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E_1933_Zeitung_Nr.091

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N»91 II. Blatt BERN,3.Nov.l933 91 II. Blatt BERN,3.Nov.l933 Ueber die inneren Vorgänge bei der Schmierung. Die grundlegende Erklärung des Schmierungsvorgangs füsst auf den einfachen Gesetzen der Flüssigkeitsströmung. Diese Theorie nimmt an, dass die zwischen den festen Gleitflächen in dünner Schicht ausgebreiteten, flüssigen oder halbfesten Schmiermittel die Eigenschaften von idealen Flüssigkeiten haben. So wird angenommen, dass in allen Teilen eines solchen Schmierfilms dieselbe chemische Zusammensetzung vorhanden sei, ferner dass die Moleküle in dieser Schmierschicht völlig ungeordnet seien und nach allen Richtungen des Raumes die gleichen Anziehungskräfte aufeinander ausüben. Weiter wird angenommen, dass besondere Wechselwirkungen zwischen dem Schmiermittel und der festen Wand nicht vorhanden sind, also spezifische Anziehungskräfte fehlen, welche von der besonderen physikalisch-chemischen Eigenart des betreffenden Schmiermittels einerseits und des betreffenden Gleitflächenmaterials anderseits in charakteristischer Weise abhängen. Auf Grund dieser Auffassung kann man sich also den Schmiervorgang so vorstellen, dass die Schmierschicht eine direkte Berührung der festen Gleitflächen und die damit verbundene hohe „trockene" Reibung verhindert, und dass an ihre Stelle die viel kleinere, gegenseitige Reibung der kugelförmig zu denkenden Moleküle des strukturlosen und chemisch homogenen Schmierfilms tritt. Diese innere Reibung des Schmiermittels, welche durch die üblichen Zähigkeitsmessungen in einfacher Weise ermittelt werden \ / \ Fig. 1. Orientierung der Moleküle im Schmierfilm. kann, ist also nach der ursprünglichen Theorie die einzige Grosse, welche für die Reibungsverhältnisse an einer Schmierstelle und für die Schmierfähigkeit eines Schmiermittels massgeblich ist. Bei Nachprüfung durch Versuche wurde diese Theorie wenigstens annähernd bei der sogenannten „Vollschmierung" bestätigt, bei welcher zwischen den beiden festen Gleitflächen ein lückenloser und nicht zu dünner Schmierfilm vorhanden ist. Wird jedoch der Schmierfilm immer dünner und stellenweise durch die Rauhigkeiten, welcher jeder metallischen Gleitfläche eigen sind, durchbrochen, so gelangt man in das praktisch sehr wichtige Gebiet der sogenannten „halbflüssigen Reibung" oder „Grenzsehmierung". In diesem Schmierungsgebiet können zwei Schmiermittel, welche bei der Arbeitstemperatur genau dieselbe Zähigkeit haben, trotz gleicher Arbeitsbedingungen sehr verschiedene Reibungswerte ergeben. Die Zähigkeit des Schmiermittels ist hier also nicht Fig. 2. Nach der Orientierung der Moleküle im SchmieTfilm. mehr die einzig ausschlaggebende Kenngrösse, sondern es treten besondere Einflüsse in den Vordergrund, für welche man, als man sie auf Grund unwiderleglicher Versuche nicht mehr ableugnen aber auch noch nicht erklären konnte, wenigstens schöne Benennungen erfand. Man sprach in England und Amerika von verschiedener „Oeligkeit" (oiliness), in Deutschland von verschiedener „Schlüpfrigkeit" und in Frankreich von verschiedener „onctuosit6" der Schmiermittel. Ein Verständnis für diese technisch ausserordentlich wichtige Eigenschaft wurde zuerst durch Versuche angebahnt, welche Hardy im halbflüssigen Reibungsgebiet mit einheitlichen Schmiermitteln anstellte. Waren die verwendeten Schmiermittel gesättigte Kohlenwasserstoffe, so erwies sich die gemessene Reibung als zeitlich konstant. War das verwendete