DE2506735C2

DE2506735C2 - Verwendung von Flüssigkeiten mit einem Gehalt an Cyclohexylverbindungen als Schmiermittel für Wälzlager

Info

Publication number: DE2506735C2
Application number: DE2506735A
Authority: DE
Inventors: Richard Logan St. Louis Mo. Green; James Calvin Creve Coeur Mo. Wygant
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1974-02-19
Filing date: 1975-02-18
Publication date: 1982-09-16
Also published as: JPS50118170A; SE395910B; FR2261334A1; GB1503591A; SE7501747L; JPS6132357B2; CA1033708A; AU7831375A; DE2506735A1; IT1031813B; FR2261334B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen hinsichtlich der Ermüdungsgrenze bzw. Dauerfestigkeit von Antifriktionslagern, z. B. Wälz- und Kugellagern, sowie der elastohydrodynamischen (EHD-)Schmierung durch die Verwendung bestimmter Flüssigkeiten, die dickere elastohydrodynamische Filme liefern und daher eine Randschmierung vermeiden, und, da sie zu einer erhöhten Lagerdauerfestigkeit beitragen, die Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit erhöhen.

Bei fehlerfrei hergestellten, richtig installierten und geichmierten Wälzlagern wird die Gebrauchsdauer der Lager im allgemeinen durch die Materialermüdung der miteinander in Kontakt stehenden Führungs- bzw. Laufbahnen und der sich drehenden Elemente bestimmt. Der Zeitpunkt, bei dem diese Ermüdung eintritt, ist abhängig von der Größe der Belastung und der tatsächlichen Zahl der Lasteinsätze oder Lastwechsel bei der Ausfall- bzw. Bruchstelle.

An vielen Lagern unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen durchgeführte Ermüdüiigsuntersuchuhgen bilden die Grundlage für fortschrittliche Belastungsbewertungen durch die verschiedenen Lagerhersteller, Diese Bewertungen beruhen immer auf einem bestimmten Prozentsatz Gebrauchserwartung bzw. Nutzutigsdauer. Eine weitgehend verwendete Bewertung ist die

»Bio-Haltbarkeit« eines Wälz- bzw. Antifriktionslagers. Die Bio-Haltbarkeit wird in Zeiteinheiten, gewöhnlich in Stunden, angegeben und bedeutet, daß 90% einer gegebenen Menge von Lagern einer bestimmten Art die festgestellte Haltbarkeit bei den vorgeschriebenen Bedingungen, nämlich: Geschwindigkeit, Schmiermittel, Temperatur und Last oder Belastung, überschreitet

Es ist bekannt, daß das Schmiermittel selbst einen signifikanten Einfluß auf die Dauerfestigkeit eines Wälzlagers hat Moderne Schmiermittel lür Hochleistungskugel- und -wälzlager verwenden häufig hochraffinierte Mineralöl-Basismaterialien, denen Mehrzweckadditive zugegeben werden. Basismaterialien aus bestimmten synthetischen Flüssigkeiten, gewöhnlich Ester, sind ebenfalls als Lagerschmiermittel bekannt Es besteht jedoch ein Bedarf an Schmiermitteln, welche die Dauerfestigkeit der Lager noch über den Zeitraum hinaus verlängern, der durch die meir:.n derzeitig bekannten synthetischen Schmiermittel- oder Mineralölformulierungen zu erreichen ist.

Wenn die sich drehenden Elemente eines Kugel- oder Wälzlagers tatsächlich durch einen eiabtunydrudynamischen Schmierfilm getrennt werden, kann eine sehr viel längere Gebrauchsdauer des Lagers erwartet werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß viele EHD-Filme hydrodynamisch aushungern und daher dünner sind, als dies nach den theoretischen elastohydrodynamischen Werten zu erwarten ist. Die hydrodynamische Aushungerung kann zu einem Kontakt zwischen Metall und Metall von einander gegenüberstehenden Oberflächenrauhigkeiten bzw. -Unebenheiten von Führungsbahnen und Walzt· elementen der Lager führen. In vielen Fällen können daher solche dünne EHD-Filme die normale Gebrauchsdauer des Lagers beeinträchtigen In anderen Fällen können jedoch solche Filme toleriert werden, selbst wenn derartige Oberflächenrauhigkeiten im Spiel sind weil bei einigen Schmiermitteln Additive verwendet werden, die mit dem Metall unter Bildung metallorganischer Schutzfilme reagieren. Durch derartige Additive wird jedoch gewöhnlich die oxidative Stabilität des Schmiermittels verringert. Weiterhin können zwar bestimmte, in Schmiermitteln brauchbare Antiabriebadditive anfangs den Lagerabneb verringern, jedoch kann dies andererseits bei längerer Verwendung zu einem korrosiven Verschleiß der Wälzlagermetalle führen.

F.HD-Filme mit ungenügender Dicke sind beispielsweise bei Kugellagern anzutreffen, wie sie in Trägheitskreiseln verwendet werden. Das Arbeiten der Lager der Kreiseidrehachse bei niedrigen Ger hwindigkeiten hat eine Lageraushungerung unter Abnahme der Dauerfe-M'gkeit zur Folge. Die angegebenen Lager haben hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten. ?.. B. über 20 000 UpM Die schädliche Aushungerung tritt jedoch häufig bei sehr niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten auf. bei denen sich kein ausreichender EHDFiIm entwickelt hat

Für bestimmte Lager für Spezialzwecke wird eine erhöhte Dauerfestigkeit angestrebt, gegebenenfalls zu Lasten eines höheren Mitzieh-Reibungsdrehmoments, das durch das Schmiermittel selbst verursacht wird. Obgleich ein besonderes Schmiermittel !eicht höhere Mitziehdfehverluste durch Durcheinanderwirbeln, Flüs* sigkeitsschefkfäfte, dynamische Reibung usw. verursa* chen kann, wird es dennoch ein erwünschtes Schmiermittel sein, wenn die Dauerfestigkeit zu Lasten anderer Eigenschaften erhöht wird. Hochleistungskreisellager sind für eine solche spezialisierte Verwendung typisch. Lager, die in drallstabilisierten Nachrichtensatelliten

verwendet werden, sind ein weiteres Beispiel, Es wurde daher gefunden, daß sogar die modernen Mineralölformulierungen bei SpezialVerwendungen EHD-Filmdikken an der untersten Grenze aufweisen können.

