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Was ist Viskosität?

Viskosität beschreibt das Fließverhalten, bzw. das Maß für die Zähflüssigkeit. Sie spiegelt das Ausmaß der inneren Reibung von Teilchen einer Flüssigkeit wider. Die Viskosität ist einer der wichtigsten physikalischen Kennwerte einer Flüssigkeit. Die Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten eines Öles werden unter anderem über die Viskosität bestimmt. Dennoch ist die Viskosität allein kein Qualitätsmerkmal eines Öles. Sie beschreibt nur die Fähigkeit, einen bestimmten Schmierfilm zwischen zwei Reibpartnern zu erzeugen.

Die innere Reibung einer Flüssigkeit kann man sich als Bewegung zweier übereinanderliegender und ineinander verflochtener Molekülschichten vorstellen. Bei der Bewegung fließen die Moleküle aneinander vorbei. Um die Verflechtung zu lösen, wird eine gewisse Energie benötigt. Die Viskosität einer Flüssigkeit beschreibt den Zusammenhang dieser Energie und den Eigenschaften des betreffenden Fluids.

Der Begriff der Viskosität geht auf den zähflüssigen Saft der Mistelbeere (Viscum) zurück. Dieser Saft war so dickflüssig und klebrig wie Leim. Die Flüssigkeit wurde zum Fangen von Vögeln benutzt. Viskos hatte demnach die Bedeutung „zäh wie Vogelleim“.

Viskosität Einheiten und Formeln

Zur Berechnung der Viskosität eines Fluids wird zwischen der dynamischen und kinematischen Viskosität unterschieden. Die dynamische Viskosität ist das Verhältnis von Schubspannung und Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Strömungsrichtung. Das wird auch als „Fließwiderstand innerhalb einer Flüssigkeit“ bezeichnet. Die kinematische Viskosität ergibt sich aus dem Verhältnis der dynamischen Viskosität und der Dichte, dem „Viskositäts-Dichte-Verhältnis“.

Dynamische Viskosität Kinematische Viskosität
Formelzeichen η ν
Einheit Pa·s mm²/s

Die Messung der Viskosität einer Flüssigkeit kann nach ISO 3219 mit einem Viskosimeter erfolgen. Als zweite Möglichkeit käme die Messung mit einem Rheometer in Frage.

Beispiele für Viskosität

Im Folgenden werden typische Fluide und ihre Viskositätswerte vorgestellt. Damit können die Relationen zwischen den verschiedenen Substanzen besser eingeordnet werden.

Flüssigkeit η in mPa·s
Wasser bei 20 °C 1,0
Wasser bei 25 °C 0,891
Wasser bei 5 °C 1,52
Quecksilber bei 20 °C 1,55
Ethanol bei 20 °C 1,19
Benzin bei 40 °C ca. 0,5
Diesel bei 40 °C ca. 3,1
Motoröl bei 25 °C ca. 100
Motoröl bei 150 °C ca. 3
Heizöl bei 20 °C ca. 4-6
Bitumen bei 20 °C ca. 1011
Olivenöl bei 20 °C ca. 10²
Honig bei 20 °C ca. 104
Blut bei 37 °C ca. 4-25

Temperaturabhängigkeit der Viskosität

Die Viskosität einer Flüssigkeit ist immer temperaturabhängig. Die dynamische Viskosität einer Flüssigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Bei sinkenden Temperaturen nimmt die dynamische Viskosität zu. Das heißt, bei Wärme wird eine Flüssigkeit niedrigviskoser (dünnflüssiger) und bei Kälte höher viskos (dickflüssiger). Bei Ölen bestimmt der Viskositätsindex über die Relation zwischen der kinematischen Viskosität und der Temperatur. Die Viskosität der Öle ist immer temperaturabhängig. Das Ausmaß der Temperaturabhängigkeit hängt jedoch von der Qualität des Öles ab. Das Viskositäts-Temperatur-Verhalten von Ölen ist recht komplex, da es sich nicht linear mit der Temperatur entwickelt. Jeder Öltyp legt dabei ein anderes Verhalten an den Tag. Zwei Öle können beispielsweise bei 40 °C dasselbe Fließverhalten aufweisen, bei 100 °C aber völlig unterschiedliche Viskositäten annehmen.

Viskositätsindex

Der Viskositätsindex (VI) beschreibt das Verhalten des Schmierstoffes in Abhängigkeit der Temperatur. Es bezieht sich auf die kinematische Viskosität eines Öls. Gemessen wird dabei das Viskositätsverhalten bei 40 °C und 100 °C. Gewissermaßen ist der Viskositätsindex auch ein Indiz für die Wertigkeit eines Öles und dient der Vergleichbarkeit verschiedener Öltypen. Öl mit hohem Viskositätsindex sind weniger stark temperaturabhängig. Das Öl bewahrt seine Schmiereigenschaften in einem breiteren Temperaturspektrum. Die Öle mit niedrigem Viskositätsindex lassen sich stärker von der Temperatur beeinflussen. Ihre Schmiereigenschaften werden bei hohen oder tiefen Temperaturen instabil. Als der Viskositätsindex 1928 entwickelt wurde, richtete sich die Skala nach den damals bekannten Mineralöltypen. Der Viskositätsindex startete bei 0 (sehr temperaturabhängige Öle) und ging bis 100 (gering temperaturabhängige Öle). Inzwischen reicht die Skala bis Werte um 400. Das liegt unter anderem an modernen Herstellungsverfahren für temperaturstabile Syntheseöle. Zudem kann der Viskositätsindex von Ölen durch Zugabe leistungsstarker Additive (VI-Verbesserer) künstlich erhöht werden.

