Logo PTB

Viskosimetrische Daten umweltverträglicher Schmierstoffe

31.12.2004

Im Rahmen des BMWA-Forschungsvorhabens 14/02 "Neue Schmierkonzepte für umweltgerechte Antriebe", an dem die PTB unter Federführung der BAM beteiligt ist, werden umweltverträgliche Schmierstoffe entwickelt. Wichtige Stoffeigenschaften sind dabei die Viskosität, die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 150 °C. Die Untersuchung der Viskosität unter erhöhtem Druck ist dabei von besonderer Bedeutung, da der Viskositätsanstieg Aussagen über die Schmiereigenschaften zulässt und zu erwarten ist, dass dieser Viskositätsanstieg bei umweltgerechten Schmierstoffen geringer ausfällt.

Zur Messung der Viskosität unter Druck wurde in der PTB ein Kugelfallviskosimeter für Drücke bis 100 MPa aufgebaut, das in Fig. 1 dargestellt ist. Das Viskosimeter wird mit 10° Neigung zur Vertikalen betrieben, damit die Kugel an der Wand des Fallrohrs abrollt [1]. Zum Rücklauf der Kugel wird es um nahezu 180° geschwenkt. Das Fallrohr sowie der umgebende Druckbehälter bestehen aus unmagnetischem Stahl, so dass die Bewegung der Kugel aus magnetischem Stahl mit Hilfe von zwei Doppelspulen erfasst werden kann.


Fig. 1: Schematische Darstellung des Kugelfallviskosimeters für Drücke bis 100 MPa

Die Arbeitsgleichung lautet

wobei h die dynamische Viskosität, rKugel, rÖl die Dichte der Kugel bzw. des zu untersuchenden Öls, t die Laufzeit der Kugel zwischen den Doppelspulen und k die "Kugelkonstante" ist, die ebenso wie die anderen genannten Größen von der Temperatur J und dem Druck p abhängen.

Bei der Aufstellung der Unsicherheitsbilanz für die Bestimmung der dynamischen Viskosität muss auch die Stabilität des untersuchten Öls mit berücksichtigt werden, da eine Temperaturerhöhung auf 150 °C sowie die Druckbelastung in vielen Fällen geringe irreversible Viskositätsänderungen bewirken. Die Gesamtunsicherheit (k = 2) lag bei allen Viskositätsmessungen unter 5 %.

Die Druckabhängigkeit der Viskosität bezogen auf den Anfangsdruck p0 bei konstanter Temperatur wird üblicherweise durch die Barus-Gleichung


beschrieben, wobei Abweichungen durch die Einführung eines druckabhängigen Koeffizienten a(p)


berücksichtigt werden. Die Druckkoeffizienten sind außerdem von der Temperatur abhängig. Hohe a-Werte sind technisch vorteilhaft, weil durch den Viskositätsanstieg das Entweichen des Schmierstoffes aus kurzzeitig belasteten Kontaktstellen (z.B. zwischen Nocken und Stößel) vermieden wird.

Untersucht wurden bisher zwei konventionelle (wassergefährdende) und fünfzehn umweltfreundliche Schmierstoffe auf Ester- bzw. Polyglycolbasis. Als Beispiel ist in Fig. 2 die Druckabhängigkeit der Koeffizienten a(p) bei 150 °C für einige Öle dargestellt.


Fig. 2: Der Viskositäts-Druck-Koeffizient als Funktion des Drucks bei 150 °C für zwei herkömmliche Schmierstoffe (H1, H2) und acht alternative Schmierstoffe (A1 bis A8)

Die herkömmlichen Schmieröle erreichen die höchsten a-Werte. Die niedrigeren a-Werte der alternativen Schmierstoffe haben zwar eine geringere Schmierfilmhöhe zur Folge. Berechnungen zeigen jedoch, dass diese nachteilige Veränderung der Schmiereigenschaften nur für die Schmierstoffe A3 und A7 erheblich ist. Hier handelt es sich um Grundöle, bei denen durch Zugabe von geeigneten Additiven Verbesserungen zu erwarten sind.

Die Messung von viskosimetrischen und anderen Stoffdaten hat sich als wichtig erwiesen, um die technischen Vor-und Nachteile verschiedener Schmierstoffe frühzeitig zu erkennen. Nur so können die ökologischen Vorteile alternativer Schmierstoffe zur Geltung kommen.