Aus der DE-AS 16 44 926 ist die Verwendung einer organischen, kondensierten, gesättigten Verbindung, bestehend aus 2 bis 9 kondensierten Ringen mit insgesamt 9 bis 60 Kohlenstoffatomen, wobei bis zu 8 dieser Atome durch Sauerstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und/oder Siliciumatome ersetzt sein können, oder einer Mischung solcher Verbindungen, gegebenenfalls zusammen mit üblichen Zusatzstoffen als Mitziehflüssigkeit, u. a. für Mitziehantriebe unter Verwendung von Kugeloder Rollenlagern bekannt. Die DE-AS 19 25 826 beschreibt die Verwendung überlegener synthetischer Kohlenwasserstoffflüssigkeiten in Vorrichtungen, in welchen mechanische Kräfte übertragen oder absorbiert werden, z. B. in automatischen Kraftübertragungsvorrichtungen, hydraulischen Systemen, Stoßdämpfern, hydraulischen Steuervorrichtungen, Kupplungen und anderen mechanischen Vorrichtungen als Kraftübertragungsflüssigkeiien nut verbesserten Schinicrcigcnäühdften. Diese flüssigen Kohlenwasserstoffe sind durch eine Tetraalkyl-substituierte Alkylengruppe verbundene Dicyclohexylverbindungen, wobei jeder der Cyclohexylringe einen Alkylsubstituenten haben kann. Ferner werden in der US-PS 36 52 418 funk'ionelle Flüssigkeiten für Mitziehantnebe beschrieben, die cycloaliphatische Verbindungen, nämlich 30 bis 60 Gewichtsprozent hydriertes Dicumyl, 30 bis 60 Gewichtsprozent Tercyclohexyl und zumindest 5 Gewichtsprozent Dicyclohexyl oder ein Ci _4- !kyldicyclohexyl enthalten. Aus der DE-PS 15 94 368 ist die Verwendung von Cyclohexyiverbindungen, deren Cyclohexylringe durch Äthergruppen verbunden sind, als SchmierPussig^it für Lager mit hohen Laufgeschwindigkeiten, insbesondere hochbelastete Speziallager. bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Verwendung von Flüssigkeiten als Schmiermittel für Wälzlager vorzuschlagen, welche die EHD-Filmdicke und die Dauerfestigkeit von Wälzlagern im Vergleich zu typischen Mineralölschmiermitteln erhöhen, wobei die Flüssigkeiten stabil sein und ähnliche Viskositäten wie die bisher verwendeten Mineralöle, aber mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Lagerfestigkeit, zeigen sollen. Weiterhin sollen die verwendeten Flüssigkeiten bei langsamen Arbeitsgeschwindigkeiten dickere EHD-Filme sicherstellen und dadurch das Aushungern vermeiden und den Abrieb der Führungs- bzw Laufbahnen verringern helfen. Außer dem sollen die vorgeschlagenen Flüssigkeiten beim Anlaufen bei einer gegebenen Schmiermmelmenge in dem Lagerraum dickere EHD-Filme ausbilden, die auch eine außergewöhnlich gute Aufrechterhaltiing der EHD-Filmdicke bei Lagerstillsland während der Ände rung der Drehnchtung gewährleisten, und die ferner noch ähnliche Viskositäten wie Antiabriebadditive enthaltende Mineralöle zeigen, jedoch mit dickeren EHD-Filmen.

Es wurde gefunden, daß die Verwendung einer bestimmten KJasse von synthetischen Flüssigkeiten, bestehend aus einer oder mehreren Cyclohexylverbin* düngen mit zwei oder mehr Cyclöhexylringeil, die kondensiert oder verkettet sind öder die durch eine oder mehrere Ci-Ci6-Alkylen* oder Carboxygruppen verbunden sind, wobei jede der Verbindungen 10 bis 70 Kohlenstoffatome aufweist, als Schmiermittel für Wälzlager erhebliche Vorteile mit sich bringen, weil hierdurch gegenüber herkömmlichen Mineralöl- und synthetischen Flüssigkeits-Basismaterialien unerwartet verbeiiserte EHD-Filmdicken und überlegene Dauerfestigkejten erzielt werden.

Bevorzugt verwendet man gemäß Erfindung solche Flüssigkeiten, die aus Verbindungen mit 2 bis 6 Cyclohexylringen bestehen. Auch Flüssigkeiten mit Verbindungen mit 2 bis etwa 6 Cyclohexylringen sind vorteilhaft einsetzbar.

ίο Es wird ferner bevorzugt. Flüssigkeiten, bestehend aus einem hydrierten Dimeren oder Trimeren von a-Alkylstyrol oder deren Gemische als Schmiermittel für Wälzlager zu verwenden. Obgleich die Alkylgruppe des a-Alkylstyrols 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthalten k.jnn, wird es im allgemeinen bevorzugt, daß diese ALylgruppe eine Äthyl- oder Methylgruppe ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man auch Flüssigkeiten, bestehend aus einem hydrierten Dimeren oder i'rimeren von a-Methylstyrol verwenden.

Darüber hinaus kann man auch erfindungsgemäß Flüssigkeiten, iie nicht mehr als 20 Gewichtsprozent von cyclischen! Dimeren von a-Methylstyrol enthalten, als Schmiermittel für Wälzlager einsetzen.

