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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der dynamischen Zähigkeit
von konsistenten Schmiermitteln Es besteht bisher kein eindeutiges und praktisch
brauchbares Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Zähigkeit von konsistenten
Schmiermitteln.
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Durch die Prüfung der Penetration nach ASTM kann zwar ein gewisser
Konsistenzgrad von konsistenten Schmiermitteln, gemessen in 1/lao mm, festgestellt
werden, jedoch gibt ein derartig ermittelter Konsistenzgrad noch keinen Aufschluß
über die dynamische Zähigkeit des betreffenden Schmiermittels. So kann z. B. ein
konsistentes Schmiermittel einerseits auf einer Ölgrundlage von 2° E/50° C aufgebaut,
andererseits aber auch mit einem 01 von 30° E/50° C zusammengestellt sein und trotzdem
bei der Prüfung der Penetration gleiche Werte zeigen. Beide Schmiermittel sind jedoch
in ihren Schmiereigenschaften dynamisch stark unterschiedlich. Das Drehmoment und
die damit erreichbaren dynamischen Werte sind entscheidend, wie hoch z. B. die Drehzahl
eines Kugellagers gesteigert werden kann oder aber auch, wie sich die Zügigkeit
auf konsistenten Schmiermitteln z. B. an Objektiven, Tubussen und sonstigen Gleitflächen
verhält. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Bestimmung der
dynamischen Zähigkeit von konsistenten Schmiermitteln zu schaffen, welches praktisch
ausreichend genaue und zuverlässige Werte ergibt und mit einfachen Mitteln durchführbar
ist.
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Nach dem Verfahren der Erfindung wird die dynamische Zähigkeit von
konsistenten Schmiermitteln in der Weise bestimmt, daß der innere oder äußere Ring
eines mit dem zu prüfenden Schmiermittel versorgten Kugellagers einem vorgebbaren
äußeren Drehmoment ausgesetzt und die für eine bestimmte Zahl von Umdrehungen des
Lagerringes erforderliche Zeit beobachtet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
vorteilhaft in der Weise weiter ausgestaltet werden, daß das Drehmoment durch Belastung
eines auf das Kugellager wirkenden Fadenantriebs mit Gewichten ausgeübt und die
Zeit bestimmt wird, die die Lastschale des Fadenantriebs zum Durchlaufen einer konstanten
Wegstrecke benötigt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Untersuchung
und Bestimmung der dynamischen Zähigkeit von konsistenten Schmiermitteln unter praxisnahen
Bedingungen und unter Verhältnissen, die mit den betrieblichen Anforderungen von
Wälzlagern übereinstimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt daher ausreichend
genaue vergleichbare und für die praktische Auswahl eines konsistenten Schmiermittels
für die jeweiligen Betriebsbedingungen brauchbare Ergebnisse. Wesentlich ist dabei,
daß es das erfindungsgemäße Verfahren er-
möglicht, nicht nur eine stets gleiche
und genau bemessene Fettstoffmenge der Untersuchung zugrunde zu legen, sondern auch
zur Ermittlung einwandfreier Vergleichswerte zunächst einen Gleichgewichtszustand
in den Bedingungen des zu untersuchenden Fettes herzustellen, indem das betreffende
mit dem zu untersuchenden Fett versorgte Kugellager zunächst beispielsweise dreimal
den entsprechenden Drehmomenten ausgesetzt wird, um diesen Gleichgewichtsstand zu
erzielen, und erst dann die nächsten Werte der Bestimmung der dynamischen Zähigkeit
zugrunde gelegt werden. Hierbei haben sich sehr überraschende Ergebnisse gezeigt,
welche unter anderem ergeben, daß Fette, bei denen nach der Penetration ASTM gleiche
Werte ermittelt wurden, hinsichtlich der durch die Erfindung ermittelten dynamischen
Zähigkeit um das 10fache voneinander abweichen können. Die durch die Erfindung ermöglichte
genaue Bestimmung der dynamischen Zähigkeit von konsistenten Fetten ist nicht nur
für die Auswahl von geeigneten Fetten für hochbelastete Wälzlager, sondern auch
insbesondere für die Auswahl von Schmierfetten in der Fernmelde-, Ton-und Fernsehtechnik,
Feinmechanik sowie in der llhrenindustrie und optischen Industrie von außerordentlicher
praktischer Bedeutung.
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Es ist zwar bereits bekannt, die Viskosität von Schmierstoffen nach
der Rotationsmethode zu bestimmen, bei der ein in dem betreffenden Schmierstoff
umlaufendes Rührwerk benutzt wurde, auf welches durch Gewichtsbelastung ein Drehmoment
ausgeübt wurde. Für die Bestimmung der dynamischen Zähigkeit von konsistenten Schmierstoffen
sind derartige Rotations-Viskosimeter nicht brauchbar, da bei Rührwerken ein Zustand,
welcher bei allen Fetten gleichbleibend und gleichartig ist und einwandfrei vergleichbare
Werte erzielen läßt, nicht erreichbar ist, zumal ein Rührwerk in einem konsistenten
Fett sehr schnell einen Hohlraum schlägt, so daß die hieran anschließenden Messungen
schon völlig unbrauchbar werden.
