Mazání Zapouzdřených Převodovek

Mazání Zapouzdřených Převodovek M. Ševčík Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně Technická 2, 616 69 Brno, Česká republika Mazání ozubených převodů je velmi účinná možnost jak zvýšit životnost ozubení. Pro mazání se ve většině převodovek používá převodový olej. Jeho dobrou vlastností je velmi dobrý odvod tepla z místa kontaktu a razantní snížení tření oproti nemazanému soukolí. Při nízkém tření pracuje ozubený převod s menšími ztrátami a proto i ekonomičtěji. Cílem tohoto článku je ukázat současný trend mazání zapouzdřených převodovek a výběr správného typu oleje. Zmíněno je i o povlacích třecích povrchů a jejich vliv na součinitel tření při rozběhu po delší odstávce převodového mechanismu. 1. ÚVOD Ozubený převod je obecně zařízení sloužící k přenosu kroutícího momentu z hřídele hnacího na hřídel hnaný. Hovoříme-li o ozubeném převodu máme na mysli tvarový styk dvou nebo více ozubených kol. Bylo zjištěno, že ozubená kola byla používána už ve 4. století před n.l. [1]. Detailního výpočtu který uvažoval s liniovým kontaktem se užívalo už v 17. stol. Ozubená kola jsou vystavena: valení, smýkání, chemickým vlivům, vibracím a rázům. Jejich životnost může být snížena: pittingem, zadíráním, erozí, korozí, lomem zubu. Materiály ozubených kol musí být odolné těmto vlivům, konstruktér musí při návrhu soukolí zohlednit tyto poruchy a musí jim předcházet. Ozubené převody hrají významnou roli v současném průmyslu, dbá se na jejich účinnost, přesnost, hluk a životnost. Znalost problematiky návrhu soukolí však zahrnuje i znalost problematiky volby správného typu maziva, která může ve většině případů pomoci zvýšit životnost soukolí. Ozubený převod může být buď otevřený nebo uzavřený tzn. že funkční části převodu jsou buď vystaveny vlivům okolního prostředí (v případě otevřených převodů) a nebo jsou ukryty v pevném obalu – převodové skříni. Uzavřeným převodům se obecně říká zapouzdřené převody. 2. FUNKCE MAZIVA V PŘEVODOVCE Při styku ozubených kol dochází při detailním zkoumání k odvalování boků zubů ale také ke

skluzu. Tento skluz se největší měrou podílí na zahřívání zubů vlivem tření mezi povrchy. Vysoké teploty mohou při nesprávné konfiguraci převodovky přispět ke zničení ozubených kol. Je ale také nutno dodat že teplota v převodovce je obvykle mnohem nižší než teploty například ve spalovacích motorech. Velmi důležité je snižovat tření mezi boky ozubených kol, protože se: • • •

razantně zvýší účinnost převodu sníží se teplota zvýší se trvanlivost převodu

Mazivo totiž musí oddělit třecí povrchy od sebe velmi tenkou vrstvou která zabrání styku boků zubů. Tato vrstva musí být větší než povrchové nerovnosti boků zubů, jinak by docházelo k meznému mazání a protrhávání filmu. Další důležitou funkcí maziva v převodovce je vyplachování nečistot z funkčních ploch soukolí. Tyto nečistoty mohou zapříčinit snížení životnosti převodu. Mezi další funkce maziva patří i mazaní, chlazení a konzervace periferních zařízení – ložisek, spojek, čepů, které mohou být uvnitř převodové skříně. V dnešní době se mnoho ložisek maže na celou dobu jejich životnosti – for life. Tato ložiska můžeme chápat jako bezúdržbová a nemusíme se zabývat jejich mazáním. 3. ČINITELÉ OVLIVŇUJÍCÍ VÝBĚR MAZIVA Při výběru maziva hraje svoji roli velké množství různých činitelů (zatížení, rychlost, teplota,

životnost, aj.). Pro prvotní výběr typu maziva může sloužit obrázek 1.

Vrstvené směsi

olej s vysokou viskozitou olej nízkou viskozitou

zvyšující se zatížení

zvyšující se rychlost

pevné mazivo plastické mazivo

Tabulka 1 Materiály používané jako pevná maziva [3]

plynné mazivo Obr. 1. Prvotní výběr typu maziva [2]

Maziva používaná v běžných převodovkách se mohou rozdělit podle fáze do následujících tří základních skupin: • pevná • plastická • kapalná – oleje

Disulfid molybdenu Selenid wolframu Diselenid niobu Grafitický fluorid

grafit disulfid wolframu fluirid vápníku

Polymery PTFE PVF2 Acetal

PTFCE FEP polyimid

Polyfenylenoxid síry

polysulfony

Kovy Stříbro Cín Barium

Zlato Olovo Gallium

Jiná syntetika 3.1. Pevná maziva Pevná maziva jsou materiály, které mají velmi dobré kluzné vlastnosti. Jejich použití je možné buď s olejem nebo nasucho (bez oleje) – velmi zřídka. Příklady těchto materiálů jsou v tabulce 1.

