2

Waarop baseren we de keuze van een smeermiddel voor

tandwielkasten?

3

Tribologie

• Wetenschap en technologie van samenwerkende, ten opzichte van elkaar bewegende oppervlakken en van de samenhangende toepassingen

4

Principe van smering

α

ϕ

5

F

Hydrodynamische smering

6

Smeringsregimes

• (Elasto) Hydrodynamische smering(volle filmsmering)

• Gemengde smering

• Grenssmering

7

Hydrodynamische smering(volle filmsmering)

• Wigvormige lagerspleet• Effectieve loopvlaksnelheid >0• Smeermiddel met voldoende viscositeit

• Gevolg: volledige loopvlakscheiding, lage wrijving, lage warmte-ontwikkeling, laag energieverbruik

8

Elasto Hydrodynamische smering

9

Vereiste filmdikte bij volle filmsmering

Gemiddelde smeerfilmdikte moet groter zijn dan de som van de ruwheidstoppen

10

Drukopbouw mogelijkheden voor volle filmsmering

• Hydrodynamisch: – Drukopbouw door vormgeving van de constructie en beweging van

de loopvlakken

• Elasto-hydrodynamisch– Drukopbouw door vormgeving van de constructie en beweging van

de loopvlakken èn door tijdelijke elastische vervorming daarvan onder belasting

• Hydrostatisch – Drukopbouw door externe drukbron (pomp)

• In alle bovengenoemde gevallen is de aanwezigheid van een “drukmedium met smerende eigenschappen” een essentiële voorwaarde

11

Gemengde smering

• Als loopvlakken naar elkaar toe bewegen• De gemiddelde smeerfilmdikte is lager dan ruwheid

van de loopvlakken

• Gevolg:hogere wrijving, hogere warmte ontwikkeling, toename energieverbruik

12

Gemengde smering

13

Grenssmering• Lage snelheden• Lage viscositeit• Hoge belasting• Onvoldoende druk in smeerfilm om loopvlakken van elkaar te scheiden

• Gevolg: hogere wrijving, hogere warmte ontwikkeling, schade aan onderdelen, onveilige situatie, verder toenemend energieverbruik

14

Grenssmering

Flitstemperatuur

> 600 °C

15Snelheid x Viscositeit

Wrijving

Stribeck Curve

Gemengde smeringGrenssmering

I II III

III

III Hydrodynamische smering

Belasting

16

Welke factoren bepalen smeerfilmdikte?

17

Viscositeit

• Weerstand tegen vloeien• Hoe hoger de weerstand tegen vloeien hoe hoger de

viscositeit• Weerstand tegen vloeien is sterk afhankelijk van de

temperatuur• Weerstand tegen vloeien is afhankelijk van de druk

18

Viscositeit classificatie

• ISO (International Standardisation Organisation) • ISO VG klasse van 2 t/m 1500• Aanduiding viscositeit in mm²/s (cSt) (centistokes) • Referentietemperatuur: 40°C• 1mm²/sec = 1 centistoke• De tolerantie is +/- 10%

• SAE (Society of Automotive Engineers)

19

Viscositeitsbepaling

• Saybolt Universal seconds (SSU)

• Kinematische viscositeit: SSU/ Sg � Viscositeit

V40 in mm²/s 40°C

20

ISO Viscositeitsgroep

(ISO VG)

21

Viscositeit - temperatuur relatie

• Viscositeit neemt af bij temperatuur toename• Deze eigenschap is doorgaans ongewenst omdat de

draagkracht van de smeerfilm afneemt• Viscositeit neemt toe bij temperatuur afname• Deze eigenschap is doorgaans ongewenst omdat de

wrijving in de smeerfilm toeneemt

22

Viscositeit-Temperatuur relatie

40°C 100°C

23

Viscositeitsindex

40°C 100°C

Hoge VI

Lage VI

24

Te verwachten smeringsregimes

25

• Contact tussen beide tandwielen verloopt langs de “lijn van ingrijping”

• Dit betekent dat de straal waarop de over te brengen kracht werkt continue verandert en maar in één enkel punt voor beide tandwielen gelijk is