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Diese Nachteile waren auch bei einer weiteren bekannten Vorrichtung
nicht zu vermeiden, bei der der Rücklauf eines in die untersuchende Flüssigkeit
eintauchenden Drehkörpers als Grundlage für die Messung benutzt werden sollte.
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Schließlich ist es auch bereits bekannt, die Eigenschaft von Schmierölen
durch Untersuchung eines Gleitlagers mit Hilfe von Schwungmassen nach der Auslaufmethode
zu bestimmen. Ein Gleitlager ermöglicht jedoch bei derartigen Untersuchungen nicht
ohne weiteres die Verwendung stets gleicher Fettmengen, und während das bekannte
Verfahren zur Untersuchung von Schmierölen die Auslaufmethode als Grundlage für
die Messung benutzt, bei welcher die abnehmende Umdrehungszahl einer in Umdrehung
gesetzten Schwungscheibe und die Ablaufzeit bestimmt wird, werden bei der Erfindung
unmittelbar das ausgeübte Drehmoment, die Zeit der Ausübung des Drehmoments und
die dabei zurückgelegte Wegstrecke (des Kugellagers bzw. des Gewichtes) als Meßgrößen
ermittelt. Bei Ölen ist darüber hinaus die Zähigkeit unabhängig von Drehzahl bzw.
vom Geschwindigkeitsgefälle, während bei Fetten, welche bekanntlich nicht der Newtonschen
Gleichung gehorchen und pseudoplastische Stoffe darstellen, die Zähigkeit vom Geschwindigkeitsgefälle
stark abhängig ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also beispielsweise bei
einem auf einer Welle angeordneten Kugellager auf die Welle durch Gewichtsbelastung
ein Drehmoment ausgeübt werden, welches gerade so groß ist, daß es die Reibung der
Ruhe überschreitet, und dann die Zeit der Auswirkung dieses Drehmomentes über eine
konstante Wegstrecke als Meßgröße bestimmt werden. Zweckmäßig kann dabei das Verfahren
derart durchgeführt werden, daß die Zeit bestimmt wird, in der die mit Gewichten
belastete Gewichtsschale eine bestimmte Wegstrecke bei ihrer Abwärtsbewegung durchläuft.
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Gegenstand der Erfindung ist fernerhin noch die Ausgestaltung und
der Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des ihr zugrunde liegenden Meßverfahrens.
Eine derartige Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem mit dem zu prufenden
Schmiermittel zu versorgenden Kugellager auf einer Welle, die eine Spule trägt,
von welcher ein mit einer Gewichtsschale belasteter Faden abläuft.
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Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung zeichnen sich durch
besondere Einfachheit der Durchführung und Ausbildung aus. Allgemein liegen der
Erfindung folgende mathematische Beziehungen zugrunde : Die Meßmethode nach der
Erfindung ist auf dem fundamentalen mathematischen Ausdruck der dynamischen Zähigkeit
(Q) aufgebaut, wobei es sich hier
nur um eine relative Meßmethode handeln soll, deren
Maß in » reinviskosen « Werten angegeben wird. Allgemein gilt :
(dyn s/cm2) Poise.
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P/F = Schubspannung (dyn/cm2), P= Kraft, F= Fläche ; v/h = Geschwindigkeitsgefälle
(Sek.-1), v = Geschwindigkeit ; h = Abstand der beiden bewegten Flächen bzw.
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Schmiermitteldicke ;
Weg a Zeit t Zeit t-Arbeitet die Meßmethode mit gleichbleibender Flächengröße (F)
sowie Ablaufhöhe bzw. Weg (a) und Abstand (h), so ist der Ausdruck -= K (Apparatekonstante).
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F-a Es ergibt sich dann der vereinfachte Ausdruck der dynamischen
Zähigkeit ==K-P-.
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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben eine
Eichkurve, die ab 100 cP bzw.
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200 (gs) eine Gerade ergibt. Das System wird mit zwei blen mit bekannter
Zähigkeit, deren Werte über 100 cP liegen, geeicht.
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Der ermittelte graphische Wert ergibt gs = y = 1, 25x + 135.
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Demnach kann die dynamische Zähigkeit nach der für das vorliegende
Gerät gültigen Gleichung y - 135 gs - 135 # = x = = 1,25 1,25 ermittelt werden.
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Gemessen wird an dem System jeweils die Kraft (P) in Gramm, sowie
die Zeit (t) in Sekunden, wobei sich die Gramm-Sekunden ergeben (gs).
