EP4011561B1 - Mobile werkzeugmaschine und verfahren - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a mobile machine tool with a drive unit.
- EP 2 180 214 A1 discloses the preamble of claims 1 and 15.
- the object of the present invention is therefore to offer a mobile machine tool and a method that allow a particularly energy-efficient and yet cost-effective use of a generic mobile machine tool.
- the object is achieved by a mobile machine tool, in particular a hand-held power tool or a construction robot, for example for carrying out work in building and/or civil engineering, with a drive unit, wherein the drive unit has a water-based lubricant and/or wherein the drive unit is set up for operation with the water-based lubricant, wherein before the start of a running-in phase of the drive unit, a composite roughness sigma of two interacting contact surfaces of the drive unit is greater than 0.01 ⁇ m.
- the invention is therefore based on the surprising finding that friction and subsequent fatigue damage can be remedied precisely by the fact that, with an initially comparatively rough surface roughness, a particularly high-quality smoothing of the contact surfaces can be achieved by using a water-based lubricant, in particular in the running-in phase of the drive unit.
- a water-based lubricant in particular in the running-in phase of the drive unit.
- This takes advantage of the fact that the lubricating film resulting from the water-based lubricant can be comparatively thin.
- the thickness of the resulting lubricating film can be in the order of magnitude of the composite roughness.
- boundary friction and/or mixed friction can occur as friction conditions in the drive unit, particularly when the drive unit is operating at nominal speed. The wear caused by the operation of the drive unit can then lead to automatic smoothing of the contact surfaces.
- the composite roughness sigma can be understood as the root mean square of the surface roughnesses of the interacting contact surfaces.
- a relative lubricating film thickness can be understood as the relationship between a lubricating film thickness and a surface roughness, in particular the composite roughness sigma.
- the lubricating film thickness can refer to a central lubricating film thickness.
- the relative lubricating film thickness can be less than one before the start of the running-in phase.
- the lubricating film thickness before the start of the running-in phase can be thinner than the surface roughness, in particular the composite roughness sigma.
- the relative lubricating film thickness can increase to values greater than one, for example to values of at least three.
- the lubricating film can be thicker, in particular considerably thicker, than the surface roughness, for example than the composite roughness sigma.
- the surface roughness can be significantly reduced.
- the composite roughness sigma can be at least halved, for example reduced to a tenth.
- the surface roughness can be measured using the stylus method.
- the measurement can be carried out according to DIN EN ISO 4288.
- the surface characteristics can be calculated according to DIN EN ISO 4287.
- Various surface characteristics can be used to calculate the composite roughness sigma.
- the preferred method for determining the composite roughness sigma is the root mean square of profile ordinates Rq. Use.
- the composite roughness sigma can be understood in particular as the square root of the sum of the squared root mean square values of the profile ordinates Rq of the interacting contact surfaces.
- the water-based lubricant can also provide sufficient scuffing load capacity, for example as measured on an FZG gear tension test bench.
- the lubricant film thickness can be measured using an elastohydrodynamics (EHD) test bench, for example available from PCS Instruments, Great Britain.
- EHD elastohydrodynamics
- the lubricant can be tested by measuring the lubricant film thickness in a contact area, in particular a point contact.
- a steel ball can be loaded against a glass pane, preferably coated with a chromium and a SiO2 layer.
- the measurement can be based on optical interferometry.
- the contact area can be illuminated with white light that is directed onto the contact through a microscope and a glass pane. Part of the light can be reflected by the chromium layer.
- Part of the light can penetrate the SiO2 layer and the lubricant film and be reflected by the steel ball.
- the light paths of the two parts of the light can be brought together so that an interference image can be generated.
- the interference image can be fed into a spectrometer and/or an image recording device, for example a high-resolution black-and-white CCD camera, to record an interference image.
- the interference image can be analyzed using evaluation software.
- the lubricating film thickness can be determined and/or can be determined by image analysis of the interference image.
- a load can be selected between 30 N and 50 N.
- the temperature of the lubricant and/or the remaining material can be between 35 °C and 45 °C, in particular 40 °C.
- the speed of the glass pane can be set in such a way be such that a relative speed of between 0.1 m/s and 3.5 m/s results.
- a surface roughness Ra of the steel ball can be 10 1 nm, in particular 10 nm.
- a surface roughness Ra of the glass pane can also be 10 1 nm, in particular 5 nm.
- the surface roughnesses Ra can preferably be mean roughness values.
- the composite roughness sigma is more than 0.01 ⁇ m.
- it can be in the range of 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m.
- the composite roughness sigma can, for example, be less than or equal to 0.01 ⁇ m after the running-in phase.
- the drive unit has the water-based lubricant and/or is designed to operate with the water-based lubricant.
- water- and/or water vapor-resistant materials can be used in the drive unit for this purpose.
- at least one seal of the drive unit can be made of a water- and/or water vapor-resistant material.
- the drive unit can also have at least one dynamic seal, for example a labyrinth seal and/or a centrifugal seal.
- the mobile machine tool can be a hand-held power tool, for example a A drilling machine, a chiseling machine, a grinding machine, a sawing machine or the like. It is also conceivable that the mobile machine tool is a construction robot or comprises a construction robot.
- the mobile machine tool can have a manipulator, in particular a multi-axis manipulator.
- the mobile machine tool can have a drive device for driving a tool, for example a drill, a chisel, a vacuum cleaner or the like.
- the mobile machine tool can be set up for processing concrete and/or metal. It can be designed for drilling, chiseling, sawing and/or grinding.
- the mobile machine tool can be set up to carry out work in building and/or civil engineering. It is conceivable that it is not set up for use in mining.
- the mobile machine tool may be portable; for example, it may have a weight of less than 50 kg, in particular less than 25 kg.
- the mobile machine tool can also have a chassis and/or a flight platform, particularly if it is designed as a construction robot or includes one.
- the increase in energy efficiency that can be achieved according to the invention has a particularly favorable effect, particularly in the case of flight-capable mobile machine tools, for example in the form of unmanned flying objects such as autonomously or semi-autonomously moving drones.
- the composite roughness is also limited before the start of the running-in phase in order to facilitate operation of the mobile machine tool at the start and during the running-in phase.
- the composite roughness sigma before the start of the running-in phase of the drive unit can be at most 3 ⁇ m, preferably at most 1 ⁇ m.
- the water-containing lubricant can be designed such that the lubricating film thickness is between 10% and 80%, in particular between 30% and 60%, particularly preferably between 50% and 60%, of a water-free or at least substantially water-free polyglycol-based lubricant (as reference lubricant), preferably having a kinematic viscosity of 80 mm 2 /s at 40°C.
- a "substantially water-free lubricant” can be understood to mean a lubricant which, preferably at least immediately after production, contains at most 1%, particularly preferably at most 0.2%, of water.
- Such a range of lubricant film thickness means that boundary friction and/or mixed friction can be expected to occur, at least temporarily and/or in certain areas within the drive unit.
- the lubricant film thickness of the water-based lubricant is thicker than the lubricant film thickness that results when pure water is used as the lubricant.
- the reference lubricant can be biodegradable, i.e. it can be an EAL lubricant (environmentally acceptable lubricant).
- the water-based lubricant can also be biodegradable.
- the reference lubricant is not biodegradable. This can be the case in particular if the reference lubricant is polyglycol-based.
- the water-based lubricant can contain at least 5%, preferably at least 15%, particularly preferably between 30% and 35%, in particular 33%, water.
- the water-based lubricant can contain a significant proportion of water. This is particularly noteworthy because otherwise, with the oil-based lubricants commonly used in mobile machine tools, replacement is usually recommended after even small amounts of water have entered.
