Einfluss des Verdickers auf Verschleißverhalten und Laufzeit in oszillierenden Linearantrieben

Zwei Schmierfette gleicher NLGI-Klasse, identischen Grundöls und identischen Additivpakets wurden am Screw-Driver-Linearantriebsprüfstand unter kontinuierlich steigender Normalkraft bis zum Systemversagen getestet. Einzige Variable war das Verdickersystem: Bariumseife (Fett 6) versus Lithiumseife (Fett 5). Fett 6 erzielte eine Laufzeit von über 60.000 Sekunden bei stabiler Reibwert-Hysterese. Fett 5 versagte nach ca. 30.000 Sekunden, war begleitet von sofortiger Verschleißpartikelbildung, instabilem Reibkoeffizientverlauf und zunehmend defizitärer Schmierfilmversorgung. Die Ergebnisse belegen, dass das Verdickersystem, unabhängig vom Additivpaket, einen dominanten Einfluss auf die tribologische Performance in oszillierenden Linearkontakten ausübt.

Schmierfette bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten: einem Grundöl (typisch 70–90 Gew.-%), einem Verdicker (5–20 Gew.-%) sowie leistungssteigernden Additiven. Während dem Grundöl die primäre Schmieraufgabe zukommt, bestimmt der Verdicker Textur, mechanische Stabilität, Öl-Blutungsverhalten, insgesamt das Nachschmiervermögen des Fettes. Also genau jene Eigenschaften, die in oszillierenden Kontakten über ausreichende oder defizitäre Schmierfilmversorgung entscheiden. Er trägt im Kontakt jedoch auch direkt zur Schmierfilmdickenbildung bei.

Oszillierende Systeme, wie der Linearspindelantrieb, stellen besondere Anforderungen an den Schmierstoff: Im Gegensatz zu rotierenden Lagern wird das Fett am Kontaktumkehrpunkt nicht gleichmäßig verteilt, sondern wiederholt zu den Enden der Hubstrecke transportiert.

Ziel des vorliegenden Versuchs war es, den isolierten Einfluss des Verdickersystems auf das Verschleißverhalten und die Laufzeit unter realistischen Betriebsbedingungen nachzuweisen. Der Screw-Driver-Prüfstand des Kompetenzzentrums Tribologie der Hochschule Mannheim ermöglicht die systematische tribologische Charakterisierung von Schmierstoffen in Linearspindelantrieben. Die Spindelmutter oszilliert zwischen linkem und rechtem Anschlag, während die Normalkraft in definierten Laststufen kontinuierlich gesteigert wird. Mit jeder Laststufe erhöhen sich Kontaktdruck, Reibarbeit und lokale Temperatur.

Prüfstand und Messtechnik

Der Prüfstand erfasst synchron folgende Messgrößen:

• Reibwert-Hysterese: Reibkoeffizient über dem Hubweg, aufgelöst für beide Bewegungsrichtungen
• Normalkraft und Gleitgeschwindigkeit: Grundlage einer Stribeck-basierten Auswertung
• Berührungslose IR-Temperaturmessung: Messung der lokalen Temperatur direkt an der Spindelmutter
• Kamerabasierte Schmierstoffüberwachung: an den Umkehrpunkten wird Fettmenge, Farbe und Morphologie der Fettraupe als direkter Indikator für Partikelbelastung und Fettdegradation dokumentiert

Beobachtungen und Ergebnisse

Bei Fett 5 ist das frisch aufgebrachte Fett zu Versuchsbeginn noch semi-transparent grau-beige sichtbar. Bereits nach den ersten Hüben zeigt die an den Umkehrpunkten entstehende Fettraupe eine deutliche Braunfärbung. Diese sofortige Verfärbung ist ein direkter Indikator für metallischen Abrieb aus der Spindelmutter und seine unmittelbare Einlagerung in den Schmierstoff. Die Braunfärbung dokumentiert ferner, dass sich von Versuchsbeginn an kein tragfähiger Schmierfilm aufbauen konnte. Im weiteren Versuchsverlauf ist ein progressiv zunehmendes Ruckeln der Spindel in den Zeitrafferaufnahmen erkennbar. Dies ist ein mechanisches Signal für wachsendes Spiel infolge verschleißbedingten Materialabtrags an der Spindelmutter da die Positionsgenauigkeit des Antriebs sichtbar abnimmt.

Bei Fett 6 (bläulich weißlich als Frischfett) zeigt die Fettraupe zunächst deutlich verzögerte Verfärbung, und die Spindelbewegung bleibt über einen längeren Zeitraum gleichmäßig.

