2.3 Fizikalne lastnosti maziv
2.3.1 Viskoznost
Že pri pregledu režimov mazanja smo lahko opazili, da je viskoznost bistvena značilnost maziva, ki vpliva na debelino mazalnega filma in s tem na režime mazanja. Debelina mazalnega filma je namreč proporcionalna viskoznosti.
Ko plast maziva povsem ločuje gibajoči se površini, je edini odpor proti gibanju viskoznost maziva. Je torej lastnost tekočin, s katero se upirajo pretoku. Čim večja je viskoznost, tem večji je odpor – in obratno. Viskoznost prav tako vpliva na stisnjenost maziva med dvema površinama pod vplivom sile – čim večja je viskoznost, tem bolje mazivo prenaša obremenitev [4]. Velja omeniti, da bolj viskozna olja potrebujejo večjo moč za striženje. To posledično pomeni večje izgube moči, generira se več toplote, poveča se temperatura kontaktnih površin in tudi temperatura olja samega, to pa lahko vodi do poškodb površin.
Viskoznost mora biti izbrana tako, da daje optimalne lastnosti pri določeni temperaturi.
Poznavanje temperature, pri kateri naj bi olje delovalo, je kritičnega pomena zaradi velike odvisnosti viskoznosti od temperature. S povečanjem temperature se viskoznost zmanjšuje in olje lažje teče [2].
2.3.1.1 Dinamična viskoznost
Dinamična viskoznost ima ključno vlogo pri mazanju. Debelina mazalnega filma je proporcionalna viskoznosti. Vendar pa po drugi strani zelo viskozna olja povzročajo večje viskozno trenje, kar ima za posledico dvig temperature in padec viskoznosti, kar vodi v tanjši mazalni film. Dinamično viskoznost označimo z 𝜂 in predstavlja upor tekočine proti delovanju strižnih sil. Pri tem predpostavimo, da je oljni film med ploščama sestavljen iz neskončno enako debelih (oziroma tankih) plasti. Če ploščo vlečemo s konstantno hitrostjo, kot je prikazano na sliki 2.7, bo sila, potrebna za premik plošče, enaka [1]:
𝐹 = 𝜂 ∙ 𝐴 ∙𝑢
ℎ (2.2)
𝐹 … sila, potrebna za premik plošče [N]
𝜂 … dinamična viskoznost [Pa s]
𝐴 … površina plošče [m2] 𝑢 … hitrost drsenja [m s-1]
ℎ … debelina mazalnega filma [m]
Če silo F delimo s površino plošče A, dobimo strižno napetost 𝜏. Tako iz enačbe 2.2 izpeljemo enačbo za dinamično viskoznost, ki je definirana v enačbi 2.3.
𝜂 = 𝜏
𝑢/ℎ (2.3)
𝜂 … dinamična viskoznost [Pa s]
𝜏 … strižna napetost, ki deluje na površino [Pa]
𝑢 … hitrost drsenja [m s-1]
ℎ … debelina mazalnega filma [m]
Maziva
11 Slika 2.7: Površini, ki ju ločuje plast tekočine [2]
2.3.1.2 Kinematična viskoznost
Kinematično viskoznost imenujemo razmerje med dinamično viskoznostjo in gostoto.
Merimo jo v [m2/s] in se uporablja bolj pogosto kot dinamična viskoznost, ker je neodvisna od volumna in jo je lažje meriti. Določimo jo z uporabo kapilarnega viskozimetra, pri čemer merimo čas tečenja maziva med dvema določenima točkama [5]. Izračunamo je tako, da izmerjen čas pomnožimo s konstanto viskozimetra (enačba 2.4).
𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑡 (2.4)
𝑣 … kinematična viskoznost [m2s-1] 𝑘 … konstanta viskozimetra [m2s-2] 𝑡 … čas [s]
Kinematična viskoznost je z dinamično povezana preko gostote in sicer jo izračunamo po enačbi 2.5.
𝑣 =𝜂
𝜌 (2.5)
𝑣 … kinematična viskoznost [m2s-1] 𝜂 … dinamična viskoznost [Pas]
𝜌 … gostota [kgm-3]
Maziva
12
2.3.1.3 Razredi viskoznosti po SAE standardu
Razred viskoznosti je popisan s standardom SAE, natančneje SAE J300. Društvo SAE je razvrstilo motorna olja in olja za menjalnike (po viskoznosti) v razrede, ki so primerni za različna temperaturna območja [3]. V preglednici 2.1 je prikazana klasifikacija viskoznosti SAE J300 za nizko temperaturne viskoznosti.