- the water-based lubricant may contain a maximum of 90%, preferably a maximum of 70%, water.
- the lubricant can also contain at least one glycol, for example a polyglycol.
- the lubricant can contain one or more polyglycols in a proportion of at least 30%, preferably at least 40%. The proportion can be at most 60%.
- the polyglycol can be a polyalkylene glycol. The glycol or glycols can form a second largest proportion of the lubricant, especially after water.
- the water-based lubricant can also contain at least one additive, in particular a wear protection additive, a corrosion protection additive and/or an antimicrobial, in particular growth-inhibiting, additive.
- the water-based lubricant can be designed to suppress the formation of bacteria, fungi and/or algae.
- the water-based lubricant can thus be designed to prevent the formation of biofilms.
- the corrosion protection additive can in particular be and/or comprise a non-ferrous metal-deactivating additive. It is also conceivable that the water-based lubricant contains at least one friction-reducing additive, a solid lubricant, a viscosity index-improving additive and/or a freezing point-reducing additive.
- the water-based lubricant can also comprise an additive that increases scuffing load-bearing capacity.
- the aqueous lubricant can be a fully formulated lubricant.
- a general reduction in friction can be achieved if the water-containing lubricant has a kinematic viscosity in the range of at most 320 mm 2 /s at 40 °C.
- the water-containing lubricant can also have a kinematic viscosity of at least 30 mm 2 /s. In particular, it can have a, preferably considerably, higher kinematic viscosity than water.
- the machine tool in particular the drive unit, is designed so that the The internal temperature of the drive unit when the mobile machine tool is in operation at an ambient temperature of 20 °C is at most 80 °C, preferably at most 60 °C. This can be achieved, for example, by regulating the input power of the machine tool, in particular the drive unit, when the maximum temperatures mentioned are reached. It is also conceivable to reduce the speeds of parts moving relative to one another and thus of interacting contact surfaces moving relative to one another through structural and geometric optimization in order to limit the frictional heat that arises in this way.
- Another possibility to comply with the maximum internal temperatures mentioned above is to dimension and/or regulate a cooling system of the mobile machine tool with appropriate performance.
- the maximum internal temperatures mentioned cannot be reached even during continuous operation and under full load.
- the machine tool can be set up to limit the input power of the drive unit in such a way that the internal temperature of the drive unit during operation of the mobile machine tool at an ambient temperature of 20 °C is at most 80 °C, preferably at most 60 °C.
- the power loss occurring in the drive unit can be limited.
- the limitation can be such that the mechanical power delivered by the drive unit can remain the same despite the reduced input power or can even be increased compared to an unrestricted input power, in particular due to a disproportionately reduced power loss.
- the machine tool in particular the drive unit, has a solids filter, in particular a filter magnet, which is designed to remove particles, in particular abrasion, from the water-containing lubricant, whereby the service life of the water-containing lubricant can be significantly extended.
- the mobile machine tool in particular the drive unit, can have a have lubricant filters.
- the water-containing lubricant can be free of solids or at least substantially free of solids and/or without solid residues, at least before the start of the running-in phase.
- the water-based lubricant can be free of nanoparticles or other friction particles before the start of the running-in phase. It can therefore be produced particularly inexpensively. It can also be biodegradable. In particular, it can be biologically harmless.
- the lubricant filter can also be designed particularly easily, since particles contained in the originally solid-free, water-based lubricant can be classified as contaminants and can therefore be removed by the lubricant filter. The separation between contaminants and lubricant can thus be achieved by simply separating liquid versus solid material.
- the water-based lubricant contains nano friction particles, especially before the start of the running-in phase. This allows the nano polishing effect to be further enhanced, especially at the start of the running-in phase.
- the nano friction particles can be made of at least one inorganic and/or at least one organic material. They can be designed to dissolve and/or decompose during the operation of the mobile machine tool, for example during the running-in phase, so that the extent of the additional polishing effect can be limited.
- the water-based lubricant can contain nanoparticles, especially before the start of the running-in phase.
- the nanoparticles can be nanofriction particles or at least act as nanofriction particles.
- the nanoparticles can cause a tribological effect in the drive unit.
- the mobile machine tool can be operated wirelessly.
- the mobile machine tool can have a, in particular rechargeable, Energy storage.
- the rechargeable energy storage device can be an accumulator or a fuel cell.
- the mobile machine tool can also be set up to drive a diamond-containing tool.
- the mobile machine tool can be set up to saw, drill and/or grind using the diamond-containing tool.
- high work outputs are required, often with long periods of use.
- the energy requirement for work typical for diamond-containing tools is therefore particularly high, so that avoiding power loss due to friction is particularly desirable.
- the scope of the invention further includes a method for energy-efficient operation of a mobile machine tool according to the invention, wherein a drive unit of the mobile machine tool, in which a composite roughness sigma of two interacting contact surfaces of the drive unit is greater than 0.01 ⁇ m before the start of a running-in phase, is lubricated with a water-containing lubricant, in particular in the running-in phase.
- the method according to the invention thus makes it possible to form a lubricant film that is so thin through the water-based lubricant that the two interacting contact surfaces are moved towards each other in the area of boundary friction and/or mixed friction.
- Particles can detach from the initially rough contact surfaces, for example, and act as friction particles.
- the interacting contact surfaces can thus smooth themselves out automatically during the running-in phase. This reduces friction and makes it possible to operate the mobile machine tool in a particularly energy-efficient manner without having to change the lubricant in advance, in particular during the manufacture of the mobile machine tool.
- interacting contact surfaces would have to undergo a particularly high-quality, usually very expensive, surface treatment.
- the mobile machine tool which is subjected to the method according to the invention, in particular its drive unit and the lubricant used in the drive unit, can have at least one of the features mentioned above in connection with the mobile machine tool and its components.
- the invention generally encompasses mobile machine tools and thus, for example, construction robots or hand-held power tools, the invention is explained using the example of a hand-held power tool solely to facilitate understanding.
- Fig.1 shows a mobile machine tool in the form of a handheld power tool 10.
- the handheld power tool 10 is designed as a drilling machine, in particular as a diamond drilling machine. It can be operated wirelessly. For this purpose, it has a rechargeable battery 14 in the area of a housing 12.
- the battery 14 contains lithium.
- the handheld power tool 10 is designed as a portable device. It has a weight between 0.5 and 15 kg and generally less than 25 kg.
- the handheld power tool 10 also has a tool holder 16.
- a tool 18 is accommodated in the tool holder 16.
- the tool 18 is designed as a diamond drilling tool. It therefore contains diamonds.
- the mobile power tool is designed and/or usable as a hammer drill and/or as a chiseling machine.
- a drive unit 20 of the hand-held power tool 10 is also shown in Fig.1
- the drive unit 20 is located inside the housing 12 and is shown superimposed on the housing 12 for illustrative purposes only.
- the drive unit 20 drives a shaft to which the tool holder 16 is coupled.
- the drive unit 20 has an electropneumatic impact mechanism and a rotary drive, which drive the shaft by impacting and rotating respectively.
- the impact mechanism and The rotary drive is mechanically connected to an electric motor of the drive unit 20 via a gear of the drive unit 20 and can be driven by the latter.
- the drive unit 20 has a water-based lubricant, which is used to lubricate gear elements, such as gears, of the drive unit 20.
- the drive unit 20 is designed to be water vapor resistant.
- all seals of the drive unit 20 that can come into contact with the water-based lubricant are made of a water vapor resistant material.
- the water vapor resistant material can preferably be temperature resistant up to at least 120°C.
- the handheld power tool 10 has a cooling system that is designed such that the internal temperature of the drive unit 20 is at most 60°C when the handheld power tool 10 is in operation at an ambient temperature of 20°C.
