge bzw. spezieller Schutzschichten. Es ist bei der Wahl des metallischen Überzugs auf den Korrosionsschutz gegenüber dem Grundwerkstoff zu achten. Es könnte durch mechanische Beanspruchungen Risse im Überzug entstehen. In diesem Fall muss eine geeignete Wahl des Überzuges getroffen werden, um Kontaktkorrosion zu vermeiden. Einen häufig verwendeten Oberflächenschutz erreicht man mit Diffusionsschichten. Diese werden durch Borieren und Nitrieren erzeugt.
Schadensbilder
Die unter dem Absatz "Verschleiß" beschriebenen Verschleißmechanismen wirken oftmals in überlagerter Form. Aus diesem Grund wird häufig der Zusammenhang zwischen Schadensbild und Schadensursache genutzt, um eine Beurteilung des beschädigten Bauteils vorzunehmen und eventuell eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Nach dem Schadensbild lässt sich z.B. folgende Einteilung für die Schädigungsmechanismen vornehmen:
- Verschleiß: (Einlaufspuren, Riefen, Kratzer, Fresser)
- Ermüdung: (Grübchen= Pittings, Abblätterungen, Ausbrüche, Risse)
- Korrosion: (chemische Korrosion, Reibkorrosion = Passungsrost, Verzunderungen)
- Deformation: (Eindrückungen, Riffelbildung, plastische Verformung)
Es gibt für spezielle Maschinenelemente spezielle Normenwerke, die typische Schadensbilder für die oben genannten Schädigungsmechanismen zeigen und zusätzliche, nur anwendungsspezifische Bauteilschäden dokumentieren.
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Reibung
Gleitreibung
In der Kontaktzone von zwei Bauteilen treten Reibungskräfte auf. Nach dem Coulombschen Gesetz gilt bei Gleitreibung:
FR = μ · FN
FR = Reibungskraft
FN = Normalkraft
μ = Reibungszahl
Reibungszahlen
Die Reibungszahlen hängen von der Werkstoffpaarung, dem Schmierstoff, dem Reibungszustand und der Reibungsart ab. Es gilt: Gleitreibungszahlµ< Haftreibungzahlµ0.
Bei den Reibungsverhältnissen unterscheidet man nach Art der Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen die Rollreibung, Gleitreibung, Wälzreibung und Bohrreibung.
Rollreibung entsteht, wenn die Geschwindigkeit zweier Körper in der Kontaktzone gleich groß sind (Betrag, Richtung). Zudem muss ein Körper eine Drehbewegung ausführen, in der die Drehachse in der Berührungszone liegt.
Wälzreibung ist eine Überlagerung von Roll- und Gleitreibung (linksdrehendes Moment ist nicht gleich rechtsdrehendes Moment).
Bohrreibung entsteht, wenn min. 1 Körper eine Drehbewegung ausführt, wobei die Drehachse senkrecht zur Berührzone steht.
Experimentelle Bestimmung der Reibungszahl
Hier habe ich noch einmal die Aufgabenbeschreibung und den Auswertungsbogen hinterlegt.
Reibungszustände (Schmierungszustände)
Das Reibungs- bzw. Verschleißverhalten wird insbesondere durch den vorliegenden Reibungszustand beeinflusst. Man unterscheidet in Festkörperreibung, Grenzreibung, Mischreibung, Flüssigkeitsreibung und Gasreibung.
Festkörperreibung: Reibbeanspruchung von metallisch reinen Kontaktflächen ohne Schmierung (meist nicht relevant, da min. Oxidationsschichten etc. auf der Oberfläche entstehen)!
Grenzreibung: Sonderfall der (Festkörperreibung). Ein Schmierfilm ist nicht oder nicht mehr vorhanden. Im Kontaktbereich wirken Randschichten (Schutzschichten). Z.B. durch Oxidation, Adsorption (physik. Anlagerungen der im Schmierstoff enthaltenen polaren Komponenten), oder durch chem. Reaktionen spezieller Schmierstoffe bei hohen Temperaturen bzw. Drücken.
Wichtig: Die Verhältnisse der Grenzreibung sind maßgebend für die Notlaufeigenschaften eines Bauteils.
Flüssigkeitsreibung: Es findet kein Kontakt zwischen den Bauteilen statt. Die vollständige Trennung erfolgt durch den Schmierfilm. Die Belastung wird durch den Druck des Schmierfilms übertragen. Die erzeugte Reibung im inneren des Schmierfilms wird durch die chemische Struktur des Schmieröls bestimmt.