Auch die Verwendung von Flüssigkeiten, enthaltend ein hydriertes Dimeres. welches im wesentlichen aus 90 bis 100 Gewichtsprozent hydriertem Iinea.-en Dimeren von ^ Methylstyrol und 0 bis 10 Gewichtsprozent hydriertem cyclischen Dimeren von a-Methylstyrol

in besteht, hat sich gemäß Erfindung als vorteilhaft herausgestellt. SchliePlich kann man erfindungsgemäß auch Flüssigkeiten, die 60 bis 95 Gewichtsprozent hydriertes lineares Dimeres von a-Methylstyrol und 5 bis 40 Gewichtsprozent hydriertes lineares Trimeres

r, von ft-Methylstyol enthalten, als Schmiermittel für Wälzlager verwenden.

Die bevorzugten Dimeren und Trimeren sind demgemäß hydrierte lineare oder cyclische Dim^-re oder Tnmere von Λ-Methylstyro! und a-Älhylstyrol,

4(i hydrierte lineare Codimere vcn Λ-N.rthylstyrol und a-Äthylstyrol und deren Gemische.

Als Beispiele für verkettete und über Brücken verbundene Cyclohexylverbindungen sind außer den oben erwähnten vAlkylstyroldimeren und -trimeren zu

4i erwähnen:

Dicyclohexyl.

4-Jl -MethyläthylJ-dicyclohexyl.

4.'t'-Bis(l-methyläthyl)-dicyclohexyl,
v> x-lsohexyM'-isopropyldicyclohexyl,

x-Cyclopentyldicyclohexyl.

Dicyclohexylmethan.

(xÄthylcyclohexyl)-cyclohexylmethan.

[x Cvclohexyl-(l-methyläthyl)]-cyclohexylmethan.
5i Bis( 2.4.6- trimethylcyclohexyl)-methan,

1.1- Dicyclohexyläthan.

1.1 J-Tricyclohexylpropan.

1.2. S-Tricyclohexylpropan.

Trimethylolpropantricyclohex.incarboxylat,
1,2-Tercyclohexyl,

1,3-Tercyclohexyl,

x^( 1,1 -Dimethylbu tyl)· 1,3-tercycIohexyl,

X^j(l,l-Dimethylbutyl)-l,2-tercyclohexyl,

l.S-Isopropyltercyclohexyl,
l^-Isopropyltercyclohexyl,

Bis(l,3-cyclohexyloxy)-cyclohexan,

l,K*Bis(methylcyclohexyI)-cyclohexan,

D'icyclohexylcyclöhexan-13-dicarböxylat,

10

15

20

x,x'-Quatereye|ohe>-,yI,

Tricyclohexylmethan,

Bis-,cis- und trans-U-CycIohexylcycIo-

hexandicarboxylat,
l.l-Dicyclohexyl^-methylpropan, l,l-Dicyclohexyl-2-rnethylbutan, 1,1 -Dicyclohexyl^^-dimethylhexan, l.l-Dicyclohexylpertan,
1,2-DryclohexyIpropan,
l,2-Di(x-äthylcycIohexyl)-propan, 2,2-DicyclohexyIpropan,
2,3-D!cyclohexyl-23-dimethylbutan, l^-DicycIohexyl^-methylbutanund t.S-DicycIohexylbutan.

Eine besonders bevoi zugte Klasse derartiger Verbindungen sind Dicyclohexyl, Alkyldicyclohexyl, Tercyclohexyi, Alkyltercyclohexyl, Quatercyclohexyl, Quinquecyclohexyl, 2,3-DicyclohexyI-2,3-dimethyIbutan und deren Gemische, worin die Alkylgruppe 1 bis etwa 18 Kohlenstriffatome enthält.

Als Beispiele ringkondensierter Cyc'ohexyiverbindungen und Verbindungen mit Strukturen, die Kombinationen von kondensiert-verketteten- und/oder durch Brücken verbundenen Cyclohexylgruppen aufweisen, sind zu erwähnen:

cis-Decalin, trans-Decalin,

2,3- Dimethyldecalin,

Isopropyldecalin,

tert.-Butyldecalin.

Perhydrofluoren,

Perhydrophenanthren,

Perhydromethylcyclopentadientrimeres, Perhydrocyciopentadientrimeres, Perhydrofluoranthen,

1 -Cyclohexyl-1.3.3-trimethylhydrindan, x-Hexylperhydrofluoranthen,

x-CycIohexylperhydrofluoranthen, Poly(äthyl-1 -methyl)-perhydrofluoranthen, x-lsopropylperhydrofluoranthen, x-Cyclohexylperhydrofluoren,

x- Isododecylperhydrofluoren,

1 -Cyclohexyldecalin.

2-(Cyclohexyl-x-methyl)-bicyclo(2,2,l)-heptan, Perhydropyren,

Äthylenperhydrofluoren,

Perhydroanthracen,

Bis-2-decalin.

1-Cyclohexyldecalin.

2-Cyclohexyldecalin,

Dimethylcyclohexyldecalin,

4,5-Methylenperhydrophenanthrenund Cyclohexyldeeahydronaphthyläther.

Die besonders bevorzugte Klasse derartiger Verbin- 5·; düngen sind Decalin. Cyclohexyldecalin, alkylsubstituiertes Decalin alkylsubstituiertes Cyclohexyldecalin und Gemische derselben, worin die Alkylgruppe 1 bis etwa Kohlenstoffatome enthält.

