Das kleine ABC der Schmierstoffe, Zusatzstoffe, bezogen auf die Laufgarantie
von Getrieben, Motoren und Achsgetriebe
Wirkungsgrad und Verlustleistung
Für die Bestimmung von mechanischen Kennwerten unter außergewöhnlichen Umgebungs-bedingungen (z.B. hohen Temperaturen, aggressiven Medien) gibt es nur wenige Prüfvorschriften. Eine Modifikation von standardisierten Prüfverfahren wird dann notwendig, wenn die vorgeschriebene Probengeometrie aufgrund von geringer Bauteilgröße, hohen Materialkosten oder einer unzureichenden Abbildung des Belastungsfalls nicht realisierbar ist. Für die Entwicklung keramischer Hochleistungskomponenten, die sehr häufig unter hohen mechanischen, thermischen, korrosiven und tribologischen Belastungen eingesetzt werden, sind Prüfmethoden gefragt, mit denen anwendungsnahe Probengeometrien, Belastungen und Umgebungen realisiert werden können. Zur Qualifizierung der Einsatzgrenzen und der Beschreibung der Schädigungs-mechanismen können komplette Bauteile geprüft werden.
Kennwertbestimmungen unter Einsatzbedingungen liefern wichtige Informationen für die Auslegung und Bewertung von keramischen Komponenten hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebens-dauer. Durch die Koppelung von experimentellen Methoden mit numerischer Simulation wird eine maximale Aussagekraft erreicht, da den experimentell ermittelten Werkstoffeigenschaften die zu erwartenden Einsatzbelastungen direkt gegenüber-gestellt werden können.
Die werkstoff- und kundenspezifische Prüfung keramischer Werkstoffe ermöglicht
- die Ermittlung der Leistungsgrenzen von Keramiken
- die Erkennung fehlerhafter Bauteile mit Proof-Tests
- die Nachstellung von im Einsatzfall auftretenden komplexen Belastungsszenarien
- die Qualifizierung von Bauteilen für neue Anwendungen
Typische Einsatzgebiete
- Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle
- Entwicklung neuer Werkstoffe und neuer Produkte
- Auslegung von Bauteilen
- Schadensanalyse
Keramiken eignen sich besonders gut für tribologisch beanspruchte Bauteile. Zur Bewertung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften stehen zahlreiche Prüfungsverfahren zur Verfügung. Der Kugeldrucktest ermittelt den Reibungskoeffizient und den Verschleiß-koeffizient.
Wirkungsgrad und Verluste
Als Wirkungsgrad wird das Verhältnis von abgegebener zur zugeführten Leistung bezeichnet. Üblicherweise wird dafür das Zeichen h verwendet. Die Differenz aus zugeführter und abgegebener Leistung PAn und PAb ist die Gesamtverlustleistung, die mit PV bezeichnet wird.
Wirkungsgrad = Pan / Pab = h Gesamtverlustleistung Pv = Pan - Pab
Verluste entstehen in einem Getriebe, Motor oder Achsgetriebe an unterschiedlichen Stellen. Sie sind entweder durch Reibung oder durch Planschverluste im Schmierstoff verursacht, die einen Teil der Leistung in Wärme umwandeln und somit die Temperatur des Getriebes erhöhen. Beschrieben werden die jeweiligen Verlustanteile als lastabhängige und lastunabhängige Verluste.
Schmierstoff
Der Schmierstoff eines Getriebes, Motors oder Achsgetriebe reduziert die Reibung und den Verschleiß und schützt die Getriebeelemente vor Korrosion. Darüber hinaus führt er die durch die Verlustleistung entstehende Wärme an das Gehäuse und damit an die Umgebung ab. Als Schmierstoff werden in Achsgetrieben über wiegend Öle auf der Basis synthetischer Grundöle verwendet Die ohnehin gute Alterungsstabilität der Syntheseöle gegen über Mineralölen wird zusätzlich durch geringere Reibung im Kontakt unterstützt. Dies führt wiederum zu niedrigeren Öltemperaturen und damit auch zu geringerer thermischer Beanspruchung.
Ein einfacher Zusammenhang zwischen der Öltemperatur und dem Getriebewirkungsgrad besteht indes nicht. So führt einerseits eine höhere Öltemperatur zu einer geringeren Viskosität und damit zu geringeren Leerlauf verlusten. Die Grenze der Viskosität ist andererseits durch den Schutz der Verzahnung vor den Schadensformen Verschleiß, Fressen Grauflecken und Grübchen gegeben. So sollte aus Gründen der Sicherheit vor Verzahnungsschäden die Viskosität umso höher sein, je größer die Belastung und je niedriger die Umfangs geschwindigkeit ist. Eine höhere Viskosität führt jedoch zu höheren Leerlaufverlusten. Zwar werden die beiden kämmenden Zahnflanken durch den Schmierstoff getrennt dennoch muss das überschüssige Öl verdrängt werden. Je höher die Viskosität ist, umso mehr Arbeit ist bei gleichem Verdrängungsvolumen erforderlich. Deshalb muss hier immer ein Kompromiss gefunden wer den, um je nach Belastungs- und Geschwindigkeitsprofil eine optimale Schmierfilmbildung bei minimalen Leerlauf-verlusten zu erreichen. Eine zur Schadensvermeidung zu geringe Viskosität lässt sich durch Zusatz-stoffe wie Keramik EASY-FLON im Öl ausgleichen welche tribologische Schutzschichten auf den Zahnflanken aufbauen. Für geringe Drehzahlen und hohe Lasten empfiehlt sich der Einsatz eines hochviskosen Schmierstoffes, da der dicke Ölfilm bereits bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten zur Ausbildung eines hydrodynamischen Kontakts führt, der dann auch für eine geringe Reibung sorgt.
Neben dem Schmierstoff beeinflusst die Art der Schmierung den Wirkungsgrad entscheidend. Bei der meist angewandten Tauchschmierung läuft das Tellerrad im Ölsumpf. Je nach Eintauchtiefe die bei still stehender Verzahnung gemessen wird verändert sich die Leerlaufverlustleistung wegen der Planschverluste. In der Praxis liegt die Eintauchtiefe ungefähr bei anderthalbfacher Zahnbreite. Je nach Größe des Getriebe-gehäuses und maximaler Drehzahl kann die zu wählende Eintauchtiefe variieren Eine große Eintauchtiefe führt zu einem besseren Wärmeübergang von den Zahnflanken zum Öl. Gleichzeitig erhöht sich die drehzahlabhängige Leerlaufverlustleistung durch das Planschen im Schmierstoff. Eine zu geringe Eintauchtiefe führt zum Überhitzen der Zahnflanken und somit zu Fressschäden, da die kühlende Wirkung des Schmierstoffes zu gering ausfällt
Die Möglichkeiten, über das Schmiermittel den Wirkungsgrad zu verbessern, werden immer geringer. Synthetische Öle mit entsprechenden Zusatzstoffen wie Keramik EASY-FLON erlauben eine niedrige Viskosität bei hoher Fresssicherheit. Somit lassen sich die Leerlaufverluste des Schmierstoffes klein halten, ohne die Funktion des Getriebes zu gefährden.
