Technik Plattform der Fachgruppe Technik

Schmierstoffe dienen zur Reibungs- und Verschleiß­minde­rung zwischen bewegten Maschinenteilen. Sie sollen eine Berührung der Oberflächen verhindern. In Weinbau-Nutz­fahrzeugen werden diese Betriebsstoffe in unter­schied­lichen Aggregatzuständen als Schmieröle, Schmierfette oder Festschmierstoffe eingesetzt.
 
Unter dem Begriff „Reibung“ ­versteht man eine Wechselwirkung zwischen sich berührenden Körpern. Sie tritt als Reibungskraft bzw. Reibungsenergie in Erscheinung. Die Ursache der Reibung liegt in der Beschaffenheit der Berührungsflächen. Glatte Flächen weisen im Vergleich zu rauen eine ­geringere Reibung auf.
In Abhängigkeit vom Aggregat­zustand der beteiligten Körper werden verschiedene Reibungszustände unterschieden: Bei der Festkörper­reibung haben die aufeinander gleitenden festen Flächen einen unmittelbaren Kontakt. Folglich werden die Oberflächenerhöhungen geebnet und im Falle von ungünstiger Werkstoffpaarung und großer Flächenpressung die Oberflächen verschweißt. Als Flüssigkeitsreibung wird die Reibung zwischen Flüssigkeiten bezeichnet (innere Reibung). Dieser Reibungs­zustand ist auch für die flüssige Schmierstoffschicht zwischen den Gleitflächen von Festkörpern zutreffend. Jede Mischform der beiden Reibungszustände ergibt eine Mischreibung, die am Beginn einer Bewegung oder bei unzureichender Schmierung zwischen den Gleitflächen auftritt.

Neben den Reibzuständen werden in der Tribologie – der Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden bewegten Oberflächen – auch noch die Reibungsarten angeführt, die sich hinsichtlich der Bewegungsart der Reibkörper unterscheiden. Eine Gleitreibung liegt vor, wenn zwei Körperflächen aufeinander gleiten (z. B. bei einem Gleitlager). Die Rollreibung ist die Bewegungsreibung zwischen sich punkt- oder linienförmig berührenden Körpern wie beispielsweise bei Zylinderrollenlagern. Von Wälzreibung wird gesprochen, wenn eine Gleit- und Rollreibung gleichzeitig vorhanden sind (z. B.: Wälzkugellager). Aus den genannten Reibungszuständen bzw. -arten geht hervor, dass zur Verminderung der Reibung die reibenden Flächen mit Schmierstoffen überzogen werden müssen. Dies führt dazu, dass die Bewegung zwischen den Schichten der Schmierstoffe stattfindet. Reicht die Schmierstoffdicke für eine vollständige Trennung von Gleit- oder Wälzkörpern nicht aus, dann kommt es zu einem Verschleiß von Maschinen­teilen.
 

Aufgaben und Eigenschaften von Schmierstoffen

Die Schmierstoffe werden zur Erfüllung unterschiedlicher Aufgaben eingesetzt. Zu den wichtigsten Aufgaben gehören die Verminderung der Reibung, die Dämpfung von Stößen und Geräuschen, die Abfuhr von Wärme und Verschleißteilchen sowie der Korrosionsschutz. Damit diese komplexen Aufgaben optimal erfüllt werden können, sollen Schmierstoffe die folgenden Eigenschaften aufweisen: Druckfestigkeit, geringe innere Reibung, Säure-, Wasser- und Partikelfreiheit, Haftfähigkeit, Alterungsbeständigkeit, geringe Viskositäts­änderung (siehe Info), niedrige Fließgrenze und hohen Flamm- bzw. Brennpunkt. Die Fließgrenze gibt die Temperatur an, bei der ein Schmierstoff unter festgelegten Prüfbedingungen noch fließt. Unter dem Flammpunkt versteht man die niedrigste Temperatur, bei der sich aus der prüfenden Schmierstoffprobe mit der Luft ein brennbares Gemisch ent­wickelt. Als Brennpunkt bezeichnet man die Temperatur, bei der das ­gebildete Schmierstoffgas-Luft-Gemisch nach seiner Entzündung von selbst weiter brennt.
 