• • • • •

Hlavní požadavky na pevná maziva jsou [3]: krystalická lamelární struktura schopnost přichycení alespoň na jeden povrch kontaktních ploch chemická stabilita při požadované teplotě odpor proti opotřebení ekologičnost jednoduchá aplikace ekonomičnost

• • • •

V praxi se však používají hlavně čtyři materiály: grafit PTFE disulfid molybdenu disulfid wolframu

• •

Nitrid bóru

Trioxid molybdenu

Mezi pevná maziva se mohou zařadit i různé povlaky ozubení, které snižují tření a opotřebení a tím zvyšují životnost ozubeného převodu. Vědecké studie se zaměřují na různé režimy mazání, životnost nebo tření při použití těchto povlaků. Ukazuje se, že tyto povlaky mohou při vhodné kombinaci výrazně prodloužit životnost ozubení [4]. Obrázek 2 ukazuje S-N křivky pro testovaná ozubená kola s rozdílem povlaků. Kolo (A) je běžně komerčně dostupné ozubené kolo vyrobené v 5. stupni přesnosti dle ISO. Kolo (B) je stejné kolo jako (A) avšak má na sobě nanesenou vrstvu WC/C (amorfní uhlíkový film). Kolo (C) je kolo (A) s povrchovou vrstvou MSP (micro shot peening) – mikrobrokování. Kolo (D) je kolo (A) s vrstvou nejdříve MSP a na ní je vrstva WC/C filmu. Z obrázku je patrné, že za podmínky ztráty mazivosti je životnost ozubení pro kola (A) a (C) přibližně stejná.

]

• • •

Nevýhody plastických maziv menší odvod tepla z kontaktu v poměru s olejem nejsou vhodné pro vysoké rychlosti nečistí kontaktní plochy

Na obrázku 3 jsou vidět hlavní oblasti použití plastických maziv.

Obr. 2. S-N křivky testovaných kol [4]

Avšak u kola (B) a (D) s vrstvou WC/C filmu se životnost ozubení zvýšila přibližně trojnásobně. Obecně se tedy dá říci, že nanášením speciálních vrstev na povrchy funkčních částí ozubených kol se dá výrazně zvýšit životnost ozubení i za podmínek ztráty mazacího filmu. Pevné mazivo se v uzavřeném převodu uplatní především v nouzových situacích, jako je přetížení, porucha mazání apod. ale kapalné mazivo ve většině provozních situací nemohou nahradit. 3.2. Plastická maziva Plastické mazivo je disperzí zahušťovadla (nejčastěji mýdla) v oleji. Plastická maziva [5] se používají do malých průmyslových převodovek např. převodovky kuchyňských strojků nebo kancelářských strojů s ozubenými koly z plastů. Taktéž u převodů s hrubě opracovanými koly je plastické mazivo lepší než olej. • • • • • • • • •

Výhody platického maziva oproti oleji: nemá tzv. stop – start efekt pracuje lépe při podmínce stlačeného filmu řeší problém utěsnění pracovního prostoru řeší přebytek maziva bez speciálních úprav pomáhá zabránit znečištění čistých výrobků umožňuje použití pevných aditiv má širší rozsah teplot těsní i ve vodě zůstává na místě

Obr. 3 Hlavní oblasti použití plastických maziv

• • • •

Způsoby nanášení plastických maziv: Staré metody – riziko znečeštění maziva rukou kartáčem rukavicí stěrkou

• • • •

Moderní metody centrální mazací systémy vysokotlaký nástřik bodové nanášení maziva mazání tlakovou maznicí

3.3. Kapalná maziva Kapalné mazivo – převodový olej je směs základového oleje a aditiv (až několik desítek). Základový olej může být použit buď minerální nebo syntetický. Přehled základových olejů pro převodové oleje (nemusí být použity pouze pro mazání převodů, ale mají mnoho dalších aplikací). • minerální oleje • syntetické hydrokarbony (PAO) • poly(alkylen glykoly) (homopolymery) • estery (eco-friendly oleje, hlavně na syntetické bázi) • naftenické oleje (řepkový olej, ricinový olej)

Z aditivačních přísad jsou to hlavně EP přísady (Extreme-Pressure) a AW přísady (Anti-Wear). • • • •

