Veranstaltungen 2 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 Veranstaltungen Datum Ort Veranstaltung AC 2 T GfT ÖTG TAE * Anschriften der Veranstalter Austrian Center of Competence for Tribology Viktor-Kaplan-Str. 2, 2700 Wiener Neustadt / ÖSTERREICH, Tel. (+43 26 22) 8 16 00-10, Fax (+43 26 22) 8 16 00-99; E-Mail: office@ac2t.at; www.ac2t.at Gesellschaft für Tribologie e.V. Adolf-Fischer-Str. 34, 52428 Jülich Tel. (0)2461 340 79 38, Fax (0)3222 427 10 51 E-Mail: tribologie@gft-ev.de; www.gft-ev.de Österreichische Tribologische Gesellschaft / Austrian Tribology Society Viktor-Kaplan-Straße 2, 2700 Wiener Neustadt / ÖSTERREICH Tel. (+43) 67 68 45 16 23 00, Fax (+43) 253 30 33 91 00 E-Mail: office@oetg.at; www.oetg.at Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum, In den Anlagen 5, 73760 Ostfildern, Tel. (07 11) 3 40 08-0, Fax (07 11) 3 40 08-27, -43; E-Mail: anmeldung@tae.de; www.tae.de ► 9.05. - 10.05.19 Wiener Neustadt 3 RD YOUNG TRIBOLOGICAL RESEARCHER SYMPOSIUM www.junge-tribologen.de ► 13.05. - 17.05.19 Berlin Sachkunde-Lehrgang gemäß Chemikalien-Verbotsverordnung inkl. Biozidprodukte https: / / www.uniti.de/ veranstaltungen/ lehrgang ► 15.05. - 17.05.19 Kragujevac, Serbia SERBIATRIB 19 - 16 th International Conference on Tribology http: / / www.serbiatrib.fink.rs/ ► 16.05. - 17.05.19 Karlsruhe Tribologie (DGM-Fortbildung) https: / / www.dgm.de/ index.php? id=1480 ► 19.05. - 23.05.19 Nashville, Tennessee, USA STLE 74 th Annual Meeting & Exhibition https: / / www.stle.org/ annualmeeting ► 23.05. - 28.05.19 Singapore ICMAT: 10 th International Conference on Materials for Advanced Technologies https: / / icmat2019.mrs.org.sg/ ► 08.06. - 11.06.19 Las Vegas NV USA 86 th Annual Meeting NLGI https: / / www.nlgi.org/ annual-meeting/ ► 12.06. - 14.06.19 Wien ECOTRIB 2019 (European Conference on Tribology) http: / / ecotrib2019.oetg.at/ ► 25.06. - 29.06.19 Stuttgart-Ostfildern 12 th International Colloquium Fuels TAE* ► 26.06. - 28.06.19 Kaiserslautern Verbundwerkstoffe. 22. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde https: / / verbund2019.dgm.de ► 31.07.19 Melaka, Malaysia The 6 th Mechanical Engineering Research Day (MERD’19) https: / / merd19.utem.edu.my ► 02.09. - 04.09.19 Lyon, FR 46 th Leeds-Lyon Symposium on Tribology https: / / leeds-lyon2019.sciencesconf.org/ ► 12.09. - 14.09.19 Hakodate, 8 th International Forum in Tribochemistry Hokkaido, Japan http: / / www.tribology.jp/ Tribochemistry_Hakodate_2019/ ► 17.09. - 21.09.19 Sendai, International Tribolgy Conference Sendai 2019 Miyagi, Japan http: / / www2.convention.co.jp/ itc2019/ ► 18.09. - 20.09.19 Dresden 53. Metallographie-Tagung im Rahmen der WerkstoffWoche Dresden https: / / met2019.dgm.de/ home/ ► 18.09. - 20.09.19 München 18 th Space Mechanisms and Tribology Symposium ESMATS 2019 http: / / www.esmats.eu/ munich/ ► 19.09. - 21.09.19 Cluj-Napoca, Romania ROTRIB’19 http: / / minas.utcluj.ro/ rotrib2019.html ► 23.09. - 25.09.19 Göttingen, DE 60. Tribologie-Fachtagung GfT* ► 21.11.19 Dornbirn, AT ÖTG Jahressymposium 2019 ÖTG* T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 2 Inhalt 3 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 1 Editorial Das Bauhaus der Tribologie 5 Herbert Vojacek, Maximilian Simon Reibungszahlen von perfluorierten Polyalkylenethern PFPAE unter EHD-Bedingungen 14 Christian Katsich, Ulrike Cihak-Bayr, Stefan Hönig, Stefan J. Eder From test rig to down-hole pump: Ranking material pairings for ball valves according to their impact wear resistance 19 Florian Ausserer, Igor Velkavrh, Stefan Klien, Joel Voyer, Georg Vorlaufer, Alexander Abbrederis Modelling and simulation of a paper forming tool - Optimization of the flanging process 24 Joichi Sugimura Overview of tribology researches for high-pressure hydrogen systems 33 Jens Beck In Zeiten von Industrie 4.0 erst recht: Gute Schmierung will gelernt sein 37 Emmanuel P. Georgiou, Dirk Drees, Michel De Bilde, Michael Anderson Quantitative approach to measuring the adhesion and tackiness of industrial greases Aus Wissenschaft und Forschung 2 Veranstaltungen 44 Fachinformationen 45 Nachrichten Mitteilungen der GfT Mitteilungen der ÖTG 50 Patentumschau 53 Schadensanalyse / Schadenskatalog Wälzlager - Kugellager 55 Handbuch der T+S Zahnradpaarungen 57 Normen Hinweise für Autoren / Checkliste (siehe Umschlag) Rubriken Aus der Praxis für die Praxis Tribologie und Schmierungstechnik Organ der Gesellschaft für Tribologie Organ der Österreichischen Tribologischen Gesellschaft Organ der Swiss Tribology 66. Jahrgang, Heft 2 März / April 2019 Veröffentlichungen Die Autoren wissenschaftlicher Beiträge werden gebeten, ihre Manuskripte direkt an den Herausgeber, Dr. Jungk, zu senden (Checkliste und Formatvorgaben siehe Umschlagseite hinten). Authors of scientific contributions are requested to submit their manuscripts directly to the editor, Dr. Jungk (see backpage for formatting guidelines). Ab dem Jahrgang 2019 können Sie die aktuellen Hefte der Tribologie und Schmierungstechnik im Online-Abonnement beziehen. Die Hefte der vergangenen Jahrgänge werden kontinuierlich integriert. Unsere eLibrary bietet Ihnen einen qualitativ hochwertigen und benutzerfreundlichen Zugang zum digitalen Buch- und Zeitschriftenprogramm der Verlage expert, Narr Francke Attempto und UVK. Nutzen Sie mit uns die Chancen der Digitalisierung: https: / / elibrary.narr.digital/ journal/ tus Der Online-Zugang ist in Kombination mit dem Print-Abo oder als e-only-Abo erhältlich. Abo-Service: Susanne Theis, expert verlag Tel: +49 (0) 7071-97556-53 Fax: +49 (0) 7071-9797-11 E-Mail: theis@verlag.expert IHR ONLINE-ABONNEMENT DER T+S T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 3 Anzeigen 4 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 4 1 Vorwort Bei Gleit-/ Wälzkontakten kommt der Reibung im Reibkontakt die entscheidende Bedeutung für das Betriebsverhalten zu. Die im Kontakt übertragenen Scherspannungen bestimmen nicht nur die Reibverluste und damit den Wirkungsgrad, sondern sind auch als Oberflächenschubspannungen verantwortlich für die Beanspruchung der Oberflächen und so der Schlüssel für das Schadensverhalten [1]. Es ergibt daher Sinn bei geschmierten Gleit-/ Wälzkontakten, insbesondere wenn diese EHD-Bedingungen unterliegen, Schmierstoffe zu wählen, die bei denjenigen Betriebsbedingungen, die bei diesen vorliegen, möglichst niedrige Reibung aufweisen. Diese Regel gilt naturgemäß nicht für diejenigen Kontakte, die durch Reibschluss Kräfte oder Leistung übertragen müssen. Hier bieten sich Traktionsfluide mit hohen Reibungszahlen an. Außer dem Kriterium niedrige Reibung (Ausnahme Traktionsfluide) existieren bei der Schmierstoffauswahl eine Reihe weiterer Kriterien, die in vielen Fällen einzeln oder in Summe ausschlaggebend sein können und so die Anforderung niedrige Reibung nur zweite Priorität aufweist. Einige wesentliche sind: - Kosten und weltweite Verfügbarkeit. - Temperaturbeständigkeit. - Chemische Beständigkeit. - Dampfdruck. - Additivverträglichkeit - Geringe Hydrophilie. - Gutes Viskositäts-Temperaturverhalten. - Hohe Scherstabilität. Aus Wissenschaft und Forschung 5 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Reibungszahlen von perfluorierten Polyalkylenethern PFPAE unter EHD-Bedingungen Herbert Vojacek, Maximilian Simon* Mit einem Zweischeibenprüfstand wird das Reibungsverhalten von perfluorierten Polyalkylenethern (PFPAE) unter EHD-Bedingungen in Abhängigkeit von Umfangsgeschwindigkeit, Schlupf, Hertzscher Pressung und Temperatur ermittelt und mit dem von Polyalkylenethern und Ethern auf Silizium-Kohlenwasserstoffbasis (Polysiloxanen) verglichen. Mit Briegleb-Stuartschen Atomkalottenmodellen werden die Unterschiede in Raumerfüllung und Beweglichkeit der Molekülketten von PFPAE und Polyalkylenethern demonstriert. In den Fotos sind die Unterschiede in den Molekularstrukturen von PFPAE gegenüber klassischen Polyalkylenethern gut erkennbar. Das stark unterschiedliche Reibungsverhalten von PFPAE gegenüber den klassischen Polyalkylenethern bzw. Polysiloxanen ist mir Hilfe dieser Kalottenmodelle eindeutig interpretierbar. Schlüsselwörter Perfluorierte Polyalkylenether, Polyalkylenether, Polysiloxane, Reibungsverhalten, EHD-Bedingungen, Schmierstoff-Molekülstrukturen A twin-disc machine is used to determine the friction behavior of perfluorinated polyalkylene ethers (PFPAE) under EHL conditions as a function of circumferential speed, slip, Hertzian pressure and temperature and compared with that of polyalkylene ethers or silicone-based polyethers (Polysiloxanens). Briegleb-Stuart’s atomic calotte models demonstrate the differences in space filling and mobility of the molecular chains of PFPAE and polyalkylene ethers. The photos reveal the differences in the molecular structures of PFPAE compared to classical polyalkylene ethers. The very different friction behavior of PFPAE compared to the classical polyalkylene ethers or silicones is clearly interpretable with the help of these atomic calotte models. Keywords Perfluorinated polyalkylene ethers (PFPAE), polyalkylene ethers, polysiloxanes, friction behavior, EHL conditions, molecular structures of lubricants Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Herbert Vojacek Dr.-Ing. Maximilian Simon Tribologisches Forschungs-Labor 83703 Gmund T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 5 • Alle Versuche mit den Perfluorether-Versuchsfluiden sind mit derselben Scheibenpaarung durchgeführt worden, um Rauheitseinflüsse auszuschließen. Um einen Vergleich der Reibungsergebnisse mit in früheren Jahren gefahrenen Reibungsversuchen und mit anderen Stoffgruppen zu ermöglichen, sind die Oberflächen durch entsprechende Politurbehandlung auf Reibungsäquivalenz eingestellt. Das Verfahren zur Einstellung der Reibungsäquivalenz mittels eines Eichfluides ist in [3] beschrieben und ist immer dann zwingend erforderlich, wenn bei Versuchen ein großer Rauheitseinfluss auf die Reibungszahl zu erwarten ist. Aus Wissenschaft und Forschung 6 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Die Basisöl-Stoffgruppe, die bei EHD-Bedingungen die niedrigste Reibung aufweist, die Polyalkylenether erfüllt zwar die meisten oben aufgelisteten Anforderungen gut bis sehr gut, kann jedoch, insbesondere wenn es um höchste Temperaturbeständigkeit, niedrigsten Dampfdruck, oder