Chemische Untersuchungen.Die Schmierfähigkeit der Schmieröle. Von Dr. E. Weiss. Mit Abbildungen. Die Schmierfähigkeit der Schmieröle. Zur Beurtheilung der Schmieröle in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit als reibungsvermindernde Medien zieht man bekanntlich die Viscosität derselben heran und bestimmt die letztere gewöhnlich mittels des Viscosimeters von Engler. Für dasselbe gilt das Poiseuille'sche Gesetz nicht mehr in aller Strenge, weil die Ausflussröhre zu kurz im Verhältnisse zu ihrem Durchmesser ist; zur Vergleichung der Oele bietet es aber gute Anhaltspunkte. Indessen vermag man auf Grund von Viscositätsmessungen allein, selbst wenn man dazu die längsten Capillarröhren verwendete und somit den Coëfficienten der inneren Reibung mit Genauigkeit feststellte, die Brauchbarkeit eines Schmieröles nicht zu beurtheilen, weil hierbei noch andere Verhältnisse in Betracht kommen. Denn wenn man etwa annehmen wollte, ein Schmieröl sei um so geeigneter, je geringer seine eigene innere Reibung sei, so würde man dahin gelangen, z.B. dem Erdöle einen mehr als 20fachen Werth als Schmieröl zuzuerkennen als dem Rüböle, was offenbar der Erfahrung widerspricht. Mit dem von mir construirten Consistenzmesser vermag man die Beweglichkeit der Flüssigkeiten zu bestimmen; dieselbe steht unzweifelhaft in Beziehung zu der durch Capillaren gemessenen Viscosität, insofern, als im Allgemeinen ein Oel um so beweglicher sein muss, je geringer seine Viscosität ist. Eine Proportionalität besteht nun zwar nicht zwischen beiden, wohl aber hat man in dem Verhältnisse beider ein Mittel zur Beurtheilung der Oele, da man ohne weiteres voraussetzen kann, dass von zwei Oelen gleicher Viscosität dasjenige den Vorzug als Schmieröl verdienen wird, welches leichter beweglich ist. Diese Voraussetzung wird, wie ich nachstehend zeigen werde, durch die Erfahrung bestätigt. Die Einrichtung des Consistenzmessers kann ich wohl als bekannt voraussetzen. Eine Scheibe von 10 cm Durchmesser wird mittels eines, durch ein Gewicht getriebenen Uhrwerkes innerhalb der zu untersuchenden Flüssigkeit in Rotation versetzt. Je zäher die Flüssigkeit ist, um so weniger Umdrehungen macht die Scheibe. Das Gewicht ist so bemessen, dass die Scheibe in Wasser von 15° 150 Umdrehungen in der Beobachtungszeit (30 Secunden) macht, wozu etwa 1147 g Treibgewicht nothwendig sind. Da die Scheibe sich mit nahezu gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt, so halten Treibgewicht und Widerstand der Flüssigkeit sich das Gleichgewicht. Das Treibgewicht ist an einer schwebenden Rolle angebracht; die nachstehenden Angaben der Treibgewichte verstehen sich durchwegs exclusive des Gewichtes dieser Rolle (25,3 g). Beschickt man den Apparat mit einer dicken Flüssigkeit und variirt die Treibgewichte, so ergibt sich ein sehr einfaches Gesetz: Der Widerstand der Flüssigkeit ist der Umdrehungsgeschwindigkeit der rotirenden Scheibe proportional. Es ist P = mu . . . . . . 