Dalšími typy aditiv můžeme zlepšovat: odolnost proti stárnutí nízkoteplotní vlastnosti ochranu proti korozi v-t chování

Některé vlastnosti pomocí aditiv změnit nejdou a tyto jsou závislé hlavně na základovém oleji: • teplotní stabilita • v-p chování • odvod tepla • • • •

Vlastnosti dosažitelné pouze přísadami: potlačení vločkování (dispergence) čistící schopnosti (detergence) vysokotlaké vlastnosti odpěnění

Pro správný výběr převodového oleje je třeba znát nejdůležitější vlastnosti kapalných maziv a tou jsou viskozita a výkonnost oleje. Viskozita se dá charakterizovat jako koeficient úměrný tření tekutiny, který charakterizuje odpor proti tečení. Obrázek 4 ukazuje jak součinitel tření tekutiny závisí na rychlosti. Tato závislost je všeobecně známá a často se jí říká Stribeckova křivka.

Obr. 4. Stribeckova křivka [3]

Graf může být obyčejně rozdělen do tří zón. V zóně 3 jsou kontaktní povrchy zcela odděleny tlustým olejovým filmem. Této zóně se obecně říká režim hydrodynamického mazání. Koeficient tření je

zde vysoký což je způsobeno smykovým napětím v olejovém filmu. Jak již bylo řečeno v této zóně nedochází ke kontaktu kluzných povrchů a proto zde prakticky nedochází k opotřebení. Vztah mezi viskozitou a tloušťkou olejového filmu při hydrodynamickém mazání (zóna 3) je vyjádřen Reynoldsovou rovnicí, která může mít následující tvar:

∂U ∂ ⎛ 3 ∂P ⎞ ∂ ⎛ 3 ∂P ⎞ ⎛ ∂h ⎞ +12V ⎟ ⎟ = η⎜ 6U + 6h ⎜h ⎟ + ⎜h ∂x ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠ ⎝ ∂x ⎠ kde: h - tloušťka olejového filmu P - tlak x , z - souřadnice U, V - rychlost ve směru souřadnice x a z Pokud klesá v zóně 3 rychlost pohybu maziva, tloušťka olejového filmu také klesá až do bodu C. V tomto bodě se tloušťka olejového filmu rovná výšce povrchových nerovností maziva. Bod C je ideální kombinace, ve které je nulové opotřebení a zároveň minimální tření. V praxi se ale většina komponent navrhuje vpravo od bodu C, což zajišťuje bezpečnější, ale ekonomicky nákladnější provoz. Detailním tribologickým výzkumem je možné se tomuto bodu stále více přibližovat a tím snižovat tření v celé soustavě. Mazání mezi body B a C se odborně říká elastohydrodynamické mazání (EHD) a jeho pochopení je klíčové při volbě typu maziva. V tomto režimu mazání pracuje většina ozubených kol, ložisek, vaček, atd.) a proto je pro konstruktéra velmi důležitá znalost problematiky EHD mazání. Pro EHD mazání je charakteristické: Jedná se o režim kapalinového mazání Třecí povrchy jsou nekonformě zakřivené Třecí povrchy se nacházejí v relativním pohybu Realativně vysoké kontaktní tlaky (1až 4 GPa) Dochází k elastickým deformacím třecích povrchů • Dochází ke změně viskozity s tlakem • Velikost elastických deformací je řádově stejně velká jako tloušťka mazacího filmu • • • • •

Je-li maximální kontaktní tlak 1 GPa, pak se viskozita minerálního oleje při průchodu EHD kontaktem zvýší 106x oproti hodnotě při atmosférickém tlaku. Proto se při velkých tlacích stává v místě kontaktu mazivo kapalné mazivem tuhým. Doba průchodu maziva skrze kontakt je přibližně 10-4 s.

Obr. 5. Průběh tlaku v liniovém izotermickém kontaktu

Vztah mezi viskozitou a minimální tloušťkou filmu při EHD mazání může mít tvar:

H min = 2,65

G 0 , 54U 0 , 70 W L0 ,13

kde G - bezrozměrný parametr materiálů U - bezrozměrný parametr rychlosti WL - bezrozměrný parametr zatížení • •

Tloušťka filmu nejvíce závisí na: viskozitě maziva ve vstupní oblasti kontaktu průměrné rychlosti třecích povrchů ve směru pohybu

