Kenndaten von Schmierstoffen

Viskosität

Die Viskosität ist die bekannteste Eigenschaft von Schmierölen. Sie ist das Maß für die innere Reibung eines Öles beim Fliessen. Die Viskosität ist eine temperaturabhängige Größe. Ist die Temperatur niedrig, das Öl also kalt, so ist die innere Reibung groß und die Viskosität hoch. Je wärmer das Öl wird, um so geringer wird die innere Reibung und die Viskosität niedriger.

Man unterscheidet zwischen der kinematischen und der dynamischen Viskosität. Die Umrechnung erfolgt mittels der Dichte des Öles und nach der Formel: Kinematische Viskosität = Dynamische Viskosität / Dichte

Die Dimension (Einheit) für die kinematische Viskosität ist mm2/s, früher cSt (centi Stoke); diejenige für die dynamische Viskosität ist mPa s, früher cP (centi Poise).

Die kinematische Viskosität wird in Kapillarviskosimetern gemessen, die dynamische Viskosität meistens in Rotationsviskosimetern (speziell für die Tieftemperaturviskosität).

SAE-Viskositätsklassen

Die Schmierstoffe für Fahrzeuge (Motoren- und Getriebeöle) werden mit SAE-Klassen (SAE = Society of Automotive Engineers) beschrieben. Hierin sind festgelegt:
  • Temperaturen für die Viskositätsmessungen
  • Viskositätsgrenzwerte
  • Klassenzuordnungen
Im heißen Betriebsbereich wird für Motoren- und Getriebeöle die Viskosität einheitlich für alle SAE-Klassen bei 100°C bestimmt. Dies ist bei Motorenölen nicht praxisgerecht genug. Aus diesem Grund wird hier zusätzlich die HTHS (High Temperature High Shear)-Viskosität bei 150°C und einem Geschwindigkeitsgefälle (auch Schergefälle genannt) von 106 s-1 bestimmt.

Im kalten Betriebsbereich sind, je nach SAE-Klasse, unterschiedliche Messtemperaturen vorgeschrieben. Öle, für die Viskositätsgrenzwerte im kalten Zustand bestehen, haben zusätzlich zum Zahlenwert der jeweiligen SAE-Klasse den Buchstaben „W“.
Vergleich zwischen Ein- und Mehrbereichsöl
Erfüllt ein Öl nur die Anforderung einer SAE-Klasse, so ist es ein Einbereichsöl (englisch Monograde), z.B. SAE 10W oder SAE 30 bei Motorenölen, ein SAE 80W oder SAE 140 bei Getriebeölen.

Werden im kalten Zustand die Anforderungen einer W-Klasse und bei 100°C bzw. 150°C die einer Klasse ohne „W“ erfüllt, so ist es ein Mehrbereichsöl (englisch Multigrade), z.B. SAE 0W-30 oder SAE 5W-40 bei Motorenölen, SAE 75W-90 oder SAE 80W-140 bei Getriebeölen.

Viskositätsklassifikation nach ISO 3448

Mit Ausnahme der in den SAE-Klassen beschriebenen Fahrzeug-Motoren- und Getriebeölen werden alle anderen Schmieröle gemäss der ISO-Viskositätsklassifikation eingeteilt. In dieser ISO-VG (International Organisation for Standardization - Viscosity Grade) sind 18 Viskositätsklassen von 2 mm2/s bis 1500 mm2/s genormt. Es ist nur eine sogenannte Mittelpunktsviskosität bei 40°C vorgeschrieben, die in einer Viskositätsklasse um 10% nach oben und unten abweichen darf. Ein Hydrauliköl der ISO VG 46 muss also
zwischen 41,4 mm2/s (unteres Limit) und 50,6 mm2/s (oberes Limit) liegen.

Viskositäts-Temperatur-Verhalten (Viskositätsindex)

Die Änderung der Viskosität infolge steigender oder fallender Temperatur kann von Öl zu Öl unterschiedlich sein. Für die Praxis geeignet ist ein Öl, das bei Temperaturschwankungen seine Viskosität möglichst wenig ändert ( Abbildung 5). Hierdurch wird sowohl ein einwandfreier Kaltstart als auch ein ausreichendes Tragevermögen des Schmierfilms bei hoher Temperatur gewährleistet. Für das Viskositäts-Temperatur-Verhalten gibt es eine dimensionslose Kennzahl, den Viskositätsindex (VI). Je höher der Viskositätsindex,
desto geringer ist der Viskositätsabfall bei Temperaturzunahme. Einbereichsöle haben einen VI um 100, bei Mehrbereichs-Motorenölen kann er bis zu 180 betragen.
Viskositäts-Temperatur-Verhalten

Viskositäts-Druck-Verhalten

Die Viskosität eines Öles ändert nicht sich nicht nur mit der Temperatur, sondern auch mit dem auf den Schmierfilm ausgeübten Druck. Diese Eigenschaft ist für tribotechniche Berechnungen oft sehr wichtig, wenn Öle verschiedener Basisflüssigkeiten zur Verfügung stehen.