1) worin P die Triebkraft, u aber die Zahl der Umdrehungen in 30 Secunden bezeichnet, m ist eine, dem zu untersuchenden Oele zukommende Constante. So ergab sich z.B. für ein Rüböl von 10° C.: Umdrehungszahlen:     15,5     17,5     18,8     20,1     25     31,2     38,8     46,6     54,6 Treibgewicht angewendet in g: 1000 1100 1200 1300 1600 2000 2500 3000 3500 Treibgewicht berechnet in g:   996,2 1124,7 1208,3 1291,8 1606,7 2005,2 2493,6 2995 3509 Man übersieht hier sofort, dass Umdrehungszahlen und Treibgewicht in proportionalem Verhältnisse stehen. m der Formel 1) hat hier den Werth 64,27. Mittels dieses Werthes wurden die Zahlen der dritten Reihe berechnet. Ein anderes Gesetz gilt für leichter bewegliche Flüssigkeiten. So ergab sich für Wasser von 14,2° C: Umdrehungszahlen:   82,4   94,2 115,3   135   179,4   149,3   200,3   217,6   250 Treibgewicht in g angewendet: 500 600 800 1000 1500 1147 1765 2000 2500 Treibgewicht in g berechnet: 498,7 600 797,2   998 1505,7 1153,6 1768,5 1996,8 2448,9 Bis auf die letzten Zahlen (2500 g Treibgewicht) schliesst sich folgende Formel den Beobachtungen gut an: P = a + bu3/2 . . . . . 2) worin P und u dieselbe Bedeutung wie in Formel 1) haben, a ist = 43,5 und b = 0,60853, mit welchen Werthen die Zahlen der Reihe 3 berechnet sind. Für Flüssigkeiten, deren Consistenz zwischen der des Wassers und des Rüböles liegen, z.B. für fette Oele bei höheren Temperaturen, ergibt sich keine so einfache Gesetzmässigkeit. So wurde für dickes Baumöl gefunden: Treibgewicht in g 500 1000 1500 2000 Umdrehungszahlen beiden Temperaturen 39°41°50°56° 20,622,528,732,9 41,544,048,553,5 57,060,966,371,8 7173,881,086 Hier passt weder Formel 1) noch 2). Nachstehend (Fig. 1) sind die entsprechenden Curven gezeichnet. Für geringe Treibkräfte (etwa bis 1000 g) sind die Zunahmen von Umdrehungszahlen und Widerständen einander ziemlich proportional; der weitere Verlauf der Curven zeigt aber, dass dann die Widerstände schneller wachsen als die Umdrehungszahlen. Die der Scheibe unmittelbar anliegenden Flüssigkeitsschichten machen die Umdrehungen der ersteren ganz mit, während die anderen eine Verzögerung erleiden, welche um so grösser ist, je weiter sie von der Scheibe entfernt sind. Am Deckel und Boden des Aufnahmegefässes befinden sich Kreuze, um die Bewegung zu hemmen; ganz vernichtet wird letztere hierdurch aber nicht. Es ist nun nicht möglich, die Vorgänge bei der Bewegung der Flüssigkeit im Aufnahmegefässe rechnerischgenau zu verfolgen, weil man nicht weiss, nach welchem Gesetze die Geschwindigkeit abnimmt. Macht man die Voraussetzung, dass sämmtliche Flüssigkeitstheilchen um die Drehungsachse Kreise beschreiben, und dass alle diejenigen Flüssigkeitstheilchen, welche sich in einer und derselben, zur Scheibe parallelen Ebene befinden, die gleiche Umdrehungsgeschwindigkeit besitzen, so kann man sich die Flüssigkeit oberhalb und unterhalb der Metallscheibe in unendlich dünne Scheiben zerlegt denken. Man kann dann folgende Betrachtung anstellen: Ein ringförmiges Stück einer dieser Parallelscheiben, welche die Umdrehungsgeschwindigkeit v besitze, sei von der Drehungsachse um r entfernt. Ist seine Breite dann dr, so ist sein Flächeninhalt 2π r . dr; während jeder Punkt des Ringes sich mit der Geschwindigkeit 2πrν bewegt. Ein entsprechendes ringförmiges Stück der unmittelbar darüber liegenden Parallelscheibe hat den gleichen Flächeninhalt, die Geschwindigkeit jedes Punktes desselben hat aber den Werth 2π r . (ν – dν), demnach ist, wenn μ den Reibungscoefficienten für die Flüssigkeit vorstellt, die Reibung der beiden Ringe μ4π 2 r2dr . dν und das Drehungsmoment derselben μ . 