S dalším poklesem rychlosti z bodu B (obr. 3) se tloušťka filmu nadále zmenšuje. Tím se k sobě přibližují kontaktní povrchy a dochází ke stále častějšímu styku nerovností a tím i k extrémnímu zvyšování tření až do bodu A. Oblast mezi body A a B nazýváme oblast smíšeného mazání. V bodě A je

celé zatížení přenášeno pouze přes povrchové nerovnosti. Proto i další pokles viskozity má minimální vliv na pokles koeficientu tření. Oblasti vlevo od bodu A se říká mezné mazání. V této zóně jsou důležitější fyzikální a chemické vlastnosti maziva než hodnota viskozity. Výpočet tloušťky olejového filmu je zcela zásadní při volbě typu maziva. Pro režim mazání, kdy je požadována dlouhá životnost (minimální opotřebení) je nutné dodržet zásadu že tloušťka mazacího filmu je větší než velikost povrchových nerovností obou kontaktních povrchů.

Obr. 6. Průběh tlaku v kontaktu při EHD [6]

Na obrázku 6 je vykreslen průběh tlaku v kontaktu který je získán experimentálně a postprocessingem za použitím optické interferometrie. Tato metoda slouží k měření velmi tenkých mazacích filmů. Při volbě typu oleje je také nutno zohlednit jeho provozní vytížení. Dlouhodobé odstávky způsobují stečení oleje ze stykových ploch a tloušťka olejového filmu se rapidně zmenšuje na tloušťku jedné až dvou molekul. Provedené studie [6,7] ukazují že se vhodnou volbou aditiv a povlaků funkčních ploch dá při rozběhu rychleji snížit koeficient tření něž při použití nepovlakovaných povrchů. Na obrázku 7 je zachycena závislost koeficientu tření na počtu cyklů po rozběhu při kontaktu ocel – ocel při zatížení 700 N. Je zde patrný výrazný rozdíl mezi použitím čistého PAO (poly-alfa-olefin) oleje a směsi PAO + EP přísad.

Obr. 7. Třecí křivky pro kontakt ocel – ocel při zatížení 700 N [7]

Zatímco čistý PAO zredukuje tření pod hodnotu 0,1 přibližně ve 20 cyklu, PAO + EP olej hodnoty 0,1 dosáhne již při 5 cyklu. Tyto charakteristiky se dají využít pro často zapínané převodové mechanismy Na obrázku 8 je průběh třecích křivek při rozběhu systému za situace kdy obě třecí plochy jsou pokryty vrstvou WC/C. Opět se projevuje že PAO olej + EP přísady výrazně snižuje koeficient tření a tím nabízí ekonomičtější provoz.

Obr. 9. Průběh součinitele tření podél čáry záběru [12]

Ze studie vyplývá že použitím POA oleje namísto minerálního oleje se sníží o 40% ztrátový výkon [12], což vede k celkové vyšší účinnosti převodu a tím i k ekonomičnosti a ekologičnosti. 4. ZPŮSOBY MAZÁNÍ PŘEVODOVEK Jak již bylo zmíněno, nejčastějším mazivem v převodovce je olej, proto bude v dalším pojednáno hlavně o mazání olejem. Způsoby nanášení maziva na funkční plochy mohou být následující [1]: • • • •

Obr. 8. Třecí křivky pro kontakt WC/C – WC/C při kontaktním tlaku 4 GPa [8]

Na obrázku 9 je možno pozorovat průběh součinitele tření na boku evolventního ozubení podél čáry záběru. Tato závislost byla získána numericky. Zcela evidentní je nulové tření v bodě ξ = 0 (valivý bod). Je také možné pozorovat že součinitel tření u PAO oleje je menší než u oleje minerálního.

kapáním broděním (rozstřikem) oběhové mazání tlakové mazaní olejovou mlhou

4.1. Mazání kapáním Při použití mazání kapáním je mazivo dopravováno ze zásobníku oleje skrze trubičku na mazaný povrch. V systému může být použito i olejové čerpadlo. Tato metoda je koncipována jako totálně ztrátový systém mazání. Většinou je použita u otevřených nebo částečně uzavřených převodů kde se neklade důraz na životnost a velkou únosnost. Použitý olej se obvykle nefiltruje a znovu nepoužívá. 4.2. Mazání broděním (rozstřikem) Nejběžnějším typem mazání je mazání broděním. Tato varianta je vhodná pro zcela zapouzdřené