- Surfaces in the interior of the drive unit 20, in particular the interacting contact surfaces of paired gears, are manufactured with a composite roughness sigma of at least 0.1 ⁇ m and thus have such a composite roughness before the start of a running-in phase.
- Fig.2 shows a diagram of lubricating film thicknesses of different lubricants, with the lubricating film thicknesses set to 100% for a substantially water-free, polyglycol-based lubricant, in Fig.2 marked as lubricant S0 , are shown in standardized form.
- the lubricant S0 has a kinematic viscosity of 80 mm 2 /s at 40°C.
- water W is also shown schematically in the diagram.
- Lubricants S1, S2, S3, S4 and S5 are water-based lubricants which are used according to the invention in the hand-held power tool 10 ( Fig.1 ) can be used. They have lubricating film thicknesses between 30% and approximately 60% of the lubricating film thickness of the reference serving essentially water-free lubricant S0. The lubricants have a kinematic viscosity of 100 mm 2 /s at 40°C.
- the lubricants S1 , S2 , S3 , S4 and S5 each have a water content of between 30% and 35%. They also contain at least between 40% and 60% polyglycols. Like the lubricant S0, they are fully formulated.
- All of the above-mentioned water-based lubricants S1 to S5 contain additional additives, in particular biocidal, anti-corrosive, anti-wear, high-pressure and foam-controlling additives.
- the water-based lubricants S1 to S5 are designed without solid residues.
- Fig. 3a to 3c show in schematic representations different friction states of the drive unit 20 ( Fig.1 ).
- the contact surfaces 22, 24 can, for example, be areas of meshing gears of the drive unit 20.
- the surface shapes of the contact surfaces 22, 24 are not shown to scale for illustration purposes, in particular in order to clearly show the waviness of the surfaces.
- water-based lubricant 26 with different lubricating film thicknesses is located between the contact surfaces 22, 24.
- the water-based lubricant 26 can be one of the lubricants S1, S2, S3, S4 or S5 (all Fig.2 ) are equivalent to.
- the thickness of the lubricant film that forms is on average less than the composite roughness sigma.
- the relative lubricant film thickness is therefore less than 1, for example between 0.1 and 0.4, in particular between 0.1 and 0.2 at a test temperature of 40°C and a surface pressure of 1 GPa at 20% slip.
- the condition according to Fig. 3a corresponds to a state of the hand tool 10 ( Fig.1 ) immediately after their manufacture, i.e. before the start of a running-in phase.
- the hand-held power tool 10 is operated during a running-in phase.
- the drive unit 20 is lubricated by the lubricant 26 contained in the drive unit 20.
- the hand-held power tool can be operated for a period of 1 to 10 hours, for example 7 hours.
- Fig. 3a to 3c separate Particles 30 in the water-containing lubricant 26 are shown as an example and provided with a reference number.
- Fig. 3b shows a friction condition in which mixed friction prevails between the contact surfaces 22, 24.
- the relative lubricating film thickness is in the range between 1 and 3.
- This condition corresponds to an advanced stage of the running-in phase.
- Fig. 3c shows a friction state in which pure fluid friction prevails between the contact surfaces 22, 24. This state corresponds to a state of the drive unit 20 after the end of the running-in phase.
- the bond roughness sigma of the contact surfaces 22, 24 has been further reduced considerably.
- the surface formation of the contact surfaces 22, 24 is shown greatly exaggerated for illustrative purposes only.
- the relative lubricating film thickness has increased to greater than 3.
- the automatically smoothed contact surfaces 22, 24 thus enable further operation of the hand-held power tool 10 and in particular of the drive unit 20 with considerably reduced friction.
- Fig. 4a and 4b show microscopic images of areas of transmission parts after completing a fatigue test.
- FIG. 4a The results for a mobile machine tool whose drive unit is lubricated with the essentially water-free lubricant S0 serving as a reference are shown in the images according to Fig. 4b the result in a mobile machine tool whose drive unit is lubricated with the water-containing lubricant S3 according to the invention.
- FIG. 5a and Fig. 5b Microscopic images of bearing balls after performing the fatigue load tests. Analogous to the two previous illustrations, the upper figure shows Fig. 5a , the result for a drive unit, where the essentially water-free lubricant S0 was used as the lubricant, and the lower figure, Fig. 5b , shows the result for a drive unit in which the water-based lubricant S3 was used.
- the bearing ball of the Fig. 5b shows a much more pronounced metallic clear gloss than the bearing ball of the Fig. 5a , which is due to a significantly reduced surface roughness compared to the conventionally lubricated bearing ball.
- the invention described above could achieve energy savings of up to 180 W of saved power loss or approximately 8 percent of the mechanical gear efficiency in a mains-powered mobile machine tool.
- the sump temperatures of the water-containing lubricants could be kept below 60°C even at an electrical input power of the machine tool of 2.8 kW.
- the water-containing lubricant has a viscosity between 40 and 50 mm 2 /s, in particular 46 mm 2 /s, at 40°C.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine mobile Werkzeugmaschine mit einer Antriebseinheit.
-
EP 2 180 214 A1 offenbart den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 15. - Andere Beispiele sind aus der
DE 20 2012 100435 U1 ,EP 1 070 756 A1 ,WO 2007/103497 A2 oderWO 2012/029191 A1 . - Aus Gründen des Klimaschutzes besteht ein Bedarf an besonders energieeffizienten, gattungsgemäßen mobilen Werkzeugmaschinen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mobile Werkzeugmaschine sowie ein Verfahren anzubieten, die einen besonders energieeffizienten und dennoch kostengünstig Einsatz einer gattungsgemäßen mobilen Werkzeugmaschine erlauben. Gelöst wird die Aufgabe durch eine mobile Werkzeugmaschine, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine oder ein Bauroboter, beispielsweise zur Ausführung von Arbeiten im Hoch- und / oder Tiefbau, mit einer Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit ein wasserhaltiges Schmiermittel aufweist und / oder wobei die Antriebseinheit zum Betrieb mit dem wasserhaltigen Schmiermittel eingerichtet ist, wobei vor Beginn einer Einlaufphase der Antriebseinheit eine Verbundrauheit sigma zweier zusammenwirkender Kontaktflächen der Antriebseinheit größer als 0,01 µm ist. Der Erfindung liegt daher die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass Reibung und nachfolgend Ermüdungsschäden gerade dadurch behebbar sind, dass bei einer anfänglich vergleichsweise rauen Oberflächenrauheit durch die Verwendung eines wasserhaltigen Schmiermittels, insbesondere in der Einlaufphase der Antriebseinheit, eine besonders hochwertige Einglättung der Kontaktflächen erzielt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass der sich durch das wasserhaltige Schmiermittel ergebende Schmierfilm vergleichsweise dünn sein kann. Insbesondere kann die Dicke des sich ergebenden Schmierfilms in der Größenordnung der Verbundrauheit liegen. Während der Einlaufphase können somit in der Antriebseinheit, insbesondere in einem Nennbetrieb der Antriebseinheit, Grenzreibung und / oder Mischreibung als Reibungszustände vorliegen. Der durch den Betrieb der Antriebseinheit erzeugte Verschleiß kann dann zu einer selbsttätigen Glättung der Kontaktflächen führen.
- Unter der Verbundrauheit sigma kann das quadratische Mittel der Oberflächenrauheiten der jeweils zusammenwirkenden Kontaktflächen verstanden werden.
- Unter einer relativen Schmierfilmdicke kann das Verhältnis zwischen einer Schmierfilmdicke und einer Oberflächenrauheit, insbesondere der Verbundrauheit sigma, verstanden werden. Vorzugsweise kann sich die Schmierfilmdicke auf eine zentrale Schmierfilmdicke beziehen.
