WO2007098523A2 - Betriebsbereites getriebe, betriebsflüssigkeit für ein solches und verfahren zu dessen erstinbetriebnahme - Google Patents

Betriebsbereites getriebe, betriebsflüssigkeit für ein solches und verfahren zu dessen erstinbetriebnahme Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an operational gear with highly loaded gears whose housing forms a sump containing a lubricant and coolant, immersed in the at least one gear.
  • Such transmissions are used in a wide variety of applications, in particular in motor vehicles as manual transmissions, transfer cases of all-wheel drive vehicles and as axle or differential transmissions.
  • oils are used exclusively in transmissions, in highly loaded ones they are mostly fully synthetic oils.
  • all oils have the following disadvantages in common: - Relatively low heat capacity, thermal conductivity and low heat transfer coefficient (for comparison: approximately half of that of water) - Viscosity is strongly temperature-dependent, resulting in increased losses in the cold state and consequently higher fuel consumption, - Not environmentally friendly (disposal!) and in the long run not resistant to aging.
  • a mixture of water and an aliphatic hydrocarbon having at least two hydroxyl groups or with such a hydrocarbon-containing compound are suspended in the graphite particles having a particle size below 50 microns.
  • Aliphatic hydrocarbons having at least two hydroxyl groups are higher alcohols, for example alkylene glycols, in particular ethylene glycol, propylene glycol, triethylene glycol, etc.
  • Such compounds containing alcohols may be, for example, their polymers, oxides, ethers or esters.
  • the lubricating and cooling agent is essentially a glycol-water mixture of the type used in internal combustion engines with water cooling as a coolant, which additionally contains fine graphite particles.
  • the surprising effect of this mixture is based on the fact that graphite of this particle size, despite the presence of water with the glycol on the gears combined into a coating that lubricates well even at the highest tooth forces and sliding speeds and by the required by the at least one dipping gear Amount constantly renewed and rejuvenated. This effect was tested in long-term tests and tests and compared with a similar gearbox with standard oil filling. This is explained in more detail in the Ausrhakungsbeiful described below.
  • glycol is biodegradable and graphite is completely inert and therefore not environmentally damaging. It should be emphasized that design changes to conventional transmissions are only required in special cases. It is only necessary to ensure that the plastic of the sealing rings is not attacked and that the lubrication circuit also works with the low-viscosity medium.
  • the lubricating and cooling agent contains from 25 to 75% by weight of the aliphatic hydrocarbon or compound containing such hydrocarbons and from 1 to 30% by weight of graphite in the form of flaky graphite particles having a particle size below 20 microns, balance water and other admixtures and / or additives (claim 2). At the higher values for the graphite is on
  • the lubricant and coolant preferably contains 40 to 60 weight percent of the aliphatic hydrocarbon or compound containing such hydrocarbons and 2 to 20 weight percent graphite in the form of flaky graphite particles with a particle size below 12 microns, balance water and other admixtures and / or additives (claim 3).
  • a dispersing additive (claim 4).
  • This ensures a permanent coating not only of the parts to be directly lubricated (gears, bearings), but of all components and the housing walls, which are protected against corrosion. Even after a long standstill, the dispersing additive ensures a start-up of the gears without dry friction.
  • Dispersing additives are usually high molecular block copolymers.
  • the concentration of the dispersing additive in the lubricant and coolant in weight percent is half to about equal to that of the carbon particles (claim 5).
  • Blends of graphite, water and glycol are sometimes prone to foaming, which is troublesome in small housings. Therefore, the lubricant and coolant as a further addition, a defoamer (claim 6) and / or added as a further addition, a corrosion inhibitor (claim 7).
  • the invention also relates to a working fluid for a transmission with highly loaded gears, the housing of which is a lubricant and coolant containing sump into which the gears dip, which lubricant and coolant is a mixture according to any one of claims 8 to 14.
  • the invention also relates to a method for commissioning a transmission, for example, before it is installed in a machine or in a motor vehicle.
  • the aim is to bring the benefits of the operating fluid according to the invention as immediately as possible and without inlet losses and increased wear to the effect.
  • the method consists in filling the dry gear coming from the mechanical production with the lubricant and coolant previously mixed outside the gearbox according to claim 1 at least until the operating level is reached, so that at least one of the gear wheels is inserted into the lubricating gear. and coolant dips, then turned over without load until all the gears and other lubricating and protective organs are wetted, with a permanent lubricating and protective film forms on the gears and throughout the transmission (claim 15).