Schmiermittel aber z. B. ein Alkohol oder eine Säure oder ein Amin, so war die Reibung beim frischgebildeten Schmierfilm grösser als nach .einer gewissen Wartezeit. Während dieser sogenannten latenten Periode nahm also die Schmierfähigkeit des Schmiermittels bis zu einem Höchstwerte zu. Die einfachste Erklärung für diese zeitliche Aenderung der Schmierfähigkeit besteht darin, dass von der festen Wandfläche Anziehungskräfte ausgehen, welche sich in einer bevorzugten Anziehung auf ganz bestimmte Atome oder Atomgruppen des Schmiermittels offenbart. Solche Atomgruppen werden polare Gruppen genannt und sind z. B. bei den Alkoholen die OH-Gruppe, bei den Säuren die COOH- Gruppe. Moleküle mit solchen Atomgruppen nennt man polare Moleküle. Durch die Wirkung dieser spezifisch auswählenden Anziehungskräfte werden die polaren Moleküle an der Wandfläche fest verankert und zwar derart, dass sie sich mit ihren polaren Gruppen an der Wandfläche „festbeissen". Dadurch entsteht zwangsläufig die weitere Wirkung, dass die polaren Moleküle an der Wandfläche allmählich zueinander und ihrer Lage zur Wandfläche mehr oder weniger geordnet werden, ähnlich wie feine Eisennadeln von einem Magneten nicht nur fixiert, sondern gleichzeitig auch orientiert werden. Auf jeder der beiden Gleitflächen bildet sich also bei polaren Schmiermitteln ein aus einer einzigen Molekül-Lage bestehender und aus orientierten Molekülen bestehender Teppich (Primärfilm) aus, ganz ähnlich wie dies schon vor der Ausbreitung organischer Flüssigkeiten auf Wasseroberflächen her bekannt ist. In Fig. 1 und 2 sind diese Vorgänge im Schmierfilm vor und nach erfolgter Orientierung schematisch dargestellt, wobei die Pfeilspitzen die Stellung der polaren Gruppen, die kurzen Querbalken, die nichtpolaren Molekülenden (wie z. B. CH 3 -Gruppen) und die Striche die Lage und Länge der Kohlenwasserketten wiedergeben sollen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich die geordneten Moleküle in der Ebene „S" ihre nichtpolaren Enden zukehren. Da diese Molekülenden auf einander nur geringe Anziehungskräfte ausüben, stellt eine jede Ebene eine Spaltebene'dar, d. h. eine Fläche besonders guter Gleitfähigkeit. Während also der Schmierfilm durch seine Verankerung an den festen Gleitflächen eine grosse Widerstandfähigkeit gegen mechanische Einwirkungen gewinnt, welche ihn zu zerreissen oder wegzuschieben versuchen, besitzt er in seinem Innern eine hervorragende Gleitfähigkeit ; beides Eigenschaften von grösstem technischen Werte. In der Technik verwendet man ja nun meist keine einheitlichen Schmiermittel, sondern verwickelte Gemische chemischer Individuen. Enthalten diese Gemische polare Moleküle, so werden sie von der festen Grenzfläche angezogen, aus dem übrigen Schmiermittel heraus geholt, an den Grenzflächen angereichert und dort fixiert. Es handelt sich hier also um einen typischen Adsorptionsvorgang, ganz ähnlich wie die Textiliaser den Farbstoff aus der Farbstofflösung herausholt. — Da der Mechanismus der Ausbildung eines solchen Adsorptionsfilms grundsätzlich derselbe ist, wie oben SPALT-EBENE Sonnenenergie - Diagramm nach Wa. Oßtwald. Man sieht, dase alle Brennstoffarten ihren Ursprung in der Sonnenenergie haben. JaHttation fa/tinaHm als wiederum durch eine Orientierung der Schmiermittelmoleküle erklären. Weiter konstatierte man an sehr dünnen Filmen von polaren Stoffen (Fettsäuren zwischen Metallplatten), dass unter diesen Bedingungen die Dielektrizitätskonstante solcher Stoffe aussergewöhnlich nieder ist, was sich ebenfalls nur durch