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Verfahren und Einrichtung zur Messung des Reibwertes von Schmierölen
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßeinrichtung, durch die man unmittelbar
den Reibwert eines Schmieröls bestimmen kann.
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Die Brauchbarkeit eines Schmieröls hängt nicht nur von seinen chemischen
Eigenschaften, z. B.
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Verseifungszahl, Jodzahl, Neutralisationszahl, Stockpunkt, Aschegehalt
und Säuregehalt, ab, sondern im wesentlichen auch von seiner mechanischen Charakteristik,
d. h. von seinem Reibwert.
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Der Begriff Reibwert war bisher wenig geläufig, weil geeignete und
handelsübliche Meßeinrichtungen für seine Bestimmung fehlten. Man bestimmte im allgemeinen
die Zähigkeit des Öls, aus der man durch Anwendung umständlicher Formeln den Reibwert
bzw. seinen reziproken Wert, den Gleitwert, ermittelte.
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Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, die zur unmittelbaren
Anzeige des Reibwertes bestimmt sind. So sind Meßieinrichtungen vorgeschlagen worden,
bei denen eine Welle mit ihrer Mantelfläche eine Reibfläche bildet. Auf diese Reibfläche
wird ein Tropfen des zu prüfenden Ols gegeben und eine oder mehrere Reibbacken,
die in der Drehrichtung der Welle beweglich sind, gegen die Reibfläche gedrückt.
Auf die Reibbacken wirkt eine Kraft, die entgegen der von der umlaufenden Welle
auf die Reibbacken ausgeübten Reibkraft gerichtet ist. Wenn die die Reibfläche bildende
Welle umläuft, so nimmt die Welle infolge der Reibkraft die Reibbacken um einen
bestimmten Winkel mit, bis eine Gleichgewichtslage erreicht ist. Je größer die Reibkraft
ist, je höher also der Reibwert des Öls ist, um so größer wird der Winkel, um den
die Reibbacken aus der Ruhelage bei stehender Welle in eine Gleichgewichtslage bei
umlaufender Welle ausgelenkt werden. Durch entsprechende Eichung
kann
der Auslenkungswinkef als Maß für den Reibwert des geprüften Öls benutzt werden.
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Diese bekannte Meßeinrichtung arbeitet aber sehr unzuverlässig und
liefert außerordentlich unsichere Meßberichte, so daß sie eine praktische Bedeutung
kaum erlangt hat. Die unsichere Anzeige dieser bekannten Meßeinrichtung beruht vermutlich
darauf, daß der Ölfilm auf der Mantelfläche der Welle bei der Mitnahme der Reibbacken
ungleichmäßig wird oder gar zerreißt. Während der Ölfilm an den Stellen, wo die
Reibbacken gegen die Welle dräeken, dünner wird, staut er sich an den Kanten der
Reibbacken bzw. in den Zwischen räumen zwischen den einzelnen Reibbacken. Die Folge
ist, daß die Reibbacken keine feste Gleichgewichtslage einnehmen können, sondern
ständig etwas hin und her pendeln. Der mit den Reibbacken verbundene Zeiger, der
den Auslenkungswinkel angeben soll, führt demzufolge fortwährend Schwankungen vor
der Skala aus, - so daß ein einigermaßen genaues Ablesen unmöglich ist. Vor allem
ist mit dieser Einrichtung auch die Prüfung von Ölgemischen oder von verunreinigten
Ölen undurchführbar, da die Einrichtung zu ungenau arbeitet und bei dem Meßvorgang
eine Ent-. mischung eintreten kann.