- Die relative Schmierfilmdicke kann vor Beginn der Einlaufphase kleiner eins betragen. Insbesondere kann die Schmierfilmdicke vor Beginn der Einlaufphase dünner als die Oberflächenrauheit, insbesondere der Verbundrauheit sigma, sein.
- Während der Einlaufphase und / oder nach der Einlaufphase kann die relative Schmierfilmdicke auf Werte größer eins, beispielsweise auf Werte von mindestens drei, ansteigen. Mit anderen Worten kann der Schmierfilm dicker, insbesondere erheblich dicker, als die Oberflächenrauheit, beispielsweise als die Verbundrauheit sigma, sein.
- Es kann somit ein in-situ Nanopolitur-Effekt erzielt werden. Während oder nach der Einlaufphase kann die Oberflächenrauheit wesentlich gesenkt sein. Beispielsweise kann die Verbundrauheit sigma mindestens halbiert, beispielsweise auf ein Zehntel gesenkt, sein.
- Die Oberflächenrauheit kann mittels Tastschnittverfahren messbar sein. Hierbei kann die Messung nach DIN EN ISO 4288 erfolgen. Die Oberflächenkennwerte können nach DIN EN ISO 4287 berechnet werden. Zur Berechnung der Verbundrauheit sigma können verschiedene Oberflächenkennwerte Verwendung finden, bevorzugt findet zur Ermittlung der Verbundrauheit sigma der quadratische Mittelwert von Profilordinaten Rq Verwendung. Die Verbundrauheit sigma kann insbesondere als Quadratwurzel der Summe der quadrierten quadratischen Mittelwerte der Profilordinaten Rq der zusammenwirkenden Kontaktflächen verstanden werden.
- Durch das wasserhaltige Schmiermittel kann auch eine hinreichende Fresstragfähigkeit, beispielsweise auf einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand gemessen, gegeben sein.
- Die Schmierfilmdicke kann mit einem Elastohydrodynamik (EHD)-Prüfstand, beispielsweise beziehbar von PCS Instruments, Großbritannien, messbar sein. Dazu kann das Schmiermittel durch eine Messung der Schmierfilmdicke in einem Kontaktbereich, insbesondere einem Punktkontakt, geprüft werden. Insbesondere kann eine Stahlkugel gegen eine Glasscheibe, vorzugsweise beschichtet mit einer Chrom- und einer SiO2-Schicht, belastet werden. Die Messung kann auf optischer Interferometrie basieren. Insbesondere kann der Kontaktbereich mit Weißlicht beleuchtbar sein, das durch ein Mikroskop und eine Glasscheibe auf den Kontakt gerichtet wird. Ein Teil des Lichts kann von der Chromschicht reflektiert werden. Ein Teil des Lichts kann die SiO2-Schicht und den Schmiermittelfilm durchdringen und von der Stahlkugel reflektiert werden. Die Lichtwege der beiden Teile des Lichts können zusammengeführt sein, sodass ein Interferenzbild erzeugbar ist. Das Interferenzbild kann in ein Spektrometer und/oder ein Bildaufnahmegerät, beispielsweise eine hochauflösende Schwarzweiß-CCD-Kamera, zur Aufnahme eines Interferenzbildes, leitbar sein. Das Interferenzbild kann mittels einer Auswertungssoftware analysierbar sein. Insbesondere kann die Schmierfilmdicke durch Bildanalyse des Interferenzbildes bestimmt werden und/oder bestimmbar sein.
- Diese Untersuchungen können beispielsweise unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden:
Eine Belastung kann zwischen 30 N und 50 N gewählt sein. Die Temperatur des Schmiermittels und/oder des übrigen Materials kann zwischen 35 °C und 45 °C, insbesondere 40 °C, betragen. Eine Drehzahl der Glasscheibe kann derart eingestellt sein, dass sich eine Relativgeschwindigkeit zwischen 0,1 m/s und 3,5 m/s ergibt. Eine Oberflächenrauheit Ra der Stahlkugel kann 101 nm, insbesondere 10 nm, betragen. Eine Oberflächenrauheit Ra der Glasscheibe kann ebenfalls 101 nm, insbesondere 5 nm, betragen. Bei den Oberflächenrauheiten Ra kann es sich vorzugsweise um Mittenrauwerte handeln. - Vor Beginn der Einlaufphase beträgt die Verbundrauheit sigma mehr als 0,01 µm. Sie kann beispielsweise im Bereich von 0,1 µm bis 1 µm liegen.
- Die Verbundrauheit sigma kann nach der Einlaufphase beispielsweise kleiner oder gleich 0,01 µm betragen.
- Somit ist es bei der erfindungsgemäßen mobilen Werkzeugmaschine nicht notwendig, während der Herstellung der Antriebseinheit die zusammenwirkenden Kontaktflächen besonders hochwertig zu glätten, beispielsweise durch aufwändige und damit kostenträchtige Hartbearbeitungsverfahren, beispielsweise Gleitschleifen, Honen oder Läppen. Somit können Herstellungskosten eingespart werden.
- Im Laufe des Betriebs der mobilen Werkzeugmaschine, insbesondere während der Einlaufphase, können sich aufgrund der sich bildenden, sehr geringen Oberflächenrauheit sehr geringe Reibungsverluste ergeben, sodass die mobile Werkzeugmaschine besonders energieeffizient betreibbar ist.
- Die Antriebseinheit weist das wasserhaltige Schmiermittel auf und / oder ist zum Betrieb mit dem wasserhaltigen Schmiermittel eingerichtet. Bevorzugt können dazu wasser- und / oder wasserdampfbeständige Materialien in der Antriebseinheit verwendet sein. Insbesondere kann wenigstens eine Dichtung der Antriebseinheit aus einem wasser- und / oder wasserdampfbeständigen Material ausgebildet sein. Die Antriebseinheit kann auch wenigstens eine dynamische Dichtung, beispielsweise eine Labyrinthdichtung und / oder eine Fliehkraftdichtung, aufweisen.
- Die mobile Werkzeugmaschine kann eine Handwerkzeugmaschine, beispielsweise eine Bohrmaschine, eine Meißelmaschine, eine Schleifmaschine, eine Sägemaschine oder dergleichen sein. Denkbar ist auch, dass die mobile Werkzeugmaschine ein Bauroboter ist oder einen Bauroboter umfasst. Die mobile Werkzeugmaschine kann einen Manipulator, insbesondere einen mehrachsigen Manipulator, aufweisen. Die mobile Werkzeugmaschine kann eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrers, eines Meißels, eines Saugers oder dergleichen aufweisen.
- Die mobile Werkzeugmaschine kann zur Bearbeitung von Beton und / oder Metall eingerichtet sein. Sie kann zum Bohren, Meißeln, Sägen und / oder Schleifen ausgebildet sein.
- Allgemein kann die mobile Werkzeugmaschine zur Ausführung von Arbeiten im Hoch- und / oder Tiefbau eingerichtet sein. Denkbar ist, dass sie nicht für einen Einsatz im Bergbau eingerichtet ist.
- Die mobile Werkzeugmaschine kann tragbar sein; sie kann beispielsweise ein Gewicht von weniger als 50 kg, insbesondere von weniger als 25 kg, aufweisen.
- Die mobile Werkzeugmaschine kann, insbesondere, wenn sie als Bauroboter ausgebildet ist oder einen solchen umfasst, auch ein Fahrwerk und / oder ein Flugplattform, aufweisen. Gerade bei flugfähigen mobilen Werkzeugmaschinen, beispielsweise in Form von unbemannten Flugobjekten wie beispielsweise autonom oder teilautonom bewegbaren Drohnen, wirkt sich die erfindungsgemäß erreichbare Steigerung der Energieeffizienz besonders günstig aus.
