Voitelun merkitys

Voitelu on kitkan ja kulumisen hallintaa tuomalla kitkaa vähentävä kalvo kosketuksissa olevien liikkuvien pintojen väliin. Käytetty voiteluaine voi olla nestemäinen, kiinteä tai muovinen aine.

Vaikka tämä on pätevä määritelmä, se ei ymmärrä kaikkea sitä, mitä voitelulla todellisuudessa saavutetaan.

Pinnan voiteluun voidaan käyttää monia erilaisia aineita. Öljy ja rasva ovat yleisimpiä. Rasva koostuu öljystä ja sakeuttamisaineesta sen koostumuksen saamiseksi, kun taas öljy on se, mikä itse asiassa voitelee. Öljyt voivat olla synteettisiä, kasvi- tai mineraalipohjaisia sekä näiden yhdistelmiä.

Sovellus määrittää, mitä öljyä, jota yleisesti kutsutaan perusöljyksi, on käytettävä. Ääriolosuhteissa synteettisistä öljyistä voi olla hyötyä. Jos ympäristö on huolenaiheena, voidaan käyttää kasviperäisiä perusöljyjä.

Öljyä sisältävissä voiteluaineissa on lisäaineita, jotka parantavat, lisäävät tai vaimentavat perusöljyn ominaisuuksia. Lisäaineiden määrä riippuu öljytyypistä ja sovelluksesta, johon sitä käytetään. Esimerkiksi moottoriöljyyn voidaan lisätä dispergointiainetta.

Dispergointiaine pitää liukenemattoman aineksen konglomeroida yhteen, jotta suodatin voi poistaa sen kierron aikana. Ympäristöissä, joissa esiintyy äärimmäisiä lämpötiloja kylmästä kuumaan, voidaan lisätä viskositeetti-indeksiä (VI) parantavaa ainetta. Nämä lisäaineet ovat pitkiä orgaanisia molekyylejä, jotka pysyvät niputettuina yhteen kylmissä olosuhteissa ja purkautuvat kuumemmissa ympäristöissä.

Tämä prosessi muuttaa öljyn viskositeettia ja antaa sille paremman juoksevuuden kylmissä olosuhteissa säilyttäen silti korkean lämpötilan ominaisuudet. Ainoa ongelma lisäaineissa on, että ne voivat ehtyä, ja niiden palauttamiseksi takaisin riittävälle tasolle on yleensä vaihdettava öljyn tilavuus.

Voiteluaineen tehtävä

Voiteluaineen ensisijaiset tehtävät ovat:

• Vähentää kitkaa
• Ehkäistä kulumista
• Suojata laitetta korroosiolta
• Säätää lämpötilaa (haihduttaa lämpöä)
• Säätää saastumista (kuljettaa epäpuhtauksia suodattimeen tai öljypohjaan)
• Voiman välittäminen (hydrauliikka)
• Nesteen tiivistäminen

Joskus toimintoja kitkan vähentäminen ja kulumisen estäminen käytetään keskenään vaihdellen. Kitka on kuitenkin liikkeen vastustusta, ja kuluminen on materiaalin häviämistä kitkan, kosketusväsymisen ja korroosion seurauksena. Tässä on merkittävä ero. Itse asiassa kaikki, mikä aiheuttaa kitkaa (esim. nestekitka), ei aiheuta kulumista, eikä kaikki, mikä aiheuttaa kulumista (esim. kavitaatioeroosio), aiheuta kitkaa.

Kitkan vähentäminen on voitelun keskeinen tavoite, mutta siitä on monia muitakin etuja. Voitelukalvot voivat auttaa ehkäisemään korroosiota suojaamalla pintaa vedeltä ja muilta syövyttäviltä aineilta. Lisäksi niillä on tärkeä rooli järjestelmien sisäisten epäpuhtauksien hallinnassa.

Voiteluaine toimii kanavana, jossa se kuljettaa epäpuhtauksia suodattimiin poistettavaksi. Nämä nesteet auttavat myös lämpötilan hallinnassa imemällä lämpöä pinnoilta ja siirtämällä sen alhaisemman lämpötilan pisteeseen, jossa se voidaan haihduttaa.

Voitelun tyypit

Voitelua on kolmea erilaista tyyppiä: rajavoitelu, sekavoitelu ja täyskalvovoitelu. Jokainen tyyppi on erilainen, mutta ne kaikki perustuvat voiteluaineeseen ja öljyjen sisältämiin lisäaineisiin, jotka suojaavat kulumiselta.

Täyskalvon voitelu voidaan jakaa kahteen muotoon: hydrodynaamiseen ja elastohydrodynaamiseen. Hydrodynaaminen voitelu tapahtuu, kun kaksi liukuvassa liikkeessä (toisiinsa nähden) olevaa pintaa on täysin erotettu toisistaan nestekalvolla.

Elastohydrodynaaminen voitelu on samankaltaista, mutta se tapahtuu, kun pinnat ovat rullaavassa liikkeessä (toisiinsa nähden). Elastohydrodynaamisissa olosuhteissa kalvokerros on paljon ohuempi kuin hydrodynaamisessa voitelussa, ja kalvoon kohdistuva paine on suurempi. Sitä kutsutaan elastohydrodynaamiseksi, koska kalvo elastisesti deformoi vierintäpintaa voidellakseen sitä.

Jopa kiillotetuimmilla ja sileimmillä pinnoilla on epätasaisuuksia. Ne erottuvat pinnasta muodostaen huippuja ja laaksoja mikroskooppisella tasolla. Näitä huippuja kutsutaan asperiteeteiksi. Jotta täyden kalvon olosuhteet täyttyisivät, voitelukalvon on oltava paksumpi kuin asperiteettien pituus. Tämäntyyppinen voitelu suojaa pintoja tehokkaimmin, ja se on halutuin.

Rajavoitelua esiintyy siellä, missä käynnistyksiä ja pysähdyksiä on usein ja missä esiintyy iskukuormitusta. Joissakin öljyissä on ääripaine- (EP) tai kulumista estäviä (AW) lisäaineita, jotka auttavat suojaamaan pintoja siinä tapauksessa, että täydellisiä kalvoja ei voida saavuttaa nopeuden, kuormituksen tai muiden tekijöiden vuoksi.

Nämä lisäaineet tarttuvat metallipintoihin ja muodostavat uhrautuvan kerroksen, joka suojaa metallia kulumiselta. Rajavoitelu tapahtuu, kun kaksi pintaa koskettaa toisiaan siten, että vain EP- tai AW-kerros suojaa niitä. Tämä ei ole ihanteellista, sillä se aiheuttaa suurta kitkaa, lämpöä ja muita ei-toivottuja vaikutuksia.

Sekavoitelu on rajavoitelun ja hydrodynaamisen voitelun risteytys. Vaikka voitelukerros erottaa suurimman osan pinnoista toisistaan, asperiteetit ovat edelleen kosketuksissa toisiinsa. Tässä kohtaa lisäaineet astuvat jälleen kuvaan.

Kun tätä prosessia ymmärretään paremmin, pitäisi olla helpompi määritellä, mitä voitelu oikeastaan on. Se on prosessi, jossa pinnat joko erotetaan toisistaan tai suojataan siten, että kitka, lämpö, kuluminen ja energiankulutus vähenevät. Tämä voidaan toteuttaa käyttämällä öljyjä, rasvoja, kaasuja tai muita nesteitä. Kun siis seuraavan kerran vaihdat öljyn autoosi tai rasvaat laakerin, tajua, että kyse on muustakin kuin mitä silmämääräisesti näyttää.