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Die Erfindung beschreibt ein diesem bekannten Melßverfahren ähnliches
Verfahren, das die erwähnten Nachteile aber nicht aufweist. Gegenstand der Erfindung
ist ferner eine Meßeinrichtung, die eine zweckmäißige Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gestattet. Das Verfahren gemäß der Erfindung geht aus von dem bekannten
Verfahren zur Messung des Reibwertes von Schmierölen mittels einer von der Mantelfläche
einer mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Welle gebildeten Reibflächej die
mit einem Film des zu prüfenden Öls bedeckt wird, und einer oder mehrerer gegen
diese Reibfläche gedrückter, in Drehrichtung der Welle beweglicher Gleitbacken,
auf die entgegen der von der Welle ausgeübten Reibungskraft eine Gegenkraft wirkt,
unterscheidet sich aber von diesem bekannten Verfahren grundsatzlich dadurch, daß
die Gegenkraft einstellbar ist und so groß gewählt wird, daß die Reibbacken bei
umlaufender Welle die gleiche Lage wie bei ruhender Welle behalten und die einstellbare
Gegenkraft ein Maß; für den Reibwert bildet.
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Der grundlegende Unterschied des neuen Verfahrens zu dem bekannten
Verfahren besteht darin, daß nicht mehr der durch die Reibkraft gegen die konstante
Gegenkraft hervorgerufene Auslenkwinkel der Reibbacken das Maß für den Reibwert
bildet, sondern daß man den Auslenkwinkel der Reibbacken durch eine einstellbare
Gegenkraft stets auf dem Wert Null hält und die Größe der dafür erforderlichen Gegenkraft
als Maß für den Reibwert nimmt.
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Es hat sich gezeigt, daß bei dem neuen Meßverfahren die oben geschilderten,
Schwierigkeiten des bekannten Verf ahrens nicht bestehen. Der mit den Reibback,en
verbundene Zeiger führt keine Pendelungen aus und erlaubt ein einwandfreies Festhalten
des Nullpunktes mittels der einstellbaren Gegenkraft. Das Verfahren ist auch besonders
für die Prüfung gemischter oder verunreinigter Öle geeignet und läßt mit größter
Empfindlichkeit die bereits durch geringste Verunreimgungen bedingte änderung des
Reibwertes deutlich ablesen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Mießverfahrens besteht darin, daß
ein einziger Tropfen Öl zur zuverlässigen, Bestimmung des Reibwertes ausreicht,
während beispielsweise bei Viskositätsbestimmungen eine Ölmenge von mindestens i'
bis 30 g erforderlich ist. Durch Entnahme eines Tropfens mittels Pipette einmal
aus dem oberen Teil des Ölbehälters und das andere Mlal aus dem durchgeschüttelten
Inhalt kann bei der Reibwertprüfung eindeutig festgestellt werden, ob Ausscheidungen
im Öl stattgefunden oder Mischungen sich voneinander getrennt haben. Diese Feststellungen
kann man bei anderen Prüfverfahren nicht so einfach und zeitsparend machen.
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Das gleiche gilt für den Nachweis von Verunreinigungen in mikrohafter-
Größe, z. B. Staub, die sich sofort in Reibwertänderungen offenbaren, während sie
bei der Viskositätsmessung nicht einwandfrei ermittelt werden können, wenn auch
der eigentlichen Messung eine Filtrierung durch ein Sieb mit o,3 mm Maschenweite
vorausgeht.
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Eis bereitet ferner keinerlei Schwierigkeiten, auch den Reibwert
von Öl-Fett-Gemischen zu bestimmen, für dessen Ermittlung eine Viskositätsmessung
bisher kaum möglich war.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Eine richtung, die sich
für die Durchführung des neuen Meßverfahrens als sehr zweckmäßig erwiesen hat und
sich durch ihren einfachen mechanischen Aiufbau und die bequeme Handhabung auszeichnet.
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Allerdings ist zur Durchführung des Verfahrens nicht nur diese eine
Ausführung der Meßeinrichtung brauchbar. Der Fachmann wird vielmehr bei Kenntnis
der nachstehend beschriebenen Mgeßeinrichtung ohne weitere erfinderische Tätigkeit
in der Lage sein, die für die jeweiligen Verhältnisse zweckmäßigen Abänderungen
mit den üblichen Mitteln vorzunehmen.
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Als weitere Vorteile sind der einfache mechanische Aufbau und die
bequeme Handhabung zu nennen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur
Messung des Reibwertes von Ölen nach der Erfindung dargestellt. An Hand dieses Ausführungsbeispiels
soll das Wesen der Erwindung näher erläutert werden. Es zeigt Fig. in eine Seitenansicht
der gesamten Meßvorrichtung, Fig. 2 die Ansicht auf die Meßvorrichtung in Richtung
A: Fig. 3 die Ansicht auf die Meßvorrichtung in Richtung ß.
