Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 2/ 2023 22 FacHartiKEl FacHartiKEl Fettauswahl für Wälzlager Christian Specht, Schaeffler Technologies AG & Co. KG Wälzlager sind stark beanspruchte Maschinenelemente, deren zuverlässige Funktion ohne eine entsprechende Schmierung nicht möglich ist. Für die Konstruktion, Berechnung und Fertigung von leistungsfähigen Wälzlagern wird ein hoher technischer Aufwand getrieben. Die gleiche Sorgfalt muss demnach auch dem Schmierstoff zukommen. Denn er ist ebenso ein Konstruktionselement wie die Lauf bahnen, die Wälzkörper oder der Käfig eines Lagers. Die richtige Wahl des Schmierstoffs entscheidet maßgeblich über die Lebensdauer des Lagers und die zuverlässige Funktion der Maschine oder Anlage, in die es integriert ist. Die wichtigste Aufgabe des Schmierstoffs ist es, Reibung und Verschleiß im Lager durch einen die Oberflächen trennenden Schmierfilm zu reduzieren. Im Idealfall werden sich dabei die Oberflächen der Wälzkörper und die Lauf bahnen nicht metallisch berühren. Anschaulich vergleichbar ist dieser Effekt mit dem beim Autofahren gefürchteten „Aquaplaning“. Hier verliert der Reifen ab einer gewissen Geschwindigkeit die Haftung zur Straße durch den Wasserfilm. Dieser beim Autofahren höchst unerwünschte Effekt ist bei der Schmierung der Idealfall, wird so doch zuverlässig Reibung minimiert und Verschleiß verhindert. Allerdings sind für diesen trennenden Schmierfilm gewisse Mindestdrehzahlen im Lager erforderlich, die bei wechselnden Betriebsbedingungen nicht immer erreicht werden. Damit auch im Falle metallischer Berührung zwischen Wälzkörpern und Lauf bahnen kein Verschleiß entsteht, werden Schmierstoffen Verschleißschutz- Christian Specht Christian Specht ist Expert Schmierstofftechnik im Zentralbereich Lubricant Technology der Schaeffler AG in Schweinfurt. Er studierte Maschinenbau an der TU Braunschweig und kam im Jahr 2000 zur Fachabteilung Tribologie bei FAG Kugelfischer, später Schaeffler. Seit mehr als 20 Jahren gehört neben der Kundenberatung zur Wälzlagerschmierung die Prüfung und Optimierung von Wälzlagerfetten sowie die Qualitätssicherung zu seinen Kernthemen. Zusätzlich ist er seit Jahren in der Verbandsarbeit der FVA und der GfT aktiv. 23 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 2/ 2023 Fachartikel-|-Fettauswahl für Wälzlager Additive zugesetzt. Diese Zusätze bilden auf Laufbahn- und Wälzkörperoberflächen harte chemische Reaktionsschichten, die im Idealfall zuverlässig vor Verschleiß schützen. Die Wirksamkeit dieser Additive kann zum Beispiel in FE8-Prüfungen nach DIN 51819 nachgewiesen werden. Datenblätter von Fetten sollten entsprechende Ergebnisse ausweisen. Entstehen in einer Maschine oder Anlage höhere Temperaturen, trägt eine Ölschmierung zusätzlich zur Kühlung bei, was in vielen Fällen sogar ein funktionsentscheidender Effekt ist. Zusätzlich bietet die Ölschmierung die Möglichkeit, auftretende Verunreinigungen über eine Filterung aus der Anlage zu entfernen. Im Falle einer Fettschmierung, die hier vor allem betrachtet werden soll, besteht diese Möglichkeit einer Kühlung durch den Schmierstoff selbst nicht. Das Fett muss die entstehenden Temperaturen über längere Betriebszeiträume ohne deutlichen Funktionsverlust ertragen können. Diese Temperatureignung ist ein wesentliches Auswahlkriterium für Fette! Trotz des Nachteils fehlender Kühlwirkung, bietet die Fettschmierung Vorteile: kein oder kaum besonderer konstruktiver Aufwand erforderlich, oft lange Fettgebrauchsdauer und in der Regel gute Nachschmierbarkeit, zusätzliche Dichtwirkung gegen Verschmutzung