Preglednica 2.1: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za nizko temperaturne viskoznosti
Gradacija viskoznosti
SAE
Viskoznost pri nizkih
temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah
Viskoznost a
V preglednici 2.2 je prikazana klasifikacija viskoznosti SAE J300 za visoko temperaturne viskoznosti.
Preglednica 2.2: Klasifikacija viskoznosti SAE J300 za visoko temperaturne viskoznosti
Gradacija viskoznosti
SAE
Viskoznost pri nizkih
temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah
Viskoznost a
Maziva
temperaturah Viskoznost pri visokih temperaturah
Viskoznost a
Za predstavitev viskoznosti uporabljamo številčne oznake, na primer SAE 20. Čim višje je število, tem večja je viskoznost (olje je gostejše). Razlikujemo olja za eno temperaturno območje, na primer SAE 10W, SAE 20W/20 (zimska olja), SAE 30, SAE 50 (poletna olja) in celoletna olja, npr. SAE 15W-50 [4]. Na sliki 2.8 je prikazana primerjava delovnih območij nekaterih gradacij olj.
Slika 2.8: Primerjava delovnih območij nekaterih gradacij [2]
Maziva
14
2.3.1.4 Odvisnost viskoznosti od temperature
Kot je bilo že omenjeno, se viskoznost s temperaturo močno spreminja. Treba je poznati viskoznost pri delovnih temperaturah, saj le-ta določa debelino filma, ki ločuje dve površini.
Viskoznost običajno merimo pri 40 °C in 100 °C, viskoznost pri vmesnih temperaturah pa določimo s pomočjo enačb ali diagramov [1]. Za izračun obstaja več enačb, a najpogosteje se uporablja enačba 2.6, imenovana Voglova enačba.
𝜂 = 𝑎 ∙ 𝑒𝑇−𝑐𝑏 (2.6)
𝜂 … viskoznost olja pri določeni temperaturi [Pas]
𝑇 … temperatura [K]
𝑎, 𝑏, 𝑐 … konstante
2.3.1.5 Odvisnost viskoznosti od tlaka
Za večino maziv je vpliv tlaka večji kot vpliv temperature ali strižnega razmerja. Ta trditev velja le, ko imamo opraviti z visokimi tlaki. Poznavanje vpliva tlaka je pomembno pri močno obremenjenih kontaktih npr. v kotalnih ležajih ali zobnikih. Tlak je v teh kontaktih tako velik, da maziva delujejo kot trdna telesa in ne več kot tekočine [2]. Za zmerne tlake uporabljamo enačbo 2.7, imenovano Barusova enačba.
𝜂𝑝= 𝜂0∙ 𝑒𝛼∙𝑝 (2.7)
𝜂𝑝 … viskoznost pri tlaku p [Pas]
𝜂0 … viskoznost pri atmosferskem tlaku [Pas]
𝛼 … koeficient tlak-viskoznost [m2/N]
𝑝 … dejanski tlak [Pa]
2.3.1.6 Razmerje viskoznost – strižno razmerje (viskoznost HTHS)
To je predpis, ki zagotavlja, da se pri visokih vrtljajih motorja in visoki temperaturi motornega olja na površinah ohranja plast olja – neprekinjen oljni film. Ta predpis so sprejeli različni avtomobilski proizvajalci v navezi z združenjema SAE in ACEA. Predpisujejo najmanjšo viskoznost, ki jo mora imeti motorno olje pri temperaturi 150 °C in strižnem razmerju 106 s-1. Strižno razmerje podaja razmerje med hitrostjo premikajočega se dela in debelino mazalnega filma, ki ga ločuje od mirujočega dela [5]. Pogosto se lahko predpostavi, da so tekočine newtonske, kar pomeni, da je njihova viskoznost konstantna za vsa strižna razmerja. To pa ne velja pri visokih tlakih v aplikacijah kot so zobniki, kotalni ležaji in odmične gredi [2].
Maziva
15
2.3.1.7 Indeks viskoznosti (IV)
Indeks viskoznosti izraža spreminjanje viskoznosti v odvisnosti od temperature. Čim večji je IV, manj je olje občutljivo na spremembe viskoznosti v odvisnosti od temperature.
Motorna olja imajo med seboj različno odvisnost viskoznosti od temperature, kar lahko vidimo na sliki 2.9. Kvalitetna mineralna olja imajo indeks viskoznosti približno 100, sintetična pa med 120 in 150. Indeks viskoznosti je določen iz naklona premice v diagramu V-T. Čim bolj je premica položna, tem višji je IV [3].
Slika 2.9: Odvisnost viskoznosti od temperature [2]