Außer den oben angegebenen Basismaterialien des Cyeiohexyltyps können die in der Vorliegenden Erfindung verwendeten Basismaterialien geringe Mengen anderer Schmiermittel enthalten, beispielsweise paraffinische und naphthenische Erdöle, C2_5-Polyolefine und synthetische Schmiermittel, wie Mono- und Dicarbonsäureester. Die Brauchbarkeil der vorliegenden Erfindung wirr¹· durch Zugabe geringer Mengen derartiger, nicht entscheidender Bestandteile zu der

30

35

40

45

50 Cyclohexylverbindung, welche die Hauptkomponente darstellt, nicht beeinträchtigt. Es wurde gefunden, daß beispielsweise hydriertes Polyisobutylen ein überlegener Mischbestandteil ist

Lineare Dimere von a-Alkylstyrol können dadurch hergestellt werden, daß man «-Alkylstyrol-Monomere nach bekannten Verfahren polymerisiert Zu besonders bevorzugten Monomeren gehören a-Methylstyrol, a-Äthylstyrol und die ringsubstituierten Monomeren, wie Methyl-Ä-methylstyrol, Methyl-a-äthylstyrol, Äthyla-methylstyrol, Äthyl-a-äthylstyrol, Isopropyl-Ä-methylstyrol, Isopropyl-a-äthylstyrol und dergleichen.

a-Alkylstyrole lassen sich leicht zu den entsprechenden ungesättigten Dimeren polymerisieren, indem man Monomere von «-Alkylstyrol mit einer kleinen Menge, wie beispielsweise 5 Gewichtsprozent oder weniger, eines Katalysators, z. B. ein Gemisch von Phosphoroxyhalogenid und einer geringen Menge einer starken Mineralsäure, in Kontakt bringt.

Der Katalysator kann ein Gemisch von Phosphor oxychlorid oder Phosphoroxybiomid und einer starken Mineralsäure, wie Salzsäure, Brom wasserstoffsäure. Orthophosphorsäure, Salpetersäure oder Schwefelsäure, oder eine wässerige Lösung einer dieser Säuren in solchen Mengen sein, daß 80 bis 98 Gewichtsprozent Phosphoroxyhalogenid und 20 bis 2 Gewichtsprozent Säure vorliegt. Zu weiteren Katalysatoren gehören saure Tone, wie aktivierter Montmorillonit. Katalysatoren des Lewis-Säuretyps sind ebenfalls zur Polymerisation der a-Alkylstyrole geeignet.

Die Polymerisation kann in der Weise durchgeführt werden, daß man eine geringe Menge Katalysator mit den Monomeren mischt und danach das Gemisch bei einer Temperatur zwischen 0 und 130⁰C, vorzugsweise zwischen 10 bis 80⁰C, bei atmosphärischem Druck hall oder erhitzt. Es können auch höhere Drucke angewandt werden.

Die gebildeten ungesättigten linearen Dimeren bestehen aus einem Gemisch der entsprechenden isomeren 1-Penten- und 2-Penten-Derivate. Beispielsweise sind die ungesättigten Dimeren von a-Methylstyrol die isomeren Verbindungen 2,4-Diphenyl-4-methyl-1-penten und 2,4-Diphenyl-4-methyl-2-Denten. Die relativen Verhältnisse der gebildeten isomeren 1-Penten- und 2-Penten-Derivate scheinen hauptsächlich von der Temperatur abhängig zu sein, bei weicher die Polymerisationsreaktion durchgeführt wird. Bei Temperaturen von 0 bis 80°C neigt die Polymerisationsreaktion zur Bildung der ungesättigten Verbindung 2,4-Diphenyl-4-methyl-l -penten als Hauptbestandteil, während bei höher ;n Temperaturen von etwa 90 bis 130⁰C gewöhnlich 2.4-Diphenyl-4-methyl-2-penten in glichen oder größeren Mengen als das 1-Pentenisomere gebildet wird. Das besonders gebildete Isomere ist jedoch für die vorliegende Erfindung von nur geringer Bedeutung, weil beide Isomere das giiiche hydrierte Produkt liefern.

Die Dimerisierungsreaktion wird vorzugsweise bei Temperatuien, die niedriger als etwa 130⁰C liegen, durchgeführt, um die Bildung linearer Dtmerer gegenüber den cyclischen Dimeren zu fördern. Bei der Dimerisierung von «-Methylstyrol bei 100⁰C in Gegenwart von 0,50% Montmorillonit-Katalyüator erhält man eine etwa SÖmoIprozdhtige Umwandlung zu ungesättigten nitrieren, die etwa 97 Gewichtsprozent des linearen Dimeren und 3% des cyclischen Dimeren enthalten. Diese ungesättigten, dimerisierten Produkte gewinnt man aus den nichtumgesetzten Monomeren

durch Destillation. Es sei darauf hingewiesen, daß es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht beabsichtigt ist, diejenigen Dimeren und Trimeren von Λ-Methylslyrol, in denen der cyclische Teil im Vergleich zum linearen Teil überwiegt, auszuschließen. Für bestimmte Anwendungsbereiche sind solche Flüssigkeiten vielmehr oft wünschenswert.

Ungesättigte Dimere von ά-AlkylslyfoI können in üblicher Weise hydriert werden. Die Hydrierung wird vorzugsweise in Gegenwart von molekularen Hydrierungskatalysatoren durchgeführt, wie beispielsweise in Gegenwart von Metallen, besonders von solchen der Gruppen VI bis VIII des Periodischen Systems der Elemente, oder ihrer Verbindungen, insbesondere ihrer Oxide, entweder allein oder in verschiedenen Gemischen miteinander, oder auf Trägern, wie Siliciumdioxid. Zinkoxid. Aluminiumoxid. Holzkohle. Kieselgur usw.

Die Reaktion kann bei Temperaturen zwischen etwa 20 bis 25O°C und bei Drucken von etwa atmosphärischem Druck bis etwa 175 kg/cm² durchgeführt werden. Die bevorzugten Arbeitsbedingungen sind im allgemeinen Temperaturen von etwa 50 bis 200°C und Drucke von etwa 36 bis !06 kg/cm². Die Hydrierung der ungesättigten Dimeren ist im wesentlichen dann beendet, wenn weniger als etwa 2% jnd vorzugsweise weniger als 03% Ungesättigtheit in dem hydrierten Produkt verbleibt.

Die Hydrierung kann in Gegenwart eines geeigneten organischen Lösungsmittels durchgeführt werden am häufigsten eines solchen, das bei den Hydrierungsbedingungen inert ist. wie beispielsweise Paraffine, Naphihe ne und sterisch gehinderte, ungesättigte Kohlenwasserstoffe.