Schmieröle 

Nach ihrer Herkunft können Schmieröle in Mineral­öle, synthetische Öle und pflanzliche bzw. tierische Öle unterteilt werden. In der weinbaulichen Nutzfahrzeugtechnik besitzen die aus Erdöl oder Kohle gewonnenen Mineralöle die größte Bedeutung. Um ihre Eigenschaften zu verbessern oder unerwünschte Eigenschaften zu unterdrücken, enthalten sie verschiedene Zusätze (Additive). Die Additive sind oberflächenaktive Stoffe, die im Schmieröl mit einem Anteil von weniger als einem bis zu 25 % gelöst werden. Mit diesen Schmierstoffadditiven kann beispielsweise das Viskositäts-Tempe­ratur-Verhalten (siehe Infokasten) ­beeinflusst werden, indem die Viskosität innerhalb eines größeren Temperaturbereichs – je nach Schmierölsorte sind diese dann zwischen –20 und +100 °C einsetzbar – konstant ­gehalten wird. Darüber hinaus ermöglichen die ­Additive z. B. auch eine Erhöhung von wichtigen Gebrauchseigenschaften, nämlich der Druckfestigkeit und Alterungsbeständigkeit.
Zunehmend an Bedeutung gewinnen betreffend Reibungsminderung und Schmierung bei hohen Temperaturen die synthetischen Öle. Sie besitzen im Vergleich zu den Mineralölen neben einem wesentlich günstigeren Viskositäts-Temperatur-Verhalten auch eine höhere Alterungsbeständigkeit; dafür sind sie aber teurerer. Die pflanzlichen und tierischen Öle wie Rizinusöl oder Fischöl finden nur in Spezialfällen (Beispiel: Feinwerktechnik) eine Anwendung. Die Tabelle 1 bietet einen Auszug aus der großen Betriebsstoffgruppe der Schmieröle.
 

Schmierfette und Festschmierstoffe 

Werden zu den Mineral- oder Syntheseölen diverse Verdickungsmittel hinzugefügt, dann entstehen daraus die festen oder halbflüssigen Schmierfette. Als eindickender Stoff werden einerseits Metallseifen wie Barium-, Lithium- und Natrium­seifen und andererseits Gele bzw. Bentonit verwendet. Ein handelsübliches Schmierfett besteht aus einem Schmieröl mit 75 bis 95 Massen-%, einer Seife mit 4 bis 20 Massen-% und Additiven mit 0 bis 5 Massen-%. Die unterschiedliche Konsistenz (Steifigkeit) der Schmierstoffe ergibt sich aufgrund der Viskosität des Grundöls, der Art des Verdickungsmittels und der Temperatur, wobei Schmierfette in einem Temperaturbereich von –70 °C bis ca. 350 °C ihre Funktion erfüllen sollen.
Zur Schmierung unter extremen Bedingungen werden die in festem Aggregatzustand vorliegenden Festschmierstoffe eingesetzt. Sie kommen unter anderem bei sehr hohen bzw. sehr tiefen Tempe­raturen, in aggressiven Medien, im Vakuum oder, wenn sich wegen zu geringer Gleitgeschwindigkeit ein Öl- oder Fettfilm nicht bilden kann, zum Einsatz. Wichtige Vertreter der Festschmierstoffe sind z. B. Pulver aus Graphit oder Molybdändisulfid (MoS2) sowie der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE). Bei deren Anwendung gleichen die plattenförmigen Pulverpar­tikel die Werkstoffoberflächenrauheit aus und gleiten folglich aufeinander ab.
 

Einteilung der Schmieröle

Eine Einteilung der Schmieröle kann nach deren Verwendungszweck vorgenommen werden, welche folgendermaßen aussieht: Maschinenschmier-, Zylinder-, Turbinen-, Motoren-, Getriebe-, Kompressoren-, Umlauf-, Hydraulik-, Metallbearbeitungs- und Textilmaschinenöle. Darunter stellen die Motorenöle die größte Gruppe der Schmieröle dar. Das Klassifizierungssystem für die Motorenöle wurde vom American ­Petroleum Institut (API) in Zusammenarbeit mit der amerikanische ­Society of Automotive Engineers (SAE) sowie der American Society for Testing and Materials (ASTM) erstellt. Dieses ­System lässt sich bei Bedarf ohne ­Änderung der bestehenden Klassen um weitere, neue Klassen mit noch höheren Anforderungen an die Öle ­erweitern. In der nachstehenden ­Tabelle 2 sind die Leistungsklassen für Motorenöle der Vereinigung API angeführt. Hierbei wird zwischen Service-Klassen (S-Klassen) und Commercial-Klassen (C-Klassen) unterschieden; den Ersteren werden die Öle für Ottomotoren, den Letzteren jene für Dieselmotoren zugeordnet. Bei der Auswahl der Motorenöle sind die Mindestanforderungen seitens des Winzers zu beachten.