  • the transmission is initially filled with the lubricant and coolant according to claim 1 above the level of the axes. but this contains a higher proportion of graphite (5 to 30 weight percent), then slowly rotated for a while, then the lubricant and coolant is at least partially drained and the transmission finally with a lubricant and coolant according to claim 1 to the operating - level is filled, which optionally contains a corresponding to the residual amount of reduced content of graphite particles (claim 16).
  • this can be achieved during assembly by dipping or brushing with the mixture.
  • FIG. 1 Schematically an example of a transmission according to the invention.
  • FIG. 2 Diagram showing the result of comparison measurements on an exemplary transmission.
  • Fig. 1 is an arbitrary standard transmission, here to a front axle of a motor vehicle with a hypoid drive and a differential. It could just as well be a transfer case or a reduction gear for driving a machine, for example in the food industry.
  • the hypoid drive 2 consists of a seated on a shaft 6 Pinion 4 and a ring gear 5.
  • the shaft 6 is guided in bearings 7, at the ⁇ usseres a sealing ring 8 connects.
  • the differential 3 is also of the usual type, and therefore not cut open. A leading to a wheel half-wave 9 can be seen.
  • an oil sump 10 Down in the interior of the housing is an oil sump 10, the liquid level is designated at standstill with 11. The crown wheel dips into the oil sump 10. Furthermore, a filling opening and vent 13 and a drain 14 for the lubricant and coolant and a temperature sensor (installed only for the experiments) are indicated.
  • this transmission is filled with a lubricating and cooling agent, which consists essentially of an aliphatic hydrocarbon instead of transmission oil containing at least two hydroxyl groups or a compound containing such hydrocarbons, suspended therein graphite particles having a particle size below 50 microns and water.
  • a lubricating and cooling agent which consists essentially of an aliphatic hydrocarbon instead of transmission oil containing at least two hydroxyl groups or a compound containing such hydrocarbons, suspended therein graphite particles having a particle size below 50 microns and water.
  • suitable aliphatic hydrocarbons having at least two hydroxyl groups are: alkylene glycols, in particular ethylene glycol, propylene glycol, or triethylene glycol.
  • Graphite FL 1199 4 grams FL 1199 Graphite flakes are lamellae with a grain size of 11 microns ( ⁇ ) and a purity of 99% C.
  • Defoamer 1 gram of defoamer 150 from the company
  • Dispersing additive 16 grams of Additol® VXW6394 from the company
  • Dispersing additive 20 grams of Additol® VXW6394 from Cytek, composition according to technical data sheet.
  • Corrosion inhibitor 2 grams of BWT CW-CS 8 from BWT,
  • Composition according to leaflet of BWT Composition according to leaflet of BWT.
  • Graphite FL 1199 40 grams As in mixture 1.
  • Mixture 2 was compared in driving test with a conventional and standard oil filling in the transfer case, with one and the same transmission (the transfer case of a luxury four-wheel vehicle, containing a spur gear and a planetary differential, once) with the one and 10 once filled with the other operating fluid.
  • the mixture 3 was compared in driving test with a conventional and standard oil filling in Vorderachsgetriebe, with one and the same transmission (the front axle of a luxury four-wheel drive vehicle, containing a hypoid bevel gear and a differential) filled once with the one and the other operating fluid was.
  • Fig. 2 shows the course with 1700 min '1 of the two measured variables temperature T of the operating fluid in degrees Celsius and drag torque S in Nm on the Ordninate, the time on the abscissa.
  • the experiment will begin with about 23 0 C cold gearbox.
  • the corresponding curves are Tl and Sl for the with oil and T2 and S2 for the filled with the operating fluid according to the invention gearbox. It can be seen that during the operating time, the temperature Tl increases much steeper and reaches 57 0 C, the temperature T2, however, slowly rises to slightly above 36 0 C.
  • the drag torque is the sum of all no-load losses in the transmission (mainly friction and churning losses).
  • the drag torque Sl in the gearbox with the oil filling is initially very high (above 5.5 Nm) due to the highly temperature-dependent viscosity of oil and drops during operation to approximately 1.4 Nm.
  • the drag torque S2 is approximately constant from 1.3 to 1.0 Nm from the first moment. This results in loss work in the period of 1800 seconds 0.173 kWh for the oil and 0.106 kWh for the erfmdungsge- meäße operating fluid, thus reducing the no-load losses of 38.6%.
  • winter cold start at -30 0 C
  • a reduction in power loss was determined by over 50%.
  • the dry gearbox was initially filled at step a) to above the level of at least one of the axles with a service fluid containing at least 10 weight percent graphite.