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Ein kleiner Ekktromotor 1 von etwa 1/12 PS, der ungefähr mit I40o
Ulmin läuft, treibt über eine biegsam-e Schlauchkupplunfig.21 die Welle 3 an. Der
Stumpf dieser Welle bildet die Reibfläche, auf die ein Gleitbaclcenpaar 4, 5 aufgesetzt
ist, das mit
genau eingeregeltem Federdruck (Druckfedern 61) gegen
den Wellenstumpf gedrückt wird. Vor dem Aufsetzen der Backen läßt man einen Tropfen
des zu prüfenden Öls, den man mit einer Pipette einer Probeflasche entnimmt, in
der Lagerschale der unteren Gleitbacke 5 gut verlaufen.
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Die obere Gleitbacke 4 ist mit dem Zeiger 7 verhunden, der vor der
Skala 8 einspielt. Das Thermometer 9 läßt die Temperatur der sich bei Rotation erwärmenden
Gleitflächen erkennen. Die untere Gleitbacke 5 läuft in eine Achse 10 mit dem, einstellbaren;
Gewicht 11 aus. Das Ganze, die Teile 4, 5, 6, 7, 9, Silo. und II, bildet eine radial
pendelnde Balanciervorrichtung.
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Bevor man den Mbtor einschaltet, dreht man die Motorwelle von Hand
bei festgehaltenen Gleitbacken. Auf diese Weise bildet sich zwischen ihnen und dem
Wellenstumpf ein gut verteilter Ölfilm, der eine gute Haftung bewi,rkt, so daß die
Welle 3 bei eingeschaltetem Mbtor die Gleitbacken 4 und 5 mitzureißen sucht. Diese
Bewegung verhindert die anl den Backen angreifende Feder I2l, deren Kraft durch
Betätigung des Esn.stellknopfes 13 so ein geregelt werden kann, daß zwischen der
Federkraft und dem auf die Backen ausgeübten Drehmoment Gleichgewicht besteht. Gleichgewicht
ist vorhanden, wenn der Zeiger 7 vor der iS'kala& auf Null einspielt. In diesem
Augenblick ist das Drehmoment der Backen genau der ihm entgegengerichteten Federkraft
gleich, deren Große der Zeiger 14 auf der Skala Ii5 erkennen läßt. Je größer also
der Reibwert eines Öls ist, z. B. bei dickflüssigen Ölen, um so größer ist das auf
die Backen 4 und 5 ausgeübte Drehmoment und um so kräftiger muß die Feder gespannt
werden, damit der Gleichgewichtszustand erreicht wird. Die Größe der PenW gelungen
der Backen bei der Nulleinstellung lassen Rückschlüsse auf die Homogenität des Ölfllms
zu.
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Je geringer die P,enidielabweichungen von der Nullmarke sind, um so
homogener ist das Öl.
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Die Temperaturablesungen vom Augenblick des Anlaufs bis zum stationären
Zustand (nach etwa J15 Minuten) geben ebenfalls wertvolle Hinweise auf die Temperaturabhängigkeit
des geprüften Öls.
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Es ist empfehlenswert, die It bzw. 2minutlichen Ablesungen des Reibwertes
und der Temperatur mit Hilfe eines elektrischen Uhrwerkes durchzuführen, das mit
dem Motor gleichzeitig ein- und ausgeschaltet wird.
