Effect of Ionic Liquid Additives on the Scuffing and Load-Carrying Capacity of Commercial Transmission Oils under Loss of Lubrication Conditions

Abstract

Rotorcraft gearboxes operate under extremely high mechanical and thermal stress, and lubrication failure remains a critical safety concern. Current aviation regulations therefore require that helicopter transmissions remain functional for at least 30 minutes after a complete loss of lubrication. However, the lubricants commonly used in these systems are not always optimized for the severe tribological conditions encountered during such events, and their performance often deteriorates rapidly under boundary and mixed-friction regimes.Ionic liquids (ILs) have recently gained attention as promising lubricant additives due to their exceptional thermal stability, low volatility, and ability to form protective tribofilms. Previous research has shown that small IL concentrations can significantly enhance wear protection and load-carrying capability. Nevertheless, challenges such as synthesis cost and miscibility issues have hindered broader industrial adoption.This thesis investigates a practical approach to improving the performance of widely used commercial transmission oils by blending them with selected ionic liquids. Three base oils, Mobil Jet Oil II, AeroShell Turbine Oil 555, and Castrol Transmax Z, were each blended with three different ionic liquids, producing a total of nine oil and ionic liquid formulations. Their load-carrying performance was evaluated using the Brugger test, a proven indicator of high-load gearbox behavior and scuffing resistance.Multiple IL concentrations were examined to identify dosage-dependent trends. The objective is to assess the potential of IL-enhanced lubricants to improve wear resistance and load capacity under conditions relevant to rotorcraft transmissions, including loss-of-lubrication scenarios.

Hubschrauber-Hauptgetriebe sind extremen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, wobei ein Ausfall der Schmierung weiterhin ein kritisches sicherheitsrelevantes Risiko darstellt. Aktuelle luftfahrtrechtliche Vorschriften fordern daher, dass diese Getriebe auch nach vollständigem Schmierstoffverlust für mindestens 30 Minuten funktionsfähig bleiben. Die in solchen Systemen eingesetzten Schmierstoffe sind jedoch häufig nicht optimal auf die unter diesen Bedingungen vorherrschenden tribologischen Beanspruchungen ausgelegt, sodass ihre Leistungsfähigkeit insbesondere im Grenz- und Mischreibungsregime rasch abnimmt.Ionische Flüssigkeiten (ILs) haben in den letzten Jahren als vielversprechende Schmierstoffadditive zunehmend an Bedeutung gewonnen. Sie zeichnen sich durch eine hohe thermische Stabilität, geringe Flüchtigkeit sowie die Fähigkeit zur Ausbildung schützender Tribofilme aus. Frühere Untersuchungen zeigen, dass bereits geringe Konzentrationen ionischer Flüssigkeiten den Verschleißschutz sowie die Lasttragfähigkeit signifikant verbessern können. Dennoch haben Faktoren wie hohe Synthesekosten und eingeschränkte Mischbarkeit bislang eine breite industrielle Anwendung limitiert.Die vorliegende Arbeit verfolgt einen praxisorientierten Ansatz zur Leistungssteigerung etablierter kommerzieller Getriebeöle durch die Additivierung mit ausgewählten ionischen Flüssigkeiten. Drei Basisöle, Mobil Jet Oil II, AeroShell Turbine Oil 555 und Castrol Transmax Z, wurden jeweils mit drei unterschiedlichen ionischen Flüssigkeiten versetzt, sodass insgesamt neun Öl-IL-Formulierungen untersucht wurden. Die Bewertung der Lasttragfähigkeit erfolgte mittels Brugger-Test, einem etablierten Prüfverfahren zur Charakterisierung des Verhaltens unter hoher Flächenpressung sowie der Fressbeständigkeit.Zur Analyse konzentrationsabhängiger Effekte wurden verschiedene IL-Konzentrationen untersucht. Ziel der Arbeit ist die Bewertung des Potenzials IL-modifizierter Schmierstoffe zur Verbesserung von Verschleißschutz und Lasttragfähigkeit unter für Hubschrauber-Hauptgetriebe relevanten Betriebsbedingungen, einschließlich Szenarien mit vollständigem Schmierstoffverlust.