Die vorstehend beschriebene Herstellung und Hydrierung der a-Alkylstyroldimeren ist anwendbar und führt automatisch zur Bildung der «-Alkylstyroltrimeren. wobei diese letzteren für bestimmte Lager, bei denen spezifische Viskositätsforderungen erfüllt werden müssen, oder wo eine erhebliche Dicke des EHD-Ftlms bei geringen Lagergeschwindigkeiten gewünscht wird, besonders wertvoll sind. In solchen Fällen ist ein Gemisch des Dimeren und Trimeren zweckmäßig-
Zusätzlich zu den Cyclohexylverbindungen können die Schmiermittel dieser Erfindung herkömmliche Additive enthalten, wie beispielsweise Viskositätsindexverbesserer, Antioxidationsmittel, Antiabriebmittel, Korrosionsinhibitoren. Dispergiermittel, Farbstoffe, Antischaummittel und dergleichen.

Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um laboratoriumsmäßig üie Dauerfestigkeit von Wälzlagern zu bestimmen. Eine weitverbreitet verwendete Vorrichtung ist der in der US-PS 30 53 073 beschriebene »RC fatigue tester« {Vorrichtung zur Bestimmung der Dauerfestigkeit). Die mit diesem ÄC-Tester im Laboratorium erhaltenen Werte zeigen eine gute Obereinstimmungen mit den in der Praxis bestimmten Lagerermüdungs- bzw. Festigkeitswerten. Dies ist dem CRC-Report Nr. 412, »The Development of Equipment and Techniques for EvaluatingEffects of Oils on Bearing Fatigue life«, Juni 1969, Coordinated Research Council, Inc 30 Rockefeller Plaza, New York, N. Y, zu entnehmen.

Wie in Spalte 4 der US-PS 30 53 073 festgestellt, ermöglicht die Verwendung der WejhijU-Auftsikjngsdiagramme die genaue Vorhersage der Lagerdauerfestigkeit aus den ÄG-Einstellwerten-

Die nachfolgenden Beispiele I bis 3 erläutern die erheblich überlegene Lagerdauerfestigkeit, die man bei Verwendung der synthetischen Flüssigkeiten gemäß Erfindung im Vergleich zu den bisher eingesetzten Lagerschmiermitteln erreicht. In den Beispielen ! und 2 war die zur Bestimmung der Dauerfestigkeit verwendete Vorrichtung ähnlich derjenigen, die in der US-PS 30 53 073 beschrieben ist. Die Lagerdauerfestigkeit ist als »Bio« und »B$o« in Einheiten der Belastungszyklen angegeben. Die Belastungszyklen können unter Berück^

ίο sichtigung der gemessenen Lagergeschwindigkeit leicht in Arbeitsstunden umgerechnet werden. Die Bio-Haltbarkeit wurde bereits oben definiert. Die Bso-Haltbarkeit gibt an, daß 50% einer gegebenen Menge von Lagern des unter Versuch stehenden Typs die festgestellte Haltbarkeit bei den vorgeschriebenen Arbeitsbedingungen überschreiten.

Beispiel 1

Zwei Schmiermtitel wurden hinsichtlich ihres relativen Verhaltens auf dem Dauerfestigkeitsprüfgerät verglichen. Das eine Schmiermittel war eine Vergleichsflüssigkeit, das andere eine synthetische Flüssigkeit, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird. Die Vergleichsflüssigkeit war ein Esterbasismaterial, wie es allgemein in Turbinenschmiermitteln eingesetzt wird und das der Military Specification MIL-L-23 699 entspricht. Die Dauerfestigl*eit der Vergleichsflüssigkeit in Wälzlagern war bekannt und entsprach den im Handel erhältlichen Flüssigkeiten höchster Qualität nach MIL-L-23 699. Im gegebenen Fall war die Vergleichsflüssigkeit ein Pentaerythritester einer kurzkettipen aliphatischen Säure.

Im Gegensatz dazu enthielt die synthetische Flüssigkeit dieser Erfindung im wesentlichen vollständig hydrierte lineare Dimere und Trimere von ac-Methylstyrol. Im einzelnen enthielt die synthetische, unter Versuch stehende Flüssigkeit 753 Gewichtsprozent hydriertes lineares Dimeres von a-Methylstyrol. 233 Gewichtsprozent hydriertes lineares Trimeres von a-MethylstyroI und 1,0 Gewichtsprozent 2,6-Di-terL-butyl-p-kresol

Sowohl die Vergleichsflüssigkeit als auch die hydrierte a-Methylstyrol-Flüssigkeit wurden mit dem gleichen Versuchskörper bewertet Der Versuchskörper ist ein zylindrischer Stab und in der US-PS 30 53 073 unter der Bezugsziffer 20 beschrieben. Die Hertz-Belastung betrug 492^ xlO⁶ kg/m², die Geschwindigkeit der Untersuchungsprobe 12 500 UpM, die Temperatur der Flüssigkeit 933° C und die Temperatur des Probekörpers315°C

Die nachfolgende Tabelle I zeigt die bemerkenswert höheren Dauerfestigkeitswerte, die man mit der Flüssigkeit dieser Erfindung (hydriertes <%-MeihylslyföI) im Vergleich zu der Vergleicnstlüssigkeit erhält. Es

wurden fünf Untersuchungen mit der erstgenannten Flüssigkeit und acht Untersuchungen mit der Vergleichsflüssigkeit vorgenommen, wobei die Werte der Tabelle I den Durchschnitt angeben.

Tabelle I

Flüssigkeit

Dauerfestigkeit
(Lastwechsel X 10^s)

Bio ^B5C

Vergleichsfiussigkeit
Hydrierte «-Methyl·
styrolfonnulierung

1,47
SSl

15,96

In dem folgenden Beispiel wurden verschiedene weitere Flüssigkeiten auf ihr relatives Verhalten auf dem Dauerfestigkeitsprüfgerät verglichen.

Beispiel 2

Als Vergleichsflüssigkeit wurde eine synthetische Vfdssigkeit auf Esterbasis, die der Military Specification MIL*L-7808 entspricht, verwendet. Zwei synthetische Flüssigkeiten im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden zum Vergleich herangezogen.