eine Orientierung der Moleküle erklären lässt. Bisher blieb die Frage offen, ob man in einem Schmierfilm nur eine einzige orientierte Moleküllage an jeder Wandfläche anzunehmen hat, oder ob etwa ein ganzer Stapel von solchen Molekülteppichen vorhanden ist. Schon vor Jahren hatten Messungen des elektrischen Widerstandes von Schmierschichten übereinstimmend mit Ausflussversuchen bei Schmiermitteln, welche polare Moleküle enthielten, einigermassen wahrscheinlich gemacht, dass der Adsorptionsfilm eine ganz beträchtliche Dicke erreichen kann. Ferner hat der bedeutende englische Röntgenforscher Bragg die Hypothese aufgestellt, dass manche Schmiermittel unter Druck eine vielschichtige, blättrige oder lamellare Struktur annehmen, wobei die einzelnen Molekülschichten wie die Blätter eines Kartenspiels übereinandergleiten. Ein solches vielschichtiges Paket wird, wie die Schmiertechnik es ja wünscht, gegen seitlichen Schub eine besonders hohe innere Gleitfähigkeit zeigen, während es gegenüber senkrecht wirkenden Beanspruchungen, ebenso wie das Spielkartenmodell, recht widerstandsfähig sein muss. Diese Voraussagen wurden durch Röntgenuntersuchungen von Schmierfilmen vollauf bestätigt. Bringt man zwischen Glas- oder Metallplättchen etwas Talg, Hahnfett oder konsistente Fette, welche sich bei der Röntgenuntersuchung sämtlich als amorph erwiesen hatten, und bewegt nun unter Druck die Plättchen gegeneinander, so ergibt der Schmierfilm jetzt ein Röntgenspektrum, aus welchem man entnehmen kann, dass sich ein Paket von 100—200 (und gelegentlich noch mehr) in sich orientierter und übereinandergeschichteter Moluküllagen (Lamellen) ausgebildet hat. Jede dieser Lamellen besteht bei nichtpolaren Schmiermitteln aus einer einzigen Moleküllage, bei polaren Schmiermitteln dagegen wieder aus einer Doppellage (vgl. Fig. 2). Solche Schichtpakete können eine Dicke von 0,004 mm, also sogar (CHs-EitNe) Fig. 3. Mehrere orientierte Molekülschichten in einem Schmierfilm. für chemische Individuen dargelegt worden von mikroskopischen Ausmassen, erreichen ist, so hat man auch hier orientierte Moleküle an den Wandflächen anzunehmen. orientierung (Einwirkung des äusseren Druk- und brauchen nicht immer durch Zwangs- Die Schmiertechnik hat sich dieser neuen kes) verursacht zu werden, sondern können Erkenntnis mit Erfolg bedient, indem sie zu auch als unmittelbare Wirkung des Kraftfeldes der festen Grenzfläche auf die polaren manchen Schmiermitteln absichtlich polare Moleküle (z. B. Fettsäure) zusetzte. In all Schmiermittelmoleküle entstehen (spontane solchen Schmierfilmen kann also in Widerlegung der früheren Theorie weder von kann man die in Fig. 3 schematisch darge- Orientierung). Aus den Röntgenaufnahmen Strukturlosigkeit noch von chemischer Homogenität der Schmierschicht die Rede sein. Molekülen aufgebauten Schichtpaketes abstellte Struktur eines solchen aus polaren Der orientierte Aufbau des Schmierfilms leiten. In dieser Figur haben die verschiedenen Zeichen gleiche Bedeutung wie in wurde auch durch elektrische Messungen bestätigt, indem beobachtet werden konnte, Fig. 2. dass bei dem Durchgang eines Wechselstromes durch die Schmiersohicht im halb- des Schmierfilms ist also für das Verständnis Der orientierte bzw. geschichtete Aufbau flüssigen Reibungsgebiet ein Teil des Wechselstromes gleichgerichtet wird. Die grosser Bedeutung. Diese neuen Erkennt- des Mechanismus des Schmiervorganges von Schmierschicht wirkt also wie ein elektrisches Ventil. Diese Ventilwirkung konnte verständlichen Abweichungen von der danisse