4 π 2 r3dr . dν. Da auf den beiden Scheiben, der Voraussetzung nach, die Geschwindigkeiten constant sind, so ist das Drehungsmoment der Gesammtreibung der beiden Scheiben μπ 2 R4dν, wenn R den Radius der Metallscheibe bezeichnet. Die Summe der Reibungsmomente sämmtlicher Parallelscheiben oberhalb der Metallscheibe ist demnach μπ 2 R 4(ν0 – νn ), wobei v0 die Umdrehungsgeschwindigkeit an der Metallscheibe, νn aber die an der Oberfläche bezeichnet. Das Reibungsmoment sämmtlicher Parallelscheiben unterhalb der Metallscheibe ist genau ebenso gross, weil diese sich in der Mitte zwischen Deckel und Boden befindet und es ist der Werth der Gesammtreibung daher 2μ π2R4(ν0 – νn ). Soll nun die Umdrehungsgeschwindigkeit aller Scheiben auf constanter Höhe erhalten werden, so muss das Treibgewicht P einen, dem vorigen Ausdrucke proportionalen Werth besitzen, d.h. es muss sein: P = Aμ (ν0 – νn ), wobei A eine Constante bezeichnet, welche nur von den Dimensionen des Apparates abhängt. Textabbildung Bd. 309, S. 77 Fig. 1.Dickes Baumöl bei verschiedenen Treibgewichten und Temperaturen. Für die Randreibung kann man keine Rechnung aufstellen, weil dazu die Kenntniss des Gesetzes, nach welchem die Umdrehungsgeschwindigkeit nach Höhe und Entfernung von der Drehungsachse sich ändert, gehören würde. Die Randreibung ist aber, da die Höhe des Aufnahmegefässes im Verhältniss zu seinem Durchmesser nur klein ist, nur ein Bruchtheil der Gesammtreibung. Man kann die vorstehende Formel daher immerhin als Annäherung betrachten. Macht man ferner die Voraussetzung νn = αν0 so gelangt man zu der Gleichung P = Aμν0(1 – α) . . . . . 3) d.h. Treibgewicht und Umdrehungsgeschwindigkeit stehen zu einander in constantem Verhältnisse, was nach den früheren Auseinandersetzungen für schwer bewegliche Flüssigkeiten thatsächlich der Fall ist. Für diese scheinen demnach die gemachten Voraussetzungen zuzutreffen. Für den Engler'schen Viscosimeter gilt (soweit derselbe dem Poiseuille'schen Gesetze folgt) T = Bμ . . . . . 4) wobei T die Auslaufszeit bezeichnet, B aber einen, dem verwendeten Apparate entsprechenden Werth besitzt. Durch Combination von 3) und 4) gelangt man zu T_{v_0}=\frac{P\,.\,B}{A}\,.\,\frac{1}{1-\alpha} . . . . . . 5) Verwendet man also zur Untersuchung der Oele stets dieselben Viscosimeter und Consistenzmesser, sowie für letzteren das gleiche Treibgewicht, so hat \frac{P\,.\,B}{A} stets denselben Werth und es muss das Product aus der Umdrehungszahl des Consistenzmessers und der Auslaufszeit des Viscosimeters proportional einer Constanten \frac{1}{1-\alpha} sein, welche um so grösser ist, je grösseren Werth α besitzt. Da α angibt, welchen Bruchtheil die Umdrehungsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Flüssigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Metallscheibe ausmacht, so bildet α und somit auch Tν0 ein Maass für die Beweglichkeit der Flüssigkeit, denn je beweglicher eine Flüssigkeit ist, um so geringere Unterschiede werden die Umdrehungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen des Gefässes aufweisen. Das Product Tν0 werde ich daher im Folgenden als Beweglichkeit bezeichnen. Wenn die Beweglichkeit einer Flüssigkeit von dem Reibungscoëfficienten derselben allein abhinge, so müssten alle Flüssigkeiten, welche die gleiche Ausflusszeit aus dem Viscosimeter zeigen, auch die gleiche Umlaufs zeit im Consistenzmesser ergeben. Dies ist aber, wie ich im Nachstehenden zeigen werde, nicht der Fall, vielmehr zeigt sich, entsprechend den obigen Betrachtungen, dass Tν0 um so kleiner ist, je geringer die Beweglichkeit bezw. die die Reibung vermindernde Kraft der betreffenden Flüssigkeit