Die Untersuchungstemperatur war 149° C, die Hertz-Belastung 492,2 χ 10* kg/m², die Untersuchungsgeschwindigkeit 12 500UpM, das Material des Proben-Stücks Stahl SAE 52 100, ein Standard-Legierungsstahl für Lager, und die Flüssigkeitstemperalur betrug etwa 37.8°C.

Aus der vorliegenden Tabelle II ist zu ersehen, daß mil den Flüssigkeiten dieser Effifiuüfig iiii Vergleich Iu ia der Vergleichsflüssigkeit höhere Dauerfesligkeitswerte erhalten werden. Alle Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht.

Tabelle II

Flüssigkeit

Daueriesligkeit
(Laslwechsel X 10*)

Bio ' B₅(

»ergleichsflüssigkeit 1,3

Tercyclohexyl 2,2

99,0 % hydriertes lineares Dimeres
von a-AIkylstyroI und 1,0%
2,6-Di-tert.-butyl-p-kresol 4,2

2.7
4,2

7,0

30

35 Zur weiteren Erläuterung der überlegenen Lagerdauerfestigkeil, die durch Verwendung synthetischer Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann, wurde in dem nachfolgenden Beispiel 3 ein Materialermüdungstest bei einem Wälzlager anstelle der vorstehend beschriebenen Versuchs vorrichtung vorgenommen.

Beispiel 3

Als Vergleichsflüssigkeit wurde ein paraffinisches Mineralöl mit einer Nennviskosität von 115 bis 120 SUS (Saybolt Universal Seconds) bei 37,8°C verwendet. Diese Flüssigkeit entsprach modernen Mineralölen, wie sie zur Schmierung von Wälzlagern verwendet v/erden.

Ferner wurde eine synthetische Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Die synthetische Flüssigkeit enthielt 94,0 Gewichtsprozent hydriertes lineares Dimeres von «-Methylstyrol, 5.0 Gewichtsprozent hydriertes lineares Trimeres von a-Methylstyrol und i.GGcwiuncsprozent 2,o-Di-ien.-buiyi-p-kresoi.

Der Materialermüdungstest wurde bei einem konischen Walzenlager mit einem mittleren Konusdurchmesser von 6,1 cm durchgeführt. Das Lager arbeitete mit einer Konusgeschwindigkeit von 2700 UpM unter einer maximalen Hertz-Belastung von 191 χ 10° kg/m².

Der Flüssigkeitszufluß zu dem Prüfungslager wurde auf einer Rate von 035 l/Minute erhalten, während die Lagertemperatur (gemessen am Außendurchmesser) beim ersten Lauf auf 65,6° C und beim zweiten Lauf auf 115,6° C eingeregelt wurde.

Die nachfolgende Tabelle III gibt die Ergebnisse von Beispiel 3 an. Es ist zu ersehen, daß bei Verwendung der Flüssigkeit gemäß Erfindung bei 65,6° C die Dauerfestigkeit des Lagers um das ljfache und bei 115°C um das 3,5fache gegenüber der Vergleichsflüssigkeit auf Mineralölbasis erhöht ist

Tabelle III

Flüssigkeit

Dauerfestigkeit (Lastwechsel X 10*) B₁₀ bei 65,6°C B₅₀ bei 6S.6°C

B₁₀ bei 115.6°C B<₀ bei 115.6' C

Vergleichsflüssigkeit 28,7

Hydrierte a-Methylstyrolformulierung 49,2

26,1

25,2
84.9

Wenn ein Gemisch von hydrierten linearen Dimeren und Trimeren von a-Methylstyrol verwendet wird, können die relativen Verhältnisse weitgehend variiert werden. Aus den vorausgehenden Beispielen ist jedoch zu sehen, daß die überlegene Dauerfestigkeit dann erreicht werden kann, wenn das vorhandene Dimere überwiegt So enthält ein bevorzugtes Gemisch aus Dimeren und Trimeren etwa 60 bis 95% hydriertes lineares Dimeres von «-Methylstyrol und etwa 5 bis etwa 40% hydriertes lineares Trimeres von a-MethylstyroL

Es wurden zur Messung der EHD-Filmdicke in Wälzlagern unter dynamischen Bedingungen bereits verschiedene Verfahren und technische Ausführungsarten vorgeschlagen. Eines dieser Verfahren ist als Kontaktwiderstandsverfahren bekannt In den nachfolgenden Beispielen 4 und 5 sind Einzelheiten eines Laboratorhimsversuchs angegeben, bei dem das Verfahren zum Messen des Kontaktwiderstandes verwendet wnrdey mn die nherrsschenrie mui iinarwarffiff» ErHohung der EHD-Fünidicke nächzuweisen, die bei Verwendung einer Flüssigkeit gemäß Erfindung im Vergleich zur Verwendung eines typichen Mineralöl-Schmiermittels nach dem Stand der Technik auftritt

Beispiel 4

Das Versuchslager, ausgelegt für relativ niedrige Drehgeschwindigkeiten, war ein Schrägwälzlager mit einem inneren Zylinderdurchmesser der inneren Bahn von 6,0 cm und einem Außendurchmesser der äußeren Bahn von 9,5 cm. Der Kugelkäfig wurde absichtlich entfernt, und das Lager besaß 19 Kugeln, jede mit einem Durchmesser von L03 cm.

Das Versuchslager wurde an einem elektrischen Motor mit vertikaler Drehachse angebracht, die innere Bahn mit Geschwindigkeiten von 0 bis 100 UpM angetrieben und dafür Sorge getragen, daß die äußere Bahn nicht rotierte. Durch ein Gewicht von 15,9 kg an der äußeren Bahn erhielt man eine axiale Lagerlast von 153 kg. Quer durch das Lager wurde ein Stromkreis mit einem flüssigen Metallgleitring geschaltet mit einem Aumahmevermögen von 100 Mikroampere, wobei die Spannung quer durch das Lager bei dem unterbrochenen Stromkreis 10 Millivolt betrug. Der Spanmmgsab-

fall quer durch das Lager wurde mittels eines Aufnahmegeräts, zusammen mit der Umdrehungszahl des Lagers, abgelesen.