Gasreibung: ähnlich wie Flüssigkeitsreibung, nur das die Trennung der Kontaktpartner durch einen gasförmigen Film erreicht wird.
Mischreibung: Beschreibt den Bereich zwischen Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung. Die Bauteile werden nicht mehr vollständig durch einen Schmierfilm getrennt und an einigen Stellen tritt eine Festkörperreibung auf.
Schmierdruck
Der Schmierdruck zur vollst. Trennung beider Bauteile kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:
- hydrostatische Schmierung: Der Druck wird durch eine Pumpe außerhalb des Kontaktes erzeugt.
- hydrodynamische und elastohdydrodynamische Schmierung: Der Schmierdruck wird durch die Bewegungen des Bauteils erzeugt. Das Öl wird in ein sich verengenden Spalt befördert.
Bei der hydrodynamischen Schmierung sind die Belastungen gering, daher ist die Verformung nicht zu beachten.
Bei der elastohdydrodynamischen Schmierung müssen aufgrund der hohen Pressungen die Verformungen berücksichtigt werden (Reibungs- und Schmierungsverhältnisse, Beispiel: Zahnräder).
Das Reibungsverhalten ist durch den Einfluss unterschiedlicher Betriebsverhältnisse geprägt. (siehe Roloff/Matek, Bild 4-3). Die Reibungszahl liegt im Bereich der Mischreibung und im Bereich der Flüssigkeitsreibung auf einer gemeinsamen Position auf der Y-Achse. Jedoch ist der Verschleiß während des Betriebes mit höherer Drehzahl im Flüssigkeitsreibungsbereich wesentlich geringer (verschleißlos). Eine allgemeine Zusammenstellung für typische Reibungszustände und die dazugehörigen Reibungszahlen habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt.
| Reibungszustand | Reibungsart | Reibungszahl |
|---|---|---|
| Festkörperreibung | Gleitreibung | 0,3...1 (1,5) |
| Grenzreibung | Gleitreibung Rollreibung |
0,1...0,2 <0,005 |
| Mischreibung | Gleitreibung Wälzreibung Zahnräder Wälzreibung Reibräder (Traktion Fluids) Rollreibung |
0,01...0,1 0,02...0,08 0,06...0,12 0,001...0,005 |
| Flüssigkeitsreibung | Gleitreibung | 0,001...0,01 |
| Gasreibung | Gleitreibung | 0,0001 |
Werkstoffpaarung (Tabelle)
| Werkstoffpaarung | Haftreibungszahl μ01 (trocken)2 | Haftreibungszahl μ0 (geschmiert) | Gleitreibungszahl μ (trocken)2 | Gleitreibungszahl μ (geschmiert) |
|---|---|---|---|---|
| Stahl auf Stahl | 0,5...0,8 | 0,10 | 0,4...0,7 | 0,10 |
| Kupfer auf Kupfer | - | - | 0,6...1,0 | 0,10 |
| Stahl auf Gusseisen | 0,2 | 0,10 | 0,20 | 0,05 |
| Gusseisen auf Gusseisen | 0,25 | 0,15 | 0,20 | 0,10 |
| Gusseisen auf Cu-Legierung | 0,25 | 0,15 | 0,20 | 0,10 |
| Bremsbelag auf Stahl | - | - | 0,5...0,6 | - |
| Stahl auf Eis | 0,03 | - | 0,015 | - |
| Stahl auf Holz | 0,5...0,6 | 0,10 | 0,2...0,5 | 0,05 |
| Holz auf Holz | 0,4...0,6 | 0,15...0,20 | 0,2...0,4 | 0,10 |
| Leder auf Metall | 0,60 | 0,20 | 0,2...0,25 | 0,12 |
| Gummi auf Metall | - | - | 0,50 | - |
| Kunststoff auf Metall | 0,25...0,4 | - | 0,1...0,3 | 0,04...0,1 |
| Kunststoff auf Kunststoff | 0,3...0,4 | - | 0,2...0,4 | 0,04...0,1 |
1Die Haftreibungszahl μ0 einer Werkstoffpaarung ist meist geringfügig größer als die Gleitreibungszahl μ. Sie ist nur für den Grenzfall des Übergangs in die Bewegung definiert.