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Durch eine Zusatzeinrichtung kann man jede gewünschte Betriebstemperatur
für die Reibfläche einstellen.. Zu diesem Zweck weist der die Reibfläche bildende
Teil der Welle 3 eine axiale Bohrung auf, in die man ein gasförmiges oder flüssiges
Mittel von entsprechender Temperatur leitet. Hierfür eignet sich auch besonders
gut Druckluft, die man in die Bohrung der Welle 3 bläst. Die Druckluftleitung wird
durch ein entsprechend temperiertes W'asserbad (einfaches Gefäß mit eingelegter
Kupfer- oder Glasschlange und gegebenenfalls mit einem Tauchsieder zur Erwärmung
des Wasserbades) geführt und an eine am Gestell der Meßeinrichtung festgeklemmte
Auslaßdüse angeschlossen, die den Luftstrahl in den im Bereich der Glleitbacken
angebohrten Wellenstumpf hineinbläst. Da die Reib- bzw.
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Gleitwerte besonders bei zähflüssigen Ölen stark temperaturabhängig
sind, ist eine absolute Bewertung der verschiedenen Ölsorten nur bei übereinstimmender
Bezugs temperatur möglich.
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Auch die Erscheinungsformen der Grenzflächenschmierung kann man an
der beschriebenen Meßeinrichtung studieren. Durch ein- oder mehrmaliges Auswischen
der Reibbacken 4 und 5 mit einem sauberen Leinentuch wird die Stärke des Ölfilms
gemindert, bis er schließlich reißt. Die Reibwertänderung in Abhängigkeit von der
Ölfitimstärke ist bei den einzelnen Öl sorten unterschiedlich. Diese Erscheinung
ist bei einem Vergleich zwischen M-ineral- und tierischen Ölen besonders auffällig.
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Beim Übergang von einem Öl zum anderen müssen die Innenflächen der
Gleitbacken 4 und 5 sowie der Wellenstumpf 3, mit Benzin und Gasolin von den anhaftenden
Öl resten gründlich gesäubert werden. Auch die Rückstände der Reinigungsmittel müssen
mit einem sauberen Leinentuch entfernt werden. Auf diese Weise ist Gewähr gegeben,
daß .Olprüfungen( durch keinerlei fremde Bestandteile gefälscht werden. Hervorzuheben
sind die Sinfachheit und Bequemlichkeit, mit denen die gründliche Säuberung dieser
Teile durchgeführt werden kann.
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Es bereitet keine Schwierigkeiten, die Messungen mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung auf das cgs-System zurückzuführen. Mit einem genau abgeglichenen Gewicht
II werden die Gleitbacken 4 und 5 bei laufendem Motor um 90° aus ihrer Nullstellung
ausgelenkt. Diese Auslenkung entspricht einer Vierstellung des Zeigers 14 um ebenfalls
900, weil die Skalen 8 und 15 in ihrer Gradeinteilung aufeinander genau abgestimmt
sind. Die Einstellskala 15 kann somit in der Maßeinheit Gramm geeicht werden. Diese
Tatsache ist vor allem für den Maschinentechniker von Interesse, der d!ie richtige
Ölsorte unter Berücksichtigung des bei der Lager schmierung jeweils zu beachtenden
Druckes aussuchen muß Genaue Messungen ergaben bei hochviskosen Ölen eine maximale
Reibleistung von Il51 W zwischen den Gleitbacken und dem Wellenstumpf bei einer
Backenlängie von 30 mm und einem Wellendurchmesser von 1,0. mm. Dieser Wert sinkt
auf 5 Wl bei Erreichen des stationären Zustandes (nach etwa 115 Minuten). Die entsprechen
den Werte für ein mittelviskoses Öl sind 5,2 W bzw. 2l,4 W. Der Motor Is ist daher
für eine Nutzleistung von 15 W zu bemessen. Aus Zweckmäßig keitsgründen ist er reichlich
ausgelegt (1/12 P = 65 W), damit er auch als Asynchromotor seine Tourenzahl bei
den vorkommenden Belastungsänderungen praktisch konstant hält. Drehzahländerungen;
beeinflussen selbstverständlich die Reibwertanzeige, deshalb ist eine konstante
Umdrehungszahl Voraussetzung für eine richtige Messung. Dagegen bleiben Sjchwankungen
der Netzspannung zwischen 2i'201 V und rSol V ohne Einfluß auf das Meßergebnis,
weil die Drehzahl in diesem
Spannungsbereich bei etwa so bis 25
% der Motornennlast praktisch konstant bleibt.