von außen. Aufgaben der Schmierung > Reibung reduzieren > Vermeidung von Verschleiß > Dichten: Unterstützung der mechanischen Dichtungen, Fernhalten von Fremdpartikeln > Schützen: Schutz der Oberflächen vor Korrosion oder anderen chemischen Einflüssen Durch falsche Schmierung können unterschiedliche Verschleißerscheinungen an Wälzkörpern und Lagerlaufbahnen auftreten. Was muss bei der Fettauswahl beachtet werden? Die Auswahl eines Wälzlagerfettes ist stets ein Kompromiss, denn es gibt eine Vielzahl sich zum Teil entgegenstehender Ansprüche an ein Fett. Die Liste rechts gibt bereits einen Überblick der zu berücksichtigenden Kriterien. Dabei ist die Betrachtung des Lagertyps besonders wichtig. Kugellager etwa sind grundsätzlich anspruchsloser hinsichtlich Verschleißschutz als Linienkontaktlager, wie Kegel- oder Pendelrollenlager. Die zu erwartenden Betriebsbedingungen sollten ebenfalls bekannt sein, um so das geeignete Fett bestimmen zu können. Drehzahl, Betriebs- und Umgebungstemperaturbereich und Belastung sind wichtige Entscheidungskriterien bei der Fettauswahl. Die zusätzlichen Kritierien, siehe Kasten oben rechts, machen deutlich, dass es ein wirklich in jeder Hinsicht ideales Fett manchmal nicht gibt. Hinzu kommt noch eine mögliche preisliche Einschränkung. Die Neuauswahl eines Fettes für eine Lageranwendung sollte daher, wenn möglich, mit dem Wälzlagerhersteller abgestimmt sein, da dieser die Leistungsfähigkeit seiner Lager und die Anorderungen an den Schmierstoff in aller Regel gut kennt. Soll ein vorhandenes Fett ersetzt werden, vielleicht sogar durch ein Fett eines anderen Herstellers, sollten die technischen Datenblätter von Fetten eine erste Orientierung sein. Sie helfen, die wichtigsten Kennwerte zu vergleichen (siehe Datenblatt, Seite 22). Weist das neue Fett gleichen Verdicker- und Grundöltyp, gleiche Grundölviskosität, Konsistenzklasse (NLGI-Klasse) und Temperatureignung (wichtig! ) auf, sind bereits einige wichtige Auswahlkriterien erfüllt. Gute technische Datenblätter geben Aufschluss über weitere Eigenschaften, Kriterien und Prüfwerte, wie z. B. den Korrosionsschutz, die Beständigkeit gegen Wasser oder die Kupferkorrosion. Diese Kriterien sollten ebenfalls weitgehend mit dem vorher eingesetzen Fett übereinstimmen. Gibt es Vorgaben bei der Fettauswahl, sollte bei Abweichungen dieser technischen Grundangaben im Zweifel Expertenrat beim Lagerhersteller eingeholt werden! Schwieriger stellt sich die Situation dar, wenn bei der Fettauswahl nicht auf bewährte Erfahrungen zurückgegriffen werden kann. Zeigte das bisher eingesetzte Fett Schwächen in der Gebrauchsdauer, „alterte“ es zu schnell, war evtl. seine Eignung für hohe Temperaturen nicht optimal auf die Betriebsbedingungen hin ausgewählt. So kommen beispielsweise die meisten Kriterien für die Fettauswahl > Lagertyp > Drehzahl > Temperatur > Belastung > Schwingungen, Stöße & Vibrationen > Wasser, Feuchtigkeit > radioaktive Strahlung > Vakuum > Dichtungen > Einbaulage & Umgebungsbauteile > Gesetzliche Vorgaben > Umweltbedingte Vorgaben > Vorgaben der Lebensmittelindustrie Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 2/ 2023 24 Fachartikel | Fettauswahl für Wälzlager Metallseifenfette mit mineralischen Grundölen mit Betriebstemperaturen bis zu dauerhaft 80 °C gut zurecht. Auch kurzzeitige Temperaturspitzen bis zur oberen Gebrauchstemperatur sind dabei vertretbar. Aber dauernde Temperaturüberschreitungen der hier genannten 80 °C können zu einer deutlichen Reduzierung der Fettgebrauchsdauer führen. Das neu auszuwählende Fett sollte dann in dieser Hinsicht bessere Leistungen