Warum die Viskosität die EHL-Filmdicke bestimmt
Der EHL-Film im Stirnrad Die Zahnkontaktzone entsteht durch den hydrodynamischen Keileffekt, wenn die beiden Zahnflächen an der Eingriffsseite aufeinander zulaufen. Die Schmierfilmdicke h_min wird durch die Dowson-Higginson-Formel (Linienkontakt, vereinfacht) bestimmt:
h_min ∝ (η₀ × v_Σ)^0,7 × R'^0,46 / (E'^0,03 × w'^0,13)
wobei: η₀ = dynamische Viskosität bei der Einlasstemperatur [Pa·s]
v_Σ = Summe der Geschwindigkeiten = v₁ + v₂ ≈ 2 × v_t (Summe der Rollgeschwindigkeiten) [m/s]
R' = äquivalenter Krümmungsradius am Kontaktpunkt [mm]
E' = äquivalenter Elastizitätsmodul ≈ 226.000 N/mm² (Stahl-Stahl)
w' = Normalkraft pro Einheitskontaktlänge [N/mm]
Schlüsselbeziehung: h_min ∝ η₀^0,7 und h_min ∝ v_t^0,7
Verdopplung der Ölviskosität (bei gleicher Temperatur): h_min erhöht sich um 2^0,7 = 1,62×
Verdopplung der Steigungsgeschwindigkeit (bei gleicher Viskosität): h_min erhöht sich um 2^0,7 = 1,62×
→ Beide Hebel haben die gleiche Kraft von 0,7 – Viskosität und Geschwindigkeit sind gleichermaßen wirksam.
bei der Erhöhung des EHL-Films. Die Geschwindigkeit wird jedoch durch die Anwendung bestimmt; Viskosität
ist die vom Ingenieur kontrollierte Designvariable.
Für ein StirnradFür einen vollständigen EHL-Schutz muss das Schichtverhältnis λ = h_min / R_q ≥ 2,0 erreichen. Für einen Präzisionsschliff Stirnrad (Ra ≈ 0,2 µm) (R_q ≈ 0,25 µm pro Flanke), der zusammengesetzte Wert R_q ≈ √(0,25² + 0,25²) = 0,35 µm, was h_min ≥ 0,70 µm für λ = 2,0 erfordert. Die Viskositätsklasse wird so gewählt, dass dieser Film bei der tatsächlichen Siebzonentemperatur im Normalbetrieb erreicht wird.
Viskositäts-Temperatur-Beziehung – Warum die Betriebstemperatur wichtig ist
ISO VG-Klassen sind bei 40°C definiert. Stirnrad Die Siebzone arbeitet typischerweise bei 60–80 °C (Siebzonen-Massentemperatur), und die Ölviskosität ist bei dieser Temperatur deutlich niedriger als die nominelle VG-Klasse vermuten lässt. Die Viskosität bei Betriebstemperatur muss mithilfe des Viskositäts-Temperatur-Modells (ASTM D341 oder Walther-Gleichung) berechnet werden.
Verhältnis der kinematischen Viskosität (Walther-Gleichung, vereinfacht):
log log(ν + 0,7) = A − B × log(T_abs)
wobei ν = kinematische Viskosität [mm²/s = cSt], T_abs = Temperatur [K]
Die Konstanten A und B werden an die Viskosität des Öls bei zwei bekannten Temperaturen angepasst.
Ungefähre Viskosität von Mineralöl bei Betriebstemperatur (VI ≈ 100):
ISO VG 68 bei 40 °C → ca. 15 cSt bei 80 °C
ISO VG 100 bei 40 °C → ca. 20 cSt bei 80 °C
ISO VG 150 bei 40 °C → ca. 28 cSt bei 80 °C
ISO VG 220 bei 40 °C → ca. 38 cSt bei 80 °C
ISO VG 320 bei 40 °C → ca. 52 cSt bei 80 °C
ISO VG 460 bei 40 °C → ca. 70 cSt bei 80 °C
ISO VG 680 bei 40 °C → ca. 98 cSt bei 80 °C
Synthetisches PAO (VI ≈ 150) behält bei 80 °C eine um etwa 30–401 TP3T höhere Viskosität.
als Mineralöl der gleichen ISO VG-Klasse bei 40°C - ein deutlicher Vorteil.