Viskosität und Schergefälle

Bei Mehrbereichsölen, die Viskositätsindex-Verbesserer enthalten, ist die Viskosität außer von der Temperatur und vom Druck auch noch vom Schergefälle abhängig.

Im Schmierspalt wird das Öl je nach Drehzahl und Schmierfilmdicke unterschiedlichen Scherbelastungen ausgesetzt. Stellt man sich den Schmierspalt und damit auch den Schmierfilm vieltausendfach vergrößert vor, so werden die direkt am nicht bewegten Teil (z.B. Lagerschale oder Zylinderlaufbahn) befindlichen Ölteilchen die Geschwindigkeit 0 haben.
          Schergefälle im Schmierspalt
Dagegen werden die am bewegten Teil anliegenden Ölteilchen die Geschwindigkeit dieses Bauteils (z.B. die Umfangsgeschwindigkeit des Lagerzapfens der Kurbelwelle oder die Kolbengeschwindigkeit) annehmen.

Das vorhandene Schergefälle errechnet sich dann nach folgender Formel: Geschwindigkeit am bewegten Bauteil (m/s) / Schmierfilmdicke (m)

Dies führt dann zu der Einheit von s-1 für das Schergefälle. Es liegt in Verbrennungsmotoren im Bereich Hauptlager sowie Kolben und Zylinderlaufbahn bei ca. 105 s-1, bei Leerlaufdrehzahl bis zu ca. 106 s-1 bei maximaler Drehzahl.

Scherstabilität

Bei Ölen ohne Viskositätsindex-Verbesserer (Einbereichsöle) hat das Geschwindigkeitsgefälle keinen Einfluss auf die Viskosität; man bezeichnet sie als newtonsche Flüssigkeit (Abbildung 7, Öl X). Enthält das Schmieröl VI-Verbesserer (ist bei vielen Mehrbereichsölen der Fall), so nimmt bei gleicher Temperatur, aber größer werdendem Schergefälle (steigende Drehzahl) je nach Typ (Chemie) und Menge des VI-Verbesserers die Viskosität mehr oder weniger stark ab. Das sind dann nicht newtonsche Flüssigkeiten. 
             Viskositätsverhalten bei Scherung
Je geringer die Viskositätsabnahme desto besser die Scherstabilität. Motorenöle, die auch unter härtesten Betriebsbedingungen immer in der selben SAE-Klasse bleiben und dadurch sehr scherstabil sind, nennt man „Stay-in-grade-Öle“.

Pumpbarkeit bei tiefen Temperaturen (Grenzpumpbarkeit)

Hiermit werden die Einsatzgrenzen für das Durchölungsverhalten der Motorenöle nach einem Kaltstart beschrieben. Bis zur Grenzpumpbarkeit fließt dem Ölsieb bzw. der Ölpumpe genügend Öl zu, unterhalb dieser Grenze ist eine ausreichende Ölversorgung des Schmiersystems nicht mehr gewährleistet, es kommt zum Ansaugen von Luft und damit zu Verschleißschäden.

Pour Point

Früher wurde das Kälteverhalten eines Schmieröls durch den Stockpunkt, d.h. die Temperatur bei der Öl erstarrt, beschrieben. Heute wird die sogenannte Fliessgrenze, ausgedrückt durch den Pour Point, angegeben. Für die Bestimmung des Pour Points wird nach wie vor der Stockpunkt ermittelt und gemäß Norm wird der Pour Point in 3°C – Schritten angegeben. Beträgt der Stockpunkt z.B. –47,5°C so ist der pour Point –45°C.

Verdampfungsverlust

Der Verdampfungsverlust ist abhängig von der Viskosität und bei den Mineralölen vom Raffinationsgrad. Hydrocracköle zeigen einen geringeren Verdampfungsverlust als konventionelle Mineralöle. Hohe Verdampfungsverluste können in der Praxis zu erhöhtem Ölverbrauch und verstärkter Ölkohleablagerung auf Kolben und Einlassventilen führen. Der Verdampfungsverlust nach Noack wird bei 250°C ermittelt und in Massen-% angegeben.
Diese Ausgangsprodukte werden sowohl pur als auch in unterschiedlichen Mischungen untereinander als Basisflüssigkeiten zur Herstellung von Schmierstoffen eingesetzt.