  • the operating fluid was completely drained and then the transmission was filled with a working fluid to the operating level 11.
  • the liquid could be only partially drained and filled with a liquid without or with very little graphite. The right mixture then sets in during operation.

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Abstract

Ein betriebsbereites Getriebe mit Zahnrädern soll mit einem Schmier- und Kühlmittel betrieben werden, das bessere Wärmeabfuhr und temperaturunabhängige Viskosität bietet und umweltfreundlich ist. Dazu enthält das Getriebe eine Mischung aus Wasser und einem Glykol oder dergleichen, in der Graphitteilchen suspendiert sind. Vorzugsweise enthält die Mischung 40 bis 60 Gewichtsprozent des Glykols und 2 bis 25 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 12 Mikrometer, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze. Weiters ist das Schmier-und Kühlmittel und ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines mit diesem betriebenen Getriebes beschrieben.

Description

BETRIEBSBEREITES GETRIEBE,
BETRIEBSFLÜSSIGKEIT FÜR EIN SOLCHES UND VERFAHREN ZU DESSEN ERSTINBETRIEBNAHME
Die Erfindung betrifft ein betriebsbereites Getriebe mit hoch belasteten Zahnrädern, dessen Gehäuse einen ein Schmier- und Kühlmittel enthaltenden Sumpf bildet, in den zumindest ein Zahnrad eintaucht. Derartige Getriebe kommen in den verschiedensten Anwendungen vor, insbesondere in Kraft- fahrzeugen als Schaltgetriebe, Verteilergetriebe von Allradfahrzeugen und als Achs- beziehungsweise Differentialgetriebe.
Bei hochbelasteten Zahnrädern wird auch bei bester Schmierung Verlustwärme erzeugt, die abzuführen ist. Das geschieht entweder durch einen Kühl- und Schmierkreislauf mit Pumpe und einem externen Kühler, oder durch Wärmeableitung an die Umgebung über das Gehäuse des Getriebes. Dazu soll dieses eine möglichst große Oberfläche haben. Bei Kraftfahrzeugen ist es meist aussen verrippt, um die Oberfläche des Wärmeüberganges an den vorbei streichenden Fahrtwind zu vergrößern. Wenn die Motorleistung gesteigert werden soll, ohne dass für das Getriebe mehr Bauraum zur Verfügung steht, wird schnell eine Grenze erreicht.
Zur Zeit werden auch in Getrieben ausschließlich Schmieröle verwendet, in hochbelasteten sind es meist vollsynthetische Öle. Allen Ölen sind jedoch fol- gende Nachteile gemein: - Relativ geringe Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und niederer Wärme- übergangskoeffizient, (zum Vergleich: ungefähr halb so groß wie die von Wasser) - Die Viskosität ist stark temperaturabhängig, dadurch erhöhte Verluste in kaltem Zustand und folglich höherer TreibstoffVerbrauch, - Nicht umweltverträglich (Entsorgung !) und auf die Dauer nicht alterungsbeständig.
Deshalb wird schon lange über Alternativen nachgedacht und wurden dazu Versuche angestellt, ohne dass sich solche Alternativen in der Praxis bewährt hätten. Dabei bot sich Wasser wegen seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften an. Seine Viskosität ist weitgehend konstant - was einerseits ein Vorteil ist - aber andererseits für die Bildung eines tragfähigen Schmierfilmes zwischen den Zahnflanken nicht ausreicht. Dem versuchte man, durch geeignete Beschichtung der Zahnräder abzuhelfen. Welche Beschichtung man auch immer versuchte, sie war bisher entweder dem Flankendruck oder der Gleitge- schwindigkeit nicht gewachsen, oder sie war überhaupt schon nach kurzer Betriebsdauer verschwunden. Letzteres hat sich auch bei Kohlenstoff— Be- schichtungen gezeigt.
Die Suche nach Alternativen findet auch in der Patentliteratur ihren Niederschlag. So ist es etwa aus der US 4,714,414 bekannt, die Zahnräder der Übersetzungsstufe eines Kompressors für ölfreie Druckluft durch versprühtes Wasser zu schmieren. Dass dabei die Zahnräder aus Kunststoff bestehen können, deutet auf geringe zu übertragende Leistung. Es handelt sich somit nicht um hoch belastete Zahnräder.
