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Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:93-opus-24510
URL: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2005/2451/


Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen

influence of the shaft surface on the sealing performance of radial lip seals

Kunstfeld, Thomas

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Dichtring , Dichtung <Technik> , Wellendichtung , Simmerring , Welle <Maschinenbau> , Oberflächenstruktur , Oberflächenprüfung , Rauigkeit
Freie Schlagwörter (Deutsch): RWDR , Oberflächenstruktur , Oberflächenkennwert , Mikrostruktur , Förderwert
Freie Schlagwörter (Englisch): lip seal , shaft surface , roughness , pumping rate
Institut: Institut für Maschinenelemente
Fakultät: Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Dokumentart: Dissertation
Schriftenreihe: Berichte aus dem Institut für Maschinenelemente
Bandnummer: 115
Hauptberichter: Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
ISBN: 3-936100-16-0
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.09.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 23.11.2005
Kurzfassung auf Deutsch: Für ein zuverlässig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberfläche von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberfläche direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenförderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringförderung für die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Ausprägung der Wellenoberfläche in den gültigen Normen Rechnung getragen.
Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren für Wellenoberflächen härten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflächen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden können.
Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der berührungslos optisch vermessenen 3D-Oberflächentopografie werden dabei für die vorliegende Wellenoberfläche anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflächenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden.
Im zweiten Schritt wird der Förderwert der Wellenoberflächen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberfläche weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgeführt.
Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalität des Dichtsystems über einen längeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemförderwerts in regelmäßigen Abständen, kann dessen Veränderung und somit die Veränderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberfläche, aber auch alle übrigen Systemkomponenten können so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind künftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, möglich.
Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien für längsgedrehte Wellenoberflächen unter Verwendung von ungehärteten und gehärteten Werkstoffen durchgeführt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleiß. Zusätzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht.
Grundsätzlich sind die längsgedrehten Wellenoberflächen, hart oder weich, als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die längs-hartgedrehten Wellenoberflächen zeigen kein drehrichtungsabhängiges Förderverhalten und geringe Förderwerte. Die längs-weichgedrehten Wellenoberflächen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhängiges Förderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte.
Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflächen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflächen zu geringen Förderwerten der Wellenoberfläche und des Dichtrings führen. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schräg zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind äußerst förderintensiv. Sie können zu großer Leckage oder ungünstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem führen. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative.
Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fördereigenschaft der Wellenoberfläche, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fördereigenschaften der Wellenoberfläche fast ausschließlich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die größenordnungsmäßig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt.
Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise können beliebige Wellenoberflächen dichtungstechnisch geprüft und beurteilt werden. Künftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemöglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflächenstrukturen, Ausprägungen (z.B. Breiten-Längenverhältnis) etc. nötig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemförderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmöglichkeiten.
Kurzfassung auf Englisch: The shaft surface is of crucial importance for the reliable performance of a radial lip sealing system. As the tribological counter piece the shaft surface has both a direct and an indirect influence on the sealing system. The pumping ability may generate leakage. The tribological contact conditions caused by the shaft surface influence the shape and therefore the performance of the elastomer made lip seal. As a matter of fact, the shaft surfaces therefore are usually plunge ground. The grinding process causes high ma-chine and production costs. As a result, the industry carries on a significant effort to find alternative manufacturing methods to replace the plunge grinding process. The goal of this study was on the one hand the examination of alternative shaft surfaces and on the other hand the development of a proceeding for testing and evaluating ap-propriate shaft surfaces, regarding their suitability as counter face for radial shaft seals.
For that purpose a four-level proceeding was developed during this work. Based on the optically measured 3D-surface topography, the characteristic curves of the shaft sur-face are computed. This procedure is based on image processing algorithms. The sur-face texture can be evaluated and classified by means of these characteristic curves.
In the second step the pumping rate of the shaft surfaces is determined in both rotation directions. If the examined shaft surface is further considered as suitable, a functional test of the whole sealing system will be carried out in a third step.
The fourth and last step contains the investigation of the sealing system functionality during an at least 1000 hour lasting period to secure the long-term characteristics. That is why the so called modified two-chamber method was developed. By the measure-ment of the system pumping rate in regular intervals, its change and thus the change of the sealing function in the whole sealing system can be measured. In this way, the as-signed shaft surface and the remaining system components can be judged, regarding their effect on the sealing performance and their long-term characteristics. Thus, ex-tensive investigations will be offered in future due to the possibility of directly “look-ing” into the sealing system.
The emphasis of the examined manufacturing methods was on the turning process. Parameter studies for traversal turned shaft surfaces were accomplished using unhard-ened and hardened materials. Following parameters where varied: pitch, edge-radius, influence of machine and/or tool oscillations and tool-wear. Finishing procedures, pitch less turning methods, tangential turning methods and plunge-turning where ex-amined as well.
In principle the turned shaft surfaces, made of hardened or non-hardened steel, are suitable counter faces for radial lip seals. Particularly the hardened lengthwise turned shaft surfaces show low pumping rates and no pumping ability depending on the rota-tion direction. The non-hardened lengthwise turned shaft surfaces show a partial pumping behaviour dependent on the direction of rotation, which however had no negative effects on the sealing performance. The pitch less turned hardened shaft sur-faces are also suitable for the use as counter face in radial lip sealing systems. The very smooth surface leads to low pumping rates and poor interaction with the lip seal.
Finishing procedures or short-stroke hone cause small, diagonally orientated scoring structures that lead to high pumping activity. Strong leakage or unfavourable lubrica-tion conditions in the sealing system are the result. Therefore, these Procedures are not recommendable.
The macroscopic turning spiral has obviously no influence on the pumping character-istic of the shaft surface. Brought in “micro-structures” however show a substantial influence. This leads to the conclusion, that the pumping characteristic of the shaft sur-face is determined almost exclusively through its "micro-structure", those can be de-rived order-of-magnitude-wise clearly underneath e.g. a turning spiral (pitch approx. 0.05 to 0.3 mm).
Based on the proceeding presented here, arbitrary shaft surfaces can be examined and judged concerning their sealing suitability. In future, a characteristic value, based on the characteristic curves is conceivable. For the improvement of the statement possi-bilities further experiences, regarding the effects of certain surface textures or their shape (e.g. aspect ratio) etc. are necessary. Therefore the observation of the system pumping rate in the entire sealing system offers extensive examination possibilities.