ISO VG-Güteklasse-Auswahl – Tabelle für Steigungsgeschwindigkeit und Temperatur
Spiral Gang Getriebe mit Ölbadsumpf – die korrekte ISO-VG-Klasse muss bei der Betriebstemperatur der Siebzone (typischerweise 60–80 °C bei Industriegetrieben) eine ausreichende Viskosität aufweisen, um λ ≥ 2,0 zu erreichen, und gleichzeitig bei der minimalen Umgebungstemperatur beim Anlauf niedrig genug sein, um den Filter zu passieren und innerhalb der ersten 30–60 Sekunden des Betriebs die Siebzone zu erreichen.
Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen zur ISO-VG-Klassifizierung für einsatzgehärtetes und geschliffenes Material. Schrägverzahnung (Zahnoberflächenrauheit Ra ≤ 0,3 µm) bei einer Ölsumpftemperatur von 60–80 °C, basierend auf AGMA 9005-F16 Tabelle 2 (industrielle geschlossene Getriebe):
| Pitch-Line-Geschwindigkeit v_t | Empfohlenes ISO VG (Mineral CLP) | Empfohlenes ISO VG (PAO CLP HC) | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| < 0,5 m/s (sehr langsam) | VG 680–1000 | VG 460–680 | Grenzschmierung; hohe Viskosität kompensiert fehlenden hydrodynamischen Schmierfilm. Anwendbar auf Zahnräder von Gummimischern und Plattenmühlen (Art64, Art68). |
| 0,5–5 m/s (langsam bis mäßig) | VG 320–680 | VG 220–320 | Mischreibung bis frühe EHL. Landwirtschaftliche Getriebe (Art56), Kranhebezeuge (Art70), allgemeine Industriegetriebe M10+. |
| 5–15 m/s (Industriestandard) | VG 150–320 | VG 100–220 | Vollständige EHL im oberen Bereich dieser Spanne. Die meisten geschlossenen Industrieanlagen Stirnrad Getriebe fallen in diese Kategorie. |
| 15–25 m/s (schnell) | VG 68–150 | VG 68–100 | Voller EHL-Betrieb wird problemlos erreicht; die Verwirbelungsverluste steigen bei diesen Drehzahlen oberhalb von VG 220 steil an. Kompressorgetriebe (Art50), große Industrielüfterantriebe (Art69). |
| > 25 m/s (hohe Geschwindigkeit) | VG 32–100 (mineralischer Rand) | VG 32–75 PAO bevorzugt | Bei Geschwindigkeiten über 40 m/s ist PAO deutlich vorzuziehen – ein niedrigerer Traktionskoeffizient und ein besserer Viskositätsindex erhalten die Filmqualität. EV-Getriebe (Art. 62), Turbinendrehzahlübersetzer (Art. 69). |
ISO 6743-6 Getriebeschmierstoffkategorien — Welcher Typ für Schrägverzahnungen?
ISO 6743-6 klassifiziert Getriebeschmierstoffe nach ihrem Basisöl und Additivtyp. Die Wahl der richtigen Kategorie ist genauso wichtig wie die Wahl der richtigen ISO-VG-Klasse – selbst bei korrekter Viskosität bietet die falsche Kategorie unzureichenden Schutz.
Standard-Mineralölbasis mit Schwefel-Phosphor-Zusatz (S/P) für extreme Druckbelastung. Geeignet für die meisten industriellen Anwendungen. Stirnrad Antrieb bei v_t = 1–20 m/s. FVA-Mikropitting-Bewertung MLS 6–8. Wechselintervall: 3.000–8.000 Stunden, abhängig von der Zustandsüberwachung. Kostengünstigste Lösung für Standardgetriebe.
Hydrocracktes Basisöl der Gruppe III mit verbesserter Oxidationsstabilität und etwas höherem Viskositätsindex (≈ 120) als herkömmliches CLP. 20–30% bietet eine längere Lebensdauer als CLP. Empfohlen für Stirnrad Getriebe für höhere Umgebungstemperaturen oder längere Betriebsintervalle. FVA-Mikropitting-Bewertung MLS 8–10. Bessere Option für Hauptgetriebe von Windkraftanlagen und Offshore-Getriebe.