In dem DE Patent 196 05 162 Cl ist eine synthetische Funktionsflüssigkeit beschrieben, die im wesentlichen nur aus einem Alkylenglykol besteht, dem Korrosions- und Oxydationsinhibitoren zugesetzt sind. Die thermischen Eigenschaften eines Alkylenglykols sind zwar besser als die von Öl, reichen aber an die von Wasser nicht heran. Vor allem ist dessen Viskosität höher, und auch wieder temperaturabhängig.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein betriebsbereites Getriebe zu schaffen, das die Nachteile von Schmieröl vermeidet und die Vorteile von Wasser in möglichst hohem Maße nutzt, ohne dessen Nachteile.
Erfindungsgemäß ist als Schmier- und Kühlmittel eine Mischung aus Wasser und einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei Hydroxil- gruppen beziehungsweise mit einer solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung, in der Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 50 Mikrometer suspendiert sind. Aliphatische Kohlenwasserstoffe mit mindestens zwei Hydroxilgruppen sind höherwertige Alkohole, beispielsweise Alkylenglykole, insbesondere Äthylenglykol, Propylenglykol, Triäthylenglykol, etc. Solche Alkohole enthaltende Verbindungen können beispielsweise deren Polymerisate, Oxyde, Äther oder Ester sein.
Bei dem Schmier- und Kühlmittel handelt es sich im Wesentlichen um eine Glykol — Wasser Mischung von der Art, die in Verbrennungskraftmaschinen mit Wasserkühlung als Kühlmittel verwendet wird, die zusätzlich feine Graphit-Teilchen enthält. Die überraschende Wirkung dieses Gemisches beruht darauf, dass Graphit dieser Teilchengröße sich trotz der Anwesenheit von Wasser mit dem Glykol auf den Zahnrädern zu einer Beschichtung vereinigt, die auch bei höchsten Zahnkräften und Gleitgeschwindigkeiten bestens schmiert und die sich durch die von dem mindestens einen eintauchenden Zahnrad geforderte Menge ständig erneuert und verjüngt. Diese Wirkung wurde in Dauerversuchen und Tests überprüft und mit einem gleichartigen Getriebe mit serienmäßiger Ölfüllung verglichen. Das ist in den weiter unten beschriebenen Ausrührungsbeispielen näher ausgeführt. Vorweggenommen sei, dass in serienmäßigen Getrieben mit der erfindungsgemäßen Betriebsflüssigkeit die lastlosen Verluste um bis zu 50% niederer als in dem- selben Getriebe mit einer konventionellen Ölfüllung und dessen Temperatur in identischem Fahrbetrieb um mindestens 15 Grad tiefer war. Verschleiss war nicht festzustellen. Die mit dem erfindungsgemäßen Schmier- und Kühlmittel erzielte hohe Wärmeaufnahme und Wärmeableitung erlaubt es auch, das Gehäuse des Getriebes näher an die Zahnräder heranzuführen, wodurch ein Ge- triebe bei gleicher Leistungsfähigkeit weniger Bauraum in Anspruch nimmt.
Damit ist es gelungen, die thermischen Vorteile von Wasser zu nutzen. Die Anwesenheit von Glykol in dem Fluid bannt nebstbei einen großen Nachteil von Wasser: es kann nun nicht mehr einfrieren. Als zusätzlicher Nutzen ist Glykol biologisch abbaubar und Graphit vollkommen inert und daher auch nicht umweltschädlich. Zu betonen ist, dass konstruktive Änderungen an konventionellen Getrieben nur in Sonderfällen erforderlich sind. Es ist nur sicherzustellen, dass der Kunststoff der Dichtringe nicht angegriffen wird und der Schmierkreislauf auch mit dem niedrigviskosen Medium funktioniert.
Die optimalen Mischungsverhältnisse der Komponenten hängen in hohem Maße von der Bauweise des Getriebes und der Art der Zahnräder ab, und auch von den Betriebsbedingungen. Vorzugsweise enthält das Schmier- und Kühlmittel 25 bis 75 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes be- ziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 1 bis 30 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 20 Mikrometer, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze (Anspruch 2). Bei den höheren Werten für den Graphit ist an
Zahnräder mit Hypoidverzahnung gedacht.
Für Getriebe enthält das Schmier- und Kühlmittel vorzugsweise 40 bis 60 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes beziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 2 bis 20 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 12 Mikrometer, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze (Anspruch 3).