2Bei technisch üblichen,geringen Verunreinigungen.
| Werkstoff | Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gleichem Werkstoff | Gleitreibungszahl μ bei Paarung mit gehärtetem Stahl |
|---|---|---|
| Aluminium | 1,3 | 0,5 |
| Chrom | 1,5 | 1,2 |
| Nickel | 0,7 | 0,5 |
| Gusseisen | 0,4 | 0,4 |
| Stahl, gehärtet | 0,6 | 0,6 |
| Lagermetall (PbSb) | - | 0,5 |
| CuZn-Legierung | - | 0,5 |
| Al2O3-Keramik | 0,4 | 0,7 |
| Ployamid (Nylon) | 1,2 | 0,4 |
| Polyethylen PE-HD | 0,4 | 0,1 |
| Polytetrafluorethylen | 0,12 | 0,05 |
| Polystyrol und Polyvinylchlorid PVC-U | - | 0,5 |
| Polyoxymethylen | - | 0,4 |
Hinweis: Die Reibungszahl ist keine Werkstoffeigenschaft, sondern die Kenngröße eines tribologischen Systems und kann somit durch verschiedene Einflussgrößen wie z.B. Werkstoffart, Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur u.s.w. in bestimmten Grenzen schwanken.Verlässliche Reibungszahlen müssen unter praxisnahen Bedingungen experimentell ermittelt werden.
Der Reibungszustand kann auch über die spezifische Schmierfilmdicke ermittelt werden.
Hierzu gilt:
λ=hmin/Ra
λ = spezifische Schmierfilmdicke hmin = minimale Schmierfilmdicke im Kontakt Ra = gemittelte Oberflächenrauheit beider Kontaktpartner [Ra= 0,5(Ra1+Ra2)]
Näherungsweise wird in folgende Bereiche unterschieden:
Grenzreibung: λ < 0,2
Mischreibung: 0,2 < λ < 3
Flüssigkeitsreibung: λ > 3
Hertzsche Pressung
Wenn zwei Bauteile (Wälz- bzw. Rollbelastung) senkrecht zur Berührebene belastet werden, entstehen in der Kontaktzone Oberflächenpressungen. Es wird durch Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zwischen Punkt und Linienberührung unterschieden. Die Abplattungen im Kontaktbereich bilden sich entsprechend rechteckig (Linienberührung) bzw. elliptisch (Punktberührung) aus. Die Größe der Pressung in den Druckflächen kann mit Hilfe der Hertzschen Gleichung ermittelt werden. Diese gilt streng genommen nur unter folgenden Voraussetzungen: Die Werkstoffe sind ideal homogen, es sind keine Eigenspannungen vorhanden, die Oberflächen der Bauteile sind geometrisch ideal ausgebildet (ohne Rauhheits und Formabweichungen), es liegen nur reine Normalbeanspruchungen vor und der Kontakt ist ungeschmiert. Obwohl diese Fälle im Allgemeinen in der Praxis nicht erfüllt werden, kann die Gleichung dennoch verwenden werden. Es ist aber darauf zu achten, dass die zulässigen Pressungen, welche durch Versuche an speziellen Maschinenelementen (Zahnräder, Wälzlager etc.) ermittelt wurden, nur für diese jeweils untersuchten Bauteile verwendet werden.
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Berechnung (Hertzsche Pressung)
Formel nach Roloff/Matek
Linienberührung
Punktberührung
Formel nach Wikipedia
Eine rechnerisch vereinfachende Möglichkeit der Berechnung laut Wikipedia:
Für den einfachen Berührungsfall Kugel - Kugel (oder Ebene) gilt:
und 
sowie 
mit
r1,2 -- Kugelradien Kugel 1, Kugel 2; Sonderfall Ebene:
und damit r = r1
Für den einfachen Berührungsfall Zylinder - Zylinder (oder Ebene) gilt:
mit
ν -- Poissonzahl bzw. Querdehnzahl (Bei zwei verschiedenen Reaktionspartnern wird gemittelt)
E1,2 -- E-Modul der Werkstoffe Körper 1, Körper 2
l -- Berührungslänge der Zylinder
F -- als Linienlast über die Berührungslänge wirkende Kraft
r1,2 -- Zylinderradien Zylinder 1, Zylinder 2; Sonderfall Ebene: und damit r = r1
Schmierstoffe
Schmieröle
Vorteile:
- leichte Reibstellenversorgung (somit Verbesserung hinsichtlich Reibung/Verschleiß)
- gute Abführung von Reibungswärme
- gute Abführung von Abrieb aus dem Kontakt
- kann durch zusätzliche Maßnahmen auf gewünschte Eigenschaften eingestellt werden (z.B. Kühlung, Filterung)
Nachteile:
- ziemlich Aufwendige Abdichtung notwendig
- teilweise große Schmierölmengen erforderlich
Eigenschaften der Schmieröle
Die Viskosität der Schmieröle ist von der Temperatur abhängig. Man sieht, dass sich der Einfluss mit zunehmender Temperatur verrringert. Man nutzt aus diesem Grund häufig die doppelt logarithmisch - einfach logarithmisch-Darstellung, bei der sich der Temperatureinfluss vereinfacht als Gerade darstellen lässt.