geringste Hydrophilie geht, mit den Basisöl-Stoffgruppen Polysiloxane, Polyphenylether oder Perflour- Polyalkylenether (PFPAE) bei weitem nicht mithalten. Stehen diese Anforderungen im Vordergrund und stellen sehr hohe Kosten kein Ausschlusskriterium dar, kann der Einsatz eines PFPAE in Betracht gezogen werden oder stellt den einzigen Ausweg dar. Durch Reibungsversuche soll nun geklärt werden welche Reibungseigenschaften bei EHD-Bedingungen diese Stoffgruppe aufweist. Weiterhin wird auf Basis dieser Erkenntnisse deren Betriebsverhalten mit üblichen Basisölen verglichen. 2 Reibungsversuche am Zwei-Scheibenprüfstand, Versuchsdurchführung, Versuchsparameter Die Reibungsmessungen sind auf einem Zwei-Scheibenprüfstand unter EHD-Bedingungen durchgeführt worden. Der prinzipielle Aufbau und die möglichen Betriebsparameter sind der Darstellung in Bild 1 zu entnehmen. Der Prüfstand ist in [2] näher beschrieben. Er besitzt einen Achsabstand von 80 mm. Mit den stufenlos einstellbaren Drehzahlen beider Antriebe erlaubt er eine unabhängige Einstellung aller nachfolgend aufgelisteten Betriebsparameter und ermöglicht so eine 100%-ige Aussage über das Betriebsverhalten der Schmierfluide in EHD-Kontakten von Wälzlagern, Zahnrad- und Reibradgetrieben. 2.1 Versuchsbedingungen und Versuchsparameter, Darstellung der Ergebnisse 2.1.1 Prüfscheibenmakrogeometrie • Zylinder gegen Kugelausschnitt, damit Punktkontakt. • Beide Prüfscheibendurchmesser 80 mm. • Werkstoff 100 Cr 6, Härte größer 62 HRC. 2.1.2 Prüfscheibenmikrogeometrie, Rauheit • Die Oberflächen sind auf eine Rauheit von R a = 0,08 bis 0,11 µm poliert und eingelaufen. Bild 1: Zwei-Scheibenprüfstand mit Leistungsdaten T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 6 2.1.3 Versuchsparameter • Wellendrehzahlen n = 100 . . . 3000 min -1 , entsprechend einer Scheibenumfangsgeschwindigkeit v 1 = 0,42 . . . 12,5 m/ s. • Schlupf s = (v 1 - v 2 ) / v 1 = 0 . . . 30 %, sofern ohne Stick-slip fahrbar, sonst bis zum Reibungszahlmaximum. • Mittlere Hertzsche Pressung p m = 500 . . . 1620 N/ mm 2 mit p Hmax = 1,5 x p m . • Fluideinspritztemperatur E = 50° und 100° C. 2.1.4 Versuchsdurchführung Nach Grobeinstellung der Umfangsgeschwindigkeiten v 1 und v 2 auf den gewünschten Wert wird die Anpresskraft aufgebracht, dann v 1 und v 2 nachjustiert und Schlupf s = 0 eingestellt. Der Schlupf s wird dann durch Verringerung von v 2 stufenlos erhöht und bei jedem eingestellten Betriebspunkt die Reibkraft abgelesen. Der Schlupf wird zunehmend erhöht bis zunächst das jeweilige Reibungszahlmaximum erreicht ist. Wenn keine störenden Stick-slip-Schwingungen auftreten wird schließlich der Schlupf noch weiter erhöht bis zum Maximalwert s ≈ 30 %, ansonsten wird der Versuch abgebrochen, um keine von Stick-slip-Schwingungen herrührenden Schäden der Scheibenoberflächen oder am Prüfstand zu riskieren. 2.2 Darstellung der Ergebnisse Zur Darstellung der gemessenen Reibungszahlen werden nun üblicherweise für diskrete mittlere Hertzsche Pressungen die Reibungszahlen in Abhängigkeit des Schlupfes für die verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten aufgetragen. Ein derartiges Reibungszahlkennfeld für unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten zeigt Bild 2. Hier sind für die Fluide A und C aus der Fluidgruppe der PFPAE Reibungszahlkurven für 1000 N/ mm 2 mittlerer Hertzscher Pressung (p m ) dargestellt. Zur Vereinfachung und schnelleren Vergleichbarkeit ist es meist ausreichend, das Reibungszahldiagramm mit der Kurvenschar auf ein Balkendiagramm zu reduzieren wie es in Bild 3 dargestellt ist. Hierzu werden die für eine Reibungszahlkurve charakteristischen Reibungszahlmaxima auf einen Balken reduziert. Zeigt eine Reibungszahlkurve kein Maximum innerhalb des Schlupfbereiches s = 0 . . . 