In Weiterbildung der Erfindung enthält das Schmier- und Kühlmittel als weiteren Zusatz ein Dispergieradditiv (Anspruch 4). Dieses sorgt für eine dauerhafte Beschichtung nicht nur der unmittelbar zu schmierenden Teile (Zahnräder, Lager), sondern aller Bauteile und auch der Gehäusewände, welche so vor Korrosion geschützt sind. Das Dispergieradditiv sichert auch nach langem Stillstand einen Anlauf der Zahnräder ohne Trockenreibung. Dispergieradditi- ve sind in der Regel hochmolekulare Block - Copolymere. Vorzugsweise ist die Konzentration des Dispergieradditives im Schmier- und Kühlmittel in Gewichtsprozent die Hälfte bis ungefähr gleich der der Kohlenstoffteilchen (Anspruch 5).
Gemische von Graphit, Wasser und Glykol neigen bisweilen zum Schäumen, was bei kleinen Gehäusen störend ist. Deshalb kann dem Schmier- und Kühlmittel als weiterer Zusatz ein Entschäumer (Anspruch 6) und/oder als weiterer Zusatz auch ein Korrosionsinhibitor (Anspruch 7) zugesetzt sein.
Die Erfindung betrifft auch eine Betriebsflüssigkeit für ein Getriebe mit hoch belasteten Zahnrädern, dessen Gehäuse einen ein Schmier- und Kühlmittel enthaltenden Sumpf bildet, in den die Zahnräder eintauchen, welches Schmier- und Kühlmittel eine Mischung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 ist.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erstinbetriebnahme eines Getriebes, etwa bevor dieses in eine Maschine oder in ein Kraftfahrzeug eingebaut wird. Mit diesem wird das Ziel verfolgt, die Vorteile der erfindungsgemäßen Betriebsflüssigkeit möglichst sofort und ohne Einlaufverluste und erhöhten Verschleiß zur Wirkung zu bringen.
Das Verfahren besteht darin, dass das aus der mechanischen Fertigung kom- mende trockene Getriebe mit dem zuvor äusserhalb des Getriebes vermischten Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 zumindest bis zum Betriebs- Pegelstand so weit befullt wird, dass zumindest eines der Zahnräder in das Schmier- und Kühlmittel eintaucht, dann lastlos durchgedreht wird, bis alle Zahnräder und sonstigen zu schmierenden und schützenden Organe benetzt sind, wobei sich auf den Zahnrädern und überall im Getriebe ein beständiger Schmier- und Schutzfilm bildet (Anspruch 15).
Um den letzteren Effekt weiter zu verstärken, zu beschleunigen und auch in schwer zugänglichen Bereichen zu nutzen, wird in Weiterbildung des Verfah- rens als Schritt a) das Getriebe zunächst bis über das Niveau der Achsen mit dem Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 befullt, wobei dieses aber einen höheren Anteil an Graphit (5 bis 30 Gewichtsprozent) enthält, dann eine Weile langsam durchgedreht wird, sodann das Schmier- und Kühlmittel zumindest teilweise abgelassen und das Getriebe schließlich mit einem Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 auf den Betriebs - Pegelstand befullt wird, wobei dieses gegebenenfalls einen entsprechend der Restmenge verminderten Gehalt an Graphitteilchen enthält (Anspruch 16). Als zusätzlichen Schutz nicht benetzter Stellen, zum Beispiel gegen Reibrost in Steckverzahnungen, kann diese bei der Montage durch Eintauchen oder Bestreichen mit dem Gemisch erreicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
- Fig. 1 : Schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Getriebes.
- Fig. 2: Diagramm mit dem Ergebnis von Vergleichsmessungen an einem beispielsweisen Getriebe.
In Fig. 1 handelt es sich um ein beliebiges serienmäßiges Getriebe, hier um ein Vorderachsgetriebe eines Kraftfahrzeuges mit einem Hypoidtrieb und einem Differential. Es könnte ebenso gut ein Verteilergetriebe oder ein Untersetzungsgetriebe für den Antrieb einer Maschine, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie sein. In dem Gehäuse 1 befindet sich der Hypoidtrieb 2 und das Differential 3. Der Hypoidtrieb 2 besteht aus einem auf einer Welle 6 sitzenden Triebling 4 und einem Tellerrad 5. Die Welle 6 ist in Lagern 7 geführt, an deren Äusseres ein Dichtring 8 anschließt. Das Differential 3 ist auch von der üblichen Bauart, und daher nicht aufgeschnitten. Eine zu einem Rad führende Halbwelle 9 ist zu sehen.
Unten im Inneren des Gehäuses ist ein Ölsumpf 10, dessen Flüssigkeitsspiegel bei Stillstand mit 11 bezeichnet ist. Das Tellerrad taucht in den Ölsumpf 10 ein. Weiters ist eine Einfüllöffhung und Entlüftung 13 und ein Ablass 14 für das Schmier- und Kühlmittel sowie ein Temperatursensor (nur für die Versu- che eingebaut) angedeutet.
