1. Voiteluaineet: Perusteet

Jatkuvasti kantavan voitelukalvon ylläpito vaatii vankkaa perusosaamista ja kokemusta. Toimivan voitelun perusratkaisut tehdään jo laitesuunnittelussa. Käytönaikaisen voiteluhuollon puitteissa voiteluolosuhteiden myöhempi parantaminen edellyttää kokonaistilanteen ymmärrystä tiedon ja kokemuksen pohjalta. 

Teknisten tuotteiden kauppaan kuuluu luonnostaan käyttöneuvonta. Niinpä hyvää tietoa on olemassa teknisissä julkaisuissa sekä laite- ja tavarantoimittajien neuvontamateriaaleissa. Luotettavien toimittajien antama tieto ei esimerkiksi kyseenalaista luonnonlakeja tai hämää sekavalla ylitieteellisellä mössöllä. 
Tiedon tarvitsijan tehtäväksi jää hajallaan olevan aineiston kokoaminen ja sen analysointi.

Voitelun tehtävä
Tehokkain tapa vähentää toistensa suhteen liikkuvien kosketuspintojen kitkaa ja kulumista on erottaa ne voiteluainekalvolla. Voiteluaineena voi periaatteessa olla mikä tahansa helposti leikkautuva materiaali kiinteässä, kaasumaisessa tai nestemäisessä muodossa. Tässä yhteydessä käsitellään kuitenkin teollisuusvoiteluaineita, lähinnä öljyjä ja rasvoja. Voitelun tärkeimpiä tehtäviä ovat 

• pintojen erottaminen toisistaan
• kitkan ja siitä aiheutuvan häviötehon pienentäminen
• kulumisen vähentäminen
• kosketuksen jäähdyttäminen
• epäpuhtauksien tulon estäminen voideltavaan kohteeseen
• epäpuhtauksien ja kulumishiukkasten kuljettaminen pois
• värähtelyn vaimentaminen
• osien suojaaminen korroosiolta.

Pintojen väliset kosketustilanteet voidaan jakaa karkeasti kolmeen ryhmään: vierintäkosketus esimerkiksi vierintälaakerissa, liukukosketus esimerkiksi liukulaakerissa ja edellisten yhdistelmä, esimerkiksi hammaspyörän hammaskosketus ryntövaiheessa. 

Voitelumekanismit
Toisiaan vasten liukuvien kosketuspintojen kitkaa ja kulumista minimoidaan tyypillisesti voitelun avulla, missä se vain on sallittua. Voitelu voi olla käyttö- ja suunnitteluarvoista riippuen rajavoitelua, sekavoitelua tai puhdasta nestevoitelua. 

• Rajavoitelussatapahtuu selvää pinnankarheushuippujen kosketusta, jolloin varsinaista vastinpinnat erottavaa voitelukalvoa ei vielä ole. Voitelun toimivuus perustuu tällöin keskeisesti pintakalvojen tarttuvuuteen, stabiilisuuteen ja muodostumisnopeuteen kosketuskohdassa. Pintoja suojaavat ja liukastavat kalvot muodostuvat voiteluaineen, erityisesti silloin, kun voiteluaineen EP-lisäaineet reagoivat kosketuspinnan ja ympäröivän atmosfäärin kanssa. Pintakalvojen paksuus on merkittävästi pinnankarheutta pienempi. Kitkaan ja kulumiseen vaikuttavat lisäksi kosketukseen valitun materiaaliparin tribologiset ominaisuudet. Pintakalvojen pettäessä kitkakerroin voi kohota materiaaliparin kuivakitka-arvojen tasolle. 
• Sekavoitelutilanne on raja- ja nestevoitelun yhdistelmä. Osan kuormasta kantaa pienikitkainen voiteluainekalvo, ja loput kuormasta välittyy pinnankarheushuippujen kautta. Voitelukalvon paksuuden kasvaessa pinnankarheushuippujen kantama kuorma vähenee ja kosketuksen kokonaiskitkakerroin alenee. Tällä alueella kitkakerroin voi vaihdella huomattavasti pienenkin olosuhdemuutoksen johdosta, jolloin esimerkiksi kosketuksen lämpötilavaihtelut voivat olla merkittäviä. Sekavoitelutilanne voi muuttua lämmönkehityksen kasvaessa rajavoitelutilanteeksi. 
• Puhtaassa nestevoitelussa voitelukalvo erottaa pinnat täysin toisistaan, jolloin kitka on alhainen ja kulumista ei juurikaan esiinny. Käytetyn materiaaliparin merkitys rajoittuu lähinnä paineensietokykyyn ja öljyn tarttuvuuteen. Nestevoitelu voi olla hydrodynaamista (hd), elastohydrodynaamista (ehl), tai hydrostaattista voitelua. 

