Waarop baseren we de keuze van - Platform Tandwielen · – Reinheid – Fitreerbaarheid. 38...
Transcript of Waarop baseren we de keuze van - Platform Tandwielen · – Reinheid – Fitreerbaarheid. 38...
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
Mobiel: 06-22528952
NEDERLAND - Postbus 7, 1380AA WEESP – Tel+31(0)294 494 494 – [email protected]
BELGIE – Parklaan 25 – 9300 AALST – Tel: +32(0)53 76 76 00 – [email protected]
66
Heeft u nog vragen?