Öltyp VI
Mineralöl 80-120
HC-Öl 120-140
PAO-Öl 135-160
Ester 140-190
Glykol 200-220

Das unterschiedliche Verhalten von Ölen lässt sich mittels eines Viskositäts-Temperatur-Diagrammes (VT-Diagramm) grafisch darstellen. Durch mathematische Umformung lässt sich das VT-Verhalten mithilfe einer Geraden durch die wichtigen Messpunkte 40 °C und 100 °C darstellen. Damit lässt sich weiterhin die Viskosität eines Öles bei weiteren Temperaturen aus dem Diagramm ablesen. Dadurch erkennt man, welche Öle sich für welche Betriebstemperaturen und Einsatzzwecke eignen.

Darstellung eines VT-Diagramms
Beispielhafte Darstellung eines VT-Diagramms von Ölen mit unterschiedlem VI

Druckabhängigkeit der Viskosität

Neben der Temperatur ist die Viskosität von Öl auch von Druck abhängig. Vergleichsweise fällt diese Abhängigkeit jedoch gering aus. Dabei gilt, dass die Viskosität bei zunehmendem Druck steigt, das Öl also dickflüssiger wird. Das Viskositäts-Druck-Verhalten fällt erst ab einem hohen Druck von über 400 bar ins Gewicht. Bei einem Druck von unter 400 bar sind die Viskositätsveränderungen nur marginal. Zur besseren Einordung der geringen Relevanz von Druck auf die Viskosität lässt sich festhalten, dass eine Druckerhöhung um 100 bar weniger Einfluss auf die Ölviskosität hat, als ein Temperaturanstieg um 10 °C. Ein weiteres Phänomen in dem Zusammenhang ist, dass durch die Druckerhöhung (Öl wird dickflüssiger) auch ein Temperaturanstieg einhergeht, der das Öl wieder dünnflüssiger werden lässt. Demnach wird das Viskositäts-Druck-Verhalten auch in einem gewissen Maße von dem Viskositäts-Temperatur-Verhalten beeinflusst.

Viskositätsveränderungen von Öl im Einsatz

Öl ändert seine Viskosität nicht nur durch Temperatureinflüsse und Druck, auch die Umgebungseinflüsse im Betrieb können die Fließeigenschaften nachhaltig verändern. Weicht die Viskosität des Öls stark von den Ausgangswerten des Frischöls ab, ist das ein Indiz, das beschleunigte Ölalterung eingesetzt hat. Dann sollte das Öl gewechselt werden. Die Viskosität des Öles kann entweder ansteigen oder abnehmen. Beide Fälle sind nicht gewünscht, da das Öl die gewünschten Schmiereigenschaften für die Anwendung nicht mehr optimal erfüllt.

Ursachen für den Anstieg der Viskosität sind:

  • Oxidation (Sauerstoffeintrag im Öl), Abbau von Oxidationsinhibitoren (Additive)
  • Säurebildung
  • Varnish-Bildung (Lack- und Schlammbildung)
  • Verunreinigungen durch Fremdstoffe (Verbrennungsrückstände, Wasser)
  • Verwendung des falschen Öls (z.B. beim Nachfüllen)

Ursachen für eine Abnahme der Viskosität sind:

  • Abbau der VI-Verbesserer (Additive)
  • Kraftstoffeintrag ins Öl (Ölverdünnung)
  • Verwendung des falschen Öls (z.B. beim Nachfüllen)

Viskositätsklassen von Öl

Schmierstoffe, die in der Automotive-Branche und Industrie eingesetzt werden, werden in spezielle Klassen eingeteilt, um sie besser einzuordnen und sie ihrem Verwendungszweck zuzuführen. Über vergleichbare Testparameter lassen sich die Viskositäten klassifizieren.

Wir unterscheiden:

  • SAE J300 für Einbereichs- und Mehrbereichsmotorenöle (z.B. SAE 5W, SAE 30, SAE 5W30)
  • SAE J306 für Automotive Getriebeöle (z.B. SAE 75W90)
  • ISO VG für industrielle Anwendungen (z.B. Hydrauliköl HLP 46, Getriebeöl CLP 320)

SAE-Klassen für Motorenöle und Getriebeöle

SAE steht für Society of Automotive Engineers. Diese gibt die weltweit gültige Einteilung für Viskositätsklassen im Bereich Motoröle und Kfz-Getriebeöle heraus.