Synthetisches PAO-Basisöl der Gruppe IV; Viskositätsindex (VI) ≈ 150. Optimale Hochgeschwindigkeitsleistung (niedrigerer Traktionskoeffizient → höherer Wirkungsgrad), beste Fließfähigkeit bei niedrigen Temperaturen, längste Lebensdauer (5.000–12.000 Stunden). Bevorzugt für EV-Getriebe, BFP-Schneckengetriebe und alle anderen Anwendungen. Stirnrad Anwendungsbereich, in dem Energieeffizienz monetarisiert wird. Etwa 2–3 Mal teurer pro Liter als CLP-Mineralöl.
Für Standard-Schrägverzahnungen NICHT empfohlen. Polyglykol-Basisöl eignet sich hervorragend für Schneckengetriebe (sehr niedriger Reibungskoeffizient bei Bronze-Stahl-Kontakten), greift jedoch Nitrilkautschukdichtungen an und emulgiert leichter mit Wasser als PAO. Ausnahmen bilden wenige Spezialanwendungen mit Schneckengetrieben.Stirnrad Verbundgetriebe, bei denen die Schneckenstufe Priorität hat, oder Edelstahlwellenantriebe, bei denen keine Nitrildichtungen verwendet werden.
Mineral vs. PAO – Wann lohnt sich das Upgrade?
Aufwertung von CLP-Mineral auf CLP-PAO für ein Stirnrad Der Antrieb bietet drei Vorteile: höhere Effizienz (reduzierte Verwirbelungen und Reibung im Getriebe → geringere Energiekosten), längere Öllebensdauer (reduzierte Wartungsintervalle und Ausfallzeiten) und besserer Schutz bei extremen Temperaturen. Ob sich die Modernisierung lohnt, hängt vom Betriebsprofil ab.
Berechnung der Amortisationszeit (Beispiel: 75 kW) Stirnrad Laufwerk, CLP 220 → PAO 220):
Effizienzsteigerung: ca. 0,5–1,01 TP3T (Reduzierung der Sieb- und Rührverluste)
Jährliche Energieeinsparung: 75 kW × 0,007 × 8.000 h/Jahr = 4.200 kWh/Jahr
Bei 0,12 USD/kWh: 504 USD/Jahr Energieeinsparung pro Antrieb
Amortisationszeit des Ölwechsels:
CLP 220 Mineralöl: Ölwechsel alle 3.000 Stunden → 2,7 Ölwechsel/Jahr bei 8.000 Betriebsstunden/Jahr
CLP PAO 220: Ölwechsel alle 8.000 Betriebsstunden → 1 Wechsel/Jahr
Jährliche Ölmengeneinsparung: 1,7 Ölwechsel × Ölmenge = signifikant für große Getriebe
Amortisationszeitpunkt: PAO kostet typischerweise das 2- bis 3-Fache von CLP-Mineralöl pro Liter. Für ein 100-Liter-Getriebe:
PAO-Prämie pro Füllung: 300 USD; Energieeinsparung: 504 USD/Jahr → Amortisation < 1 Jahr.
Bei Antrieben mit einer Betriebsdauer von <2.000 Stunden/Jahr oder einem geringen Ölvolumen ist CLP-Mineralöl kostengünstiger.