- Vorzugsweise ist die Verbundrauheit auch vor Beginn der Einlaufphase begrenzt, um einen Betrieb der mobilen Werkzeugmaschine auch zu Beginn und während der Einlaufphase zu erleichtern. Beispielsweise kann die Verbundrauheit sigma vor Beginn der Einlaufphase der Antriebseinheit höchstens 3 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, betragen.
- Das wasserhaltige Schmiermittel kann derart ausgebildet sein, dass die Schmierfilmdicke zwischen 10% und 80%, insbesondere zwischen 30% und 60%, besonders bevorzugt zwischen 50% und 60%, eines wasserfreien oder zumindest im Wesentlichen wasserfreien polyglykolbasierten, vorzugsweise eine kinematische Viskosität von 80 mm2/s bei 40°C aufweisenden, Schmiermittels (als Referenzschmiermittel) beträgt.
- Dabei kann im Rahmen der Erfindung unter einem "im Wesentlichen wasserfreien Schmiermittel" ein Schmiermittel verstanden werden, das, vorzugsweise zumindest unmittelbar nach Herstellung, höchstens 1%, besonders bevorzugt höchstens 0,2%, Wasser enthält.
- Ein solcher Bereich der Schmierfilmdicke lässt erwarten, dass sich Grenzreibung und / oder Mischreibung, zumindest zeitweise und / oder bereichsweise innerhalb der Antriebseinheit, einstellen. Bevorzugt, insbesondere im Normbetrieb der Antriebseinheit beziehungsweise der mobilen Werkzeugmaschine, ist die Schmierfilmdicke des wasserhaltigen Schmiermittels dicker als eine sich bei Verwendung von reinem Wasser als Schmiermittel ergebende Schmierfilmdicke.
- Das Referenzschmiermittel kann biologisch abbaubar sein, das heißt, es kann ein EAL-Schmiermittel (environmentally acceptable lubricant) sein. Auch das wasserhaltige Schmiermittel kann biologisch abbaubar sein. Denkbar ist alternativ, dass das Referenzschmiermittel nicht biologisch abbaubar ist. Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Referenzschmiermittel polyglykolbasiert ist.
- Das wasserhaltige Schmiermittel kann wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 15%, besonders bevorzugt zwischen 30% und 35%, insbesondere 33%, Wasser aufweisen. Insbesondere kann das wasserhaltige Schmiermittel einen wesentlichen Anteil an Wasser aufweisen. Dies ist besonders bemerkenswert, da sonst bei den bei mobilen Werkzeugmaschinen üblichen ölbasierten Schmierstoffen nach Eintritt auch nur geringer Mengen von Wasser üblicherweise ein Austausch empfohlen wird.
- Das wasserhaltige Schmiermittel kann höchstens 90%, vorzugsweise höchstens 70%, Wasser aufweisen.
- Das Schmiermittel kann auch wenigstens ein Glykol, beispielsweise ein Polyglykol, enthalten. Beispielsweise kann das Schmiermittel ein oder mehrere Polyglykole in einem Anteil von mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40%, enthalten. Der Mengenanteil kann höchstens 60% betragen. Das Polyglykol kann ein Polyalkylenglykol sein. Das Glykol oder die Glykole können, insbesondere nach Wasser, einen zweitgrößten Anteil am Schmiermittel bilden.
- Das wasserhaltige Schmiermittel kann ferner wenigstens ein Additiv, insbesondere ein Verschleißschutzadditiv, ein Korrosionsschutzadditiv und/oder ein antimikrobielles, insbesondere wachstumshemmendes, Additiv, aufweisen. Insbesondere kann das wasserhaltige Schmiermittel eingerichtet sein, die Bildung von Bakterien, Pilzen und / oder Algen zu unterdrücken. So kann das wasserhaltige Schmiermittel eingerichtet sein, die Entstehung von Biofilmen zu vermeiden. Das Korrosionsschutzadditiv kann insbesondere ein Buntmetall-deaktivierendes Additiv sein und / oder umfassen. Denkbar ist auch, dass das wasserhaltige Schmiermittel wenigstens ein reibwertverminderndes Additiv, einen Festschmierstoff, ein viskositätsindexverbesserndes Additiv und / oder ein Gefrierpunkts-verminderndes Additiv aufweist. Das wasserhaltige Schmiermittel kann auch ein Fresstragfähigkeits-erhöhendes Additiv umfassen.
- Allgemein kann das wasserhaltige Schmiermittel ein voll formuliertes Schmiermittel sein.
- Eine allgemeine Reibungsreduktion lässt sich erreichen, wenn das wasserhaltige Schmiermittel bei 40 °C eine kinematische Viskosität im Bereich von höchstens 320 mm2/s aufweist. Vorzugsweise kann das wasserhaltige Schmiermittel auch eine kinematische Viskosität von mindestens 30 mm2/s aufweisen. Insbesondere kann es eine, vorzugsweise erheblich, höhere kinematische Viskosität als Wasser aufweisen.
- Aufgrund des Wassergehalts des wasserhaltigen Schmiermittels ist es vorteilhaft, wenn die Werkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit, eingerichtet ist, dass die Innentemperatur der Antriebseinheit im Betrieb der mobilen Werkzeugmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C höchstens 80 °C, vorzugsweise höchstens 60 °C, beträgt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Werkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit, bei Erreichen der genannten Höchsttemperaturen in ihrer Eingangsleistung abgeregelt wird. Auch ist denkbar, durch konstruktiv-geometrische Optimierung Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegter Teile und damit relativ zueinander bewegter, zusammenwirkender Kontaktflächen, zu reduzieren, um so entstehende Reibungswärme bereits konstruktiv zu begrenzen.
- Eine weitere Möglichkeit, die genannten Höchsttemperaturen der Innentemperatur einzuhalten, besteht darin, ein Kühlsystem der mobilen Werkzeugmaschine entsprechend leistungsstark zu dimensionieren und / oder zu regeln.
- Vorzugsweise sind die genannten Höchsttemperaturen der Innentemperatur selbst bei Dauerbetrieb und unter Volllast nicht erreichbar.
- Besonders bemerkenswert ist dabei die Möglichkeit, dass die Werkzeugmaschine eingerichtet sein kann, die Eingangsleistung der Antriebseinheit derart zu begrenzen, dass die Innentemperatur der Antriebseinheit im Betrieb der mobilen Werkzeugmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C höchstens 80 °C, vorzugsweise höchstens 60 °C, beträgt. Durch die Begrenzung der Innentemperatur kann die in der Antriebseinheit entstehende Verlustleistung begrenzt sein. Die Begrenzung kann derart ausfallen, dass die von der Antriebseinheit abgegebene mechanische Leistung trotz der reduzierten Eingangsleistung gleich bleiben kann oder sogar insbesondere aufgrund einer überproportional reduzierten Verlustleistung gegenüber einer nicht begrenzten Eingangsleistung erhöht sein kann.
- Denkbar ist auch, dass die Werkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit, einen Feststofffilter, insbesondere einen Filtermagneten, aufweist, der eingerichtet ist, Partikel, insbesondere Abrieb, aus dem wasserhaltigen Schmiermittel zu entfernen, wodurch sich die Standzeit des wasserhaltigen Schmiermittels erheblich verlängern lässt. Allgemein kann die mobile Werkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit, einen Schmiermittelfilter aufweisen.
- Vorzugsweise kann dazu das wasserhaltige Schmiermittel, zumindest vor Beginn der Einlaufphase feststofffrei oder zumindest im Wesentlichen feststofffrei und / oder ohne feste Rückstände ausgebildet sein.