Der große Vorteil liegt darin, dass sich mit den Ergebnissen der Viskositätsmessungen bei zwei Temperaturen die Viskositäten bei beliebigen anderen Temperaturen bestimmen lassen, (d.h. durch Einzeichnen einer Geraden). Die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit kann nach ISO 2909 durch einen Viskositätsindex /VI-Index) angegeben werden. Ursprünglich war danach vorgesehen, alle Öle in einer Klassifizierung von VI = 0 (Öl mit sehr hoher Temperaturabhängigkeit) bis VI = 100 (Öl mit geringer Temperaturabhängigkeit) einzuordnen. Heute ist dieser Bereich nicht mehr ausreichend, es gibt synthetische Öle, die deutlich höhere Werte aufweisen (VI > 200).Eine geringe Temperaturabhängigkeit ist vor allem bei Mehrbereichsölen, z.B. Schmierölen für Verbrennungsmotoren wichtig. Denn Sie müssen bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Fließfähigkeit und bei hohen Temperaturen eine Mindestviskosität aufweisen.
Die Abhängigkeit der Viskosität bei Druck lässt sich folgendermaßen darstellen: ηp = η0 * eαp
ηp = Viskosität bei Druck p
η0 = Viskosität bei Atmosphärendruck
p = Druck
α = Druckviskositätskoeffizient
| Öltyp | α25°C*108 [m2/N] |
η2000bar/η0 bei 25°C |
η2000bar/η0 bei 80°C |
|---|---|---|---|
| Paraffinbasische Mineralöle | 1,5-2,4 | 15-100 | 10-30 |
| Naphtenbasische Mineralöle | 2,5-3,5 | 150-800 | 40-70 |
| Polyolefine | 1,3-2,0 | 10-50 | 8-20 |
| Esteröle (Diester, verzweigt) | 1,5-2,0 | 20-50 | 12-20 |
| Polyätheröle (aliph.) | 1,1-1,7 | 9-30 | 7-13 |
| Siliconöle (aliph. Subst.) | 1,2-1,4 | 9-16 | 7-9 |
Einteilung der Schmieröle
Es gibt zwei grundlegende Einteilungen der Schmieröle. Zum einen unterscheidet man sie nach der Herstellung und zum anderen nach der kinematischen Viskosität.
Einteilung nach der Herstellung: Hier werden grundlegend Mineralöle und synthetische Öle unterschieden.
Mineralöle werden aus dem natürlich vorkommenden Erdöl gewonnen. Die genaue Zusammensetzung ergibt sich aus dem jeweiligen Förderungsgebiet. Eine typische Rohölzusammensetzung ergibt sich aus 80-85% Kohlenstoff,10-17% Wasserstoff, bis 7% Schwefel und bis 1% sonstige Elemente (O, N, V, P, Ni, Cu, Na, Ca, Fe, Al). Die gewünschten Eigenschaften werden in verschiedenen Herstellschritten eingestellt. Die Eigenschaften ergeben sich durch die chemische Struktur des Grundöls, d.h. hauptsächlich durch die vorhandenen Anteile an Paraffinen (gesättigte, kettenförmige Kohlenwasserstoffe), Naphthenen (gesättigte ringförmige Kohlenwasserstoffe) und Aromate (ungesättigte, ringförmige Kohlenwasserstoffe). Von der jeweiligen Dominanz der Kohlenwasserstoff-Bestandteile im Schmieröl unterscheidet man paraffinbasische bzw. naphtenbasische Schmieröle. Die aromatischen Grundöle haben für Schmierzwecke keine Bedeutung.