• Op alle andere plaatsen treedt naast rollen ook glijden op

• Bij elke nieuwe ingrijping moet opnieuw een dragende smeerfilm worden opgebouwd

• Door dit alles kunnen in het algemeen slechts zeer dunne smeerfilms gevormd worden

Lijn van ingrijping - rollen en glijden

26

"Micro pitting"• Slijtage op microniveau: er ontstaan grijze, opgeruwde, vlekken op

de belaste tandflanken: "Graufleckigkeit"

• Speelt alleen bij hoogbelaste industrie-overbrengingen waar gehardeen geslepen tandwielen worden toegepast

• Oorzaak: oliekwaliteit, belasting, materiaalkeuze, bewerking

"micro pitting"op microscoopopname: uitbrokkelenhet tandopperviak en haarscheurtjes uit de geharde Iaag

27

• Gecompliceerde tandbeweging– Rollen en glijden

– Variërende belasting

– Discontinue beweging

• Smeringregimes:

– Lage omtreksnelheid

– Hoge omtreksnelheid met oliesmering– Hoge belasting

• Alleen op steekcirkel zuiver rollen

• Niet op elk punt van de tandflank even hoog

• Bij iedere tandingrijping opnieuw begin beweging

• Grenssmering

• Mogelijk hydrodynamische smering• EHD smering

Tandwielen samenvattend:

28

Tandwielen

• Er worden zware eisen gesteld aan de bescherming tegen slijtage

• Door de hoge vlaktedrukken en glijsnelheden treedt warmteontwikkeling op die moet worden afgevoerd

• In het contactvlak kunnen zeer hoge temperaturen optreden (flitstemperaturen)

• Gevaar voor slijtage ontstaat

29

Smering van tandwielen

• Voldoende bescherming tegen slijtage• Wrijving moet zo veel mogelijk worden verlaagd• Afvoer van warmte• Indien gevaar voor vreten moeten anti-las

eigenschappen aanwezig zijn• Voldoende bescherming tegen corrosie• Toegepast smeermiddel is afhankelijk van het type

overbrenging

30

• Viscositeit: de gemiddelde smeerfilmdikte moet groter zijn dan de som van de ruwheidstoppen

• Viscositeit-temperatuur relatie• Viscositeit-drukrelatie• Hechting aan het loopvlak• Grenssmeereigenschappen

Smering van tandwielen

31

Welke additieven in tandwielolie?

32

Antislijtage doop : AW

• Anti-Wear (AW) = milde EP doop– Reageert op hogere temperatuur– Reageert alleen met loopvlakmateriaal waarbij

contact optreedt– Legt een laagje aan over het oppervlak waardoor

loopvlak gladder wordt

– Veel gebruikt:• ZDDP (zinkdialkyldithiofosfaat)• Trikresylfosfaat

33

Antilas toevoegingen: EP

• EP doop:– Reageert chemisch met het

loopvlakmateriaal waarbij contact optreedt– Sterker chemisch actief dan AW – Pas op met koper en koperlegeringen

(glijlagers, wormoverbrengingen en kooien van wentellagers)

– Veel gebruikt:• Fosfor• Chloor• Zwavel

34

Smeermiddelkeuze is afhankelijk van:• Geometrie (b.v. lagerdimensies, tandwieldimensies)• Snelheid• Belasting• Omgevingstemperatuur• Bedrijfstemperatuur• Verversingsfrequentie • Smeermethode (circulatiesmering, spatsmering, straalsmering,

dompelsmering, vetgevuld..)• Materiaalparingen• Afdichtingen / pakkingmateriaal• Type conservering (verf)• Bedrijfsomstandigheden • Contaminatie (water, product, chemicaliën)• Standaardisatie

35

Toe te passen smeermiddel : algemeen

• Olie, een enkele keer (halfvloeibaar) vet• Spat, dompel of circulatiesmering• Standaard smeermiddel: minerale olie met toevoegingen • Synthetisch smeermiddel: voor hoge c.q. lage temperaturen • Viscositeit: ISO VG 68 - ISO VG 680• Niet zwaar belaste systemen kunnen met turbineolie of

hydraulische olie worden gesmeerd• Viscositeit: bij lage omtreksnelheid en bij hoge belasting

hoger

36

Oil Variety

- 70

- 20

- 70

- 30

- 15

Tmin [°C]