erklären aber nicht nur die früher un- auch durch Gleichstrommessungen nachgewiesen werden und lässt sich kaum anders Wege zur Veredlung der maligen Theorie, sondern weisen auch neue Schmiermittel. Die Schmiermittel des Autobetriebes. Für den Automobilbetrieb kommen hauptsächlich drei Arten von Schmiermitteln in Betracht: Motorenöle, Schmierfette und Oele für Nebenapparate. Bei den wichtigen Aufgaben, die diese Schmiermittel zu erfüllen haben, rechtfertigt es sich, dass der Automobilist über einige elementare Kenntnisse hinsichtlich ihrer Herkunft und Zusammensetzung verfügt. Als Motorenöle kommen solche mineralischer oder pflanzlicher (vegetabilischer) Herkunft in Betracht, wobei es sich in beiden Fällen um Kohlenwasserstoff-Verbindungen handelt. Ausgedehnte Verbreitung haben bis heute nur die Mineralöle gefunden, während die pflanzlichen Oele durch die verschiedenen Abarten des Rizinusöls vertreten sind und mehr nur für Spezialzwecke in Frage kommen. Im Grunde genommen sind jedoch auch hinsichtlich ihrer Herkunft die beiden Oelsorten einander verwandt, wie aus obenstehendem Schema hervorgeht. Ihr Ausgangsstoff stellt in beiden Fällen die Sonnenenergie dar. Die Mineralöle ihrerseits lassen sich wieder entweder auf «natürlichem» Weg durch Destillation und Raffination aus Erdöl gewinnen (siehe unten), oder sie werden synthetisch aus Kohle hergestellt. Gegenwärtig wird der Weltbedarf an Motorenöl fast ausschliesslich durch Mineralöl «natürlicher» Herkunft gedeckt. Das rohe Erdöl ist so, wie es aus dem Bohrloch ausströmt, ein Gemenge vieler verschiedener Kohlenwasserstoffe, die verschieden hohe Siedepunkte haben und also mehr oder weniger leicht verdunsten. Durch Erhitzung des Erdöls geht ein Anteil nach dem andern in Dampfform über und bildet dabei, abgekühlt und kondensiert, ein Destillat mit spezifischen Eigenschaften. Der Reihe nach entstehen so Rohbenzin, Petrol, Gasöl, Heizöl, Spindelöl, Schmieröl, Paraffin und Rückstandsöle. Das Schmieröl, das uns hier besonders interessiert, wird durch Behandlung mit Schwefelsäure, Filtration durch Fullererde und andere Verfahren noch besonders raffiniert und seinem speziellen Zweck angepasst. Je nach seiner Herkunft kann es dabei ein verschiedenes Aussehen zeigen, eine Tatsache, der jedoch im allgemeinen keine wesentliche Bedeutung beizumessen ist. Durch die Zugabe von vegetabilischen Oelen zu Mineralöl können sogenannte Compound-Oele geschaffen werden, denen besonders gute Schmiereigenschaften nachgerühmt werden. Eine derartige Vermischung vegetabilischer und mineralischer Oele erfordert jedoch spezielle Verfahren, da sich sonst Säuren und Ausscheidungen bilden. Besondere Darstellungsarten des Rizinusöls haben die für verschiedene Verwendungszwecke, z. B. die Rennmotor- und Umlauf- Flugmotorschmierung, wertvolle Eigenschaft, ihre Viskosität beim Temperaturwechsel nur relativ wenig zu verändern und in Benzin unlöslich zu sein. In unvermischterf Zustand bilden sie jedoch gallertartige Krusten, die zwar technisch unschädlich sind, jedoch den Unterhalt der betreffenden Maschine erschweren. Das für nicht sehr stark arbeitende Teile des Chassis benützte sogenannte Konsistenzfett besteht aus Kalkseife, Wasser und'Mineralöl. Aehnliches gilt für Kugellagerfett, Kettenschmiere usw. Diese Fette sind, wie die Oele, «•»••xia-f-lSO« »ettoldtslilut ZwisebwiM 1 ^S >** I (Gasol 25IK-30Ö») *r ^N. . I « (Treitolgeotnnt) UfehNrenns SchwerteMla Leoehlmetroleum Masut Piriffii Gasolin Bcima Ligroio Fuufi] ncthltji Die wichtigsten Derivate des Erdöls. Kehl*