převody, protože zvláště u rychloběžných převodů se v převodovce vytvoří tzv. olejový „tanec“ [5] kdy olej stříká na všechny strany. I přes tuto skutečnost se stává, že se na některá místa oleje v požadovaném množství nedostává a je nutné provést mazání nucené. Využívá se někdy olejového čerpadla (velké převodovky), nebo se skříň v určitých místech vytvaruje tak, aby některé soukolí pracovalo jako olejové čerpadlo, kdy ode dna přepravuje olej nahoru do nějakého kanálku, odkud olej stéká na patřičné místo. Velké převodovky mají na výstupu z čerpadla velmi často olejový filtr a také chladič, přenos výkonu v řádech stovek kW dokáže olej výrazně ohřát. Velká převodovka má horší poměr objemu oleje (desítky litrů) vůči povrchu skříně a také fakt že taková převodovka většinou stojí na místě, způsobí výraznější nárůst teploty oleje který na takové teploty není konstruován. Proto je třeba vždy při návrhu převodovky provést detailní rozbor chlazení oleje v převodovce a ověření jak bude probíhat transfer tepla z kontaktu na olej a dále na skříň. Tento rozbor je možno provést poměrně detailně pomocí metody konečných prvků. 4.3. Oběhové mazání Velmi dobře propracovaným systémem mazání je tzv. oběhové mazání, kde se olej přivádí vedením v trubičkách přímo ke kontaktním plochám. Tam je aplikován přesně na kontaktní povrchy a po odtečení je znovu vyčerpán olejovým čerpadlem do rezervoáru a znovu použit. Princip je dobře patrný z obrázku 10.

• • • •

kontroly parametrů oleje filtry tlakové senzory separátory vody

Oběhové mazání vytváří vysoký stupeň kontroly nad kvalitou a množstvím oleje dodávaného do oběhu, vysoký stupeň čistoty oleje a sledování teploty oleje. Jedinou nevýhodou tohoto systému je veliká složitost a z toho plynoucí vysoká cena. 4.4. Tlakové mazání olejovou mlhou Mazání broděním a rozstřikem má jeden nedostatek, zvyšuje ztráty v převodech. U velkých stacionárních převodovek se proto využívá tlakové mazání (olejovou mlhou), což je mazání pomocí stlačeného vzduchu v kterém je určité procento oleje. Jde o nejdokonalejší způsob mazání, který se vyznačuje nízkými hydraulickými ztrátami a dobrým chlazením převodů a ložisek. Ložiska ani ozubení nejsou přemazávána, olejová mlha svědčí hlavně valivým ložiskům. Olej je neustále filtrován a tak opotřebení částí zařízení je menší. Zařízení na mazání olejovou mlhou je ale technicky náročné a vyplatí se skutečně jen u velkých strojů, kde hydraulické ztráty převažují nad technickou náročností systému pro tvorbu olejové mlhy a vyšší cenou převodů vyrobených ve vyšší kvalitě opracování boku zubů. Zařízení mazaná olejovou mlhou (nemusí jít jen o převodovky) vykazují vyšší životnost než zařízení mazaná jiným způsobem. 5. DRUHY OLEJŮ VHODNÝCH PRO MAZÁNÍ PŘEVODOVEK

Obr. 10. Princip činnosti oběhového mazání

Oběhového mazání je velmi komplexní systém který může zahrnovat tyto komponenty: • společné nebo oddělené nádrže • chladiče, ohřívače

V převodovkách obvykle nejsou vysoké teploty [9]. Ideální teploty by byly kolem 60° C, u vysoce zatížených převodovek jsou však teploty dvakrát až třikrát větší a tomu je třeba uzpůsobit převodový olej. Pokud ovšem olej pracuje za zvýšených teplot, je třeba zkrátit interval výměny. Obecně platí že přírůstek teploty o 10 K vede ke snížení doby životnosti oleje o 50%. Naopak snížením teploty o 10 K tato doba vzroste na dvojnásobek [11].

Tabulka 2 Přehled vybraných olejů a jejich viskozit

dochází velmi pomalu, většinou se udává časová lhůta 5 let, nebo se vůbec neomezuje. V tabulce 3 je rozdělení převodových olejů podle viskozity podle normy SAE J 306 A. Tato norma určuje rozmezí kinematické viskozity pro oleje roztříděné do viskozitních tříd. V tabulce 4 je nastíněno jaký olej je vhodné použít při požadované specifické vlastnosti oleje. Tabulka 4 Výběr typu oleje dle specifického požadavku [1]

Převodové oleje také musí snášet extrémně vysoké tlaky a střihové nebo smykové namáhání. Složení těchto olejů je specifické, požadavkem na tyto oleje je kromě mazacích schopností také konzervační schopnost a schopnost dlouhodobě se udržet na jednotlivých částech převodovky při dlouhodobém odstavení z provozu. Tabulka 3 Viskozitní klasifikace automobilových převodových olejů podle SAE J 306 A