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind aus der Zeichnung
ersichtlich, in welcher die Erfindung beispielsweise erläutert ist. Es zeigt Fig.
1 den allgemeinen Gesamtaufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des der Erfindung
zugrunde liegenden Verfahrens.
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Fig. 2 einen Teil der Vorrichtung im vergrößerten Maßstab und teilweisen
Längsschnitt, Fig. 3 eine Draufsicht zu Fig. 2,
Fig. 4 eine nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise ermittelte Eichkurve und Fig. 5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung.
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Für die Messung wird ein einwandfreies Kugellager 1 (Radial-bzw.
Axiallager) verwendet. Das Lager 1 muß jeweils vorher mit filtrierten Lösungsmitteln
gereinigt werden. Mittels eines kleinen Spatels wird nur zwischen Käfig und Außenring
bzw. Käfig und Innenring so viel Schmiermittel (in jeweils gleicher Menge) eingebracht,
daß das durchgedrehteLager bzw. die Kugel mit einem Fettfilm umgeben sind. Das Lager
1 wird auf einen konischen Teil 2 einer Welle 3, die an ihrem oberen Ende mit einem
Spulenkörper 4 versehen ist, aufgesetzt und in einem sich nach unten verjüngenden
Zylinder 5 eingeführt. Auf das Lager 1 wird so jeweils eine gleichmäßige Kraft durch
das Gewicht der Welle 3 und der Aufrollvorrichtung 4 ausgeübt. Eine Schale 6, die
an einem aufgewickelten Faden (bzw. Nylongarn), der über eine kugelgelagerte Rolle
7 läuft, aufgehängt ist, wird durch Auflegen von Gewichten belastet. Für den Vergleich
verschieden, er Fette wird eine immer gleiche Ablaufgeschwindigkeit von beispielsweise
1 Umdr./Sek. zugrunde gelegt. Bei dieser Drehzahl treten keine Thioxotropieerscheinungen
des Schmiermittels in meßbarer Größe auf. Die Zeit in Sekunden wird zwischen zwei
Marken 8 und 9, deren Abstand (a) etwa 40 cm sein soll, gemessen. Die ersten zwei
bis drei Messungen werden nicht gewertet, da das Schmiermittel erst im Lager 1 gleichmäßig
verteilt werden muß. Die anschließenden Messungen, wobei jeweils das Lager zurückgedreht
wird, liegen meist auf 1 Sekunde genau beisammen.
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Sollte sich beim Abrollen des Lagers 1 bzw. der Ablaufzeit eine Unstetigkeit
zeigen, so ist das Lager 1 oder das Schmiermittel verunreinigt. Es ist dann zweckmäßig,
das Lager nochmals sorgfaltig mit filtrierten Lösungsmitteln mittels Pinsel zu reinigen.
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Mittels einer Eichkurve (Fig. 4) werden die ermittelten gs (Gramm-Sekunden)
dann in cSt bzw. cP abgelesen. Da die Eichkurve ab 200 (gs) linear verläuft, kann
von dieser Größe ab der sy-Wert berechnet werden. Die Eichkurve muß für jedes neue
Prüflager oder nach jeder sonstigen Veränderung des Meßsystems neu ermittelt werden,
da die Apparatekonstante von diesen Faktoren abhängig ist. Für die Umlenkung des
Fadens wird eine kugelgelagerte Rolle 7 eingesetzt, die mit einem dünnen Ö1, z.
B.
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Esteröl (Viskosität etwa 1, 6° E/50), geschmiert wird.
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Die dynamischen Zähigkeiten bzw. Viskositäten können dann unterl,
6° E=7, 5 cStoder7, 5 d (Dichte) =cP nicht gemessen werden. Um z. B. das Schmiermittel
bei 20°C genau zu messen, können das Fett und Meßsystem mittels eines Temperiergefäßes
10 und
eines Thermostaten auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Zur Ermittlung
annähernder Meßergebnisse kann notfalls auch ohne Temperiergefäß bei möglichst gleichen
Raumtemperaturen gearbeitet werden.
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Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach
der Erfindung, welche insbesondere fUr die Messung von niedrigen dynamischen Zähigkeiten
geeignet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Lager 1 zwischen dem konischen
Dom 2 und der Innenwandung der Spule 4 angeordnet, und der auf der Spule 4 aufgewickelte,
gewichtsbelastete Faden läuft unmittelbar durch eine Schlitzöffnung des die Spule
4 umgebenden Gehäuses nach unten ab. Die Rolle 7 mit den ihr verbundenen Fehlerquellen
kommt also bei dieser Ausführungsform der Erfindung in Fortfall. Die Genauigkeit
der Messung wird also bei diesem Ausführungsbeispiel erhöht und Fehlerquellen weitgehend
ausgeschlossen.