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Einfluss alternativ gefertigter Dichtungsgegenlaufflächen auf die Funktionsmechanismen von Radial-Wellendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Schulz, Markus; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)
Open Access
Numerische Untersuchungen zum Dichtmechanismus von Radial-Wellendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2025) Grün, Jeremias; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)
In numerous applications, the tribological system rotary shaft seal is subjected to various dynamic loads on multiple scales. Trends and challenges towards electromobility have further increased the exposure of rotary shaft seals to extreme operating conditions and loads. The associated increasing demand for shorter development times with simultaneously growing requirements and changing conditions make the use of numerical models for the simulation of tribological systems inevitable. Within the scope of this study, a multiscale model has been developed for the transient simulation of the lubrication and sealing mechanism of rotary shaft seals. A multiscale finite element model divided into two subdomains provides the computation of the structural mechanics. The macroscopic subdomain is utilized to compute the large deformations of the sealing ring during mounting, while the second subdomain is used to determine the microscopic distortions of the surface roughness on the sealing edge. An efficient and automated modeling approach allows the direct integration of physical surface measurement data into the numerical model. A transient computational fluid dynamics model enables the simulation of the dynamic flow processes in the sealing gap on the microscale. Lubricant film thickness equations serve as an indirect coupling between structural mechanics and fluid mechanics. The temperature dependence of the lubricant data is taken into account in the fluid mechanics model and in the determination of the sealing gap height. An empirical model is introduced, in conjunction with the computational fluid dynamics model, to account for mixed lubrication effects, considering only the viscous portion of friction. Established test rig experiments, extended experimental approaches, and data from previous work validate and verify the developed and applied methods. The numerical analyses demonstrate reasonable outcomes and a high level of consistency between the numerical simulation results and experimental data across the scales under consideration. Deviations between the simulation and experimental results increase as the scale moves from macroscale to microscale, potentially due to various factors that have a more significant influence on the microscale and extrapolation errors. In conclusion, the multiscale analyses provide unique insights into the complex flow dynamics in the sealing gap of rotary shaft seals. This presents clear evidence of the active dynamic lubrication and sealing mechanism. Additionally, the model presents various possibilities for extension and application to other tribological problems.
Open Access
Simulative Bestimmung der Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2025) Feldmeth, Simon; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)
An Radial-Wellendichtungen kann Leckage auftreten, wenn die Elastomer-Dichtlippe des Radialwellendichtrings (RWDR) im Betrieb thermisch geschädigt wird. Dabei überschreitet die Temperatur im Dichtkontakt das ertragbare Maß, weil zu viel Reibwärme im Dichtkontakt entsteht und/oder diese Reibwärme nicht ausreichend gut an die Umgebung abgeführt werden kann. RWDR aus besonders temperaturbeständigen Elastomeren sind sehr teuer und könnten in Zukunft möglicherweise verboten werden. Für eine wirtschaftliche und zugleich funktionssichere Auswahl des RWDRs muss deshalb bereits in der Konstruktionsphase bekannt sein, welche Temperaturen später während des Betriebs im Kontaktbereich herrschen werden. Die Messung der Temperatur im Dichtkontakt erfordert einen Prototyp sowie Prüftechnik und ist damit sehr aufwändig. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, eine Methode zu entwickeln, mit der die Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen prognostiziert werden kann. In dieser Arbeit wurde eine Simulationsmethode entwickelt, mit der das Temperaturfeld im gesamten Dichtsystem und dessen Einbauumfeld simuliert werden kann. Daraus kann die Temperatur im Dichtkontakt ermittelt werden. Zum Einsatz kommt die CHT-Methode (Conjugate Heat Transfer), bei der die „klassische“ Strömungssimulation (CFD) um die Berechnung der Wärmeleitung in angrenzenden Festkörpern erweitert wird. Die Entstehung der Reibwärme wird mittels benutzerdefinierter Funktionen in das Simulationsmodell integriert, wodurch die Reibleistung/-wärme als Funktion der Betriebsbedingungen und der Radialkraft des RWDR modelliert werden kann. Diese Funktion basiert auf empirischen Messdaten. Im Simulationsmodell können Geometriemerkmale, Betriebsbedingungen und Stoffwerte durch Parametrisierung einfach und systematisch variiert werden. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt durch einen Abgleich der Temperatur in unmittelbarer Nähe des Dichtkontakts, die mittels Infrarot-Thermografie ermittelt wurden. Um die Temperatur im Dichtkontakt von Radial-Wellendichtungen noch einfacher und schneller als mittels Simulation abschätzen zu können, wurde darüber hinaus das Näherungsverfahren „ExACT“ entwickelt. Dieses basiert auf einem thermischen Ersatzmodell und berücksichtigt die acht wichtigsten Einflussfaktoren auf die Temperatur im Dichtkontakt, wodurch es einen deutlich breiteren Anwendungsbereich und eine höhere Genauigkeit als bisherige Näherungsverfahren aufweist. Zur einfachen und intuitiven Anwendung des ExACT-Verfahrens wurde das Berechnungstool InsECT entwickelt, das als Web-App frei zugänglich ist. Sowohl die Simulationsmethode als auch das Berechnungstool InsECT mit dem darin enthaltenen Näherungsverfahren ExACT wurden bereits mehrfach erfolgreich in anderen Forschungsprojekten sowie in der Industrie eingesetzt.
Open Access
Zur Schmierfilmbildung und Reibung von Stangendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2024) Feuchtmüller, Oliver; Bauer, Frank (apl. Prof. Dr.-Ing.)
Rod seals are crucial machine elements for hydraulic and pneumatic cylinders. During the outstroke and instroke of a cylinder, the piston rod drags a thin oil film into the sealing gap forming a lubrication film. The oil film formation and tribological mechanisms in the sealing gap are of great technical interest due to their influence on friction, wear and leakage. In empirical tests with different sealing systems and operating conditions, the oil film formation and friction of rod seals were analyzed. The film thickness was measured using ellipsometry. For the friction measurements, a common test arrangement described in ISO 7986 was used. Additionally, a new measurement procedure, which combines film thickness measurements and friction measurements, is introduced. Different polyurethane U-cups and different lubricants were used for the empirical tests. Based on the results, the influence of operating conditions (rod speed, pressure, temperature) and properties of the sealing rings (hardness, surface energy, roughness) and lubricants (viscosity, surface tension) on the oil film formation and friction are discussed. It is remarkable that the analysis of the oil film formation in the nanometer range was successful, and the measured friction can be approximated by Newtonian fluid friction (speed, film thickness, viscosity, contact area). A correlation between wetting properties and the friction of the rod seals was not observed.