ist. Sehen wir nun zunächst zu, wie bei einigen Flüssigkeiten Viscosität und Consistenz für verschiedene Temperaturen sich ändern. Es ist nun sehr schwer, Viscosität und Consistenz stets bei den gleichen Temperaturen zu messen; eine Vergleichung wird aber ermöglicht, wenn man für jede Art von Messungen Reihenbeobachtungen anstellt, für diese die Curven zeichnet und dann die Werthe gleicherTemperaturen zusammenstellt. Mittels der also gefundenen correspondirenden Werthe kann man dann die Beziehungscurve von Viscosität und Consistenz construiren. So erhielt ich für Rüböl: Tempe-raturen Ausflusszeit beimViscosimeter Tempe-raturen Umdrehun-gen imConsistenz-messer Tempe-raturen Umdrehun-gen imConsistenz-messer   6,7°    22 Min. 6 Sec.   7,0° 16,66 28,3° 39,0   9,0°    19   „   45   „   8,1° 17,1 32,0° 44,0 13,8°    15   „   51   „ 13,0° 21,2 34,5° 46,8 19,1°    12   „     4   „ 14,8° 23,0 37,2° 50,0 21,2°    11   „     1   „ 15,6° 23,6 43,0° 55,0 26,4°      8   „   42   „ 17,6° 25,5 45,7° 56,6 29,7°      7   „   40   „ 20,3° 28,8 49,0° 58,8 34,8°      6   „   21   „ 23,3° 32,9 40,0°      5   „   17   „ 25,2° 35,4 45,0°      4   „   29   „ In Fig. 2 sind die, den vorstehenden Zahlen entsprechenden Curven gezeichnet. Die Abscissen entsprechen den Temperaturen, die Ordinaten dagegen für die Consistenzmessungen den Umdrehungszahlen, für die Viscositätsmessungen aber den Auslaufszeiten in halben Minuten. Die Curve für die Umdrehungen hat eine S-förmige Gestalt; sie besitzt zwei Wendepunkte, ist also wahrscheinlich dritten Grades, während die Viscositätscurve eine Hyperbel zu sein scheint. Textabbildung Bd. 309, S. 78 Fig. 2.Rüböl bei verschiedenen Temperaturen. Durch Vergleichung entsprechender Werthe gleicher Temperaturen gelangt man zu folgenden Zahlen: Textabbildung Bd. 309, S. 78 Zahl der Umdrehungen im Consistenzmesser; Minuten der Ausflusszeit; Viscosimeter; Minuten der Ausflusszeit berechnet Man ersieht hieraus, dass die Beweglichkeit stetig abnimmt, langsam bis etwa 30 Umdrehungen, sodann in immer rascherem Tempo, entsprechend der Thatsache, dass von etwa 30 Umdrehungen an Rüböl seinen öligen Charakter mehr und mehr einbüsst. Die Beziehungen zwischen den Umdrehungszahlen (U) und den Auslaufszeiten (V) im Viscosimeter werden ziemlich genau wiedergegeben durch die Formel (V + 1,92) (U – 0,08) = 387,54. Nach dieser Formel sind die Zahlen der vierten Reihe berechnet. In derselben Weise kann man auch bei anderen Flüssigkeiten verfahren. So wurde für ein Glycerin, welches bei 20° ein specifisches Gewicht von 1,233 hatte, die Beziehungscurve gezeichnet und in Fig. 3 neben die Rübölcurve gesetzt. Beide Curven laufen einander ziemlich parallel, doch liegt die erstere merklich unter der letzteren, so dass in allen Fällen derselben Consistenz bei Glycerin eine merkfar kleinere Ausflusszeit zukommt als bei Rüböl. Textabbildung Bd. 309, S. 78 Fig. 3.Beziehungscurven zwischen Consistenz und Viscosität für Rüböl und Glycerin. Anstatt durch Wärme kann man auch durch Verdünnung sowohl Viscosität wie Consistenz variiren und wird auch hier zu ganz ähnlichen Beziehungen zwischen beiden gelangen. Die so erhaltene Verdünnungscurve läuft der Erwärmungscurve ganz parallel; Verdünnung und Erwärmung bewirken daher bei Viscosität und Consistenz genau dieselben Aenderungen. Nachstehend sind für eine ganze Reihe von Flüssigkeiten die Reihenbeobachtungen zusammengestellt. – Bei Schmierölen, Glycerin und Perubalsam sind die Temperaturen, dagegen bei Zuckerlösungen die Concentrationen variirt. Textabbildung Bd. 309, S. 79 Umdrehungen im Cons.