- Insbesondere kann das wasserhaltige Schmiermittel vor Beginn der Einlaufphase frei von Nanopartikeln oder sonstigen Reibpartikeln sein. Es kann somit besonders kostengünstig herstellbar sein. Auch kann es biologisch abbaubar sein. Es kann insbesondere biologisch unbedenklich sein. In diesem Fall lässt sich der Schmiermittelfilter auch besonders einfach ausbilden, da in dem ursprünglich feststofffreien, wasserhaltigen Schmiermittel enthaltene Partikel als Störstoffe klassifizierbar sind und dementsprechend durch den Schmiermittelfilter entfernbar sein können. Die Trennung zwischen Störstoffen und Schmiermittel kann somit mittels einer einfachen Trennung von flüssigem versus festem Material erfolgen.
- Denkbar ist auch, dass das wasserhaltige Schmiermittel, insbesondere vor Beginn der Einlaufphase, Nanoreibpartikel enthält. Hierdurch lässt sich der Nanopolitur-Effekt, insbesondere zu Beginn der Einlaufphase, weiter verstärken. Die Nanoreibpartikel können aus wenigstens einem anorganischen und / oder aus wenigstens einem organischen Material gebildet sein. Sie können ausgebildet sein, sich im Laufe des Betriebs der mobilen Werkzeugmaschine, beispielsweise während der Einlaufphase, aufzulösen und / oder zu zersetzen, sodass der Umfang des zusätzlichen Politureffekts begrenzbar ist.
- Allgemein kann das wasserhaltige Schmiermittel, insbesondere vor Beginn der Einlaufphase, Nanopartikel enthalten. Die Nanopartikel können Nanoreibpartikel sein oder zumindest als Nanoreibpartikel wirken. Allgemein können die Nanopartikel einen tribologischen Effekt in der Antriebseinheit bewirken.
- Besonders bevorzugt ist die mobile Werkzeugmaschine kabellos betreibbar. Dazu kann die mobile Werkzeugmaschine einen, insbesondere wiederaufladbaren,
Energiespeicher aufweisen. Der wiederaufladbare Energiespeicher kann ein Akkumulator oder eine Brennstoffzelle sein. Bei derartigen kabellos betreibbaren mobilen Werkzeugmaschinen kann sich die erreichbare Effizienzsteigerung unmittelbar auf den Nutzungskomfort für einen Benutzer der mobilen Werkzeugmaschine, beispielsweise in Form längerer Laufzeiten und / oder höherer Arbeitsleistungen, besonders positiv auswirken. - Die mobile Werkzeugmaschine kann ferner eingerichtet sein, ein diamanthaltiges Werkzeug anzutreiben. Beispielsweise kann die mobile Werkzeugmaschine eingerichtet sein, mittels des diamanthaltigen Werkzeugs zu sägen, zu bohren und / oder zu schleifen. Gerade bei Einsatzbereichen, bei denen ein derartiges diamanthaltiges Werkzeug üblicherweise zum Einsatz kommt, sind hohe Arbeitsleistungen bei gleichzeitig oftmals langen Einsatzdauern erforderlich. Somit ist der Energiebedarf bei für diamanthaltige Werkzeuge typischen Arbeiten besonders hoch, sodass die Vermeidung von Verlustleistung durch Reibung besonders wünschenswert ist.
- In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren ein Verfahren zum energieeffizienten Betrieb einer erfindungsgemäßen, mobilen Werkzeugmaschine, wobei eine Antriebseinheit der mobilen Werkzeugmaschine, bei der vor Beginn einer Einlaufphase eine Verbundrauheit sigma zweier zusammenwirkender Kontaktflächen der Antriebseinheit größer als 0,01 µm ist, mit einem wasserhaltigen Schmiermittel, insbesondere in der Einlaufphase, geschmiert wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, durch das wasserhaltige Schmiermittel einen derart dünnen Schmiermittelfilm auszubilden, dass die zwei zusammenwirkenden Kontaktflächen im Bereich von Grenzreibung und / oder Mischreibung zueinander bewegt werden. Es können sich Partikel, beispielsweise von den anfangs rauen Kontaktflächen lösen und als Reibpartikel wirken. Die zusammenwirkenden Kontaktflächen können sich somit während der Einlaufphase selbsttätig glätten. Hierdurch lassen sich die Reibung reduzieren und die mobile Werkzeugmaschine besonders energieeffizient betreiben, ohne dass im Vorfeld, insbesondere während der Herstellung der mobilen Werkzeugmaschine, die zusammenwirkenden Kontaktflächen einer besonders hochwertigen, in der Regel sehr kostspieligen, Oberflächenbehandlung unterzogen werden müssten.
- Die mobile Werkzeugmaschine, die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird, insbesondere deren Antriebseinheit sowie das in der Antriebseinheit verwendete Schmiermittel, kann wenigstens eines der vorangehend im Zusammenhang mit der mobilen Werkzeugmaschine und ihrer Komponenten erwähnten Merkmale aufweisen.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
- In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Handwerkzeugmaschine;
- Fig. 2
- ein Diagramm zu Schmierfilmdicken unterschiedlicher Schmiermittel und
- Fig. 3a bis 3c
- schematische Darstellungen verschiedener Reibungszustände;
- Fig. 4a bis 4b
- mikroskopische Aufnahmen von Getriebeteilen und
- Fig. 5a bis 5b
- mikroskopische Aufnahmen von Lagerkugeln.
- In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung für gleiche oder sich funktional entsprechende Elemente jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
- Wenngleich die Erfindung allgemein mobile Werkzeugmaschinen und somit beispielsweise Bauroboter oder Handwerkzeugmaschinen umfasst, wird allein zur Erleichterung des Verständnisses die Erfindung am Beispiel einer Handwerkzeugmaschine erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine mobile Werkzeugmaschine in Form einer Handwerkzeugmaschine 10. Die Handwerkzeugmaschine 10 ist als Bohrmaschine, insbesondere als Diamantbohrmaschine, ausgebildet. Sie ist kabellos betreibbar. Dazu weist sie im Bereich eines Gehäuses 12 einen wiederaufladbaren Akkumulator 14 auf. Der Akkumulator 14 weist Lithium auf. Die Handwerkzeugmaschine 10 ist als tragbares Gerät ausgebildet. Sie weist ein Gewicht zwischen 0,5 und 15 kg und allgemein von weniger als 25 kg auf. - Die Handwerkzeugmaschine 10 weist ferner eine Werkzeugaufnahme 16 auf. In der Werkzeugaufnahme 16 ist ein Werkzeug 18 aufgenommen. Das Werkzeug 18 ist als Diamantbohrwerkzeug ausgebildet. Es ist somit diamanthaltig. Denkbar ist alternativ oder ergänzend, dass die mobile Werkzeugmaschine als Bohrhammermaschine und / oder als Meißelmaschine ausgebildet und / oder verwendbar ist.
- In schematisierter Darstellung ist ferner eine Antriebseinheit 20 der Handwerkzeugmaschine 10 in
Fig. 1 erkennbar. Die Antriebseinheit 20 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 und ist nur aus Darstellungsgründen dem Gehäuse 12 überlagert dargestellt. - Die Antriebseinheit 20 treibt eine Welle an, an die wiederum die Werkzeugaufnahme 16 gekoppelt ist.
- Die Antriebseinheit 20 weist ein elektropneumatisches Schlagwerk und einen Drehantrieb auf, die die Welle schlagend beziehungsweise drehend antreiben. Das Schlagwerk und der Drehantrieb sind über ein Getriebe der Antriebseinheit 20 mit einem Elektromotor der Antriebseinheit 20 mechanisch verbunden und durch diesen antreibbar.