Hydrodynaamisissa ja hydrostaattisissa laakereissa kuormitusalueella vallitsee huomattavasti pienempi paine kuin ehl-kosketuksessa. Tästä syystä vierintälaakereissa tapahtuvaa elastista muodonmuutosta ja siitä aiheutuvaa materiaalin väsymistä ei hydrodynaamisissa ja hydrostaattisissa laakereissa esiinny. 

Hydrodynaamisen voitelutilanteen edellytyksinä ovat vastakkain liukuvien pintojen nopeusero ja kiilamaisen rakenteen aikaansaama suppeneva voiteluainekalvo. Suppenevaan voiteluainekalvoon muodostuu ylipaine. Ylipaine tasaa kiilaan sisään- ja ulosvirtaavan voiteluaineen määrän ja kantaa laakeriin kohdistuvan kuormituksen. Voiteluaineen viskositeettiin vaikuttaa vain sen lämpötila. 

Hydrodynaamisessa voiteluainekalvossa on myös ns. puserrusvaikutus, joka syntyy, kun vastakkaiset pinnat liikkuvat kohtisuoraan toisiaan vasten. Liike aiheuttaa liukukosketukseen painejakautuman, joka lisää hydrodynaamisen kalvon kuormankantokykyä. 

Elastohydrodynaamisen voitelun (elastohydrodynamic lubrication, ehl) sovellusalueita ovat mm. hammaspyörät ja vierintälaakerit, jotka välittävät suuria kuormituksia pienen kosketuspinta-alan kautta. Näin muodostuvat korkeat kosketuspaineet aiheuttavat kosketuksessa merkittävää elastista muodonmuutosta samalla kun voiteluaineen viskositeetti kasvaa paineen vaikutuksesta voimakkaasti. Hydrodynaamisessa voitelussa näin ei ole. Voiteluainekalvo säilyy kuitenkin ehjänä, koska kimmoisten muodonmuutosten johdosta koskettava pinta-ala suurenee ja paineen vaikutuksesta jäykäksi muuttunut voiteluaine ei ehdi puristumaan pois kosketuskohdasta. Elastohydrodynaamisessa voitelussa kosketuspaineet ovat suuruusluokkaa 0,3–3,0 GPa ja voiteluainekalvon paksuus on suuruusluokkaa 1 µm.

Elastohydrodynaamisessa voitelussa vallitsevat ohuet voiteluainekalvonpaksuudet vaativat sileitä kosketuspintoja, jotta voiteluainekalvo pystyisi erottamaan pinnat riittävästi toisistaan. Erityisesti terävät pinnankarheushuiput ovat haitallisia. Ohuen voitelukalvon johdosta kosketus on herkkä myös kosketukseen tuleville epäpuhtauksille, erityisesti koville kulumispartikkeleille. Tässä korostuu puhtauden merkitys voiteluöljyn suodatuksen ja huollon yhteydessä. Jo muutaman mikrometrin läpimittainen hiukkanen voi aiheuttaa kosketuskohdassa merkittävän painehuipun, joka väsyttää kosketuspintoja alentaen niiden elinikää. 

Elastohydrodynaamiseen sovellukseen kuuluvan vierintälaakerin hyvä toimivuus perustuu sen oikeaan valintaan, asennukseen (epäpuhtaudet, välykset) ja siihen valittavaan käyttöolosuhteiden mukaisesti oikeaan voiteluaineeseen. Keskeisiä suunnitteluparametrejä, kuten vierintäelimien kosketuspainetta ja nopeutta säädetään lähinnä laakerin halkaisijan ja laakerityypin valinnalla. Yleisesti ottaen kuulalaakerit muodostavat paremman voitelukalvon rasvavoitelussa kuin rullalaakerit. Laakeri tarvitsee lämpötilanhallintansa ja kitkan osalta sopivan määrän voiteluainetta (ei liikaa tai liian vähän). Laakeri- ja voiteluainevalmistajien öljyn viskositeetin valintaohjeet perustuvat ehl-teoriaan ja kokemusperäiseen tietoon. Ohuen voitelukalvon johdosta vierintälaakereissakin korostuu öljyn puhtauden merkitys, jota osoittavat myös laakerin kestoiän laskennassa käyttöön tulleet voiteluolosuhteisiin ja likaantumiseen liittyvät kertoimet. 

