Tribolex    Expertise, ervaring en creativiteit

 

Dynamische en kinematische viscositeit

 

Dynamische viscositeit

De viscositeit (mate van dikvloeibaarheid) is (naast het vermogen om zich goed aan loopvlakken te hechten) de belangrijkste eigenschap van een (vloeibaar of gasvormig) smeermiddel. De viscositeit is de weerstand die het smeermiddel biedt tegen vervorming door afschuiving.

In de afbeelding zijn twee laagjes vloeistof afgebeeld op een afstand D van elkaar. Het bovenste laagje beweegt onder invloed van de kracht F met een snelheid v naar rechts ten opzichte van het onderste laagje. De in de afbeelding berekende waarde ή staat bekend als de “dynamische viscositeit” met als eenheid Pa.s. In de praktijk wordt meestal mPa.s gebruikt, vroeger bekend als cP (centiPoise).

 

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

De dynamische viscositeit kan worden gebruikt in berekeningen, zoals bijvoorbeeld de berekening van de smeerfilmdikte in een concrete toepassing. In de meeste (nogal complexe) formules voor de berekening van smeerfilmdiktes blijkt de smeerfilmdikte ongeveer evenredig is met ή0,7.

Meetmethoden voor de viscositeit

Naast de dynamische viscositeit wordt in allerlei productliteratuur ook wel de "kinematische viscositeit" aangegeven. De kinematische viscositeit kan worden berekend uit de dynamische viscositeit door deze te delen door de dichtheid van het betreffende smeermiddel. Als eenheid wordt gebruikt: mm2/s (vroeger: cSt ofwel centiStokes).

De "kinematische viscositeit" is eigenlijk helemaal geen viscositeit, maar een viscositeit/dichtheid quotient. In duitstalige wetenschappelijke literatuur wordt daarvoor de term "Viskosität/Dichte Verhältnis" wel gebruikt, in engelstalige en nederlandse literatuur eigenlijk nooit.

Dat meestal de kinematische viscositeit wordt opgegeven, heeft een historische achtergrond. Voor de bepaling van de viscositeit werden oorspronkelijk alleen capillaire viscometers gebruikt waarbij de doorstroomtijd van een bepaald volume onder invloed van de zwaartekracht werd gemeten. Omdat daarbij de zwaartekracht als "aandrijving" fungeert, speelt ook de dichtheid van de vloeisof een rol bij de uitkomst. Dat levert de kinematische "viscositeit" op als resultaat.

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

Roterende viscometers

Pas veel later kwamen er viscometers waar het te overwinnen koppel van een roterend lichaam in een cylinder kon worden gemeten (roterende viscometers). Daarmee kan direct de dynamische viscositeit worden bepaald. Inmiddels was iedereen dermate gewend geraakt aan de kinematische viscositeit dat die bezwaarlijk meer kon worden afgeschaft. In veel viscositeitsindelingen komt daarom naast de opgave van de dynamische viscositeit ook de kinematische viscositeit nog steeds voor (SAE indelingen voor motorolie en voor transmissie-olie). Bij de ISO VG-indeling is zelfs de gehele indeling gebaseerd op de kinematische viscositeit, ondanks dat die indeling van veel recentere datum is. De verklaring daarvoor is dat de kinematische viscositeit bij 40 °C ook bij een andere (en minstens evenzeer discutabele) berekening wordt ingezet, namelijk de berekening van de temperatuurgevoeligheid van een smeermiddel

Maakt het uit?

Gezien het feit dat de  kinematische viscositeit op zo grote schaal wordt gebruikt, kun je je afvragen of het er toe doet dat je eigenlijk iets doet dat objectief gezien onjuist is. In de onderstaande tabel zijn zowel de kinematische viscositeit als ook de dynamische viscositeit gegeven van twee tandwieloliën:

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

In dit geval gaat het om een tweetal industriële tandwieloliën waarvan het ene product is vervaardigd op basis van minerale olie en het andere op basis van polyalkeenglycolen. De kinematische viscositeit bij de referentietemperatuur van 40 °C van beide producten is gelijk. Beide vallen binnen de ISO VG klasse 220. De dynamische viscositeit verschilt echter aanzienlijk. De dynamische viscositeit (en dat is de viscositeit die de tandwielen "zien"), is bij het synthetische product 20% hoger. Daaruit mag niet de conclusie worden getrokken dat ook de smeerfilmdikte 20% hoger zal zijn, maar er is wel degelijk een verschil - hetgeen onder kritische omstandigheden het verschil kan maken tussen bevredigend bedrijf en overmatige slijtage.

Temperatuur- en drukinvloeden

De viscositeit van alle smeervloeistoffen is zeer gevoelig voor temperatuursverandering. Bij een opgave van de viscositeit van een smeermiddel hoort dan ook altijd de temperatuur waarbij is gemeten. Zonder temperatuuropgave is de viscositeitsaanduiding zinledig. Er zijn in de loop der jaren een aantal standaard meettemperaturen ingevoerd: 40 en 100 °C worden het meest toegepast. Om de viscositeit bij hogere of lagere temperatuur te specificeren zijn andere meettemperaturen in gebruik, deels ook met afwijkende meetmethoden.

De drukgevoeligheid van de viscositeit is aanzienlijk geringer. Pas bij hoge drukken (> 600 bar) wordt het merkbaar. Bij contraforme contacten (waar lokaal drukken >5000 bar kunnen optreden) speelt het een merkbare rol. De viscositeit kan dan zodanig toenemen dat een smeervloeistof tijdelijk min of meer vast kan worden, een bij de smering van tandwieloverbrengingen, nokkenassen van motoren en wentellagers zeer welkom verschijnsel. Zonder die tijdelijke viscositeitstoename zou smering van contraforme contacten onder hoge belasting onmogelijk zijn.

Naast de viscositeitstoename als gevolg van drukverhoging, treedt er bij drukverfoging nog een ander effect op. Als vuistregel geldt dat een drukverhoging van 100 bar het volume met 1% vermindert. Voor hogedruk hydrauliek (drukken > 350 bar) betekent dat bijvoorbeeld, dat exacte positionering van cylinders moeilijker wordt en dat aan de regeling extra aandacht moet worden besteed om de invloed van volumeveranderingen te kunnen opvangen.