Auch der Reibwert ist im Vergleich der Fette bemerkenswert. Zunächst treten bei Fett 5 erhöhte Reibwerte > 0,15 nur am Umkehrpunkt auf, später über zunehmend breitere Hubabschnitte bis sich im letzten Viertel des Versuchs das Gesamtniveau gegen 0,15 erhöht.  Dies zeigt, dass sich der Schmierfilm weder stabil aufzubauen noch aufrechtzuerhalten vermag. Fett 6 hingegen besitzt über einen Großteil des Versuches Reibwerte < 0,1 mit Umkehrpeaks die selten in Richtung 0,15 ansteigen. Erst zum Ende des Versuches steigt das Gesamtniveau. Das Systemversagen wird in beiden Versuchen durch die Reibkraftabschaltung indiziert, die sich wiederum durch das Trendverhalten in der Reibung ankündigt.

Warum macht der Verdicker den Unterschied?

Da Grundöl, Additivpaket und NLGI-Klasse beider Fette identisch sind, muss die beobachtete Leistungsdifferenz auf das Verdickersystem zurückgeführt werden. Der Verdicker wirkt in einem oszillierenden Linearkontakt über mehrere tribologisch relevante Mechanismen:

Der Verdicker ist nicht nur passiver Träger des Grundöls. Untersuchungen zur Scherfestigkeit von Verdickerstrukturen zeigen, dass ein scherstabilerer Verdicker in der Lage ist, im Einlaufbereich des Kontakts intaktere Strukturen zu erhalten, die zu einer messbaren Erhöhung der effektiven Schmierfilmdicke beitragen¹. Kann der Verdicker mechanischer Belastung nicht standhalten geht dieser Effekt verloren. Lithium-12-Hydroxystearat bildet beispielsweise ein faseriges Netzwerk aus Fibrillen, das unter dem Schereintrag im Kontakteinlauf fragmentiert.² 

Lithiumseifen Fette unterliegen also unter mechanischer Beanspruchung einer zweiphasigen Alterung: einer raschen Degradationsphase zu Beginn, gefolgt von einer langsameren Verschlechterung.² Diese Degradation hemmt den Öltransport im Fettnetzwerk und reduziert die Nachschmierwirkung, also die Fähigkeit des Fettes, Grundöl aus dem Reservoir zurück in den Kontakt zu liefern.

Bariumkomplexseifen hingegen zeigen eine höhere mechanische Stabilität unter Scherbelastung und gelten als besonders geeignet für hochbelastete Anwendungen mit hohen Kontaktdrücken, ein Umstand der neben der scherstabileren Additivstruktur der Bariumseife auf eine bessere Verträglichkeit mit EP/AW Additiven zurückzuführen ist³.

Schlussfolgerung

Die vorliegenden Versuchsergebnisse demonstrieren, dass das Verdickersystem eines Schmierfettes in stark scherbelasteten oszillierenden Systemen einen dominanten Einfluss auf Laufzeit, Reibverhalten und Verschleißintensität ausübt, unabhängig von Grundöl, NLGI-Klasse und Additivpaket. Die beobachtete Halbierung der Laufzeit (Fett B gegenüber Fett A) ist daher keine Streuung, sondern ein systematischer Effekt, der auf die unterschiedlichen tribologischen Eigenschaften der Verdickersysteme zurückzuführen ist.

Für die Auswahl von Schmierfetten in belasteten Systemen empfiehlt sich immer eine anwendungsspezifische Prüfung unter realistischen Betriebsbedingungen. Datenblattangaben zu Viskosität, NLGI-Klasse und Additiven reichen nicht aus, um das tribologische Verhalten (beispielsweise im Spindelkontakt) vorherzusagen. Die kamerabasierte Verfärbungsanalyse der Fettraupe hat sich dabei als schneller, nicht-invasiver Indikator für Systemversagen bewährt und ermöglicht eine frühzeitige Bewertung bereits in der Einlaufphase des Versuchs.

[1] Cousseau, T., Björling, M., Graça, B., & Campos, A. (2012). Film thickness in a ball-on-disc contact lubricated with greases, bleed oils and base oils. Tribology International, 53, 53–60. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.04.018

[2] Meijer, R. J., Osara, J. A., & Lugt, P. M. (2024). On the Required Energy to Break Down the Thickener Structure of Lubricating Greases. Tribology Transactions, 67(1), 123–128. https://doi.org/10.1080/10402004.2023.2297041

[3] Wang, Z., Xia, Y. & Liu, Z. The rheological and tribological properties of calcium sulfonate complex greases. Friction 3, 28–35 (2015). https://doi.org/10.1007/s40544-014-0063-1