Dieses Getriebe ist jedoch statt mit Getriebeöl mit einem Schmier- und Kühlmittel befüllt, das im wesentlichen aus einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei Hydroxilgruppen beziehungsweise einer solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung, darin suspendierten Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 50 Mikrometer und Wasser besteht. Als aliphati- sche Kohlenwasserstoffe mit mindestens zwei Hydroxilgruppen kommen beispielsweise in Frage: Alkylenglykole, insbesondere Äthylenglykol, Propy- lenglykol, oder Triethylenglykol. Mit verschiedenen solchen Verbindungen, Mischungsverhältnissen und weiteren Zusatzstoffen wurden verschiedene in Versuchen, auch im Fahrversuch mit einem serienmäßig mit Öl befüllten Getriebe, erfolgreich erprobt. Beispielsweise:
Mischung 1 :
GIy santin® G48 : 100 Gramm
VE* Wasser: 100 Gramm VE* : Vollentsalzt.
Graphit FL 1199 4 Gramm FL 1199 : Graphit-Flocken, das sind Lamellen, mit einer Korn- große von 11 Mikron (μ) und einer Reinheit von 99 % C.
Im Versuchsprotokoll vermerkt: Geringe Schaumentwicklung, kurzfristig keine Entmischung, geringe Benetzung.
Mischung 2:
Äthylenglykol: 100 Gramm
VE Wasser: 100 Gramm
Entschäumer: 1 Gramm Entschäumer 150 der Firma
Kluthe, Zusammensetzung ge- maß Sicherheitsdatenblatt.
Dispergieradditiv: 16 Gramm Additol® VXW6394 der Firma
Cytek, Zusammensetzung gemäß technischem Merkblatt. Korrosionsinhibitor: 4 Gramm BWT CW-CS 8 der Firma BWT3
Zusammensetzung gemäß Merkblatt von BWT. Graphit FL 1199: 16 Gramm Wie in Mischung 1. Im Versuchsprotokoll vermerkt: keine Schaumentwicklung, Dispersion stabil, ausgezeichnete und stabile Benetzung, nach Benetzung keine Korrosion nicht dauerhaft benetzter Bereiche, ausgezeichnetes Temperaturverhalten im Vertei- lergetriebe und Start Dauererprobung, keine ausreichende Schmierung in einem Achsgetriebe mit Hypoidverzahnung.
Mischung 3: Äthylenglykol: 100 Gramm VE Wasser: 100 Gramm Entschäumer: 1 Gramm Entschäumer 150 der Firma Kluthe, Zusammensetzung gemäß Sicherheitsdatenblatt.
Dispergieradditiv: 20 Gramm Additol® VXW6394 der Firma Cytek, Zusammensetzung gemäß technischem Merkblatt.
Korrosionsinhibitor: 2 Gramm BWT CW-CS 8 der Firma BWT,
Zusammensetzung gemäß Merkblatt von BWT.
Graphit FL 1199 : 40 Gramm Wie in Mischung 1. Im Versuchsprotokoll vermerkt: geringe Schaumentwicklung, Dispersion sehr stabil, ausgezeichnete und stabile Benetzung, nach Benetzung keine Korrosion nicht dauerhaft benetzter Bereiche, gutes Temperatur- und Schmierverhalten im Vorderachsdifferential. 5
Die Mischung 2 wurde im Fahrversuch mit einer konventionellen und serienmäßigen Ölfüllung im Verteilergetriebe verglichen, wobei ein und dasselbe Getriebe (das Verteilergetriebe eines luxuriösen Allradfahrzeuges, enthaltend eine Stirnradstufe und ein Planetendifferential,) einmal mit der einen und 10 einmal mit der anderen Betriebsflüssigkeit befällt war.
Es wurden mindestens 150 km mit jeweils konstanter Geschwindigkeit von 100 km/h und 140 km/h auf ebener Autobahn gefahren, um die Beharrungstemperaturen im Getriebe zu ermitteln. Dabei wurde die Temperatur der Be- 15 triebsflüssigkeit im Sumpf mit einem Thermo-Messfühler gemessen. Die durchschnittliche Beharrungstemperatur liegt mit der Mischung 2 unabhängig von der Umgebungstemperatur um ca. 130C niedriger als mit serienmäßiger Ölfüllung. Dies gilt für beide Geschwindigkeitswerte.