Kaltstartviskosität – Mindestumgebungstemperaturanforderung
A Stirnrad Das Getriebe darf niemals unter Volllast gestartet werden, bevor das Öl aus der Ölwanne zu den Zahnradeingriffen und Lagern geflossen ist. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen kann hochviskoses Mineralöl gelieren oder so langsam fließen, dass die ersten 30–60 Sekunden des Betriebs ohne ausreichende Schmierung erfolgen. Die minimale Umgebungstemperatur für einen Start unter Volllast ohne Vorwärmen beträgt:
Fließpunkt und minimale Starttemperaturen für Mineral-CLP-Getriebeöl (ungefähr):
VG 220 CLP Mineralöl: Stockpunkt ≈ −15 °C; Mindeststarttemperatur unter Volllast ≈ −5 °C
VG 320 CLP Mineralöl: Stockpunkt ≈ −12 °C; Mindeststarttemperatur unter Volllast ≈ 0 °C
VG 680 CLP Mineralöl: Stockpunkt ≈ −9 °C; Mindeststarttemperatur unter Volllast ≈ +5 °C
VG 220 PAO: Stockpunkt ≈ −45 °C; minimale Starttemperatur bei Volllast ≈ −30 °C
VG 320 PAO: Pourpoint ≈ −42 °C; minimale Starttemperatur bei Volllast ≈ −25 °C
Für Getriebe in kalten Klimazonen (koreanischer Winter, sibirische Anlagen, arktische Offshore-Anlagen):
PAO-Synthetiköl ist oft die einzige Viskositätsklasse, die keine Ölheizung erfordert.
Korea Ever-Power – Empfehlung zur Ölviskosität bei Getriebebestellungen
Die von Korea Ever-Power gemessene Zahnoberflächenrauheit Ra des Serienzahnrads (Ra ≤ 0,2 µm für DIN-Klasse 5, Ra ≤ 0,4 µm für DIN-Klasse 7) wird zur Berechnung des zusammengesetzten R_q und des erforderlichen h_min für λ = 2,0 verwendet – woraus sich direkt die minimale ISO-VG-Klasse bestimmen lässt, die bei der angegebenen Betriebstemperatur für das Zahnrad erforderlich ist. Stirnrad Installation
Korea Ever-Power liefert bei jedem Produkt die empfohlene ISO-VG-Klasse (und die entsprechende Berechnung des minimalen λ = h_min/R_q-Werts). schrägverzahntes Zahnrad Bestellung – unter Verwendung des tatsächlich gemessenen Oberflächenrauheitswerts Ra des Serienzahnrads, nicht eines klassenspezifischen Wertes. Die Ölempfehlung enthält die minimale Umgebungstemperatur für den Startvorgang der angegebenen Viskositätsklasse und weist darauf hin, ob für den Betrieb in kalten Klimazonen synthetisches PAO-Öl erforderlich ist. Als direkte Hersteller von StirnrädernKorea Ever-Power gleicht die Empfehlung zur Ölviskosität mit der Umfangsgeschwindigkeit des Getriebes und der Berechnung der Rotationsverluste ab und empfiehlt eine niedrigere Viskositätsklasse, falls der Kunde eine unnötig hohe Viskositätsklasse angegeben hat, die den Wirkungsgrad verringern würde, ohne das λ-Verhältnis zu verbessern. [Weitere Informationen finden Sie hier:] Produktpalette an Stirnradgetrieben.
Häufig gestellte Fragen
Nicht unbedingt. Wird der Motor für höhere Drehzahlen (höhere Teilkreisgeschwindigkeit) ausgetauscht, kann das vorhandene hochviskose Öl zu übermäßigen Verwirbelungsverlusten und hohen Öltemperaturen führen. Wird der Motor hingegen für niedrigere Drehzahlen ausgetauscht, kann die ursprüngliche Viskosität für einen ausreichenden EHL-Schmierfilm bei der reduzierten Teilkreisgeschwindigkeit zu niedrig sein. Wenn die Drehzahl eines vorhandenen Motors Stirnrad Bei Getriebeänderungen von mehr als ±30% muss die Ölviskositätsklasse bei der neuen Betriebsdrehzahl neu berechnet werden, um sicherzustellen, dass λ weiterhin über 2,0 liegt. Korea Ever-Power bietet diese Neuberechnung für alle Getriebe an. Stirnrad Antrieb, der eine Drehzahländerung erfahren hat – die Berechnung verwendet die tatsächliche Zahnradgeometrie (Modul, Zahnbreite, Teilkreisdurchmesser) und die neue Drehzahl als Eingangsgrößen.