Die Vereinigung der Automobil- Ingenieure (SAE) führte Viskositätsklassen (von 0W-50) ein, um die Auswahl des richtigen Motorenöls für die verschiedenen Temperaturbereiche zu ermöglichen. Es gilt: Je höher die Kennzahl ist, desto zähflüssiger ist das Öl. Innerhalb der SAE-Viskositätsklassen wird zwischen Einbereichsölen – diese wiederum werden in Winteröle (z. B.: SAE 10W) und Sommeröle (z. B.: SAE 30) differenziert – und Mehrbereichsölen (z. B.: SAE 15W-50) unterschieden. Durch die Kombination von Viskositätsklassen können die genannten Mehrbereichsöle gebildet werden. Aufgrund ihres verbesserten Viskositäts-Temperatur-Verhaltens (Starterleichterung bei Kälte, Temperaturfestigkeit bei Hitze) ermöglichen sie einen Ganzjahresbetrieb.

Seit Jänner 1996 gelten die neuen Leistungsklassen der Association des Constructeurs Européens de l’Automobile (ACEA). In der geschaffenen Klassifizierung setzt die Vereinigung der europäischen Automobilkonstrukteure für die Verwendung von Motorölen in Pkw-Ottomotoren (Kennbuchstabe A), Pkw-Dieselmotoren (Kennbuchstabe B) sowie Nutzfahrzeug-Dieselmotoren (Kennbuchstabe E) Mindestanforderungen fest. Die Beschreibung der verschiedenen Klassen gibt Tabelle 3 wieder. Mit der High-Temperature-High-Shear-Viskosität (HTHS-Viskosität) wird die Viskosität des Schmieröles bei hoher Temperatur und gleichzeitiger Scherung bezeichnet. Verschiedene Fahrzeughersteller sowie die Vereini­gungen SAE und ACEA schreiben bestimmte Mindestviskositäten für Motorenöle bei einer Temperatur von 150 °C und einem Schergefälle (= Maschinenteilgeschwindigkeit dividiert durch Schmierfilmdicke) von 106 s-1 vor. Dadurch soll erreicht werden, dass sich auch im hohen Motordrehzahlbereich ein tragfester Schmierfilm aufbaut.

Im Vergleich zu den Motorenölen werden an die Getriebeöle zum Teil andere Anforderungen gestellt – beispielsweise muss ein Alterungsschutz über die gesamte Betriebszeit gegeben sein. Für die Klassifikation der Getriebeöle existieren neben API-Klassen auch SAE-Klassen (Tabelle 4). Allerdings entsprechen die SAE-Klassen nicht denen für Motorenöle (z. B.: Motoröl SAE 20 ist vergleichbar mit Getriebeöl SAE 80).
Um jedes Getriebe mit dem optimalen Getriebeöl zu versorgen, wurden unterschiedliche Öle dafür entwickelt. Die Leichtlauf-Getriebeöle stellen dünnflüssige Mehrbereichsöle mit einem hohen Viskositätsindex dar, z. B. das Getriebeöl SAE 75W-90. Eine Herabsetzung des Ölreibwertes ermöglicht ein leichteres Betätigen der Schaltgetriebe. Bei Achsgetrieben sind hochadditivierte Öle mit großem Lasttrageverhalten erforderlich, damit ein Wegdrücken des Schmierfilms zwischen den Zähnen ver­hindert wird. Gegenüber den Schaltgetriebeölen zeichnen sich Auto- matikgetriebeöle durch diverse Spezifikationen aus. Es handelt sich um Getriebeöle mit einer niedrigen Viskosität, jedoch einem hohen Viskositätsindex (siehe Info). Ihre Mindest­anforderungen werden durch die jeweiligen Hersteller definiert.
 

Einteilung der Schmierfette

Die Schmierfette werden nach ihrer Verformbarkeit in unterschiedliche NLGI-Konsistenzklassen ein­geteilt – NLGI bedeutet National ­Lubricating Grease Institute. Zur Ermittlung der Konsistenz wird der Wider­stand einer Schmierfettprobe gegen seine Verformung gemessen. Der Tabelle 5 können zur jeweiligen Konsistenzklasse die Eigenschaften der Schmierfette und deren Verwendung entnommen werden. Bei der Kennzeichnung von Schmierfetten wird ebenfalls die NLGI-Klasse angegeben; dazu ein Beispiel: K PF 2 K -30. Hierbei bedeuten der Reihenfolge nach: K = Wälzlager, P = EP/AW-Zusätze, F = Festschmierstoff, 2 = NLGI-Klasse (Abschmierfett), K = obere Einsatztemperatur (120 °C), -30 = untere Einsatztemperatur (°C). (EP = Extreme Pressure, Hochdruck; AW = Antiwear, Antiverschleiß).