10 %, wird der Wert für s = 10 % in den Balken eingetragen. Damit sind diese Balken charakteristisch für das jeweilige Fluid bei der vorliegenden mittleren Hertzschen Pressung p m und der entsprechenden Einspritztemperatur E . Aus Wissenschaft und Forschung 7 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Bild 2: Reibungszahlkennfeld für die Fluide A und C für pm = 1000 N/ mm² c θ g ube c u des ( e ) T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 7 50 °C Einspritztemperatur für die verschiedenen mittleren Hertzschen Pressungen dargestellt. In Bild 9 sind die Ergebnisse für die Fluide C und D mit einer Einspritztemperatur von 100 °C zu finden. 4.1 Einfluss der Kettenlänge und der Nennviskosität Wie den Ergebnissen in Bild 8 zu entnehmen ist, gibt es weder einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen dem Reibungsverhalten und der mittleren molaren Masse der Versuchsfluide noch der Kettenlänge der Moleküle. Die Kettenlänge der Moleküle ist in der Tabelle in Bild 4 mit aufgenommen. Sie ist dort als Summe der Anzahl aller Atome in der linearen Kette definiert, unabhängig davon ob es sich um C, O, oder Si handelt. Die Seitenketten Methyl, Phenyl bzw. Perfluormethyl sind dabei nicht betrachtet. Bei gleicher Stoffart ist zwar ein Einfluss der Nennviskosität und dabei indirekt der molaren Masse, bzw. der Kettenlänge dergestalt erkennbar, dass bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten tendenziell die Reibungszahlen mit steigender Kettenlänge und damit Viskosität sinken und bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten steigen. Dieser bekannte Einfluss tritt auch erwartungsgemäß bei der Stoffgruppe der PFPAE-Fluide auf. Der Einfluss ist aber nachrangig gegenüber anderen Einflüssen. 4.2 Einfluss der Verzweigung Die bisherige Erkenntnis, dass durch die Verzweigung einer Molekülkette, also Art, Anordnung und Häufigkeit der Substituenten über die damit verbundenen Sperrigkeit und Bewegungseinschränkung (Steifigkeit) der Moleküle das Reibungsverhalten dominant beeinflusst wird, hat sich auch bei den PFPAE bestätigt. Fluor hat im Vergleich zu Wasserstoff einen um rund 25 % größeren Atomwirkungsradius. In den Bildern 5 bis 7 ist das deutlich zu erkennen. In Bild 5 sind Atomkalottenmodelle von Wasserstoff und Fluor, sowie von der Atomgruppierung CH 3 und CF 3 gegenübergestellt. Aus Wissenschaft und Forschung 8 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 3 Prüffluide und Vergleichsfluide In Bild 4 sind die untersuchten Fluide A, B, C und D (PFPAE) sowie die Vergleichsfluide E, F, G, H und I aufgelistet. Die Fotos in den Bildern 5 bis 7 zeigen die entsprechenden Molekülstrukturen der PFPAE mit ihren Grundbausteinen, teilweise im Vergleich zu den entsprechenden Kohlenwasserstoffen. 