- Die Antriebseinheit 20 weist ein wasserhaltiges Schmiermittel auf, durch das Getriebeelemente, beispielsweise Zahnräder, der Antriebseinheit 20 geschmiert werden. Die Antriebseinheit 20 ist wasserdampfbeständig ausgebildet. Dazu sind insbesondere alle Dichtungen der Antriebseinheit 20, die in Kontakt mit dem wasserhaltigen Schmiermittel kommen können, aus einem wasserdampfbeständigen Material ausgebildet. Das wasserdampfbeständige Material kann vorzugsweise mindestens bis 120°C temperaturbeständig sein. Zusätzlich weist die Handwerkzeugmaschine 10 ein Kühlsystem auf, das derart ausgelegt ist, dass die Innentemperatur der Antriebseinheit 20 im Betrieb der Handwerkzeugmaschine 10 bei einer Umgebungstemperatur von 20°C höchstens 60°C beträgt.
- Oberflächen im Inneren der Antriebseinheit 20, insbesondere jeweils zusammenwirkende Kontaktflächen miteinander gepaarter Zahnräder, sind mit einer Verbundrauheit sigma von mindestens 0,1 µm hergestellt und weisen somit vor Beginn einer Einlaufphase eine solche Verbundrauheit auf.
-
Fig. 2 zeigt ein Diagramm von Schmierfilmdicken unterschiedlicher Schmiermittel, wobei die Schmierfilmdicken auf 100% für ein im Wesentlichen wasserfreies, polyglykolbasiertes Schmiermittel, inFig. 2 als Schmiermittel S0 gekennzeichnet, normiert dargestellt sind. Das Schmiermittel S0 weist eine kinematische Viskosität von 80 mm2/s bei 40°C auf. - Zum Vergleich ist zusätzlich noch Wasser W im Diagramm schematisch abgebildet.
- Schmiermittel S1, S2, S3, S4 und S5 sind wasserhaltige Schmiermittel, die erfindungsgemäß in der Handwerkzeugmaschine 10 (
Fig. 1 ) verwendbar sind. Sie weisen Schmierfilmdicken zwischen 30% und ca. 60% der Schmierfilmdicke des als Referenz dienenden im Wesentlichen wasserfreien Schmiermittels S0 auf. Die Schmiermittel weisen eine kinematische Viskosität von 100 mm2/s bei 40°C auf. - Die Schmiermittel S1, S2, S3, S4 und S5 weisen jeweils einen Wassergehalt zwischen 30% und 35% auf. Sie enthalten ferner jeweils mindestens zwischen 40% und 60% Polglykole. Sie sind - ebenso wie das Schmiermittel S0 - voll formuliert.
- Alle der genannten wasserhaltigen Schmierstoffe S1 bis S5 enthalten weitere Additive, insbesondere biozide, korrosionsschützende, verschleißschützende, Hochdruck- und schaumkontrollierende Additive.
- Die wasserhaltigen Schmierstoffe S1 bis S5 sind ohne feste Rückstände ausgebildet.
- Der Gesamtschau der
Fig. 2 kann entnommen werden, dass die Schmiermittel S1, S2, S3, S4 und S5 gegenüber dem als Referenz dienenden Schmiermittel S0 reduzierte Schmierfilmdicken aufweisen, die jedoch größer als diejenige des Wassers W bleiben. -
Fig. 3a bis 3c zeigen in schematischen Darstellungen unterschiedliche Reibungszustände der Antriebseinheit 20 (Fig. 1 ). - Dargestellt sind in stark vergrößerter Abbildung zwei zusammenwirkende Kontaktflächen 22, 24 als schematische Schnittansichten. Die Kontaktflächen 22, 24 können beispielsweise Bereiche miteinander kämmender Zahnräder der Antriebseinheit 20 sein.
- Die Oberflächenformungen der Kontaktflächen 22, 24 sind aus Darstellungsgründen, insbesondere um die Welligkeit der Oberflächen erkennbar darzustellen, nicht maßstabsgetreu abgebildet.
- Je nach Reibungszustand befindet sich zwischen den Kontaktflächen 22, 24 wasserhaltiges Schmiermittel 26 mit unterschiedlichen Schmierfilmdicken. Das wasserhaltige Schmiermittel 26 kann einem der Schmiermittel S1, S2, S3, S4 oder S5 (alle
Fig. 2 ) entsprechen. - Im Zustand gemäß
Fig. 3a herrscht Grenzreibung. Die Verbundrauheit sigma der Kontaktflächen 22, 24 beträgt 0,1 µm, sodass Spitzen 28, von denen inFig. 3a bis 3c nur einzelne beispielhaft markiert und mit Bezugszeichen versehen sind, der Kontaktflächen 22, 24 bei einer Relativbewegung der Kontaktflächen 22, 24 zueinander aufeinandertreffen. - Zu erkennen ist auch, dass die Dicke des ausbildenden Schmierfilms im Schnitt geringer als die Verbundrauheit sigma ist. Die relative Schmierfilmdicke beträgt somit weniger als 1, beispielsweise zwischen 0,1 und 0,4, insbesondere zwischen 0,1 und 0,2 bei einer Testtemperatur von 40°C und einer Flächenpressung von 1 GPa bei 20% Schlupf.
- Der Zustand gemäß
Fig. 3a entspricht einem Zustand der Handwerkzeugmaschine 10 (Fig. 1 ) unmittelbar ihrer Herstellung, d. h. vor Beginn einer Einlaufphase. - Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, die Handwerkzeugmaschine 10 während einer Einlaufphase zu betrieben. Durch das in der Antriebseinheit 20 enthaltene Schmiermittel 26 wird dabei die Antriebseinheit 20 geschmiert. Dazu kann die Handwerkzeugmaschine beispielsweise über eine Zeitdauer von 1 bis 10 Stunden, beispielsweise 7 h, hinweg betrieben werden.
- Durch die zumindest zu Beginn der Einlaufphase herrschende Grenzreibung kommt es zu einem Abtrag von Partikeln von den Kontaktflächen 22, 24 und damit zu einer selbsttätigen Glättung der Kontaktflächen 22, 24. Dazu sind in
Fig. 3a bis 3c einzelne Partikel 30 im wasserhaltigen Schmiermittel 26 beispielhaft dargestellt und mit einem Bezugszeichen versehen. -
Fig. 3b zeigt einen Reibungszustand, bei dem zwischen den Kontaktflächen 22, 24 Mischreibung herrscht. - Insgesamt hat sich die Verbundrauheit sigma der Kontaktflächen 22, 24 bereits erheblich reduziert, sodass sich nur noch einzelne, wenige Spitzen 28 der Kontaktflächen 22, 24 gegenseitig kontaktieren können. Die relative Schmierfilmdicke liegt im Bereich zwischen 1 und 3.
- Dieser Zustand entspricht einem fortgeschrittenen Stadium der Einlaufphase.
-
Fig. 3c zeigt einen Reibungszustand, bei dem zwischen den Kontaktflächen 22, 24 reine Flüssigkeitsreibung herrscht. Dieser Zustand entspricht einem Zustand der Antriebseinheit 20 nach Beendigung der Einlaufphase. - Die Verbundrauheit sigma der Kontaktflächen 22, 24 hat sich weiter erheblich reduziert. Lediglich aus Darstellungsgründen ist Oberflächenformung der Kontaktflächen 22, 24 stark überzeichnet dargestellt.
- Die relative Schmierfilmdicke hat sich auf größer 3 erhöht.
- Durch die sich selbsttätig geglätteten Kontaktflächen 22, 24 ist somit ein erheblich reibungsreduzierter weiterer Betrieb der Handwerkzeugmaschine 10 und insbesondere der Antriebseinheit 20 möglich.