Motorenöle können als Einbereichs- oder Mehrbereichsöle klassifiziert werden. In Fall der Mehrbereichsöle setzen sich die Eigenschaften der Öle mit Wintereignung und Sommereignung zusammen. Ein Mehrbereichsöl schmiert bei Kaltstart im Winter und Sommer optimal und gewährleistet einen tragfähigen, trennenden Schmierfilm bei Betriebstemperatur (100 °C). Deshalb wird die kinematische Viskosität bei Motorenölen bei 100 °C bestimmt. Als Beispiel ist das weit verbreitete Mehrbereichsöl 5W30 zu nennen. Einbereichsöle wie SAE 30 erfüllen im Gegensatz nur eine der Eigenschaften.

Motoröle werden nach der Spezifikation SAE J300 klassifiziert. Bei klassischen Motorölen wie dem 5W30 oder dem 0W40 ist ein Grundöl mit hohem Viskositätsindex Bedingung. Bei der Herstellung werden VI-Verbesserer hinzugegeben.

SAE-Klasse Niedrigtemperatur Viskosität in mPa·s Grenzpumptemperatur in °C 1) Min. Low-shear rate bei 100 °C in mm²/s Max. Low-shear rate bei 100 °C in mm²/s HTHS 150 °C in Pa·s
0W 6.200 -40 3,8 - -
5W 6.600 -35 3,8 - -
10W 7.000 -30 4,1 - -
15W 7.000 -25 5,6 - -
20W 9.500 -20 5,6 - -
25W 13.000 -15 9,3 - -
8 - - 4,0 < 6,1 1,7
12 - - 5,0 < 7,1 2,0
16 - - 6,1 < 8,2 2,3
20 - - 6,9 < 9,3 2,6
30 - - 9,3 < 12,5 2,9
40 - - 12,5 < 16,3 2,9 2)
40 - - 12,5 < 16,3 3,7 3)
50 - - 16,3 < 21,9 3,7
60 - - 21,9 < 26,1 3,7

1) Die Kaltstartsicherheit bewegt sich ca. 5 °C über der Grenzpumptemperatur.

2) Der HTHS-Wert gilt für die Mehrbereichsöle 0W/5W/10W-40.

3) Der HTHS-Wert gilt für die Mehrbereichsöle 15W/20W/25W-40.

Einige moderne Hochleistungsmotoren benötigen eine Mindestviskosität des Öles bei einer Betriebstemperatur von 150 °C und einem Schergefälle von 106/s. Das versteht man unter HTHS-Viskosität (High Temperatur High Share). Mit Festlegung dieses Grenzwertes wird sichergestellt, dass die Motoröle bei hohen Temperaturen und hoher Drehzahl (Schergefälle) die notwendigen Schmiereigenschaften erfüllen. Die Grenzwerte wurden durch Institute wie SAE oder ACEA sowie durch einige Automobilhersteller bestimmt.

Getriebeöle werden nach dem Standard SAE J306 klassifiziert.

SAE-Klasse Niedrigtemperatur Viskosität bei 150.000 mPa·s in °C Min. Viskosität bei 100 °C in mm²/s Max. Viskosität bei 100 °C in mm²/s
70W -55 4,1 -
75W -40 4,1 -
80W -26 7,0 -
85W -12 11,0 -
80 - 7,0 < 11,0
85 - 11,0 < 13,5
90 - 13,5 < 18,5
110 - 18,5 < 24,0
140 - 24,0 < 32,5
190 - 32,5 < 41,0
250 - 41,0 -

ISO VG Klassen für industrielle Schmieröle

ISO VG bedeutet „International Organization for Standardization Viscosity Grade”. In den 18 Viskositätsklassen wird eine minimale und maximale kinematische Viskosität definiert, in der sich die Schmierstoffe bei 40 °C bewegen dürfen. Die Klassen reichen von 2 (sehr dünnflüssig) bis 1500 (sehr dickflüssig).

ISO VG Mittelpunktsviskosität in mm²/s bei 40°C Kin. Viskosität min. in mm²/s bei 40°C Kin. Viskosität max. in mm²/s bei 40°C
2 2,2 1,98 2,42
3 3,2 2,88 3,52
5 4,6 4,14 5,06
7 6,8 6,12 7,48
10 10 9 11
15 15 13,5 16,5
22 22 19,8 24,2
32 32 28,8 35,2
46 46 41,4 50,6
68 68 61,2 74,8
100 100 90 110
150 150 135 165
220 220 198 242
320 320 288 352
460 460 414 506
680 680 612 748
1000 1000 900 1100
1500 1500 1350 1650

Da die drei Viskositätsklassen nach verschiedenen Parametern bewertet werden, sind die Klassen nur bedingt miteinander vergleichbar. Bisher aufgestellte Vergleichstabellen wurden allenfalls sehr grob eingeordnet und können nicht als wissenschaftlich fundiert bewertet werden. Verwenden Sie immer nur Schmierstoffe, die vom Hersteller empfohlen werden und verlassen Sie sich nicht auf ungefähre Angaben.

Ihr Ansprechpartner

Heiko Stephan

Anwendungstechniker

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