Paraffine (geradkettig, oder verzweigt)
Naphthen (ringförmig)
Aromaten (ringförmig)
Synthetische Öle werden in chemischen Prozessen für spezielle Anwendungen produziert. Dies geschieht mit speziellen Grundbausteinen, welche aus natürlichen Ölen hergestellt werden.
| Synthesebasisöl | Eigenschaften | Anwendungen | Kostenrelation zu Mineralöl |
|---|---|---|---|
| Carbonsäureester | Gute Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gutes Viskositäts-Temperatur-Verhalten, sehr geringe Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen, mischbar mit Mineralölen, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, geringe Verträglichkeit mit Lack und Dichtungsmaterialien, geringe hydrolytische Beständigkeit, mäßige Korrosionsschutzeigenschaften, begrenzte Additivlöslichkeit | Flugturbinenöle, Kompressorenöle, Motorenölkomponente, Tief- und Hochtemperaturfette |
4...10 |
| Silikonöl | Ausgezeichnetes Viskositäts-Temperatur-Verhalten, sehr gute thermische und toxische Beständigkeit, ausgezeichnetes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, geringe Verdampfungsverluste, hohe chemische Beständigkeit, gute Verträglichkeit mit Lack und Dichtungswerkstoffen, gute elektrische Eigenschaften, sehr schlechte Schmierungseigenschaften im Mischreibungsgebiet, nicht mischbar mit Mineralölen, keine Additivlöslichkeit | Wärmeübertragungsöle, Hochtemperaturhydrauliköle, Sonderschmierfette, Sonderschmierstoffe für elektrische Kontakte |
30...100 |
| Phosphorsäureester | Schwer entflammbar, gute Oxidationsbeständigkeit, gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, ausgezeichnete Verschleiß- und Frostschutzeigenschaften, hohe Strahlenbeständigkeit, nicht toxisch, schnell biologisch abbaubar, nicht mischbar mit Mineralölen, schlechtes Viskositäts-Temperatur-Verhalten, begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungsmaterialien, mäßiges Korrosionsschutzverhalten | schwer entflammbare Hydrauliköle | 4...8 |
| Silikatester | Ausgezeichnetes Viskositäts-Temperatur-Verhalten, sehr gutes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen, sehr gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Beständigkeit, geringe hydrolytische Beständigkeit, nicht mischbar mit Mineralölen, begrenzte biologische Abbaubarkeit. | Hydrauliköle, Wärmeübertragungsöle |
20...30 |
Die wesentlichen Vor- und Nachteile synthetischer Öle gegenüber den Mineralölen sind:
| Vorteile | Nachteile | |
|---|---|---|
| synthetische Öle gegenüber Mineralölen | größerer Temperatureinsatzbereich, bessere Alterungsbeständigkeit (3-5 mal längere Lebensdauer, höherer Flammpunkt (z.B. wichtig bei Gasturbinen und Kompressoren), Möglichkeit der Einstellung der Reibungszahl (0,7-2x Mineralöl-Reibungszahl) | stärkere hygroskopische Wirkung (ziehen Wasser an), ungünstigeres hydrolytisches Verhalten (Zersetzung bei Wasserzusatz), die Gefahr chemischer Reaktionen mit Dichtungen, Buntmetallen und Lacken bzw. von Korrosion, nur eingeschränkte oder keine Mischbarkeit mit Mineralölen, stärkeres toxisches Verhalten, häufig deutlich teurer. |
Beim Einsatz von synthetischen Ölen ist zu beachten, dass die vorteilhaften Eigenschaften teilweise nur bei bestimmten Betriebsbedingungen voll wirksam werden und nur dann die höheren Kosten vertretbar sind.
Eine weitere Gruppe der natürlichen Öle sind die Pflanzenöle. Es werden vor allem Sojaöl, Palmöl, Rapsöl, und Sonnenblumenöl als Grundöle für Schmierzwecke eingesetzt.