20 Die Mischung 3 wurde im Fahrversuch mit einer konventionellen und serienmäßigen Ölfüllung im Vorderachsgetriebe verglichen, wobei ein und dasselbe Getriebe (das Vorderachsgetriebe eines luxuriösen Allradfahrzeuges, enthaltend eine Hypoid-Kegelradverzahnung und ein Differential,) einmal mit der einen und einmal mit der anderen Betriebsflüssigkeit befüllt war.
25
Es wurden mindestens 150 km mit jeweils konstanten Geschwindigkeiten von 100 km/h und 140 km/h auf ebener Autobahn gefahren, um die Beharrungstemperatur im Getriebe zu ermitteln. Die durchschnittliche Beharrungstemperatur liegt mit der Mischung 4 unabhängig von der Umgebungstemperatur um
30 16°C bzw. 130C niedriger, gültig für 100km/h bzw. 140km/h, als mit serienmäßiger Ölfüllung. Weiters wurde am Prüfstand ein Vorderachsdifferential mit der Mischung 3 eine halbe Stunde lang mit einer konstanten Eintriebsdrehzahl von 1700 Umdrehungen pro Minute, das entspricht ca. 70 km/h, betrieben und das Temperaturverhalten und das Schleppmoment gemessen.
Fig. 2 zeigt den Verlauf mit 1700 min'1 der beiden gemessenen Größen Temperatur T der Betriebsflüssigkeit in Grad Celsius und Schleppmonent S in Nm auf der Ordninate, die Zeit auf der Abszisse. Begonnen wird der Versuch mit circa 230C kaltem Getriebe. Die entsprechenden Kurven sind Tl und Sl für das mit Öl und T2 und S2 für das mit der erfindungsgemäßen Betriebsflüssig- keit befüllte Getriebe. Es ist zu erkennen, dass während der Betriebszeit die Temperatur Tl wesentlich steiler ansteigt und 57 0C erreicht, die Temperatur T2 hingegen langsam bis etwas über 36 0C ansteigt. Das Schleppmoment ist die Summe aller lastlosen Verluste im Getriebe (hauptsächlich Reibungs- und Planschverluste). Das Schleppmoment Sl im Getriebe mit der Ölfüllung ist wegen der stark temperaturabhängigen Viskosität von Öl anfangs sehr hoch (über 5,5 Nm) und sinkt im Laufe des Betriebes auf ungefähr 1,4 Nm ab. Das Schleppmoment S2 ist vom ersten Moment an annähernd konstant zwischen 1,3 und 1,0 Nm. Daraus ergibt sich als Verlustarbeit in dem Zeitraum von 1800 Sekunden 0,173 kWh für das Öl und 0,106 kWh für die erfmdungsge- mäße Betriebsflüssigkeit, somit eine Reduzierung der lastlosen Verluste von 38,6 %. Bei winterlichem Kaltstart (bei -30 0C) wurde eine Verringerung der Verlustleistung um über 50% ermittelt.
Aus den Bemerkungen in den Versuchsprotokollen ist zu erkennen, wie wich- tig die Benetzung aller Teile des Getriebes ist. Außerdem wurde bei der Vorbereitung der Versuche beobachtet, dass eine rührende Bewegung während einer gewissen Zeit die innige Aufnahme der Graphitlamellen in das Flüssigkeitsgemisch verbessert (homogene Suspension). Daraus wurde ein diesen Faktoren Rechnung tragendes Verfahren zur Erstinbetriebnahme eines mit der erfindungsgemäßen Betriebsflüssigkeit zu befüllenden Getriebes entwickelt:
Das vorher mit konventionellem Schmiermittel befullte Getriebe wurde entleert und gründlich gereinigt, sodass es einem aus der mechanischen Fertigung kommenden neuen Getriebe gleich kam. Beziehungsweise wurde in der Serienfertigung ein trockenes Getriebe ohne Bandende-Prüfung hergestellt. Das trockene Getriebe wurde mit einer zuvor in einem Behälter vermischten Betriebsflüssigkeit der Mischung 2 bzw. 3 so weit befüllt, dass eines der Zahnräder in das Schmier- und Kühlmittel eintauchte. Dann wurde das Getriebe auf eine entsprechende Vorrichtung aufgespannt und lastlos durchgedreht, bis das von dem einen Zahnrad geförderte und umher geschleuderte alle Zahnräder und sonstige inneren Flächen und Teile mit dem Schmier- und Kühlmittel benetzt hatte. Nach 5 Minuten hatte sich auf den Zahnflanken ein beständiger Schmierfilm gebildet.