4 Versuchsergebnisse Die Reibungszahlen aus den Versuchen für die PFPAE (Fluide A bis D) sind in Bild 8 als Balkendiagramme bei Bild 3: Überleitung vom Reibungszahlkennfeld zur Balkendarstellung anhand Fluid B T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 8 Das Bild 6 zeigt einen Vergleich des nicht perfluorierten Polyethers E, einem EO/ PO/ THF-Copolymerisat und des unverzweigten Perfluorpolyethers A. Es sind jeweils Abschnitte der Polymermoleküle gezeigt. Die Anzahl der Kettenglieder in der geraden Kette - Summe der C- und O-Atome - ist jeweils gleich, hier 21. Deutlich erkennbar ist die größere Raumerfüllung bei Fluid A, obwohl im Gegensatz zu Fluid E keine Verzweigung durch Methylgruppen vorhanden ist. Bedingt dadurch sind Perfluorethermoleküle bei Ausrichtung durch Scherung in ihrer sterischen Beweglichkeit deutlich stärker gehindert. Sowohl die Steifigkeit als auch die Sperrigkeit ist größer. Eine Ausrichtung der PFPAE-Moleküle im Schmierspalt unter Scherung erfordert eine größere Energie in Form von Reibleistung. Bei hoher Packungsdichte der Moleküle unter hoher Hertzscher Pressung macht sich das besonders stark bemerkbar. Bereits die Fluide mit unverzweigter Kette, die Fluide A und B, zeigen dabei schon sehr hohe Reibungszahlen. Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Bild 4: Angaben zu den untersuchten Fluiden Bild 5: Größenvergleich der Atomgruppierung CH 3 mit CF 3 und der Atome H mit F Bild 6: Vergleich der Molekülstruktur des Fluides E (oben) mit dem des Fluides A (unten) Bild 7: Ausschnitt aus dem Molekül der Fluide C und D T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 9 Allerdings sind auch für die verzweigten perfluorierten Linearmoleküle bei niedrigen Hertzschen Pressungen und hoher Geschwindigkeit die Reibungszahlen wieder in dem Bereich den nicht perfluorierte Polyether aufweisen, zum Teil sogar noch darunter. 4.3 Temperatureinfluss Verzweigte PFPAE-Öle mit kurzkettiger Verzweigung zeigen beim Temperatureinfluss auf die Reibung ein Verhalten, das bei Molekülen, die nur C, H und O enthalten, so nicht auftritt. Bei letzteren sinken die Reibungszahlen mit steigender Temperatur mehr oder weniger ausge- Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Noch viel ausgeprägter ist der Effekt bei den verzweigten Linearmolekülen der Fluide C und D. In Bild 7 ist der Ausschnitt aus der Molekülkette der Fluide C oder D gezeigt. Die gegenüber den Fluiden A und B nochmals größere Raumerfüllung ist gut erkennbar. Die deutlich größere Steifigkeit und Sperrigkeit lässt sich bereits im Bild erahnen und lässt sich zudem durch Bewegung des Molekülmodells auch gut verifizieren. Hier liegen insbesondere bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit - also bei kleinen Filmdicken und hohem Schergradienten - für Linearmoleküle bisher nicht beobachtete Reibungszahlen deutlich größer µ = 0,1 vor. Bild 8: Reibungszahlen der PFPAE im Maximum oder bei 10 % Schlupf bei 100 °C Einspritztemperatur Bild 9: Reibungszahlen der PFPAE im Maximum oder bei 10 % Schlupf bei 100 °C Einspritztemperatur T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 10 prägt, jedoch generell. Ausgenommen hiervon sind die Bereiche geringer Schmierfilmdicken mit zunehmender Grenzschichtreibung. Beim unverzweigten Molekül des Fluides B ist für alle Geschwindigkeiten ein Abfall vorhanden, der mit zunehmender Geschwindigkeit jedoch weniger ausgeprägt ist. Beim verzweigten PFPAE-Molekül Fluid D jedoch sinken die Reibungszahlen mit zunehmender Temperatur nur bei den kleineren Geschwindigkeiten, bei hohen steigen sie dagegen eindeutig reproduzierbar an, vergleiche hierzu die Ergebnisse in Bild 8 und Bild 9. Eine Erklärung hierfür könnte sein: Generell steigert höhere Fluidtemperatur im Schmierspalt die