230

250

300

180

200

160

140

140

Tmax [°C]

Alkyl benzene

Poly phenyl ether

Fluor hydrocarbon

Per fluor polyether

Ester

Compatibility with plasticsAdditive - responseProduction process LubricityPrice factor 2 – 1000 comp. to mineral oil

Viscosity range LubricityVT – CurveVI > 130Thermal stabilityOxidation stability

Poly α olefin PAO

Synthetic Oil

Poly glycol

Poor low temp propertiesThermal stabilityOxidation stabilityVI < 60 for paraffinVI < 60-100 for naphtane

Available viscosity rangeLubricityAdditive responseCompatibility with plasticsPrice

Paraffin

Silicone

Naphthane

MineralOil

DisadvantageAdvantageOil Type

37

Toe te passen smeermiddel :

• Vaak wordt conventionele tandwielolie toegepast• Standtijdverlenging mogelijk door betere bestendigheid

tegen de bedrijfsomstandigheden zoals water, chemicaliën, stof, vervuiling, milieu etc.

• Bij standtijdverlenging hogere eisen aan smeermiddel:– Basisolie– Oxydatiestabiliteit– Additivering– Reinheid– Fitreerbaarheid

38

Standtijdverlenging door:• Synthetisch indien hoge bedrijfstemperaturen

– (mineraal bij normale bedrijfstemperaturen )

• Toepassen van beluchters op tandwielkasten• Borgen van de reinheid van de olie middels filtratie• Het nemen en (laten) analyseren van oliemonsters

39

Keuze van viscositeit

• Hoge viscositeit

• Lage viscositeit

• Viscositeit is een compromis

• Gunstig voor smeerfilm opbouw;• Leidt tot extra warmteontwikkeling;• Geeft karnverliezen;• Slechte warmteafvoer.

• Kans op doorbreken van de smeerfilm;• slijtage en vreten;• Goede warmteafvoer.

• Bij aanwezigheid van AW en/of EP Doop kan een lagere viscositeit worden gekozen;

• Bij toepassen van een hoge VI olie kan een lagere viscositeit worden gekozen;

• Kies een tandwielolie met een hoge smeerfilmsterkte.

40

Smeermiddelkeuze volgens DIN 51509

41

Smeermiddelkeuze volgens DIN 51509

42

Typen tandwielen

hypoide overbrenging

planeetstelsel Rechte vertanding Verband tussen worm, spyroide, hypoide en kegelwieloverbrenging

43

Wormwielkasten

• Wormwielkasten kennen zeer hoge glijsnelheden• Extra warmte ontwikkeling• Hoge temperatuur• Smeermiddel: PAG of PAO • PAG geeft lagere wrijving, daardoor lagere

bedrijfstemperatuur en minder energieverlies• Wormkasten met oliebadsmering:

Viscositeit is afhankelijk van de plaats van de worm

44

Plaats van de worm en de invloed daarvan op de viscositeit

onderliggende worm: relatief lage viscositeit

bovenliggende worm: relatief hoge viscositeit omdat anders het smeermiddel de worm niet bereikt

In beide gevallen heeft het gebruik van PAO's en vooral PAG's duidelijke voordelen: minder wriijving, minder warmteontwikkeling, minder slijtage

45

Kleine tandwielkasten

• Nieuwe ontwikkeling is levensduursmering.• Geen vul- en aftapopening voor het smeermiddel

meer aanwezig• Toepast smeermiddel polyalkyleenglycol (PAG)• Door de hoge natuurlijke VI kan met één zelfde olie

verschillende klimaatscondities worden toegepast

46

Vetgevulde motorreductoren

• Alleen in geval van dompelsmering• Goed vloeibare vetten NLGI 000 of 00 met

synthetische basisoliën voor levensduursmering

47

Bijzondere toepassingen• Luchtvaart

• Buitenopstelling

• Tandwielen in Turbines

• Tandwieloverbrenging geintegreerd in hydraulisch systeem

• Nucleaire toepassing, zuurstof, ruimtevaart

• Voedingsmiddelen industrie

• Synthetische esters;