aufweisen. Bei Linienkontaktlagern oder bei hohen Lastbeanspruchungen könnte es auch erforderlich sein, beispielsweise von einem normalen Lithium-Verdicker auf einen Lithium-Komplex-Verdicker zu wechseln. Bei Betriebstemperaturen von deutlich über 100 °C wird man um die Auswahl eines Harnstoffverdickers wahrscheinlich nicht herum kommen, auch wenn solche Fette deutlich teurer sind als die „normalen“ Metallseifenfette. Auch die Unterschiede zwischen mineralischen und synthetischen Grundölen liegen nicht nur in der besseren Hoch- und Tieftemperatureignung der Syntheseöle, sondern auch in deren höherem Preis. Bei festgestellten Verschleißerscheinungen muss geprüft werden, ob das alte Fett wirklich über eine ausreichende Verschleißschutzadditivierung verfügt. Das neue Fett sollte dementsprechende Anforderungen erfüllen (siehe FE8-Prüfung, Seite 23). Wie kann ein Fettwechsel erfolgen? Nachdem ein neues Fett ausgewählt wurde, muss entschieden werden, wie der Wechsel vom alten auf das neue Fett erfolgen soll. Grundsätzlich gibt es drei bewährte Methoden: 1. Fettwechsel nach Reinigung In Fällen, in denen das neue Fett chemisch nicht mit dem alten verträglich ist, muss angestrebt werden, das Lager so gut wie möglich vom alten Fett zu reinigen und danach das neue Fett einzufüllen. Dieser Vorgang ist bei kleinen und gut demontierbaren Lagern in der Regel empfehlenswert. 2. Fettwechsel durch manuelle Nachschmierung Voraussetzung für diese Methode ist, dass altes und neues Fett chemisch grundsätzlich verträglich sind. Wenn das Lager zudem im eingebauten Zustand nachschmierbar ist, kann der Wechsel auf das neue Fett auch durch eine sehr reichliche Nachschmierung mit dem neuen Fett erfolgen. Hierbei sollte solange neues Fett zugeführt werden, bis an den Fettauslässen erkennbar ist, dass auch hier neues Fett erscheint. Das alte Fett wird dann zum allergrößten Teil aus dem Lager entfernt sein. Zu beachten ist bei dieser Methode, dass das Lager danach komplett mit Fett gefüllt ist. Das Lager muss sich beim ersten Betrieb danach erst wieder von dieser zu großen Fettmenge „freiarbeiten“. Hierbei entsteht mehr Reibung im Lager, die zu höheren Betriebstemperaturen führt! Es muss also zwingend nach diesem Fettwechsel ein langsamer Fettverteilungslauf stattfinden, der je nach Fett durchaus mehrere Minuten, in einigen Fällen aber auch deutlich länger dauern kann. Beim ersten Regelbetrieb nach Fettwechsel sollte also immer noch die Betriebstemperatur des Lagers bzw. der Anlage beobachtet werden. Erforderlichenfalls sollte die Drehzahl reduziert werden. 3. Fettwechsel durch kontinuierliche Nachschmierung Auch hier gilt als Voraussetzung, dass altes und neues Fett chemisch verträglich sein müssen. Ist bei einem Lager eine kontinuierliche Nachschmierung vorgesehen, manuell oder besser durch entsprechende Schmiersysteme, kann der Fettwechsel besonders einfach erfolgen, indem ab dem gewünschten Zeitpunkt der Umstellung nur noch mit dem neuen Fett nachgeschmiert wird. Das alte Fett wird so mit jedem Schmierintervall mehr und mehr aus dem Lager verdrängt. Der Vorteil dieser Methode besteht in der jederzeit gleichmäßigen Füllmenge im Lager. Eine zeitweilige Überschmierung, wie bei Methode 2, wird hier vermieden. Bezeichnung von Fetten und wichtige Leistungskenngrößen Die Auswahl eines geeigneten Wälzlagerfettes ist nur mit genauer Kenntnis der zu erwartenden Betriebsbedingungen möglich. Diesen Angaben von Drehzahl, Last, Betriebstemperatur und vielleicht weiteren Umgebungsbedingungen müssen dann die Kennwerten möglicher Fette gegenübergestellt werden. Diese Der Schaeffler Katalog HR1 hält technische Grundlagen und Produktdaten zur Gestaltung von Wälzlagerungen bereit. 