Einteilung nach der kinematischen Viskosität:
Die Viskosität eines Schmieröls hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schmierfilmdicke im Kontakt und den damit verbundenen Reibungszustand. Deshalb werden Schmieröle z.B. für Anwendungen in der Industrie nach DIN 51511 in ISO-Viskositätsklassen(ISO-VG) eingeteilt. Die Schmieröle, welche zur Schmierung von Kraftfahrzeugmotoren (DIN51511) und Kraftfahrzeuggetrieben (DIN 51512) eingesetzt werden, sind in SAE-Klassen eingeteilt. (SAE: Society of Automotive Engineers)
Einteilung nach dem Anwendungsgebiet:
Diese Einteilung geht über die grundlegende Einteilung hinaus. Die nötigen Schmieröleigenschaften werden häufig durch die Einsatzbedingungen bestimmt. Daher gibt es Klassifikationen für Schmieröle entsprechend den Anforderungen. Danach unterscheidet man:
- Maschinenschmieröle
- Zylinderöle
- Turbinenöle
- Motorenöle
- Getriebeöle
- Kompressorenöle
- Umlauföle
- Hydrauliköle
- Isolieröle
- Wärmeträgeröle
- Prozessöle
- Metallbearbeitungsöle/Kühlschmierstoffe
- Korrosionsschutzmittel
- Textil- und Textilmaschinenöle
| Klassifikation | Betriebsbedingungen | Additive | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| GL-1 | leicht | keine | Getriebe mit geringen Belastungen un Umfangsgeschwindigkeiten, Kegelräder (spiralverzahnt), Schneckengetriebe |
| GL-2 | leicht-mittel | Verschleißschutz-Wirkstoffe (2,7 Gew.%) |
etwas höhere Beanspruchungen als bei GL-1; Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe |
| GL-3 | mittel | leichte EP-Zusätze (4 Gew.%) |
schwere Belastungs- und Geschwindigkeitsverhältnisse; Kegelräder (spiralverzahnt), Stirnradgetriebe |
| GL-4 | mittel-schwer | normale EP-Zusätze (6,5 Gew.%) |
hohe Geschwindigkeiten oder hohe Drehmomente; Hypoidgetriebe, Handschaltgetriebe |
| GL-5 | schwer | wirksame EP-Zusätze (10 Gew.%) |
hohe Geschwindigkeiten oder hohe Drehmomente bei zusätzlicher Stoßbelastung; Hypoidgetriebe mit großem Achsversatz, Handschaltgetriebe |
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Schmierfette
Schmierfette setzen sich aus den drei Anteilen Grundöl, Eindicker und Additiven zusammen.
Im Betrieb wird unter Belastung das im Eindicker gebundene Öl abgeschieden und somit die Schmierstelle versorgt. Nach Entlastung der Kontaktstelle wird das Öl wieder im Eindicker gebunden. Das Grundöl hat einen Anteil von 75-96% und besteht häufig aus Mineralöl, es werden aber auch synthetische Öle und für begrenzte Anwendungen pflanzliche Öle eingesetzt.
Der Eindicker hat einen Anteil von 4-20% und besteht meist aus Seifen (Metallsalze von Fettsäuren, Reaktionsprodukt von Fettsäuren und Laugen). Man unterscheidet:
- Normalseifen: (eine Lauge, eine Fettsäure)
- Gemischtseifen: (zwei Laugen, eine Fettsäure)
- Komplexseifen: (eine Lauge, zwei Fettsäuren)
- weiterhin werden auch Nichtseifen (z.B. Betonit, Polyharnstoff) als Eindicker verwendet.
Die Art und Konzentration der drei Grundkomponenten bestimmen die Eigenschaften des Schmierfetts.
- hoher Grundölanteil (90-96%)
das Fett ist weich
- hoher Eindickeranteil (15-20%)das Fett ist hart
Eine weitere wichtige Kenngröße ist der so genannte "Tropfpunkt". Es handelt sich hierbei um die Temperatur, bei der ein Schmierfett flüssig wird und abtropft. Die Betriebstemperatur muss im Allgemeinen höher sein als der Tropfpunkt. Schmierfette und ihre Eigenschaften findet ihr im Roloff/Matek TB 4-3.
Die Einteilung erfolgt im Regelfall nach der Konsistenz. Weitere Klassifikationen:
- nach Art des Eindickers
- den zu schmierenden Maschinenelementen
- der Anwendung
- den Einsatzbereichen
- dem Grundöl
- der ökologischen Verträglichkeit, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, besonders bei der Verlustschmierung.
Die Vorteile von Schmierfetten: geringe Mengen reichen aus, eine aufwendige Abdichtung entfällt.
Die Nachteile von Schmierfetten: schlechte bzw. gar keine Abführung von Wärme und Verschleißpartikeln aus dem Kontakt.