-Messer; Viscosimet. in Minut.; Spec. Gewicht bei 20°; Beweglichkeit; Temperatur; Zuckerlösungen verschied. Concentrationen bei 20°; Glycerin spec. Gew. 1,233, bei 20°; Perubalsam; Rüböl; Rüböl und Colophonium 10 : 1; Provenceröl; Flüssiges Paraffin; Mineralöl; Heller Leberthran; Ricinusöl Einzelbeobachtungen: Umdrehungenim Con-sistenzmesser Viscosimeterin Minuten Beweglichkeit Geschmolzenes    Schweinefett: bei 41,2°       52        4,8 249,6   „   43,8°       54        4,35 234,9   „   47,2°       56        3,9 218,4 Schmierseife in Was-    ser und Spiritus    gelöst, bei ver-    schiedenen Ver-    dünnungen: a       22,1      12,8 282,9 b       24,1      10,15 244,6 c       61,4        2,5 153,5 Lösungen von Gum-    miarabicum in    Wasser: a       13,65      19,9 291,6 b       31,8        8,6 273,5 c       39,6        6,4 253,4 Wasserglas       35,5        5,6 198,8 Aus dieser Zusammenstellung ersieht man, dass für alle Flüssigkeiten die Beweglichkeit (Tν0) mit der Verflüssigung abnimmt, in geringerem Grade bis zu einer Consistenz von etwa 30 bis 36 Umdrehungen, erheblich mehr darüber hinaus. Bei dieser Grenze hören im Allgemeinen wohl alle Flüssigkeiten auf, dem durch Formel 1) ausgedrückten Gesetze zu folgen, dieselben verlieren dann ihren zähflüssigen Charakter. Vergleicht man in der Tabelle die, gleicher Consistenz entsprechende Beweglichkeit der verschiedenen Flüssigkeiten, so sieht man, dass sich die letzteren in folgender aufsteigender Reihe ordnen. Wasserglas, Perubalsam, Zuckerlösungen, Glycerin, Schmierseifelösungen, Gummilösung, fette Oele. Die letzteren unterscheiden sich von ersteren ganz wesentlich, und zwar um so mehr, bei je grösserer Dünnflüssigkeit man sie vergleicht. Da nun Wasserglas, Zuckerlösung und Glycerin unzweifelhaft schlechte Schmiermittel sind, für dieselben aber das Product Tr0 relativ sehr gering ist, so hat man in diesem Producte einen Maasstab für die Eignung einer Flüssigkeit als Schmiermittel. Vergleicht man ferner die Schmieröle unter sich, so steht als bestes Rüböl obenan, was ja auch mit der Erfahrung übereinstimmt; sodann folgt eine Lösung von Colophonium in Rüböl, dann Provenceröl, Mineralöl II, flüssiges Paraffin, sowie Ricinusöl (welch letzteres die Eigenthümlichkeit zeigt, dass seine Beweglichkeit mit der Verflüssigung zunimmt), sodann Leberthran und endlich Mineralöl I. – Für geschmolzenes Schweinefett wurden einige Beobachtungen gemacht; dasselbe rangirt vor dem Provenceröl. Das Product Tν0 habe ich als Beweglichkeit bezeichnet, dasselbe hängt, wie früher gesagt, von einer Constanten α ab, welche angibt, welchen Bruchtheil die Umdrehungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Oberfläche des Aufnahmegefässes von der an der Metallscheibe ausmacht. Vergleicht man bei verschiedenen Oelen die Ausflusszeiten, welche gleicher Umdrehungszahl entsprechen, soerhält man ein Maass für die Schmierfähigkeit der Oele und man kann sagen, ein Oel sei um so schmierfähiger, je zähflüssiger dasselbe bei gleicher Consistenz ist. Was nun die zur Untersuchung nothwendigen Instrumente betrifft, so muss jeder Consistenzmesser die gleichen Werthe ergeben, da man denselben durch Gewichte jederzeit so einstellen kann, dass die Scheibe bei Umdrehung in Wasser von 