Rotationsviskosimeter / Rotationsrheometer RHEOTEST® RN - Anwendung Schmierstoffe



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Aufgabenstellung im Forschungs- und Entwicklungsbereich

Die Fließeigenschaften bestimmen allein oder beeinflussen wesentlich die beiden wichtigsten Funktionen von Schmierstoffen:

Reibung vermindern
Verschleiß minimieren

Andere Schmierstofffunktionen sind:

Abdichten von Räumen (z.B. Explosionsraum von Verbrennungsmotoren)
hydrodynamische Übertragung von Kräften
Fließen zur Schmierstelle und zurück
Kühlung der Schmierstelle
Schutz von Lagern vor Verunreinigungen und Nässe

Aufgabenstellung im Qualitätskontrollbereich

Die Qualitätskontrolle dient primär zur reproduzierbaren und messtechnisch korrekten Kontrolle und Erfassung der Fliesseigenschaften. Die mit dem Rheometer ermittelten rheologischen Kennwerte müssen eine gute Vergleichbarkeit innerhalb der Produktpalette des Herstellers gewährleisten und auch gegenüber Lieferanten und Endabnehmern messtechnisch nachweisbar sein.
Reproduzierbare und real vergleichbare Messergebnisse bedingen den Einsatz genormter Messverfahren, die auch die thermische und mechanische Vorbehandlung des Messgutes berücksichtigen. Zur Auswertung sollten anerkannte Auswertealgorithmen verwendet werden.

Schmieröle ohne Zusatz von Additiven sind Newtonsche Fluide. Die dynamische Viskosität ist eine Stoffkonstante. Es muß nur die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit ermittelt werden.

Schmieröle mit polymeren Additiven haben nicht-Newtonsches Fließverhalten. Das heißt, die dynamische Viskosität ist in Abhängigkeit von Schergefälle und Temperatur zu bestimmen. Manchmal wird auch nur das Viskositäts-Temperatur-Verhalten des Messgutes bei konstantem Schergefälle überprüft.

Schmieröle mit suspendierten Feststoffen - vor allem Schmierfette und Pasten - haben eine Fließgrenze:
Messverfahren

Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Schergeschwindigkeitsabhängigkeit der Viskosität
Schergeschwindigkeitsgesteuerte Versuche (Controlled Rate Tests - CR-Tests)
Messverfahren zur Bestimmung der Scherstabilität
Schergeschwindigkeitsgesteuerte Versuche (Controlled Rate Tests - CR-Tests)
Messverfahren zur Bestimmung der Fließgrenze
Schubspannungsgesteuerte Versuche (Controlled Stress Tests - CS-Tests)
Messverfahren zur Untersuchung des schergeschwindigkeits- und zeitabhängigen Fließverhaltens
Schergeschwindigkeitsgesteuerte Versuche (Controlled Rate Tests - CR-Tests)

Bestimmung der Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit


Bild 1: Viskositäts-Temperaturabhängigkeit von Motorenölen


Bemerkungen


Für die Anwendbarkeit eines Schmieröls sind die für die Praxis relevanten Extremfälle zu untersuchen:

die maximale Viskosität bei der niedrigsten Temperatur

die minimale Viskosität bei der höchsten Temperatur

Zur Beurteilung des Viskositäts-Temperatur-Verhaltens werden absolute Größen verwendet, die die Steilheit des Viskositätsabfalls mit ansteigender Temperatur kennzeichnen oder relative Kennzahlen, die die Temperaturabhängigkeit des betreffenden Schmieröles mit der Temperaturabhängigkeit von Bezugsölen vergleichen.

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Bestimmung der Viskositäts-Schergeschwindigkeits-Abhängigkeit


Bild 2: Dynamische Viskosität von Schmierfetten nach GOST 1929-87
- Methode A -

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Bestimmung des relativen, irreversiblen Viskositätsverlustes


Bild 3: Abhängigkeit der Viskosität von der Belastung (Zyklenzahl)

Schmierstoffe sind in der Praxis häufig sehr großen Scherkräften ausgesetzt. Diese führen bei Schmierstoffen mit Additiven zu einem irreversiblen Viskositätsverlust. Der Viskositätsverlust wird bestimmt, indem der Viskositätswert des unbelasteten Schmierstoffes mit den Viskositätswerten nach verschiedenen Belastungen verglichen wird.

Bemerkungen


Die Belastung des Schmierstoffes kann mit verschiedenen Hilfsmitteln im Labor simuliert werden. Unter Anwendungsbedingungen ist vor allem der Viskositätsverlust im Bereich der maximalen Betriebstemperatur und nach langer Belastungsdauer entscheidend.

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Messung der Fließgrenze in Abhängigkeit von Temperatur und vorheriger Belastung


Bild 4: Fließkurve: Schubspannung als Funktion des Schergefälles

Schmierfette sind disperse Schmierstoffsysteme. Die dispergierten Anteile können ein zusammenhängendes Gerüst ausbilden. Wird dieses Gerüst bei einer geringen Schubspannung nur elastisch verformt, hat es eine Fließgrenze. Die Fließgrenze muß in Abhängigkeit von der Temperatur und der vorherigen mechanischen Belastung gemessen werden. Das Messen von Fließgrenzen kann nur mit Rheometern erfolgen, die eine schubspannungsgesteuerte Versuchsdurchführung (CS-Tests) erlauben.

Bemerkungen

Eine Fließgrenze und eine hohe scheinbare Viskosität bei geringen Schubspannungen sind charakteristische Fließeigenschaften für Schmierfette. Dadurch wird das Wegfließen des Fettes von der Schmierstelle verhindert.


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Bestimmung von Strukturabbau bzw. Strukturaufbau und Untersuchung der schergeschwindigkeits- und zeitabhängigen Fließeigenschaften (Thixotropie)
Bestimmung des Einflusses der dispersen Phase des Schmierfettes auf die Zeitabhängigkeit von Viskositätsabbau und Viskositätsaufbau sowie auf die Gleichgewichtsviskosität in Abhängigkeit vom Schergefälle, der Temperatur und der vorherigen mechanischen Belastung.



Bild 5: Abhängigkeit der Viskosität von der Zeit bei verschiedenen Schergeschwindigkeiten



Bild 6: CR-Rampe auf- und abwärts (Hysteresekurve)


Bemerkungen

Das thixotrope Verhalten von Schmierfetten ist ein entscheidendes Anwendungs- und Qualitätskriterium. Im Schmierspalt fettgeschmierter Lager wird sehr schnell der Endwert der scheinbaren Viskosität erreicht. Diese schergefälleabhängige Restviskosität ist eine Kenngröße für den hydrodynamische Schmierzustand und erlaubt eine Aussage, wie lange dieser noch funktionsgerecht gewährleistet werden kann.


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