| NLGI-Klasse (DIN 51818) | Walkpenetration1) in 0,1 mm | Konsistenz | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| 000 | 445...475 | fließend | Getriebefette, Zentralschmieranlagen |
| 00 | 400...430 | schwach fließend | Getriebefette, Zentralschmieranlagen |
| 0 | 355...385 | halbflüssig | Getriebefette, Wälzlagerfette, Zentralschmieranlagen |
| 1 | 310...340 | sehr weich | Wälzlagerfette |
| 2 | 265...295 | weich | Wälzlagerfette, Gleitlagerfette |
| 3 | 220...250 | mittelfest | Wälzlagerfette, Gleitlagerfette, Wasserpumpenfette |
| 4 | 175...205 | fest | Wälzlagerfette, Wasserpumpenfette |
| 5 | 130...160 | sehr fest | Wasserpumpenfette, Blockfette |
| 6 | 85...115 | hart | Blockfette |
Sonstige Schmierstoffe
Andere Arten von Schmierstoffen sind:
Festschmierstoffe
Sie liegen in Pulverform vor und werden durch Aufreiben an die Reibstellen gebracht. Zu den wichtigsten Festschmierstoffen zählen:
| Vorteile | Betriebstemperatur | |
|---|---|---|
| Molybdänsulfid (MoS2) | chemisch stabil, geringe Reibung, sehr gut im Vakuum schmierwirksam, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr hohe Festigkeit der Oberfläche | ca. 300° |
| Graphit | chemisch sehr stabil, unempfindlich gegen radioaktive Strahlung, sehr gute Reibungseigenschaften bei zusätzlicher Feuchtigkeit | ca. 600° |
| Polytetrafluorethylen (PTFE) | chemisch sehr stabil, gut im Vakuum schmierwirksam | ca. 260° |
Festschmierstoffe kommen Einsatz wenn ein sehr großer Temperatureinsatzbereich und die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien (z.B. Säuren) gefordert wird. Positiv zu erwähnen ist, dass eine evtl. notwendige Abdichtung entfällt. Es gibt im Vakuum meist keine Alternativen zu Festschmierstoffen.
Die Nachteile liegen im kontinuierlichen Abrieb der Schmierstoffschicht (nachschmieren im Allgemeinen nicht möglich oder sehr aufwendig), im höheren Reibungsverlust gegenüber Flüssigschmierstoffen und im teilweise problematischen Korrosionsschutz (z.B. bei MoS2).
Schmierpasten
Schmierpasten bestehen aus einem Grundöl und einem Festschmierstoff (20%-70%). Sie kommen dann zu Einsatz, wenn das Auftragen von Pulver zu schwierig ist. Durch Ausfüllen der Rauheitsfelder erfolgt eine Oberflächenverbesserung. Selbst ein Einsatz bei höheren Temperaturen ist möglich, da dann nur noch der Festschmierstoff wirkt. Es werden jedoch keine Wärme bzw. Verschleiß- und Schmutzpartikel abgeführt. Das Einsatzgebiet der Schmierpasten erstreckt sich auf hochbelastete Gleit- und Wälzlager, Zahnräder, Achsen, Kugelgelenke und feinmechanische Geräte (Lebensdauerschmierung).
Gleitlacke
Bei Gleitlacken handelt es sich um Schichten (<20μm) auf Basis von Kunstharz bzw. Lack, welche statt Farbpigmenten Festschmierstoff-Partikel enthalten.
Schmierwachse
Schmierwachse werden zu Erleichterung der Bauteilmontage, beispielsweise bei Dichtungen eingesetzt.
Schmierungsarten
Bei der Auswahl des Schmierstoffs ist darauf zu achten, welche Art der Schmierstoffzuführung vorliegt. Wenn eine Einzelschmierstelle versorgt wird, kann die Auswahl des Schmierstoffs ausschließlich nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen erfolgen. Soll allerdings eine Baugruppe (z.B. ein Getriebe mit Wälzlager- und unterschiedlichen Zahnradkontakten) geschmiert werden, muss der Schmierstoff für die teilweise sehr unterschiedlichen Reibungsverhältnisse der Einzelkontaktstellen geeignet sein. Wird eine zentrale Schmierstoffversorgung eingesetzt, müssen die konstruktiven Ausführungen der einzelnen Anlagen/Baugruppen darauf abgestimmt werden. Eine Einzelschmierstelle kann manuell, halbautomatisch und automatisch mit Schmierstoff versorgt werden.
manuelle Schmierstoffversorgung: Sie erfolgt mittels Fettpresse, Ölkanne bzw. speziellen Schmierstoffgebern (z.B. Schmiernippeln). Problematisch ist das Einhalten vorgegebener Schmierstoffintervalle und der richtigen Dosierung des Schmierstoffs.
halbautomatische Schmierstoffversorgung: Hierbei werden voreingestellte Vorrichtungen verwendet, welche den entsprechenden Schmierstoffbedarf abgeben. Sie können über mehrere Monate hinweg ohne Nachstellung betrieben werden.
automatische Schmierstoffversorgung: Bei dieser Methode wird die Schmierstoffversorgung an den Betrieb einer Anlage gebunden. Der Mitarbeiter muss keine Einstellvorgänge mehr durchführen. Somit ist eine kontinuierliche Schmierung gewährleistet. Bespiele hierfür sind z.B. die Ringschmierung, Tauchschmierung, oder die Einspritzschmierung.