15° 150 Umdrehungen macht. – Nicht so beim Engler'schen Viscosimeter, da aus der dem Apparate beigegebenen Druckschrift hervorgeht, dass die Ausflusszeit für 200 ec Wasser von 20° zwischen 51 und 53 Secunden schwankt. Will man nun vergleichbare Zahlen haben, so muss man ein Viscosimeter als Normalinstrument betrachten und darauf alle anderen beziehen. Gesetzt, man nehme das von mir benutzte als Normalviscosimeter, so wird man bei einem anderen Instrumente dieser Gattung die Beziehung zwischen Consistenzzahl und Ausflusszeit entweder für Zuckerlösungen verschiedener Concentrationen oder für Glycerin von 1,233 spec. Gew. (bei 20°) bei mehreren Temperaturen bestimmen. Mein Normalviscosimeter ergibt für Zuckerlösung von 22 Umdrehungen 10 Minuten 30 Secunden Auslaufszeit, also als Product 231; für ein anderes Viscosimeter habe man bei gleicher Consistenz nur 10 Minuten Auslaufszeit beobachtet, also das Product 220 erhalten, so sind sämmtliche mit letzterem gefundenen Auslaufszeiten mit \frac{231}{220}=1,05 zu multipliciren, um zu den von mir gefundenen Zahlen zu gelangen. Mit demselben Viscosimeter würde man für Glycerin der angegebenen Concentration bei 26° zu dem Producte 246,9 gelangen. Da mein Normalinstrument 259,2 ergibt, so gelangt man auch hierbei zu dem Quotienten \frac{259,2}{246,9}=1,05. Man könnte auch eine Flüssigkeit, z.B. Zuckerlösung als Normalflüssigkeit betrachten und darauf alle anderen beziehen. Rüböl von 19,6° ergibt das Product Tν0= 336, Zuckerlösung derselben Consistenz aber 232,4, die relative Beweglichkeit des Rüböls bei 19,6° wäre dann \frac{336}{246,9}=1,05. Bei dieser Art von Rechnung gelangt man zu Zahlen, die unabhängig von dem Aichungsergebniss des Viscosimeters sind. Mein Viscosimeter zeigt übrigens, wie ich hier beifüge, die Auslaufszeit von 52,7 Secunden für Wasser von 20° C. Bemerken muss ich noch, dass die Thermometer des Viscosimeters und des Consistenzmessers mit einem Normalthermometer verglichen werden müssen; jedenfalls sind sie unter einander zu vergleichen, um die Beobachtungen stets auf gleiche Temperatur bei beiden Instrumenten zu reduciren. Da sich bei den Angaben zweier Thermometer Unterschiede bis zu 1° ergeben, so würde man erhebliche Fehler begehen, wenn man die Thermometer ohne weiteres als richtig respective übereinstimmend betrachtete. Bei meinem Engler'schen Viscosimeter ergibt sich ferner der Uebelstand, dass das Innenthermometer nicht ganz in die Flüssigkeit eintaucht. Ich habe es deshalb vorgezogen, ein anderes dünnes Thermometer durch die Deckelöffnung bis auf den Boden des Gefässes in die Flüssigkeit einzusenken. Resumirt man zum Schlusse, so ergibt sich Folgendes: 1) Die Flüssigkeiten zeigen bei gleicher Consistenz grosse Verschiedenheiten in ihrer Zähigkeit; fette Oele sind erheblich zäher als wässerige Flüssigkeiten. Schmierfähigkeit und Zähigkeit sind einander proportional. 2) Als Maass der Schmierfähigkeit kann man die Ausflusszeit aus dem Engler'schen Viscosimeter bei gleicher Consistenz, als Maass der Beweglichkeit aber das Product aus Viscosität und Consistenz betrachten. 3) Die Schmierfähigkeit bezieh. Beweglichkeit der fetten Oele nimmt mit steigender Temperatur ab; bei einer, etwa 30 Umdrehungen übersteigenden Consistenz verlieren die Schmieröle ihren öligen Charakter. Zur Beurtheilung der Leistungsfähigkeit eines Schmieröles muss man daher sowohl Viscosität wie Consistenz in Betracht ziehen.