-
Fig. 4a und 4b zeigen mikroskopische Aufnahmen von Bereichen von Getriebeteilen nach Absolvierung eines Dauerbelastungstests. - Während
Fig. 4a das Ergebnis bei einer mobilen Werkzeugmaschine, deren Antriebseinheit mit dem als Referenz dienenden im Wesentlichen wasserfreien Schmiermittel S0 geschmiert ist, zeigt, zeigen die Aufnahmen gemäßFig. 4b das Ergebnis bei einer mobilen Werkzeugmaschine, deren Antriebseinheit der Erfindung entsprechend mit dem wasserhaltigen Schmiermittel S3 geschmiert ist. - In
Fig. 4a zeigt sich erheblicher Lochfraß, währendFig. 4b nahezu Lochfraß-frei geblieben ist. - Ferner zeigen
Fig. 5a und Fig. 5b mikroskopische Aufnahmen von Lagerkugeln nach Durchführung der Dauerbelastungstests. Analog zu den beiden vorangehenden Darstellungen zeigt die obere Abbildung,Fig. 5a , das Ergebnis bei einer Antriebseinheit, wobei als Schmiermittel das im Wesentlichen wasserfreie Schmiermittel S0 eingesetzt worden ist, und die untere Abbildung,Fig. 5b , zeigt das Ergebnis bei einer Antriebseinheit, bei der das wasserhaltige Schmiermittel S3 eingesetzt worden ist.. - Zu erkennen ist, dass die Lagerkugel der
Fig. 5b einen deutlich ausgeprägteren metallischen Klarglanz zeigt als die Lagerkugel derFig. 5a , was auf eine gegenüber der herkömmlich geschmierten Lagerkugel erheblich verringerte Oberflächenrauheit zurückzuführen ist. - Besonders bemerkenswert dabei ist, dass das wasserhaltige Schmiermittel S3 feststofffrei ausgebildet ist. Es sind bei den zu
Fig. 5b gehörigen Versuchen auch keine Nanoreibpartikel dem Schmiermittel S3 beigemengt gewesen. - Ferner ließen sich mit der vorangehend beschriebenen Erfindung Energieeinsparungen von bis zu 180 W eingesparter Verlustleistung bzw. ca. 8 Prozent des mechanischen Getriebewirkungsgrades bei einer Netzstrom-versorgten mobilen Werkzeugmaschine erzielen.
- Durch die erheblich verbesserte Schmierung konnte zudem festgestellt werden, dass die Sumpftemperatur wasserhaltiger Schmiermittel um bis zu 8°C bzw. um bis zu ca. 13 % bei gleichzeitig um bis zu ca. 9 % gesteigerter mechanischer Getriebeausgangsleistung im Vergleich zum Referenzschmiermittel S0 gesenkt werden konnten.
- Im Gegensatz zu der Sumpftemperatur des Referenzschmiermittels S0 konnten die Sumpftemperaturen der wasserhaltigen Schmiermittel selbst bei einer elektrischen Eingangsleistung der Werkzeugmaschine von 2,8 kW unter 60°C gehalten werden.
- Es hat sich ferner hinsichtlich der Reduktion der Sumpftemperatur als besonders günstig erwiesen, wenn das wasserhaltige Schmiermittel eine Viskosität zwischen 40 und 50 mm2/s, insbesondere von 46 mm2/s, bei 40°C aufweist.
Claims (15)
- Mobile Werkzeugmaschine, insbesondere Handwerkzeugmaschine (10) oder Bauroboter, beispielsweise zur Ausführung von Arbeiten im Hoch- und/oder Tiefbau, mit einer Antriebseinheit (20),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebseinheit (20) ein wasserhaltiges Schmiermittel (26) aufweist und/oder dass die Antriebseinheit (20) zum Betrieb mit dem wasserhaltigen Schmiermittel (26) eingerichtet ist, wobei vor Beginn einer Einlaufphase der Antriebseinheit (20) eine Verbundrauheit sigma zweier zusammenwirkender Kontaktflächen (22, 24) der Antriebseinheit (20) größer als 0,01 µm, vorzugsweise mindestens 0,1µm, ist, wobei die Verbundrauheit sigma die Quadratwurzel der Summe der quadrierten quadratischen Mittelwerte der Profilordinaten Rq der zusammenwirkenden Kontaktflächen (22, 24) ist und wobei die Profilordinaten Rq nach DIN EN ISO 4287 berechnet sind. - Mobile Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundrauheit sigma vor Beginn der Einlaufphase der Antriebseinheit (20) höchstens 3 µm, vorzugsweise höchstens 1 µm, beträgt.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26) derart ausgebildet ist, dass die Schmierfilmdicke zwischen 10% und 80%, insbesondere zwischen 30% und 60%, besonders bevorzugt zwischen 50% und 60%, eines wasserfreien oder zumindest im Wesentlichen wasserfreien polyglykolbasierten, vorzugsweise eine kinematische Viskosität von 80 mm2/s bei 40°C aufweisenden, Schmiermittels (S0), beträgt.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26) wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 15%, besonders bevorzugt zwischen 30% und 35%, insbesondere 33%, Wasser (W) aufweist.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26) höchstens 90%, vorzugsweise höchstens 70%, Wasser (W) aufweist.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26) wenigstens ein Additiv, insbesondere ein Verschleißschutzadditiv, ein Korrosionsschutzadditiv und/oder ein antimikrobielles, insbesondere wachstumshemmendes Additiv, aufweisen.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26) bei 40°C eine kinematische Viskosität im Bereich von höchstens 320 mm2/s und vorzugsweise von mindestens 30 mm2/s aufweist.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Werkzeugmaschine, insbesondere die Antriebseinheit (20), eingerichtet ist, dass die Innentemperatur der Antriebseinheit (20) im Betrieb der mobilen Werkzeugmaschine (10) bei einer Umgebungstemperatur von 20°C höchstens 80°C, vorzugsweise höchstens 60° C, beträgt.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Werkzeugmaschine eingerichtet ist, die Eingangsleistung der Antriebseinheit (20) derart zu begrenzen, dass die Innentemperatur der Antriebseinheit (20) im Betrieb der mobilen Werkzeugmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20°C höchstens 80°C, vorzugsweise höchstens 60° C, beträgt.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Werkzeugmaschine einen Feststofffilter, insbesondere einen Filtermagneten aufweist, der eingerichtet ist, Partikel (30), insbesondere Abrieb, aus dem wasserhaltigen Schmiermittel (26) zu entfernen.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26), zumindest vor Beginn der Einlaufphase feststofffrei oder zumindest im Wesentlichen feststofffrei, und / oder ohne feste Rückstände ausgebildet ist.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Schmiermittel (26), insbesondere vor Beginn der Einlaufphase, Nanoreibpartikel enthält.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Werkzeugmaschine kabellos betreibbar ist.
- Mobile Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Werkzeugmaschine eingerichtet ist, ein diamanthaltiges Werkzeug (18) anzutreiben.
- Verfahren zum energieeffizienten Betrieb einer mobilen Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antriebseinheit (20) der mobilen Werkzeugmaschine, bei der vor Beginn einer Einlaufphase eine Verbundrauheit sigma zweier zusammenwirkender Kontaktflächen (22, 24) der Antriebseinheit (20) größer als 0,01 µm, insbesondere größer als 0,1 µm, ist, mit einem wasserhaltigen Schmiermittel (26), insbesondere während der Einlaufphase, geschmiert wird, wobei die Verbundrauheit sigma die Quadratwurzel der Summe der quadrierten quadratischen Mittelwerte der Profilordinaten Rq der zusammenwirkenden Kontaktflächen (22, 24) ist und wobei die Profilordinaten Rq nach DIN EN ISO 4287 berechnet sind.
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