Grundsätzlich erfolgt die Auswahl von Schmierfetten nach der Betriebstemperatur und der Beanspruchung in den Maschinenteilen. In der weinbaulichen Praxis wird hauptsächlich Lithiumseifenfett verwendet. Diese Schmierfettart ist wasserbeständig, thermisch hoch belastbar und weist einen Einsatztemperaturbereich von –20 bis 130 °C auf. Daneben spielen auch das Kalziumseifenfett, welches ebenfalls wasserbeständig, aber thermisch nur gering belastbar ist (Temperaturbereich: –40 bis 60 °C), sowie das nicht wasserbeständige Natriumseifenfett mit einer maximalen Einsatztemperatur von 100 °C eine Rolle. Liegt die vorgegebene Dauertemperatur oberhalb von 130 °C, dann kommen sogenannte Hochtemperaturfette zum Einsatz. Sie werden in das Komplexseifenfett für Nutzfahrzeug-Achsen sowie in das Gelfett bzw. Bentonitfett für Heißlager und Zahnräder unterschieden. Im Falle des Auftretens hoher Drücke stehen Extreme-Pressure-Schmierfette (EP-Schmierfette) dem Winzer zur Ver­fügung.
 

Resümee

Schmierstoffe werden in weinbaulichen Nutzfahrzeugen zur Verwirklichung unterschiedlicher Funktionen eingesetzt. Sie haben im Wesent­lichen dafür zu sorgen, eine Gleit­bewegung von Maschinenteilen in einem Schmierfilm zu ermöglichen. Dadurch werden sowohl die Reibung als auch der Verschleiß als Verlustgrößen im Nutzfahrzeugsystem reduziert. Um das unmittelbare Berühren von bewegten Teilen zu verhindern, werden meist Schmieröle bzw. Schmierfette auf Mineralölbasis verwendet. Je nach Anwendungsbereich sind die Anforderungen an Schmierstoffe sehr unterschiedlich, was eine Anpassung der jeweiligen Eigenschaften erforderlich macht.

Ein wesentliches Merkmal von Schmierölen bildet deren Viskosität, welche die Zähflüssigkeit beschreibt. Sie kann über die Ausflusszeit einer festgelegten Schmierölmenge aus einem Normgefäß bestimmt werden. Da sich die Viskosität eines Öles mit der Temperatur ändert, muss in Abhängigkeit der Betriebstemperatur das entsprechende Öl eingesetzt ­werden. Nach den Festlegungen der diversen Automobil-Vereinigungen (API, SAE, ACEA) erlauben die einzelnen Leistungsklassen eine Zu­ordnung des Schmieröls zu einem ­bestimmten Anwendungstemperaturbereich. Losgelöst von diesem Klassifizierungssystem werden die heute auf dem Markt angebotenen Öle seitens der Hersteller auf ihre Eignung überprüft. In der weinbaulichen Praxis empfiehlt es sich, nur jene Schmieröle zu verwenden, welche auch die Herstellerspezifikationen erfüllen. Gegebenenfalls sollte sich der Winzer diese vom Öllieferanten bestätigen lassen.
 

Viskosität

Der Begriff „Viskosität“ (Zähflüssigkeit) umschreibt allgemein die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit – physikalisch gilt: je höher die Viskosität, umso zähflüssiger die Flüssigkeit. Es existieren zwei Maßzahlen für die Viskosität, nämlich die dynamische Viskosität n (Einheit: Pa.s) und die kinematische Viskosität v (Einheit: m2/s). Sie sind über die Gleichung n = pFl . v miteinander verknüpft (pFl = Dichte der Flüssigkeit).

Innerhalb der Schmierstoffthematik wurde die Viskosität als Maß für die Zähflüssigkeit des Schmier­stoffes festgesetzt und spiegelt die innere Reibung des Schmierstoffes, welche zwischen den Schmierstoffmolekülen stattfindet, wider. Je nach Schmierstoff ist die Viskosität unterschiedlich groß; sie nimmt mit steigender Temperatur ab. Für den Einsatz in Maschinen ist der Schmierstoff am besten geeignet, welcher die Viskosität über einen größeren Temperaturbereich konstant hält (Viskositäts-Temperatur-Verhalten). Angegeben wird dieser Zusammenhang durch den sogenannten Viskositätsindex, welcher aus der Neigung einer Kennlinie in einem Viskositäts-Temperatur-Diagramm errechnet wird. Umso größer der Zahlenwert ist, desto besser können die gestellten Anforderungen an einen Schmierstoff erfüllt werden. Beispielsweise haben gute Mineralöle einen Viskositätsindex zwischen 90 und 100, synthetische Kohlenwasserstoffe erreichen dagegen sogar einen Index von 120 bis 150. Mit ­solchen Schmierölen werden auch bei modernen Hochleistungsmotoren sowohl ein guter Kaltstart als auch der Aufbau eines tragenden Schmierfilms im Hochtemperaturbereich ermöglicht.