Das Versuchslager wurde unter Verwendung von Xylol, Aceton und einem Fluorkohlenstoff gereinigt, wonach ein dicker Pilrn des zu untersuchenden Öls reichlich auf die Lageroberflächen aufgetragen wurde. Das Lager wurde dann zwischen 0 und 100 UpM bei einer Axiallast von 15,9 kg angetrieben und der Spannungsabfall quer durch das Lager in Abständen von 10 UpM von 0 bis 100 UpM gemessen. Vor der Untersuchung wurde anstelle des Lagers ein Dekadenwiderstand zum Eichen des Meßgerätes geschaltet. Die Eigenfrequenz des Meßgerätes ermöglicht die Ablesung des Durchschnittslagerwiderstandes.

Es wurden zwei Versuche, und zwar einer mit einer typischen Mineralölformulierung nach dem Stand der Technik mit einer Viskosität von 114 cSt bei 37,8°C, und einer mit einer Flüssigkeit im Rahmen der Erfindung mit einer Viskosität von i20cSt bei 37,8" C durchgeführt. Diese zuletzt genannte Flüssigkeit enthielt im wesentlichen vollständig hydrierte lineare Dimere und Trimere von «-Methylstyrol. Insbesondere enthielt die synthetische Flüssigkeit 57.4 Gewichtsprozent hydriertes lineares Dimeres von &-Methylsiyrol und 35,18 Gewichtsprozent hydriertes lineares Trimeres von a-Methylstyrol. Weiterhin enthielt die Flüssigkeit 4,63% Acrylat als Viskositätsindexverbesserer. 1,85 Gewichtsprozent Zinkdithiophosphat als Abriebinhibitor und andere typische Additive in weniger als 1 Gewichtsprozent, wie z. B. ein Schäumungsmittel usw.

Die beiden zum Vergleich vorgesehenen Flüssigkeiten besaßen daher jede etwa die gleiche Viskosität, und jede war unter Zusatz typischer Additive formuliert.

Die Ergebnisse des Beispiels 4 sind in der Tabelle IV angegeben:

Tabelle IV	Durchschnittlicher Lagerwiderstand (Ohm)	O
Lager (UpM)	Hydrierte.- Methylstyrol- Mineralöl	O
	Flüssigkeit	6
	70	15
10	700	55
20	OO	100
30	OO	200
40	OO	400
50	OO	700
60	OO	1100
70	OC
SO	OO
90	OO
100

Die Tabelle IV erläutert die unterschiedlichen Verhaltensweisen der Flüssigkeiten im Hinblick auf die EHD-Schmierung, wobei die volle EHD-Schmierung in der Tabelle IV durch das Zeichen »co« (unendlich) gekennzeichnet ist Wenn daher der gemessene Widerstand durch das Lager (in Ohm) eine unendliche Größe ist, ist eine volle EHD-Schmierung erreicht Wenn der Widerstand eine begrenzte Größe ist wie ^B, IiQQ OHnT₁ beSndst änh der Gleitfüm in dam gemischten Bereich, d.h. irgendwo zwischen einem partiellen EHD-Fflni mit hohem Metall-zu-Metall-Kontakt und voll aufgebauter Filmdicke, ohne irgendwelchen, durch Unebenheiten oder Rauheiten bedingten Kontakt.

Bei 100 UpM des Testlagers lagen die Werte für das Mineralöl noch in dem gemischten Bereich, während die Flüssigkeit auf a-Methylstyrol-Basis bereits bei 30 UpM eine vollwirksame EHD-Schmierung erreicht. Aus den Ergebnissen der Tabelle IV ergibt sich die Überlegenheit di;r gemäß Erfindung verwendeten Flüssigkeiten

ίο bei langsam arbeitenden Lagern.

Um weiterhin die durch die erfindungsgemäße Verwendung der Flüssigkeiten erreichte überlegene EHD-Schmierung zu erläutern, wurde noch eine Vergleichsuntersuchung durchgeführt, diesmal bei ei-

H nem kleineren Lager, das aber für höhere Arbeitsgeschwindigkeiten ausgelegt ist als das Lager von Beispiel 4. Einzelheiten und Ergebnisse der zweiten Untersuchung sind in dem nachfolgenden Beispiel 5 angegeben.

Be um e I "5

Zwei neue Instrumenten-Kugellager Modell R 2 mil 12 Kugeln, Durchmesser 1,58 mm. wurden ohne den üblichen Kugelkäfig zusammengestellt. Es wurde festgestellt, daß die gewünschte freie Ölmenge in den Kugellaufbahnen ievcht in einem Lager ohne Käfig geregelt werden kann. Weiter ist es bei Lagern ohne Käfig viel leichter, ein gleichmäßiges Drehmomentniveau einzustellen, als bei den herkömmlichen Lagern mit Käfig. Jedes Lager cieses Beispiels 5 wurde mit einer vollen Kugelfüllung mit % Mikrogramm einer erfindungsgemäß verwendeten, synthetischen Flüssigkeit betrieben. Die synthetische Flüssigkeit enthielt (in Gewichtsprozent) ein 80 :20-Gemisch von hydrierten linearen Trimeren and hydrierten linearen Dimeren von a-Methylstyrol. Die Flüssigkeit hatte eine Viskosität von 160 cSt bei 58J'C. 1418 cSt bei 37.8° C und 18.4 cSt bei 98.¹D⁰C.

Die beiden Lager waren in einem Gehäuse so montiert, daß sie die Enden einer Welle tragen, die den

■40 Läufer eines Kreiselmotors hält. Es wurde eine axiale Vorlast von 0,68 kg aufgebracht und die Arbeitstemperatur auf 58.3° C bei einer gewünschten maximalen Geschwindigkeit von 2400 UpM eingestellt Die Filmdicke wurde mittels eines mechanischen Systems gemessen, das die Änderungen der Filmdicke aus den axialen Verlagerungen des Lagers abtasten kann. Diese mechanische Verlagerung arbeitet mit einem elektrischen Meßinstrument zusammen, dessen Empfindlichkeit Filmdicken von weniger als 25 μΐη messen kann.