Geschikt voor breed temperatuursbereik

• Biologisch afbreekbare oliën

• Turbine oliën

• Hydraulische oliën DIN HL of HLP

• Gefluorideerde oliën

• Food Grade H1 gecertificeerde smeermiddelen

48

Open tandwieloverbrengingen

• Sterk hechtende smeervetten, op basis van bitumen of bitumenvrij

• Tandwielsmeermiddelen op basis van bitumen bestaan uit minerale olie waarin bitumen is opgelost

• Om aan te brengen worden soms oplosmiddelen toegevoegd

• Tegenwoordig meer bitumenvrije en oplosmiddelenvrije vetten bestaande uit minerale of synthetische oliën verdikt met metaalzeep of metaalzeepcomplex, NLGI 00 of 0 ook wel 1 en 2

49

Lagers zijn (vaak) de kritische factor in tandwielkasten

50

Doeltreffendheid van een smeermiddel

• Wordt bepaald door mate van oppervlaktescheiding tussen twee rollende contactoppervlakken

• Smeermiddel dient een bepaalde minimum viscositeit te bezitten op BEDRIJFSTEMPERATUUR

• De conditie van een smeermiddel word beschreven door de nominale viscositeitsverhouding Kappa (κ)

• Dit is de verhouding van de werkelijke viscositeit (ν)en de nominale viscositeit (ν1) op bedrijfstemperatuur

51

Kappa (κ) waarde:

κ = --------

• κ = viscositeitsverhouding

• ν = werkelijke bedrijfsviscositeit van het smeermiddel in mm²/s (volgens documentatieblad van leverancier)

• ν1 = benodigde viscositeit in mm²/s afhankelijk van de gemiddelde

diameter van het lager en het toerental.

ν

ν1

52

Ideale lagercondities

• In praktische bedrijfscondities dienen we κ is > 1 te kiezenom voldoende marge in te bouwen om vibraties, temperatuursverschillen en contaminatie het hoofd te kunnen bieden.

• Te hoge κ waardes resulteren in hogere wrijving in het lager en dus een hogere lagertemperatuur .

• De temperatuurstoename voor lage en medium lagersnelheden bij hoge κ waardes is marginaal maaraanzienlijk hoger bij high-speed bearings.

53

Ideale lagercondities

• Als κ is kleiner dan 1, zijn EP additives aanbevolen • Als κ is kleiner 0,4 dan zijn EP additives noodzakelijk

54

Viscositeit – Invloed op het smeringsregime

Sliding speed

Fric

tion

Stribeck Diagram

Speed

55

Viscositeit – Invloed op het smeringsregime

Speed

Fric

tion

> ν νactual required < ν νactual required

κ = --------νactual

νrequired

< >

56

Vereiste basisolieviscositeit gebaseerd op de lagersnelheid en lager geometrie

3

10

100

1000

10 1000

100.000

50.000

20.000

10.000

5.000

3.000

2.000

1.500

1.000

500 rpm

200

100

50

20

10

5

2

20 30 40 100 200 300 500

5

20

50

200

500

Req

uire

dV

i sco

sit y

[cS

t]( a

tOp e

r ati n

gTe

mp e

ratu

re)

Lager Pitch Diameter d [mm]m

Bin

nen

Dia

met

er (

mm

)

Bui

tend

iam

ter

[mm

]

Lager Pitch Diameter:

dm = (D + d)/2

Diagram from SKF and FAG Catalogues

57

Vereiste basisolieviscositeit gebaseerd op de lagersnelheid en lagergeometrie

3

10

100

1000

10 1000

100.000

50.000

20.000

10.000

5.000

3.000

2.000

1.500

1.000

500 rpm

200

100

50

20

10

5

2

20 30 40 100 200 300 500

5

20

50

200

500

Req

uire

d V

isco

sity

[cS

t](a

t Ope

ratin

g Te

mpe

ratu

re)

Bearing Pitch Diameter d [mm]m

Voorbeeld: Eenrijig hoekcontactlager 7209D = 85 mm

d = 45 mm

Pitch Diameter 65 mm

Speed 100 rpm – Temp. 65 °C

Benodigde Viscositeit 130 cSt op

bedrijfstemperatuur (ν1)

Speed 1.000 rpm – Temp. 65 °C.