Beweglichkeit der Moleküle. Die geht einher mit größerer Molekülbewegung, leichterer Ausrichtbarkeit unter Scherung und wiederum mit geringerem Widerstand gegen Scherung, schließlich resultierend in niedriger Reibung. Makroskopisch betrachtet entspricht das der Vorstellung eines Fluides mit geringerer Viskosität und damit Scherkräften. Als gegenläufige Tendenz bedingt eine höhere Fluidtemperatur eine geringere Schmierspaltdicke und damit einen höheren Schergradienten. Dies führt zu einer höheren Reibung. Bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten nimmt die Gleitgeschwindigkeit bei gleichem Schlupf linear mit der Geschwindigkeit zu, die Schmierfilmdicke jedoch nur mit dem Exponent 0,7. Damit ist bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Schergradient ebenfalls größer. Wie schon erwähnt haben PFPAE bei gleicher Molekülkettenlänge gegenüber den reinen Kohlenwasserstoff- Polyethern eine wesentlich größere molare Masse. Durch die größere Raumerfüllung der Fluormoleküle an den Seitenketten wird die Molekülbeweglichkeit zusätzlich eingeschränkt. Die Molekularbewegung wird dadurch erschwert, was höhere Reibung zur Folge hat. So kommt die zweite gegenläufige Tendenz bei den kurzkettig verzweigten PFPAE stärker zum Tragen als bei den unverzweigten Linearmolekülen. 4.4 Vergleich des Reibungsverhaltens verschiedener geradkettiger Polyether In Bild 10 ist das Reibungsverhalten einiger geradkettiger Polyether auf Kohlenwasserstoffbasis und siliziumorganischer Basis den vier untersuchten PFPAE gegenübergestellt. Wie anhand Bild 3 beschrieben, sind die Werte in den Balkendiagrammen dadurch gewonnen, dass aus den gemessenen Reibungszahl-Schlupfkurven folgende charakteristische Werte entnommen sind. Wenn das Reibungszahlmaximum in Schlupfbereich < 10 % liegt, wird dieser Maximalwert als Balken aufgetragen, ansonsten die Reibungszahl bei s = 10 %. Bild 10 lässt eine Interpretation des Reibungsverhaltens unterschiedlicher Molekularstrukturen ohne den umfangreichen Vergleich aller Reibungszahlkurven sehr gut zu. Wie bereits an den PFPAE in Abschnitt 4.2 beschrieben, ist wiederum der dominante Einfluss der Verzweigung über kurzkettige Molekülseitengruppen klar erkennbar. Die niedrigste Reibung zeigt Fluid E, nahezu gleich niedrig wie Polyethylenoxid Fluid F. Das Copolymer Fluid E ist sehr gering verzweigt, bedingt durch das günstige Verhältnis Kohlenstoff- / Sauerstoffmolekülanzahl in der Kette nur geringfügig hydrophil, sogar gering lipophil und somit mit einer Reihe von EP-Additiven gut verträglich. Der hervorragende VI von deutlich über 200 und der niedrige Pourpoint ergeben ein Gesamteigenschaftsprofil, das diese Stoffgruppe als sehr gut geeignet zeigt als Basisfluide für Öle und Fette, auch Hybridfette. Das reine Polyethylenoxid Fluid F, das im Reibungsverhalten ähnlich niedrig ist wie Fluid E, zeichnet sich demgegenüber durch einen sehr günstigen Preis aus. Der extrem schlechte (hohe) Pourpoint und die Wasserlöslichkeit verhindern in den allermeisten Fällen dessen Einsatz als alleiniges Basisöl für Schmierstoffe. Die stark kurzkettig verzweigten Fluide G, H, aber auch das hoch phenylierte Fluid I, weisen bedingt durch die starke Verzweigung hohe bis sehr hohe Reibung auf, dabei unabhängig davon, ob auf Kohlenwasserstoff- oder Organosiliziumbasis. Für Schmierstoffe, bei denen es auf niedrige Reibung unter EHD-Bedingungen ankommt, sind diese Fluide ungeeignet. Diese Fluide haben ihr Einsatzgebiet, wenn es auf andere Eigenschaften denn auf niedrige Reibung ankommt. Auch bei der Darstellung in Bild 10 zeigt sich wieder, dass ein Zusammenhang zwischen Viskosität und/ oder Molekülkettenlänge bzw. Molekularmasse und Reibung nicht gegeben ist, siehe hierzu die Angaben in der Tabelle in Bild 4. 