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Gut geschmiert läuft besser. Hochleistungsöl reduziert Verlustleistung in Getrieben

Mit den steigenden Anforderungen an Getriebe insgesamt wird auch von den einzelnen Komponenten eine höhere Effizienz und Lebensdauer verlangt. Dies betrifft auch die eingesetzten Schmierstoffe. Ein deutscher Hersteller hat ein Hochleitungsgetriebeöl auf den Markt gebracht, das sich den wechselnden Belastungsverhältnissen in der Verzahnung anpasst. Praxistests und wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt: Mit dem Öl werden überdurchschnittliche Wirkungsgrade im Getriebe erreicht, gleichzeitig wird die Verlustleistung erheblich reduziert.

Schmierstoffe müssen eine Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen erfüllen und gleichzeitig eine hohe Leistung, höchste Betriebssicherheit sowie Flexibilität und den Langzeiteinsatz sicherstellen. Eine etwaige Energieeinsparung stellt ein zusätzliches Plus dar. Die Entwicklung eines Hochleistungs-Getriebeöls ist daher für jeden Schmierstoff-Hersteller eine besondere Herausforderung – gilt es doch, die optimal passenden Grundöle zu wählen und ein Additiv-Package zusammenzustellen, das in sich stimmig ist und dem Öl alle gewünschten Eigenschaften verleiht.

Einflussfaktor Grundöl
Die Wahl des Basisöls und seiner Viskosität entscheidet unter anderem, ob der Schmierstoff für bestimmte Einsatztemperaturen geeignet ist. Mineralische Basisöle zum Beispiel eignen sich aufgrund ihres ungünstigeren Stockpunktes (Pourpoint) weniger für Temperaturen, die deutlich unter 0 °C liegen. Deshalb sind gerade für Einsatzfälle, die Temperaturschwankungen unterliegen, synthetische Produkte zu bevorzugen. Diese decken einen weiteren Temperatureinsatzbereich ab und stellen sowohl in Windkraftgetrieben bei niedrigen Außentemperaturen als auch in Industriegetrieben mit höheren Temperaturbelastungen eine optimale Schmierung sicher.

Der Viskositätsindex (VI) eines Syntheseöls liegt in der Regel um 140, je nach Basisöl aber auch deutlich darüber. Der VI von mineralölbasischen Ölen beträgt etwa 90 bis 100. Dabei gilt: Je höher der VI eines Öles ist, desto weniger Energie wird bei gleicher Nominalviskosität beim Kaltstart und tiefen Umgebungstemperaturen benötigt.

Alle Schmierstoffe altern während ihres Einsatzes. Die Ölmoleküle reagieren mit Sauerstoff und oxidieren. Allerdings weisen Syntheseöle meist längere Standzeiten auf, denn sie verfügen über eine stabilere Molekülstruktur als Mineralöle. Der Sauerstoff kann daher nicht so leicht angreifen.
Dank dieser spezifischen Molekülstruktur lassen sich durch die gezielte Auswahl von Syntheseölen mit dem fertigen Schmierstoff zudem niedrigere Reibwerte erzielen.

Auf die "Zugaben" kommt es an
Die gestiegenen Anforderungen an Getriebe – kompaktere Bauformen, signifikant höhere Belastbarkeit, Dauerbetrieb und höhere Flächenpressungen in Verzahnungen und Lagern – können durch das Grundöl allein nicht bewältigt werden. Hier kommen deutlich die Einflüsse der Additive zum Tragen. Je nach Wirkungsbereich werden diese Wirkstoffe in oberflächenaktive und fluidaktive Additive unterschieden.

Oberflächenaktive Additive können ihrerseits weiter unterteilt werden:
• Bei den Extreme-Pressure-Additiven (EP-Additive) und den Antiwear-Additiven (AW-Additive) handelt es sich um Zusätze, die das Lasttragevermögen erhöhen und vor Verschleiß schützen. Sie bauen auf den Metalloberflächen der zu schmierenden Teile äußerst dünne Schutzschichten auf. Bei der Bildung von Reaktionsschichten passen sie sich der Rauheit der Oberflächen an. Die mechanische Belastbarkeit in den Kontaktzonen wird dadurch verbessert. EP- und AW-Additive verringern Verschleiß durch Materialabtrag und die Gefahr des Fressens (örtliches Verschweißen) bei schweren Betriebsbedingungen.
• Korrosionsschutzadditive schützen vor Korrosion und Rost an metallischen Oberflächen.
• PD-Additive (Plastische Deformation) schließlich dienen zur Einglättung von Oberflächenunebenheiten und -schäden sowie zur Reduzierung der Reibung an Wälz- und Gleitkontakten.

Fluidaktive Additive lassen sich ebenfalls weiter klassifizieren:
• Antioxidantien verhindern die frühzeitige Alterung des Öls.
• Pourpoint-Verbesserer setzen den Punkt herab, an dem das Öl auskristallisiert und stockt. Damit wird das Fließverhalten im Kältebereich verbessert.
• Viskositätsindex-Verbesserer (VI Improver) erhöhen den Viskositätsindex des Öls.
• Inhibitoren verhindern die Schaumbildung und trennen Luft und Wasser aus dem Öl schneller ab.