25 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 2/ 2023 Fachartikel-|-Fettauswahl für Wälzlager Kennwerte sind in den technischen Datenblättern enthalten, die Hersteller für jedes ihrer Fette zur Verfügung stellen sollten. Unten ein Beispiel eines technisches Datenblattes. Nach der Fettbezeichnung enthalten die meisten technischen Datenblätter eine Beschreibung der Anwendungsbereiche, für die das Fett entwickelt wurde bzw. für die bereits Praxiserfahrungen vorliegen. Es folgen die technischen Kennwerte und entsprechenden Normungen. In den folgenden Teilen werden dann spezielle Kennwerte zur Leistung des Fettes in Wälzlagerprüfungen aufgeführt. Leider sind gerade diese wichtigen Angaben nicht auf allen technischen Datenblättern zu finden. Nachfolgend werden Kennwerte und Prüfungen erklärt. Es gilt die Regel Soll ein Fett zuverlässig in Wälzlagern funktionieren, muss es auch unter entsprechenden Bedingungen in Wälzlagern geprüft worden sein! Kennwerte & Prüfverfahren verstehen Beispiel Arcanol MULTITOP Gebrauchs-Temperaturbereich nach DIN 51825: hier „-50 bis +140 °C“ Untere Temperaturgrenze: Die Temperatur, bei der das Fett in einem kleinen Kugellager noch anläuft. Bei Schaeffler wurde dieser Wert im FE8-Wälzlagerprüfstand auch in einem Kegelrollenlager geprüft. Obere Gebrauchstemperatur: Hier wird die Spitzentemperatur angegeben, die das Fett kurzfristig (! ) ertragen kann. Keinesfalls kann das Fett in diesem Beispiel also dauerhaft bei 140 °C betrieben werden! Dauergrenztemperatur: hier „80 °C“ Dies ist, nach interner Schaeffler-Prüfung, die Betriebstemperatur, die das Fett dauerhaft ertragen kann, ohne dadurch in seiner Gebrauchsdauer gemindert zu sein. Zur Ermittlung der Fettgebrauchsdauer, siehe z. B. den aktuellen Schaeffler Hauptkatalog HR1, die Schaeffler Druckschrift „Schmierung von Wälzlagern“ (TPI176) oder andere Schaeffler Veröffentlichungen zur Schmierung. Grundöl: hier „Mineralöl + PAO“ Das Grundöl macht etwa 80-90 % des gesamten Fettvolumens aus. Seine Eigenschaften sind daher auch wesentlich für viele technische Leistungsmerkmale eines Fettes. Etwa 90 % aller Fette haben ein Mineralöl als Grundöl. In diesem Beispiel enthält das Grundöl einen synthetischen Anteil (ein PAO = Poly-Alpha-Olefin), der sowohl die Tiefals auch die Hochtemperatureignung verbessert. Verdicker: hier „Lithium“ Der Verdicker eines Fettes ist wesentlich verantwortlich für dessen „cremeartige“ Beschaffenheit. Je höher der Verdickeranteil, desto fester die Beschaffenheit. Übliche Verdickeranteile liegen bei 10- 20 %. Lithium-Seifen stellen heute den gebräuchlichsten Verdickertyp dar. Grundöl-Viskosität: hier „bei 40 °C: 82 mm²/ s, bei 100 °C: 12,5 mm²/ s“ Die „Fließfähigkeit“ eines Öles wird als Viskosität bezeichnet. Sie ist ein Maß für die innere Reibung einer Flüssigkeit und damit ein wichtiger Kennwert für Öle. Je höher der Zahlenwert, desto „zäher“ die Flüssigkeit. Da die Viskosität Beispiel: Datenblatt Arcanol MULTITOP (Schaeffler) Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 2/ 2023 26 Fachartikel | Fettauswahl für Wälzlager vor allem auch temperaturabhängig ist und sich dementsprechend bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen ändert, wird sie in Datenblättern oft bei 40 und bei 100°C angegeben. Verhalten gegenüber Wasser: hier „1-90“. Prüfung zum Haftverhalten eines Fettes auf einer Glasprobe gegenüber umspülendem Wasser. Hier: Bewertungsgrad 1 (gut) bei 90 °C Prüftemperatur. FE8-Prüfungen zum Wälzlagerverschleiß