Benodigde Viscositeit 18 cSt op

bedrijfstemperatuur (ν1)

Speed 10.000 rpm – Temp. 65 °C

Benodigde Viscositeit 5.1 cSt op

bedrijfstemperatuur (ν1)

Diagram from SKF and FAG Catalogues

58

Viscositeit van het smeermiddel bij 40 °C

20

5

10

20

50

100

200

500

1000

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

ISO 10 - 1500Mineral Oils

Temperature [°C]

Vis

cosi

ty [c

St]

Viscositeit van het smeermiddel op

bedrijfstemperatuur van 65 °C ( ν1)

Stel 1000 rpm >> 18 cSt

bij 40 °C >> 42 cSt

Diagram from SKF and FAG Catalogues

Stel : Bedrijfstemperatuur is 100 °C

Viscositeit van het smeermiddel op

bedrijfstemperatuur van 100 °C (ν1)

Stel 1000 rpm >> 18 cSt

bij 40 °C >> 160 cSt

593

10

100

1000

10 1000

100.000

50.000

20.000

10.000

5.000

3.000

2.000

1.500

1.000

500 rpm

200

100

50

20

10

5

2

20 30 40 100 200 300 500

5

20

50

200

500

Req

uire

d V

isco

sity

[cS

t](a

t Ope

ratin

g Te

mpe

ratu

re)

Bearing Pitch Diameter d [mm]m

Vereiste basisolieviscositeit gebaseerd op de lagersnelheid en lager Pitch Diameter

Diagram from SKF and FAG Catalogues

Speed axis

Pitch Diameter Axis

n · dm - Value

60

VoorbeeldEenrijig hoekcontactlager 7209D = 85 mm

d = 45 mm

Pitch Diameter 65 mm

Speed 1.000 rpm – Temp. 65 °C.

• Benodigde Viscositeit ν1: 18 cSt op bedrijfstemperatuur

κ = --------

• Bel-Ray 100 Gear Oil 85

– Viscositeit bij 40°C : 150 mm²/s,

– Viscositeit bij 100°C : 19 mm²/s

• Werkelijke bedrijfsviscositeit ν : op bedrijfstemperatuur van 65 °C : 53,5 mm²/s

• κ = 53,5 / 18= 2,97

ν

ν1

61

Testen van tandwielolien

• Timken OK test

• 4 kogel proef

• FZG test

62

Timken EP test

• Doel test:• Met de Timken EP test worden de

EP eigenschappen van een smeermiddel getest.

• Deze EP test simuleert belastingen op lagers en tandwielen

• Timken EP Test is ontwikkeld om de maximale belasting van een smeermiddel te meten

• Timken EP- waarde – ”OK”• Maximale waarde is 100 lbs

63

FZG test

• Doel test:• Het testen van smeermiddelen op

mechanische belasting– Bepaling van maximale belasting

van de tandwielolie– Gewichtsverandering van de

tandwielen te meten (slijtagesnelheid)

• Maximale waarde is belastingtrap 12

64

Vierkogelproef

• Doel test:• Bepaling van de smeerfilmsterkte van

een smeermiddel in puntcontact• EP eigenschappen van smeermiddel

worden bepaald door:– Meting van de diameter van de

slijtageplek op de kogels– Belasting waarbij de kogels

vastlassen

65

BEDANKT VOOR UW AANDACHT

Taco MetsTechnical Director Van Meeuwen Groep

t.mets@vanmeeuwen.nl

Mobiel: 06-22528952

NEDERLAND - Postbus 7, 1380AA WEESP – Tel+31(0)294 494 494 – info@vanmeeuwen.nl

BELGIE – Parklaan 25 – 9300 AALST – Tel: +32(0)53 76 76 00 – info@vanmeeuwen.be

66

Heeft u nog vragen?