Hydrostaattisessa voitelussa voiteluaine pumpataan liukupintojen välissä olevaan voiteluainetaskuun. Öljyn hydrostaattinen paine erottaa pinnat toisistaan, vaikka suhteellista liikettä pintojen välillä ei tapahdukaan. Hydrostaattisessa laakeroinnissa kitkateho on pieni, vaikka pumpun tehontarve otetaan huomioon. Laakerointijärjestely on myös erittäin jäykkä. 

Nopeakäyntisissä koneissa on edullista käyttää viskositeetiltaan alhaista voiteluainetta. Kaasut ja erityisesti ilma täyttävät tämän vaatimuksen. Aerostaattisia laakerointeja käytetään instrumenteissa, työstökoneiden karoissa ja luisteissa sekä eräissä prosessilaitteissa. 

Seka- ja rajavoitelualueelle sijoittuvat verrattain pienillä nopeuksilla toimivat liuku- ja vierintälaakerit sekä hammaspyörät. Nämä sovellutukset toimivat useimmiten rasvavoideltuna. Seka- ja rajavoitelua esiintyy myös öljyvoidellussa kosketuksessa erityisesti käynnistyksen ja pysäytyksen yhteydessä. Seka- ja rajavoitelussa täydellistä hydrodynaamista voitelukalvoa ei enää synny, joten vastinpintojen pinnankarheushuiput koskettavat toisiaan. Tällöin on keskityttävä stabiilien pintakalvojen muodostamiseen (lisäaineistus), materiaaliparin tribologisiin ominaisuuksiin ja siihen, että voiteluaine tuodaan tehokkaasti voideltavaan kohteeseen. Voitelun toimivuus perustuu tällöin keskeisesti pintakalvojen tarttuvuuteen, stabiilisuuteen ja muodostumisnopeuteen kosketuskohdassa. Pintoja suojaavat ja liukastavat kalvot muodostuvat voiteluaineen, erityisesti sen EP-lisäaineiden reagoidessa kosketuspinnan ja ympäröivän atmosfäärin kanssa. Reagointilämpötilaa voidaan säädellä lisäainetyyppien avulla. Voiteluaineiden muodostamien pintakalvojen vaihtoehtoina ovat erilaisten pinnoitteiden, pintakäsittelyjen ja kiinteiden voiteluaineiden käyttö. Kiinteitä voiteluaineita ovat mm. molybdeenisulfidi, grafiitti ja polytetrafluorieteeni (PTFE). 

Rasvavoitelutapauksissa syntynyt kitkalämpö siirtyy pois kosketuksesta tyypillisesti rakenteiden kautta, jolloin on huolehdittava rakenteen hyvästä lämmönjohtamisesta, jäähdytyksestä tai molemmista. Kitkalämpö (kosketuksen lämpötila) on verrannollinen kosketuksen kitkakertoimeen, kuormitukseen ja nopeuteen, joten se asettaa usein tietyt rajoitukset laakerin kuormitukselle ja varsinkin nopeudelle. 

Rasvavoitelu on vierintälaakereiden yleisin voitelutapa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat teollisuuden keskipakopumput. Rasvaa käytetään myös yleisesti hitaasti pyörivissä liukulaakeroinneissa, edestakaista liikettä tekevissä akselitapeissa ja hitaasti pyörivissä hammaskosketuksissa. Voitelu voidaan toteuttaa joko kertavoiteluna tai keskusvoitelujärjestelmän avulla. 

Öljyvoitelussa toimitaan nestevoitelun alueella. Tällöin vastakkain liikkuvia pintoja erottaa toisistaan hydrodynaaminen tai elastohydrodynaaminen voiteluainekalvo. Voitelurasva sisältää perusöljyä 70–95 %, saenninta 5–30 % sekä vanhenemisen- ja ruostumisenestoaineita, EP- sekä muita lisäaineita. Rasvan sisältämä öljy on sitoutunut saentimeen eikä virtaa voitelukohteessa samoin kuin öljyvoitelussa. Rasvavoitelussa ei siten ole edellytyksiä täydelliseen nestevoitelutilanteeseen, vaan siinä toimitaan lähinnä sekavoitelun alueella. 