Převodové oleje se rozdělují podle použití na oleje vhodné pro: • • • •

průmyslové automobilové automobilové automatické hypoidní převodovky

5.1. Průmyslové převodové oleje Pro průmyslové převodovky se používá několik typů minerálních olejů s různou viskozitou podle zatížení a provozní teploty převodu. Většinou jsou v trvalém provozu a výměnná lhůta se udává v hodinách (několik tisíc). Do těchto převodů patří i převody šnekové a šnekové s bronzovými materiály, pro tyto převody se používá speciálně upravený a aditivovaný olej. V tabulce 5 je rozdělení průmyslových olejů dle ISO. Převodové oleje se vyrábějí minerální, polosyntetické i plně syntetické. Složení aditiv je úplně jiné než u motorových olejů, k oxidaci zde

Tabulka 5 Viskozitní klasifikace průmyslových olejů dle ISO

4, GL-5). GL-3 je již zastaralý, prakticky se všude nahrazuje GL-4 a nebo GL-5. Jako aditiva se používají tzv. EP (Extrem Pressure) přísady, které mají příznivý vliv na tlakové a protiotěrové vlastnosti oleje. Tyto přísady dávají převodovým olejům charakteristický zápach. 5.3. Automobilové převodové oleje pro automatické převodovky Oleje pro automatické převodovky bývají dobře tekuté i za nízkých teplot a musí umět mazat ozubená soukolí ale zároveň mít i vlastnosti hydraulické (řídící systém), na mokrých brzdách a spojkách (řazení) mít odpovídající třecí vlastnosti. Tyto oleje mívají větší oxidační stálost. Automatické převodovky jsou konstruovány odlišně a měrné zatížení ozubených kol bývá nižší. Používání olejů určených do automatických převodovek v převodovkách mechanicky řazených může vést k poruchám a nedá se obecně doporučit, vždy platí předpis výrobce, nebo označení na obalu, olej musí splňovat viskozitní a výkonovou třídu, jinak je pro mechanickou převodovku nevhodný.

5.2. Automobilové převodové oleje Oleje pro automobilové převodovky mívají nižší viskozitu, než oleje pro průmyslové převodovky a jsou aditivovány pro vyšší měrné zatížení. Je možné je použít i v některých převodovkách průmyslových. U těchto olejů se udává viskozita podobně jako u motorových olejů, ovšem viskozita je vyšší než u nejvyšší třídy motorových olejů. Běžně se používá olej SAE 75, SAE 80, SAE 90, SAE 140. Se zvyšujícím zatížením převodovek se zvyšují i nároky na mazací schopnost a přiměřenou viskozitu převodových olejů, byly vyvinuty oleje multigrade, např. 80W/90, 85W/140 a další. Oleje SAE 75W jsou oleje určené jako celoživotnostní náplně do mechanických převodovek. Podle API se převodové oleje označují GL a číslem, nyní se vyrábějí a používají čísla 4 a 5 (GL-

5.4. Hypoidní převodové oleje Zvláštním případem převodů jsou převody hypoidní. Hypoidní soukolí automobilových diferenciálů má posunutý pastorek od osy hnaného kola (poznávací znak takového soukolí), zuby konají kombinovaný pohyb vůči sobě a výsledkem jsou vysoké tlaky ve styčných plochách. Normální olej není schopen takové tlaky snášet a hypoidní převod by se rychle zničil. Pro takové převody je určen olej s výkonností API GL-5 Opotřebení převodových olejů je způsobeno převážně oxidací (působení vzdušného kyslíku) ale otěrem kovových částí, ne vždy se kovové piliny zachytí na magnetech, které bývají součástí výpustných šroubů. Mechanické převodovky nemají filtraci a olej není nijak čištěn. Přestože je olej ještě schopný mazání, kovový prach rozptýlený v oleji působí jako brusná pasta a tak je nutná jeho výměna, kdy se většina kovového otěru odstraní

U celoživotnostních náplní převodovek jsou konstrukce a materiály převodovky natolik kvalitní, že otěr je tak malý (jsou použity syntetické oleje), že kritická hodnota pro výměnu oleje překračuje životnost převodovky (až 400 000 km). Převodovka často nemá ani vypouštěcí šroub.

V tabulce 6 jsou uvedeny typické použití převodových olejů a jejich viskozitní rozpětí. Tabulka 6 Příklady použití převodových olejů [3]

6. STANOVENÍ VISKOZITY A VÝKONNOSTI OLEJE V PŘEVODOVCE 6.1. Viskozita oleje Jak již bylo řečeno je viskozita úměrná tření v kapalině. Viskozita je jedním z nejdůležitějších parametrů určovaných u olejů. Viskozita může být buď dynamická a nebo kinematická. Dynamická neboli absolutní viskozita η je dána poměrem smykového napětí τ ku gradientu rychlosti D τ [Pa.s] [N.s/m2] [cP] η= D

Změna viskozity oleje s teplotou je velmi důležitá v systémech které pracují v širokém rozsahu teplot. Viskozita olejů klesá s rostoucí teplotou ale pro každý olej odlišně. Obrázek 11 ukazuje závislost viskozity na teplotě klasického mazacího oleje.