Es wurden verschiedene Starts von 0 UpM durchgeführt die Lager wurden in jedem Fall schnell auf die bewertete Geschwindigkeit von 2400 UpM gebracht und die Filmdicke der Flüssigkeit während des Anlaufens gemessen. Der erste Start lieferte einen überraschenden Flüssigkeitsfilm von 800 μπι Dicke, die sich innerhalb von 5 Minuten auf 292 μπι abbaute, da dann das Lager ein Gleichgewicht mit dem in dem Lager verbliebenen Schmiermittel erreichte. Ein erneuter Start ergab einen Anfangsfihn von 625 um Dicke, die sich dann auf 525 μπι verringerte. Solche große Filmdicken sind bei den meisten Geschwindigkeiten extrem unüblich- Bei Vergleichsversuchen an dem gleichen Lager mit hochraffinierten Mineralschmierölen nach dem Stand der Technik mit einer Viskosität von 16OcSt bei 583° C lieferten diese nur die halbe tkmdkke, wie sie bei Verwendung der erfip.dungsgeinäßen synthetischen Flüssigkeit erhalten worden war. Die durch Versuch nachgewiesene praktische Filmdicke der

synthetischen Flüssigkeit gemäß Erfindung erfolgt hei Lagergeschwindigkeiten, die um einige lOOmal bis das tOOOfache geringer sind, als sie von den Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik erreicht wurden. Diese überraschende Fähigkeit der gemäß Erfindung verwen- > deten Flüssigkeiten zur Bildung von EHD-Filmen erheblicher Dicke auch bei sehr niederen Lagergeschwindigkeiten stellt einen nach dem Stand der Technik nicht erreichbaren Fortschritt in der Schmierung dar.

Das Gemisch von Dimeren und Trimeren von (X-Methylstyrol, das in Beispiel 5 verwendet wurde, bildet bereits einen EHD-FiIm bei extrem niedriger Umdrehungszahl, nämlich einen Film mit einer Dicke von 250 μϊίϊ bei 7 UpM. Die ungewöhnlich dicken *ö Anfangsfilme wurden bei jedem nachfolgenden Start ohne Rücksicht auf die Drehrichtung des Lagers beobachtet. Wenn man das Lager nach Umkehr der Drehrichtung mehrere Sekunden lang anhielt, wurde kein abncrrrt dicker Anfangsfilm beobachtet. Dennoch war die yilmdicke bei geringer Geschwindigkeit bei Verwendung der synthetischen Flüssigkeit gemäß Erfindung bemerkenswert höher, als sie bei Verwendung von Schmiermitteln auf Mineralölbasis beobachtet wurde.

Das Lagerdrehmoment war bei allen Geschwindigkeiten bei Verwendung der «-Methylslyrol-Flüssigkeit höher als bei Verwendung der Mineral-Vergleichsflüssigkeit. Nach einer Leistungsmessung für niedrige Geschwindigkeiten war das Drehmoment bei Raurr, ■ temperatur etwa bei 1 UpM doppelt so groß und bei 20 UpM um das 3- bis 4fache größer. Bei 2400 UpM und 58,3°C war das Drehmoment bei dem «-Methylstyrol-Trimeren/Dimeren etwa 4mal größer als bei der Vergleichsflüssigkeit, einem hochraffinierten Mineralöl. Weil die Reibungsverluste in Wälzlagern um das Vielfache kleiner als die Verluste in mechanischen Kraftübertragungssystemen sind, können solche erhöhte Drehmomente gewöhnlich im Hinblick auf die wespniKph höh?r?rt EHD-FümdiGkcn, besonders beiden ungünstigen niedrigen Geschwindigkeiten, toleriert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von Flüssigkeiten, bestehend aus einer oder mehreren Cyclohexylverbindungen mit zwei oder mehr Cyclohexylringen, die kondensiert oder verkettet sind oder die durch eine oder mehrere Ci-Ci₆-Alkylen- oder Carboxygruppen verbunden sind, wobei jede der Verbindungen 10 bis 70 Kohlenstoffatome aufweist, ais Schmiermittel für Wälzlager.

2. Verwendung von Flüssigkeiten, bestehend aus Verbindungen mit 2 bis 6 Cyclohexylringen nach Anspruch 1, als Schmiermittel für Wälzlager.

3. Verwendung von Flüssigkeiten, bestehend aus einem hydrierten Dimeren oder Trimeren von Ä-Alkylstyrol oder deren Gemische nach Anspruch 2, als Schmiermittel für Wälzlager.

4. Verwendung von Flüssigkeiten, bestehend aus einem hydrierten Dimeren oder Trimeren von a-Methylstyrol nach Anspruch 3. als Schmiermittel für Wälzlager.

5. Verwendung von Flüssigkeiten, die nicht mehr als 20 Gewichtsprozent von cyclischem Dimeren von a-Methylstyrol enthalten, nach Anspruch 4. als Schmiermittel für Wälzlager.

6. Verwendung von Flüssigkeiten, enthaltend ein hydriertes Dimeres, welches im wesentlichen aus 90 bis 100 Gewichtsprozent hydriertem linearen Dimert·'-von a-Methylstyrol und 0 bis 10 Gewichtsprozent hydriertem cyclischen Dimeren von a-Methylstyrol besteht, nach Anspruch 4. als Schmiermittel für Wälzlager.

7. Verwendung von Flüssigkeiten, die 60 bis 95 Gewichtsprozent hydriertes lineares Dimeres von 1-Methylstyrol und 5 bis 40 Gewichtsprozent hydriertes lineares Trimeres von a-Methylstyrol enthalten, nach Anspruch 3, als Schmiermittel für Wälzlager.