Rasvavoidellussa laakerissa voidaan erottaa voitelun toiminnan kannalta kolme hallitsevaa mekanismia: perusöljyn erottuminen sideaineesta, rasvan kulkeutuminen vierintäelimien avulla pidikkeestä kosketuskohtaan ja tärinän aiheuttama rasvan liike laakerissa. 

Kun laakeria voidellaan, se täytetään kokonaan rasvalla. Kun laakeri täytön jälkeen käynnistetään, vierintäelimet työntävät rasvaa laakerin ympärillä olevaan tilaan. Tästä aiheutuu käynnin alkuvaiheessa kohonnut laakerin kitka sekä lämpötilan nousu. Laakeripesän täyttöasteeksi suositellaan puolestaan 30–50 % pesän tilavuudesta, jotta siirtyvälle rasvalle ja rasvan lämpölaajenemiselle jää riittävästi tilaa. Näin ei ole vaaraa laakerin liiallisesta lämpenemisestä. Käynnistystilanteen lämmönnoususta johtuu, että rasvavoideltujen vierintälaakerien suurimmat sallitut pyörimisnopeudet ovat alhaisempia kuin öljyvoideltujen. Tällainen tilanne syntyy myös esim. laakerin jälkivoitelun yhteydessä. 

Kun suurin osa rasvasta on ajautunut laakerin ympärillä olevaan tilaan, tulevat hallitseviksi voitelumekanismeiksi perusöljyn erottuminen rasvasta sekä rasvan ajautuminen pidikkeestä kosketuskohtaan. Perusöljyn erottumiseen vaikuttavat käyttöolosuhteista lähinnä käyntilämpötila ja käynnin jaksollisuus. Korkea lämpötila alentaa perusöljyn viskositeettia, jolloin öljyn erottuminen lisääntyy. Perusöljyä ehtii erottua rasvasta myös aina sitä enemmän, mitä pitempiä pysähdysjaksoja laakerin käynnissä esiintyy. Öljyn erottuminen on normaaliolosuhteissa kuitenkin niin hidasta, että sen havainnointi on vaikeata. 

Tärinä vaikutus voitelutilanteeseen riippuu sen tasosta. Hyvin alhaisen tärinätason vallitessa rasva ei liiku laakerissa. Akselin pyöriessä voitelutilanne muuttuu aina huonommaksi, koska kosketuskohtaan ei tule uutta rasvaa. Säännöllisellä voitelulla tilannetta voidaan parantaa. Tärinätason noustessa voitelurasva alkaa liikkua laakerissa, jolloin kosketuspiste saa uutta rasvaa ja sen voitelutilanne paranee. Erittäin korkea tärinätaso saattaa aiheuttaa rasvan voimakasta kiertokulkua laakerissa, mistä seuraa rasvan pehmeneminen, perusöljyn liiallinen erottuminen ja rasvan ennenaikainen tuhoutuminen. Erilaisten tilanteiden syntyminen riippuu tärinätason lisäksi myös etenkin rasvan kiinteydestä. Voimakkaasti tärisevässä kohteessa on käytettävä mekaanisesti kestävää voitelurasvaa, tyypillisesti litium-perustaista rasvaa. 

Kalvonpaksuus rasvavoitelussa

Koska rasvavoitelussa toimitaan sekavoitelun alueella, ei nestevoitelussa sovellettava Reynoldsin yhtälö päde rasvavoitelussa. Jos kalvonpaksuuden laskennassa käytetään elastohydrodynaamista voiteluteoriaa ja rasvan perusöljyn viskositeettiä, voidaan tuloksia pitää vain karkeasti suuntaa antavina. Rasvavoitelussa voiteluaineen kalvonpaksuus on suuruusluokaltaan 50 nm, kun se vastaavasti öljyvoitelussa on suuruusluokaltaan 1nm. Rasvavoitelussa kalvonpaksuuteen vaikuttavat ehl-teoriassa esitettyjen tekijöiden lisäksi rasvan kulkeutuminen kosketuskohtaan ja perusöljyn erottuminen rasvasta. 

Käyntitilanteen alussa voitelurasvan kalvonpaksuus on suurempi kuin öljyllä. Kun käynti jatkuu, vierintäelimet työntävät rasvan sivuun. Jos lisävoitelua ei ole saatavilla, rasvavoitelun kalvonpaksuus muodostuu ohuemmaksi kuin öljykalvon paksuus. 