1 cP (centipoise) = 10-3 Pa.s = 10-3 N.s/m2 Jednotka dynamické viskozity cP je užívána při dosazování do Reynoldsovy rovnice. Kinematická viskozita je dynamické viskozity a hustoty.

ν=

η ρ

rovna

podílu

[m2/s] [cSt]

1cSt (centisoke) = 1 mm2/s V praxi není pro mazací oleje rozdíl mezi kinematickou a dynamickou veličinou příliš velký, protože se hustota pohybuje mezi 0,8 a 1,2. Nicméně pro některé syntetické oleje s vysokou hustotou a pro plyny je tento rozdíl velmi výrazný. Viskozita většiny mazacích olejů je asi 10 – 600 cSt při pracovní teplotě, průměrně asi 90 cSt. Nižší viskozity jsou častěji používány pro ložiska než pro ozubená kola a také tam kde je menší zatížení a velké rychlosti. Naopak, tam kde jsou větší zatížení a malé rychlosti se používají oleje s větší viskozitou.

Obr. 11 Závislost viskozity na teplotě oleje

Viskozitní index je definován jako závislost viskozity na teplotě v poměru se dvěma standardizovanými oleji. Jeden z těchto olejů má viskozitní index 0, charakterizující největší změnu viskozity s teplotou. Druhý olej má viskozitní index 100, charakterizující nejmenší změnu viskozity s teplotou. Rovnice pro výpočet viskozitního indexu:

100.(L − U ) L−H U – viskozita vzorku v cSt při 40°C VI =

L – viskozita v cSt při 40°C oleje s viskozitním indexem 0 mající stejnou viskozitu při 100°C jako testovaný vzorek H – viskozita v cSt při 40°C oleje s viskozitním indexem 100 mající stejnou viskozitu při 100°C jako testovaný vzorek Některé syntetické oleje mohou mít viskozitní indexy hodně přes 150, ale použitelnost definice na takové vysoké hodnoty je pochybná. Viskozitní index oleje může být zvětšený tím že se olej rozpustí ve velkém množství (někdy až o 20%) vhodných polymerů nazývaných zlepšovače viskozitního indexu. Hodnocení viskozity podle SAE je velmi rozšířeno a je znázorněno v tabulce 2. Je možné pro jeden olej splnit více než jedno hodnocení. Minerální olej s vysokým viskozitním indexem může mít vlastnosti oleje 80W ale i 140. Pak se bude označovat 80W-140. Tomuto vícerozsahovému chování se říká multigrade. Prakticky je viskozitní index důležitý tehdy kde se výrazně mění teplota používání. Narůstá také tendence vyrábět pouze oleje s vysokým viskozitním indexem a vysokou kvalitou mazání. 6.2. Výkonnost oleje Výkonnost oleje je možné definovat jako souhrnný ukazatel schopnosti výrobku plnit požadovanou funkci. Zastupuje tak široké spektrum dílčích ukazatelů a parametrů. Výkonnost oleje určuje norma API (American Petroleum Institute) pro převodové olej následovně: • API GL-1 neaditivované převodové oleje pro manuálně řazené převodovky a nízké namáhání • API GL-2 neaditivované převodové oleje pro manuálně řazené převodovky a střední namáhání • API GL-3 nízkoaditivované oleje pro manuálně řazené převodovky, pro středně těžké zatížení a soustrojí s kuželovými koly • API GL-4 vysoceaditivované převodové oleje určené zejména pro mazání manuálně řazených převodovek, náprav s hypoidními převody s

•

malým přesazením os mobilní techniky GL-5 vysoceaditivované převodové oleje pro nejtěžší podmínky provozu, pro hypoidní převody s velkým přesazením os a pro převody s proměnným zatížením