Bei der Versorgung einer großen Anzahl von Schmierstellen ist eine wirtschaftliche Lösung nur durch Zentralschmieranlagen zu erreichen. Darunter fallen:
Einleitungsanlagen: Hierbei wird über eine so genannte "Speiseleitung" der Schmierstoff gedrückt und dann werden über abzweigende "Stichleitungen" und "Zuteilelemente" die Einzelschmierstellen versorgt. Es werden die entsprechenden Zeitintervalle für Schmierphase und Schmierpause vorher festgelegt.
Zweileitungsanlagen: Hier werden über ein Umsteuergerät wechselseitig zwei Speiseleitungen mit Schmierstoff versorgt.
Mehrleitungsanlagen: In diesen Anlagen ist jede Schmierstelle über eine eigene Leitung unmittelbar mit der Pumpe verbunden.
Progressivanlagen: Der Schmierstoff wird zu Progressivverteilern gepumpt und von dort aus werden über Verteilereinrichtungen die Schmierstellen versorgt.
| Schmiersystem | Schmierstoff | Anzahl der Schmierstellen (maximal) |
Längste Schmierstoffleitung [m] | Dosierung je Schmierstelle |
|---|---|---|---|---|
| Einleitungssystem | Öl | 500 | 50 | 0,1...15 ml/Takt |
| Zweileitungssystem | Öl bzw. Fett | 5000 | 200 | 0,02...15 ml/Takt |
| Mehrleitungssystem | Öl bzw. Fett | 30 | 50 | 0,18...400 ml/h |
| Progressivsystem | Öl bzw. Fett | 100 | 50 | 0,01...500 ml/h |
| Ölnebelsystem | Öl | 2500 | 200 | 0,2 ml/h |
| Öl-Luft-System | Öl | 5000 | 200 | > 0,05 ml/h |
Man unterscheidet unabhängig von der Art der Zentralschmieranlage die Umlauf- und Verbrauchsschmierung (Verlustschmierung). Bei der Verbrauchsschmierung ist der Schmierstoff nach dem Einsatz verloren und wird nicht wieder zurückgeführt. Sie wird nur bei einem geringen Schmierstoffbedarf (Mangelschmierung) angewendetes ist zudem im Allgemeinen eine Aufbereitung des Schmieröls notwendig (Erzeugung eines Ölnebels bzw. Öl-Luft Gemischs). Bei der Umlaufschmierung wird der Schmierstoff nach dem Einsatz an der Schmierstelle wieder in einen Zentralbehälter zurückgeführt.
Übungsaufgaben
Hier findet Ihr einiges zum Üben:
1. Aufgabe zur Hertzschen Pressung
2. Aufgabe zur Hertzschen Pressung
Fragen
1. Was bedeutet „Tribologie“?
2. Nenne 3 Gebiete, mit denen sich die Tribologie hauptsächlich befasst.
3. Nenne 4 Anwendungsbereiche der Tribologie.
4. Nenne 3 Arten der Schmierdruckerzeugung.
5. Vergleiche synthetische / mineralische Öle. Welche Vor- und Nachteile spielen bei der Auswahl eine Rolle?
Lösungen
Lösung: 1. Aufgabe (Hertzsche Pressung)
Lösung: 2. Aufgabe (Hertzsche Pressung)
Lösungen Teil 1 zu den Aufgaben der Reibung.
Lösungen Teil 2 zu den Aufgaben der Reibung.
Die Präsentation
Hier könnt ihr euch meine Präsentation als PDF anschauen und das auch noch for free!!!
TribologieChat
Fragen, Klärungsbedarf?
Im Chatroom Tribologie könnt ihr Fragen stellen und nach Herzenslust diskutieren.
Quellen
Folgende Medien haben mich tatkräftig bei meinen recherchen unterstützt.
1. Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, €21,50.
2. Roloff/Matek: Maschinenelemente-Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X, €36,90.
3. Roloff/Matek: Maschinenelemente-Formelsammlung, Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, €20,90.
4. Kraft- und Schmierstoffe, 18. Auflage. Sonderdruck für Aral AG Bochum.
5. Internet: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Hertzsche_Pressung
5. Internet: ETH Zürich http://www.ethz.ch/
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