5 Betriebsverhalten von Getrieben, geschmiert mit perfluorierten Polyalkylenethern Geschmierte Getriebe unter EHD-Bedingungen betrieben, beispielsweise Zahnrad- und Reibradgetriebe, aber auch Wälzlager laufen nie ohne Schlupf zwischen den Oberflächen. Bei Schmierung unter EHD-Bedingungen ist die Reibung und damit das Betriebsverhalten von der Art des Schmierfluides stark beeinflusst. Der Zwei- Scheibenprüfstand bildet die Betriebsbedingungen aller möglichen Reibkontaktformen und deren Bewegungsverhältnisse ab. Damit ist es zulässig Ergebnisse über das Reibungsverhalten, gewonnen am Zwei-Scheibenprüfstand, ohne Einschränkung auf Getriebe und Wälzlager zu übertragen. Es kann so festgestellt werden: - Bei den PFPAE, extrem bei den kurzkettig verzweigten Typen, sind die Reibungszahlen hoch bis sehr hoch Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 11 Aus Wissenschaft und Forschung 12 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 Bild 10: Einfluss der Umfangsgeschwindigkeit auf die Reibungszahl über aller Fluide, Reibungszahlen im Maximum bzw. bei 10 % Schlupf. Fehlen Balken: * Reibungszahl < 0,003; ** es liegen keine Messergebnisse vor T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 12 und die Reibungszahlmaxima überwiegend im Bereich sehr kleinen Schlupfes. Damit sind alle Getriebebauformen und Wälzlager, bei denen hohe Hertzsche Pressungen auftreten, dieser hohen Reibung ausgesetzt, - Infolge der hohen Reibung treten hierbei nicht nur hohe Schubspannungen auf den Oberflächen auf, sondern im Reibkontakt herrscht auch eine hohe Blitztemperatur die zu hohen Bauteiltemperaturen führt. - Die hohen Schubspannungen im Kontakt bedingen eine reduzierte Ermüdungslebensdauer bzw. geringere zulässigen Hertzschen Pressungen. Hohe Temperaturen führen zu geringen Schmierfilmdicken und weisen auf einen schlechten Wirkungsgrad hin. Versuche an Wälzlager- und an Zahnradprüfständen mit PFPAE als Schmierstoff können einen Beitrag zur Klärung des Auftretens und der Ursachen von White Etching Areas (WEA) leisten. Bei dieser Schmierstoffgruppe ist ein eindiffundieren von Wasserstoff in die Bauteiloberflächen wegen der nicht vorhandenen Wasserstoffmoleküle auszuschließen. Durch geeignete Auswahl der PFPAE unverzweigt/ verzweigt kann zudem der Einfluss der Reibungszahl, wie in [4] dargestellt, verifiziert werden. Literatur 1 Winter, H., Simon M.: Einfluß von elastohydrodynamischen Parametern auf die Grübchentragfähigkeit vergüteter Scheiben und Zahnräder. Konstruktion 37 (1985) H. 3, S. 93-103 und H. 4, S. 161-166. 2 Simon, M., Vojacek, H.: Development of Base Oil with Extreme Friction Properties under EHL Regime. Tribologie und Schmierungstechnik 58. Jahrgang (2011), Heft 4/ 11 3 Vojacek, H.: Das Reibungsverhalten von Fluiden unter elastohydrodynamischen Bedingungen. Diss. TU München 1984 4 G. Niemann, H. Winter, B.-R. Höhn: Maschinenelemente, Band 1, Berlin Springer-Verlag, 4. Auflage 2005 Aus Wissenschaft und Forschung 13 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 2/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0007 T+S_2_2019.qxp_T+S_2018 16.04.19 13: 48 Seite 13