Lego macht‘s vor: Getriebe ohne einen Tropfen Schmieröl. Bild: Helmut Winkler

Lego macht‘s vor: Getriebe ohne einen Tropfen Schmieröl. Bild: Helmut Winkler

Getriebeschmierung war lange Zeit die Domäne von Schmierölen und Schmierfetten. Seit einigen Jahren werden nun bei Kleingetrieben erfolgreich Trockenschmierstoffe eingesetzt. Diese Entwicklung wurde durch die Substituierung der Metalle möglich. Für Getriebe mit Metallverzahnungen ist die Beschichtung mit einem Gleitlack ein interessanter Lösungsansatz.

Mit dem Einzug der Kunststoffe im Kleingetriebebau hat sich die Frage der Schmierung neu gestellt. Auch tribologisch beanspruchte Kunststoffteile müssen geschmiert werden. Das gilt auch für das Polyoxymethylen. Der technische Kunststoff POM hat gute tribologische Grundeigenschaften und lässt sich leicht verarbeiten. Um lange, verschleißfreie Laufzeiten zu erreichen, braucht dieser Kunststoff eine Schmierung. Natürlich können auch Kleingetriebe mit POM-Zahnrädern fett- oder ölgeschmiert werden. Was dagegen spricht, ist die Verträglichkeit zwischen Kunststoff und Schmierstoff, aber auch die Schmierstoffapplikation, die ein zusätzlicher Fertigungsschritt ist.

Beide Probleme lassen sich beheben, wenn die notwendige Schmierstoffmenge dem Kunststoff zugegeben wird. Compounder arbeiten den Schmierstoff in das Granulat ein. Nach dem Spritzen fällt ein einbaufertiges Bauteil aus der Maschine mit exakt definierter Schmierstoffmenge.

Getriebe ohne einen Tropfen Schmieröl

Lego macht‘s vor: Getriebe ohne einen Tropfen Schmieröl. Bild: Helmut Winkler

Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Schmierfett eine exzellente tribologische Lösung ist. Nach acht Stunden Prüfzeit wurde keinerlei Verschleiß ermittelt. Aber auch die inkorporierte Schmierung hat ihre Leistungsfähigkeit bewiesen. Auch hier sind Reibung und Verschleiß sehr niedrig. Die Versuche wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Bei höheren oder tieferen Temperaturen wird sich das tribologische Verhalten der mit Fett geschmierten Reibpaarung verändern. Bei der inkorporierten Schmierung ist dieser Nachteil nicht vorhanden. Reibung und Verschleiß sind über einen breiten Temperaturbereich konstant.

Das nächste Ziel anvisieren

Bei hochbelasteten Getrieben mit Metallzahnrädern ist eine andere Variante der Trockenschmierung möglich. Die Zahnflanken können mit einem Gleitlack beschichtet werden. Gleitlacke sind eine Dispersion aus organischem oder anorganischem Binder, Festschmierstoff, Additiven und einem Lösungsmittel. Sie werden ähnlich appliziert wie Industrielacke. Nach dem Aushärten ist die Reibstelle mit einer trockenen, maximal 15 Mikrometer starken Schicht überzogen. Die Gleitlackschmierung wird heute schon für die Lebensdauerschmierung zahlreicher Komponenten, vor allem im Automobilbau eingesetzt.

Reibungsverhalten

Das Reibungsverhalten eines Polyetherimides (PEI) trocken und mit verschiedenen Schmierungslösungen. Diagramm: Helmut Winkler

Die Laufleistung einer Gleitlackbeschichtung wird ganz wesentlich von den beiden Tribosystemgrößen Last und Drehzahl bestimmt. Aber auch die konstruktiven Einflussgrößen dürfen nicht unterschätzt werden. Gleitlackschichten erfordern eine werkstoffgerechte Konstruktion. Zwei wichtige Punkte sind die Adhäsionsneigung und Oberflächenrauheit des Bauteils. Adhäsionsfehler sind der Tod jeder Gleitlackschicht. Die Gleitlackschmierung ist eine Art Verbrauchsschmierung. Ist das Gleichgewicht hergestellt, gibt es keinen Abrieb mehr. Kritisch sind auch die Kanten des zu beschichtenden Bauteils. Durch die Oberflächenspannung des Nasssubstrates besteht die Gefahr, dass im Kantenbereich die erforderliche Schichtdicke nicht erreicht wird.

Die in einem Getriebe eingesetzten Schmierstoffe müssen Reibungswärme abführen oder vor Korrosion schützen. Diese zwei Sekundäraufgaben können die Gleitlacke nicht erfüllen, das Gegenteil ist eher der Fall. Für die meisten Gleitlacke werden Duroplaste als Basismaterial verwendet. Polymere Werkstoffe sind nun einmal schlechte Wärmeleiter. Der Konstrukteur muss also dafür sorgen, dass entweder weniger Reibungswärme entsteht oder diese anderweitig abgeführt wird.

Für Industriegetriebe kommen eigentlich nur die beiden Festschmierstoffe MoS2 und Grafit in Frage. Beide haben ein sehr hohes Druckaufnahmevermögen. Das zeigten auch Grundlagenuntersuchungen einer MoS2-Beschichtung. Bei dieser Prüfung war nur ein Reibpartner beschichtet. Es wurde also die kostengünstigste Industrievariante simuliert. Die Schichtdicke betrug etwa 15 Mikrometer. Die spezifische Belastung erreichte im härtesten Prüfzyklus 1850 MPa. Bei der Auswertung der Tests wurde zum Vergleich die theoretische Reibungszahl einer unbeschichteten Stahl/Stahl Reibpaarung mit betrachtet. Dieser Zustand tritt immer dann ein, wenn eine Gleitlackschicht verbraucht ist.

Verschleißkennwerte

Die Verschleißkennwerte verschiedener Schmierungsarten. Diagramm: Helmut Winkler

Das gleiche gilt auch, wenn die Öl- oder Fettschmierung versagt. Die Versuche zeigten, dass eine MoS2-Beschichtung auch unter Extrembedingungen eine interessante Lösung sein kann.

Zusammenfassung

Trockenschmierstoffe haben im Kleingetriebebau fast schon Tradition. Der Festschmierstoff wird in der Regel dem polymeren Werkstoff zugegeben. Vor allem MoS2 und Grafit sind die beiden Festschmierstoffe, die für die Schmierung metallischer Zahnräder infrage kommen. Beide haben ein exzellentes Druckaufnahmevermögen. Die Gleitlackbeschichtung ist ein ernst zu nehmender Konkurrent für Öl und Fett in Getrieben geworden. do

Von Helmut Winkler
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Helmut Winkler
freier Autor für ke NEXT