7. ZKOUŠKY MAZÁNÍ Součástí těchto zkoušek je především vhodná volba maziva, která souvisí s provozními vlastnostmi převodovky (obvodová a skluzová rychlost, měrný skluz ozubených kol, provozní teplota a zatížení). Převodové oleje se posuzují podle viskozity v závislosti na teplotě. Vlastní zkouškou mazání by se mělo zjistit, zda je zajištěn dostatečný průtok oleje ke všem mazaným místům. K tomu je třeba ověřit [13]: • zda je zvolen vhodný způsob mazání (broděním do obvodové rychlosti 10 – 15 m/s, ostřikem a při vyšších rychlostech oběžné mazání pomocí čerpadla), • zda při brodění (max. 1- 3 výšky zubů) nevznikají velké ztráty a nezahřívá se nadměrně olej, • jestli konstrukční úpravy (žlábky, otvory, trysky, korýtka) dostatečné (v případě potřeby navrhnout a ověřit další úpravy), • je-li množství mazacího oleje dostatečné s ohledem na jeho stárnutí (opotřebení), • náběhovou křivku teploty oleje v čase (v případě potřeby navrhnout způsob chlazení např. žebrováním, zvětšením množství oleje, instalací chladiče atd.), • způsob plnění, vypouštění a kontroly olejové náplně, • těsnost skříně a její odvzdušnění, • způsob zachycení nečistot (v případě potřeby ověřit nutnost filtrace). Zkoušky mazání by měly předcházet všem dalším funkčním a životnostním zkouškám. Některé úpravy v systému mazání mohou vyplynout z poznatků při životnostních nebo provozních zkouškách. Dalším typem zkoušek v průběhu života soukolí může být i vibrační analýza nebo analýza oleje [10].

Tyto zkoušky mohou hodně napovědět o stavu opotřebení, případně diagnostikovat systém zcela komplexně. Obě metody jsou velmi efektivní metody pro nepřímé měření.

Vibrační analýza je poměrně sofistikovaná metoda určování opotřebení kluzných ploch. Pomocí piezoelektrických snímačů je naměřeno spektrum vibrací ze kterých se určí opotřebení. Ukázka takového spektra je na obrázku 12. 8. ZÁVĚR

Obr. 12. Závislost zrychlení na frekvenci [10]

Analýza oleje se provádí pozorováním vyselektovaných pevných částic při opotřebení (otěru, pittingu, atd.) a určení podílů materiálů ozubeného kola a pastorku ve výběru částic.

Už při návrhu převodového mechanismu je třeba mít představu jak bude ta která kontaktní plocha mazaná, jestli bude mít dostatek maziva aby mohly být odplaveny nečistoty a aby se snížilo smykové tření. Na základě této analýzy se vybere druh mazání (ostřikem, kapáním, tlakové). Dalším důležitým kritériem je povrchová drsnost třecích ploch. Ta musí být menší než minimální tloušťka filmu. Pokud je známá minimální tloušťka filmu je na místě výběr správného typu oleje, který dokáže tyto požadavky splňovat. Výběr nejvhodnějšího typu mazání a maziva je velmi náročná procedura a je nutné aby tento výběr dělala kvalifikovaná osoba.

9. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

A. Stokes, Manual gearbox design, Elsevier, 1992 A. R. Lansdown, Lubrication: A Practical Guide to Lubricant Selection, Pergamon, New York, 1982 J.E. Shigley, C.R. Mischke, Standard Handbook of Machine Design, MacGraw-Hill, 1996 M. Murakawa, T. Komori, S. Takeuchi, K. Miyoshi, Performance of a rotating gear pair coated with an amorphous carbon film under a loss-of-lubrication condition, Surface and Coatings Technology 120–121 (1999) 646–652 J. Čech, Převodová ústrojí II [online]. 2004, [cit. 2006-04-16]. Dostupné z: . M. Larsson, J. Lord, EHL Film Thickness Measurements using Interferometry, Virtual Tribology Institut, newsletter no. 1, case 6 B. Podgornik, S. Jacobson, S. Hogmark, Influence of EP and AW additives on the tribological behaviour of hard low friction coatings, Surface and Coatings Technology 165 (2003) 168–175 B. Podgornik, J. Vizintin, S. Jacobson, S. Hogmark, Tribological behaviour of WC/C coatings operating under different lubrication regimes, Surface and Coatings Technology 177 –178 (2004) 558–565 J. Čech, Oleje, [online]. 2004, [cit. 2006-04-16]. Dostupné z: Z. Peng, N.J. Kessissoglou, M. Cox, A study of the effect of contaminant particles in lubricants using wear debris and vibration condition monitoring techniques, Wear 258 (2005) 1651–1662 T. Mang, W. Dresel, Lubricants and Lubrication, WILEY-VCH, 2001 R. Larsson, Transient non-Newtonian elastohydrodynamic lubrication analysis of an involute spur gear, Wear 207 (1997) 67-73 V. Moravec, Konstrukce strojů a zařízení II – čelní ozubená kola, Montanex, Ostrava 2001