In einer Variante wurde das trockene Getriebe zunächst bei Schritt a) bis über das Niveau zumindest einer der Achsen mit einer Betriebflüssigkeit befullt, die mindestens 10 Gewichtsprozent Graphit enthielt. Nach dem Durchdrehen gemäß Schritt b) wurde die Betriebsflüssigkeit komplett abgelassen und dann das Getriebe mit einer Betriebsflüssigkeit auf den Betriebs - Pegelstand 11 befullt. Alternativ könnte die Flüssigkeit auch nur teilweise abgelassen und mit einer Flüssigkeit ohne oder mit sehr wenig Graphit aufgefüllt werden. Die richtige Mischung stellt sich dann im Betrieb ein.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Betriebsbereites Getriebe mit hoch belasteten Zahnrädern, dessen Gehäuse einen ein Schmier- und Kühlmittel enthaltenden Sumpf bildet, in den die Zahnräder eintauchen, dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmier- und Kühlmittel eine Mischung aus Wasser und einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei Hydroxilgruppen beziehungsweise einer solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung enthält, in der Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 50 Mikrometer suspendiert sind.
2. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel 25 bis 75 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes beziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 1 bis 30 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 20 Mikrometer enthält, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze.
3. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel 40 bis 60 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes beziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 2 bis 20 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 12 Mikrometer enthält, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze.
4. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als weiteren Zusatz ein Dispergieradditiv enthält.
5. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Dispergieradditives im Schmier- und Kühlmittel in Gewichtsprozent die Hälfte bis ungefähr gleich der der Kohlenstoffteilchen ist.
6. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als weiteren Zusatz einen Entschäumer enthält.
7. Betriebsbereites Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als noch weiteren Zusatz einen Korrosion- sinhibitor enthält.
8. Betriebsflüssigkeit für ein Getriebe mit hoch belasteten Zahnrädern, dessen Gehäuse einen ein Schmier- und Kühlmittel enthaltenden Sumpf bildet, in den die Zahnräder eintauchen, dadurch gekennzeichnet, dass es als Schmier- und Kühlmittel eine Mischung aus Wasser und einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei Hydroxilgruppen beziehungsweise einer einen solchen Kohlenwasserstoff enthaltenden Verbindung enthält, in der Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 50 Mikrometer suspendiert sind.
9. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel 25 bis 75 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes beziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 1 bis 30 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 20 Mikrometer enthält, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze.
10. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel 40 bis 60 Gewichtsprozent des aliphatischen Kohlenwasserstoffes beziehungsweise der solche Kohlenwasserstoffe enthaltenden Verbindung und 2 bis 25 Gewichtsprozent Graphit in Form flockiger Graphitteilchen mit einer Korngröße unter 12 Mikrometer enthält, Rest Wasser und weitere Beimengungen und/oder Zusätze.
11. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als weiteren Zusatz ein Dispergieradditiv enthält.
12. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Dispergieradditives im Schmier- und Kühlmittel in Gewichtsprozent die Hälfte bis ungefähr gleich der der Kohlenstoffteilchen ist.
13. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als weiteren Zusatz einen Entschäumer enthält.
14. Betriebsflüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmier- und Kühlmittel als noch weiteren Zusatz einen Korrosionsinhibitor enthält.
15. Verfahren zur Erstinbetriebnahme eines Getriebes, ausgehend von dem trockenen Getriebe, in folgenden Schritten: a) Vermischen von Wasser, einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei Hydroxilgruppen beziehungsweise einer einen solchen Koh- lenwasserstoff enthaltenden Verbindung und den Graphitteilchen in einem Behälter ausserhalb des Getriebes.
b) Füllen des Getriebes mit dem Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 zumindest so weit, dass zumindest eines der Zahnräder in das Schmier- und Kühlmittel eintaucht.
c) Lastloses Durchdrehen des Getriebes, bis alle Zahnräder mit dem Schmier- und Kühlmittel benetzt sind, wobei sich auf diesen ein beständiger Schmierfilm bildet.
16. Verfahren zur Erstinbetriebnahme eines Getriebes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Schritt a) das Getriebe bis über das Niveau zumindest einer der Achsen mit dem Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 befüllt wird, wobei dieses 5 bis 20 Gewichtsprozent Graphit, enthält, und dass nach Schritt b) das Schmier- und Kühlmittel zumindest teilweise abgelassen und das Getriebe mit einem Schmier- und Kühlmittel nach Anspruch 1 auf den Betriebs - Pegelstand befullt wird, wobei dieses gegebenenfalls einen entsprechend der Restmenge verminderten Gehalt an Graphitteilchen enthält.
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