Jokaisella koneenosalla on voitelun kannalta omat erityispiirteensä, mutta tietyt keskeiset muuttujat, kuten kosketuksen geometria, kosketuspaine, materiaalin kitka- ja kulumisominaisuudet, elastisuus, lämmönjohtavuus ja pinnanlaatu yhdessä käyttöolosuhteiden (nopeus, kuormitus, kosteus, epäpuhtaudet), voiteluaineen ominaisuuksien (viskositeetti, lisäaineistus, paineriippuvuus), asennuksen ja huollon kanssa muodostavat kokonaisuuden, joka hallitsee kosketuksessa muodostuvaa lämpötilaa, kitkaa ja kulumista. Suunnittelun yhteydessä määritetään tämä tribologinen vuorovaikutusympäristö, jonka tavoitteena on saada kokonaisuus toimimaan hallitusti. Kosketuksen eri ominaisuuksia, kuten kuormankantokykyä, kitkaa tai lämpötilaa, voidaan optimoida tapauskohtaisesti tarpeen mukaan. Suunnittelijan on pidettävä voiteluainetta yhtenä merkittävänä konstruktion osana. 

Koska kitka ja kuluminen ovat oleellisesti riippuvaisia voitelutilanteesta, sen selvittäminen on suunnittelijalle välttämätön tehtävä. Luonnollisesti pyritään tilanteeseen, jossa pinnat eivät kosketa toisiaan ja voiteluainetta on riittävästi tarjolla. Aina se ei kuitenkaan ole mahdollista, ja silloin keskitytään seka- ja rajavoitelutilanteessa voitelun toimintaa edistäviin tekijöihin. Näin voidaan kuormitus- ja liiketilanteen muutoksilla, geometrian muutoksilla, materiaalin valinnalla, erilaisilla pintakäsittelyillä ja pinnoitteilla sekä eri voiteluainetyypeillä ja voitelumenetelmillä sekä ympäristöolosuhteiden parantamisella saavuttaa edullinen pintojen välinen kitka ja kulumistilanne. 

Voideltavan koneenelimen ympärillä oleva runko/pesä tai akseli vaikuttaa voitelun toimivuuteen muodonmuutosten ja värähtelyjen kautta. Akselien liiallinen taipuma voi aiheuttaa varsinkin liukulaakereissa ja hammaspyörissä kosketukseen reunapainetta. Silloin laskennalliset pintapaineet reunalla ylittyvät ja/tai pinnat koskettavat toisiaan, mikä alentaa koneenosan elinikää. Reunapaineen syntyä hallitaan rajoittamalla esimerkiksi liukulaakerin pituuden ja halkaisijan suhdetta. Samoin kuormituksesta johtuvat muodonmuutokset vierintälaakerien pesissä aiheuttavat muutoksia kuorman jakautumiseen vierintäelimien kesken. Voimakas värähtely häiritsee tyypillisesti voitelua ja rasittaa kosketuspintoja. Voideltavien koneenosien ympäristöllä on merkitystä, varsinkin avonaisten laakerien tapauksessa. Voiteluun voivat vaikuttaa ympäristön lämpötilamuutokset, tuuletusolosuhteet sekä epäpuhtaudet. Kosketuksen oikeaoppinen sisäänajo, esimerkiksi kuormituksen asteittainen nostaminen, "muotouttaa" pinnat yhteensopiviksi pidentäen kosketuksen elinikää ja helpottaen voitelukalvon syntyä. 

Suomen poikkeukselliset sääolot tuovat oman lisänsä voitelun suunnitteluun. Kylmäkäynnistyksessä öljy on usein liian jäykkää kunnolliseen voiteluun, ja sama öljy saattaa laitteen lämmittyä olla liian ohutta riittävän voitelukalvon muodostukseen. Tämä johtuu öljyn viskositeetin lämpötilariippuvuudesta. Näillä erikoistilanteilla voi olla huomattava vaikutus kestoikään, vaikka niiden kesto on ajallisesti varsin lyhyt. Vakavat tilanteet voidaan estää käyttämällä kylmäkäynnistyksissä öljyn lämmitintä ja/tai käyttämällä synteettistä öljyä, jolla on suuri viskositeetti-indeksi.