In einem gemeinsamen Sumpf Stirnrad Bei Getrieben (der gängigsten Bauweise) teilen sich alle Stufen das gleiche Öl. Dabei wird ein Kompromiss zwischen der idealen Viskosität für die schnelllaufende erste Stufe (niedriger VG-Wert) und der idealen Viskosität für die langsamlaufende Endstufe (höherer VG-Wert) gefunden. Üblicherweise wird die Ölviskosität für die kritischste Stufe gewählt (typischerweise die Stufe mit der höchsten Teilkreisgeschwindigkeit, bei der die Schmierverluste am empfindlichsten auf die Viskosität reagieren). In den langsameren Stufen wird ein leicht suboptimaler λ-Wert akzeptiert, da diese Stufen in der Regel nicht kritisch sind, weil der EHL-Schmierfilm aufgrund der geringeren Teilkreisgeschwindigkeit bereits dick ist. Bei Getrieben, bei denen das Drehzahlverhältnis zwischen erster und letzter Stufe 10:1 übersteigt (v_t-Verhältnis > 10:1), empfiehlt sich die Verwendung separater Ölkammern für jede Stufe – jeweils mit einer optimierten Ölsorte –, um sowohl Überschmierung in der schnelllaufenden Stufe als auch Unterschmierung in der langsamlaufenden Stufe zu vermeiden.
Ja, indirekt – durch zwei Mechanismen. Ein größeres Modul Stirnrad hat einen größeren äquivalenten Kontaktradius R', was h_min bei gleicher Viskosität und Geschwindigkeit erhöht (h_min ∝ R'^0,46). Dies bedeutet großen Modul Schrägverzahnung Das gleiche λ = 2,0-Ziel kann mit einer geringeren Viskosität als bei Zahnrädern mit kleinem Modul und gleicher Umfangsgeschwindigkeit erreicht werden. Allerdings laufen Zahnräder mit großem Modul oft mit niedrigeren Umfangsgeschwindigkeiten, wodurch dieser Vorteil teilweise kompensiert wird. Der Nettoeffekt: Bei Zahnrädern mit sehr großem Modul (M20+), die mit niedrigen Drehzahlen (0,5–3 m/s) laufen, führt die Kombination aus großem R' und niedriger Drehzahl dazu, dass die EHL-Filmbildung selbst mit sehr hochviskosen Ölen marginal ist – weshalb die EP-Grenzschmierung für Zahnräder mit großem Modul entscheidend wird. Schrägverzahnung.
Polyglykolöle sind mit den in nahezu allen Industriezweigen verwendeten NBR-Dichtungen unverträglich. Stirnrad Getriebe. CLP-PG-Öl quillt auf und zersetzt NBR-Dichtungen innerhalb weniger Wochen nach Kontakt mit dem Öl. Dies führt zu Ölleckagen, die die Umwelt belasten und die Ölversorgung des Getriebes beeinträchtigen. Ein weiteres Problem ist die Wasseremulgierung: CLP-PG absorbiert Wasser und bildet eine stabile Emulsion, die sich nur schwer durch Wasserabscheidung entfernen lässt. Das emulgierte Wasser verursacht dann Rost im Getriebegehäuse und an den Zahnflanken. StirnradCLP PG ist das richtige Schmiermittel für Schneckengetriebe (wo der niedrige Haftreibungskoeffizient von PG auf Bronze besonders vorteilhaft ist) – aber für jeden Antrieb mit einem Stirnrad Im Stadium ist CLP PAO der bevorzugte Hochleistungskunststoff, nicht CLP PG.
ISO VG-Klassifizierungsempfehlung bei jeder Bestellung von Stirnrädern
Korea Ever-Power berechnet λ = h_min / R_q anhand der gemessenen Ra-Werte und der tatsächlichen Teilkreisgeschwindigkeit und empfiehlt anschließend die minimale ISO-VG-Klasse und Ölkategorie (CLP / CLP HC / CLP PAO) – inklusive minimaler Starttemperatur und minimalem Ölwechselintervall – standardmäßig in der Auftragsdokumentation. Eine separate Schmierstoffentwicklung ist nicht erforderlich.
λ = h_min / R_q Berechnung · Auswahl der ISO VG-Klasse · Empfehlung für CLP / CLP HC / CLP PAO · Kaltstarttemperatur · Wartungsintervall · Standardumfang
Herausgeber: Cxm