Der FE8-Prüfstand kann mit unterschiedlichen Lagertypen und unterschiedlichen Last-/ Drehzahlkombinationen die Verschleißschutzleistung von Ölen und Fetten in Wälzlagern prüfen. Der Prüfstand und einige Prüf bedingungen sind nach DIN 51819 genormt, sodass entsprechende Werte vergleichbar sind. Bereits seit Jahren prüfen viele Schmierstoffhersteller ihre Produkte nach diesem Verfahren. Um die Norm zu erfüllen, dürfen die Wälzkörper der Prüflager nach dem Prüflauf nur einen Materialverschleiß von höchstens 35 mg aufweisen. Bereits seit Jahren schaffen gute Verschleißschutz-Additivierungen aber Werte ≤ 10 mg, sehr gute Fette verhindern messbaren Verschleiß vollständig. NLGI-Klasse: hier: „2“ Wie schon bei der Walkpenetration erläutert, fassen die NLGI-Klassen die Messwerte der Penetrationsprüfungen zusammen. Diese Normung wurde ursprünglich vom „National Lubrication and Grease Institute“ in den USA initiiert, woraus sich die Bezeichnung ableitet. Wälzlagerfette haben üblicherweise eine Beschaffenheit, die der NLGI-Klasse 2 entspricht. Wenige Fette werden aber auch in den Klassen 1 (etwas weicher) oder 3 (etwas fester) für die Wälzlagerschmierung genutzt. Tropfpunkt: hier „≥ 190 °C“ Verbreiteter Kennwert, der allerdings keine dominante Bedeutung bei der Fettauswahl für Wälzlager hat. FE9-Prüfungen zur Hochtemperatureignung von Fetten Der FE9-Prüfstand nach DIN 51821 dient der Ermittlung der Hochtemperatureignung von Fetten. Gemessen wird die Laufzeit von befetteten Schrägkugellagern unter definierten Bedingungen (in diesem Beispiel: Einbau A, 1500 N Axiallast, 6000 U/ min bei vorgewählten 140 °C). Um für eine Einsatztemperatur geeignet zu sein, werden in der Regel Laufzeiten von mindestens 100 Stunden für jedes der fünf Prüflager gefordert. Die statistische (Weibull-) Auswertung fordert, dass 50 % aller Prüflager 200 Laufstunden oder mehr erreichen. Korrosionsschutz (Emcor): hier „≤ 0/ 0“ Prüfung, inwieweit das Fett in der Lage ist, die benetzten Metalloberflächen eines Lagers vor Korrosion zu schützen. Im Standardtest wird als Medium destilliertes Wasser verwendet. Die Bewertungsgrade 0 sind die bestmöglichen und geben an, dass nach der Prüfdauer keine Korrosionsmarken auf den Prüflagern gefunden werden konnten. Kupferkorrosion nach 24h/ 140 °C: hier „≤ 2“ Hier wird geprüft, ob das Fett Kupferwerkstoffe chemisch angreift. Dieser Kennwert ist von Bedeutung, wenn das Fett auch Wälzlager mit Messingkäfigen schmieren soll. Der Bewertungsgrad 2 ist noch gut. Drehzahlgrenze Hier wird die Drehzahlgrenze des Fettes in Drehzahl n multipliziert mit dem mittleren Lagerdurchmesser dm angegeben. In Prüfstandsversuchen hat das Fett gezeigt, bis zu diesen Drehzahlgrenzen die entsprechenden Lagertypen noch zuverlässig schmieren zu können. Achtung: Die in den Katalogen der Wälzlagerhersteller angegebenen Drehzahlgrenzen der Lager beziehen sich nur auf das kinematische und thermische Verhalten der Lager selbst. Die Drehzahlgrenze des Fettes kann im Einzelfall darunter liegen. Es ist natürlich der jeweils niedrigste Wert bei der Auslegung zu berücksichtigen! Die obige Darstellung zeigt, dass bei der Auswahl eines optimalen Schmierfettes für eine anspruchsvolle Anwendung viele Einflußfaktoren zu berücksichtigen und auch in ihrer Bedeutung zu gewichten sind. Diese Mühe wird aber damit belohnt, die Leistungsfähigkeit des Lagers vollumfäglich nutzen zu können und die Anwendung letztlich vor vorzeitigem Ausfall zu schützen. Beides muss bedacht werden, bevor womöglich am Schmierstoff gespart werden soll! »« Eingangsabbildung: © Schaeffler Technologies AG & Co. KG