Die ADDINOL Lube Oil GmbH hat mit der Wirkstoffkombination Surftec® ein spezielles Additiv-Package entwickelt. Die Wirkstoffkombination passt sich den wechselnden Belastungsverhältnissen in der Verzahnung an und geht eine Symbiose mit dem Getriebe ein. Diese Wirkstoffkombination gegen Verschleiß enthalten auch die verschiedenen Varianten des Industriegetriebeöls Addinol Eco Gear, das unter anderem in der Zement-, Papier- oder Zuckerindustrie sowie in Getrieben von Schiffen oder Windkraftanlagen zum Einsatz kommt.

Eco Gear M basiert auf Mineralölen, Eco Gear S auf synthetischen Ölen. Beide Öle verhindern die Bildung von Graufleckigkeit und Pitting sowie von abrasivem Verschleiß und schützen sicher vor Materialabtrag und Ermüdung. Die Traganteile – auch an bereits geschädigten Oberflächen – werden durch Einglättung wieder erhöht.

In der Praxis bewährt …
Dazu ein Beispiel: An den Zahnflanken eines mit einem herkömmlichen CLP Getriebeöl befüllten Getriebes einer Windkraftanlage wurden nach einiger Zeit deutliche Zeichen von Micro-Pitting nachgewiesen. Nach der Umstellung auf ADDINOL Eco Gear wurden die Veränderungen der Oberflächen dokumentiert. Dazu wurden Abdrücke der Zahnflanken genommen und anschließend unter dem Rasterelektronenmikroskop ausgewertet.
- Drei Monate nach Umstellung: Auf dem Zahnflankenabdruck sind unter dem Rasterelektronenmikroskop noch ganz deutlich Rauigkeiten und Ausbrüche zu erkennen.
- Nach 25 Monaten: Der Zustand der Oberfläche hat sich wesentlich verbessert. Die ehemaligen Ausbrüche wurden eingeglättet. Die scharfen Grate sind bereits verschwunden.
- Nach 36 Monaten: Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt sich eine nahezu perfekt eingeglättete Oberfläche. Es sind keine neuen Schäden mehr aufgetreten.

Bei Berechnungen mit dem Konstruktions-Programm WTplus wurden für Industriegetriebe, die mit ADDINOL Eco Gear betrieben werden, Temperaturabsenkungen von rund 2 °C festgestellt. In der Praxis wurden in einigen Fällen allerdings nachweislich wesentlich größere Temperaturrückgänge verzeichnet. Bei einem Bandantrieb in der holzverarbeitenden Industrie, der mit einem Getriebe des Herstellers Moventas ausgestattet ist, gingen die Temperaturen nach der Umstellung auf ADDINOL Eco Gear 320 S um durchschnittlich 7 bis 10 °C zurück. Diese Erfahrungen aus der Praxis ließen folgende Schlussfolgerungen zu: Die niedrigen Betriebstemperaturen sind ein Nachweis für eine reduzierte Reibung durch den Schmierstoff. Dank der Surftec®-Technologie werden überdurchschnittliche Wirkungsgrade sowie überdurchschnittlich lange Standzeiten erreicht.

… und wissenschaftlich bestätigt
Um diese Effekte auch theoretisch nachzuweisen, wurden bei der "Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau" (FZG) der TU München unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. B. Höhn und Dr.-Ing. K. Michaelis umfangreiche Wirkungsgradtests durchgeführt. Der Wirkungsgrad wird dort an einem modifizierten FZG-Verspannungsprüfstand bestimmt. Die Testbedingungen decken einen weiten Bereich praktisch relevanter Betriebszustände ab. Basierend auf dem Ergebnis des Efficiency Tests nach FVA 345 – E-C/0,5:20/5:9/40:120 können die Verlustleistung und der Wirkungsgrad von ausgeführten Getrieben mit speziellen Verfahren berechnet werden.
Im Rahmen eines DGMK-Projekts (Bericht Nr. 60 erfolgten vergleichende Untersuchungen mit unterschiedlichen Vergleichsölen und Modellsubstanzen mit unterschiedlichen Additivierungen (P und S) und unterschiedlichen Grundölen (mineralisch und PAO).
Das Getriebeöl ADDINOL Eco Gear 100 M zeigt unter allen Bedingungen die niedrigsten Verluste gegenüber dem Referenzöl. Dabei kommen die Vorteile des Öls mit abnehmender Schmierfilmdicke (steigende Temperaturen oder sinkende Umfangsgeschwindigkeiten) immer stärker zum Tragen. Bereits bei einer Schmierstofftemperatur von 40 °C können die Verluste um bis zu 14 % gesenkt werden. Bei den höchsten untersuchten Temperaturen (120 °C) tritt die herausragende Eigenschaft am deutlichsten auf und vermindert die Verlustleistung bis zu 50 % gegenüber dem Referenzschmierstoff.

Das Fazit: Die reibungsmindernde Wirkung des Hochleistungsgetriebeöls nimmt bei ungünstiger werdenden Betriebsbedingungen zu. Nach Aussage der FZG sind beim Einsatz von Eco Gear Wirkungsgrade möglich, die sonst nur bei einer elastohydrodynamischen Schmierung (EHD) erreicht werden.