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Abdichtung drallbehafteter Dichtungsgegenlaufflächen - Messung, Analyse, Bewertung und Grenzen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Baumann, Matthias; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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Abstreifer für Werkzeugmaschinenführungen
(2005) Janßen, Martin; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Abstreifer für Werkzeugmaschinen-Führungen haben die Aufgabe Fremdstoffe daran zu hindern, in den Führungsbereich einzudringen sowie den Schmierstoff der Führung im System zu halten. Fast ohne Ausnahme wird die Lebensdauer einer Linearführung durch Kontamination oder Mangelschmierung begrenzt. In dieser Arbeit wird eine Profilform vorgestellt, welche diese Aufgaben bei Quer- bzw. Stirnabstreifern sehr gut erfüllt. Das wesentliche Merkmal dieser Profilform sind zwei kurze massive Dichtlippen mit großen Pressungsgradienten, die dem jeweiligen abzudichtenden Medium zugewandt sind. Eine gute Abstreifwirkung ist nur mit hohen Pressungsgradienten und einer ausreichenden Vorspannkraft zu erreichen. Wichtiger als die Werkstoffwahl ist die Fertigungsgenauigkeit des Profils. Hilfsmaßnahmen wie Sperrluft, Flüssigkeitsspülungen und Mehrfachanordnungen machen nur wenig Sinn. Gute Dichtergebnisse sind nur mit einem einzelnen funktionierenden Abstreiferprofil zu erreichen. Die innerhalb dieser Arbeit entwickelten Abstreiferstirnplatten haben allesamt eine wesentlich größere Wirksamkeit gegen Schmierstoffleckage und dem Eintrag von festen Fremdstoffen gezeigt als alle untersuchten handelsüblichen Abstreifer. Grundlage der Entwicklung war wieder das oben genannte Abstreiferprofil. Handelsübliche Abstreiferstirnplatten haben nur geringe Vorspannwege und damit kleine Reib- und Normalkräfte. Die für die Dichtwirkungen bekannten schädlichen Merkmale finden sich alle wieder, wie beispielsweise Keilspalte, Formaustriebe oder mangelnde Positionierung. Bei den Verschmutzungsuntersuchungen konnte gezeigt werden, wie wenig solch filigrane Dichtlippen einem massiven Verschmutzungseintrag entgegenzusetzen haben. Ein zuverlässiger Schutz vor festen Fremdstoffen ist nicht ohne den Preis erhöhter Reibkräfte zu haben. Für die geometrische Gestaltung eines Längsabstreifers gelten andere Regeln als für einen Querabstreifer. Schmierstoffleckage und Partikeleintrag konnten mit den verschiedensten Geometrien und Normalkräften verhindert werden. Die geometrische Gestaltung eines Längsabstreifers ist somit im Vergleich zur Geometrie eines Querabstreifers wesentlich unkritischer und kann hinsichtlich der Reibkräfte optimiert werden. Die als Querabstreifer bestens funktionierenden Profile lassen sich nicht als Längsabstreifer einsetzen. Die Gestaltungsregeln für Radialwellendichtringe können hier übernommen werden. Wichtige Entwicklungskriterien hierfür waren die Herstellbarkeit und eine Dichtkante, die durchgängig die abzustreifende Gegenfläche berührt.
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Analyse, Modellierung und Simulation von Verschleiß auf mehreren Skalen zur Betriebsdauervorhersage von Wellendichtringen aus PTFE-Compound
(2014) Daubner, André; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen werden aufgrund ihrer allgemeinen Chemikalienbeständigkeit und hohen abdichtbaren Gleitgeschwindigkeiten immer dann eingesetzt wenn Wellendichtringe aus Elastomer versagen. Die Betriebsdauer wird dann allein durch abrasiven Verschleiß begrenzt. Bedingt durch die Molekülstruktur hat PTFE eine sehr niedrige Reibungszahl aber auch einen geringen Verschleißwiderstand. In der Dichtungstechnik wird PTFE daher nahezu immer gefüllt mit Partikeln, Plättchen oder Fasern eingesetzt. Diese Füllstoffe beeinflussen das tribologische Verhalten und verbessern den Verschleißwiderstand. Gefüllte PTFE Materialien werden als PTFE-Compound bezeichnet. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen Beschreibung des tribologischen Systems Wellendichtung. Es besteht aus einem PTFE-Wellendichtring, einer Stahlwelle als Gegenlauffläche und einem Schmierstoff. Das PTFE-Compound selbst, der tribologische Gegenlaufpartner, der Schmierstoff und die Betriebsbedingungen bestimmen die Reibung und den Verschleiß, sodass sie bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen. Die Betrachtung auf lediglich einer Längenskala ist zur Beschreibung und Simulation von Reibung und Verschleiß aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge im Dichtsystem nicht ausreichend. Es wurde daher ein Mehrskalenansatz formuliert. Ein Bottom-Up-Ansatz beschreibt das tribologische System von der kleinsten hin zur größten Skala: • Das Mesomodell liegt zwischen der Nano- und der Mikroskala. Es beschreibt einen analytischen Ansatz eines energetisch motivierten Verschleißgesetzes. Das Modell berücksichtigt temperaturabhängige Druck- und Scherfestigkeiten und verwendet dimensionslose Kennwerte. Die scheinbare Reibungsenergiedichte integriert den Schmierungszustand in das Modell. • Das Mikromodell berechnet die thermischen Materialkennwerte über ein repräsentatives Volumenelement. • Das Makromodell enthält das geometrische Modell der Wellendichtung und die Verschleißalgorithmen zur Volumenreduktion. Ein Finite Elemente Ansatz koppelt das Meso- und das Mikromodell. Als Basis für die Materialmodellierung wurden umfangreiche Untersuchungen des thermomechanischen Material- und tribologischen Verhaltens durchgeführt. Die Analysen der Materialzusammensetzung und der Mikrostruktur erfolgten mit einem Computertomograph. Härte- und Nanoindentermessungen wurden zur Identifikation von tribologische Kennwerten verwendet. Die temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungszusammenhänge wurden im Zug-/ Druck- und Scherversuch an einer Universalprüfmaschine ermittelt. Ein Ring-Scheibe-Tribometer wurde zusammen mit einer Thermographie Kamera zur Messung von Reibung, Verschleiß und der Temperatur nahe dem Reibkontakt verwendet. Die Validierung des vorgestellten Ansatzes erfolgte durch einen Vergleich von Wellendichtring-Dauerlaufversuch und dessen Simulation. Die simulierte Radialkraft und der Verschleiß stimmen sowohl im Trocken- als auch bei Schmierung mit den Experimenten überein. Das Potenzial der entwickelten Methode wurde an einer Auswahl handelsüblicher Wellendichtringe mit Spiralrille dargestellt. Der Multiskalensatz zur Verschleißsimulation und der Abschätzung der Betriebsdauer ist damit ein nützliches Werkzeug zur Wellendichtringoptimierung und Kostenreduktion im Produktentwicklungsprozess.
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Berührungsfreie Dichtsysteme für Anwendungen im Fahrzeug- und Maschinenbau
(2005) Stiegler, Bernd; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel der Arbeit war, die Funktionsweise Berührungsfreier Wellendichtungen (BFWD) unter den besonderen Betriebsbedingungen in Aggregaten des allgemeinen Maschinenbaus zu erforschen. Dabei stand die Verifizierung, der für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für höherviskose Fluide im Vordergrund. Dazu wurden einzelne Funktionselemente von BFWD methodisch experimentell untersucht. Zur praxisorientierten Durchführung der Arbeit, fand im Vorfeld eine Industrieumfrage statt, in der die Randbedingungen für die Versuche ermittelt wurde. Als Versuchsöl wurde ein FVA-Referenzöl mit der Viskositätsklasse ISO VG 320 gewählt. Die Untersuchungen an einzelnen Funktionselementen mit zähen Ölen bewiesen ein analoges Funktionsverhalten, wie bei der Abdichtung wasserdünner Flüssigkeiten. Aufgrund der bis zu 500 mal höheren Viskosität konnte jedoch bei gleichen geometrischen Abmessungen ein bis zu 100 mal geringerer Durchfluss ermittelt werden. Vergleichende Berechnungen ergaben, dass bei entsprechenden im Dichtsystem zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen, die Spalthöhen bei der Abdichtung so zäher Fluide vier bis fünf mal so hoch sein dürfen als bei der Abdichtung von niederviskosen Flüssigkeiten. Ein günstig gestalteter Eingangsbereich reduziert den eindringenden Flüssigkeitsstrom um bis 95% gegenüber einem ungünstig gestalteten. Dafür muss der radiale Eingangsspalt überdeckt und eine stationäre Fangrinne angebracht werden. Die für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für Fangkammern gelten auch bei der Abdichtung zäher Öle. Um das schlechtere Fließverhalten zu berücksichtigen, ist das Volumen der Fangkammer größer auszuführen. Wird der Übergang der Fangkammer zum Rücklauf trichterförmig ausgeführt, zeigen auch höherviskose Flüssigkeiten ein strömungstechnisch günstigeres Ablaufverhalten. Die Ablaufkanäle sind größtmöglich auszuführen. Um die betrieblichen Einflüsse auf BFWD zu erfassen, wurde für sechs gängige Lagerarten der Durchfluss bei Öleinspritzschmierung ermittelt. Je nach Lagerart und -anordnung beträgt der Durchfluss zwischen 5 und 95% des Einspritzstroms. Die Ergebnisse dienten u.a. der Verifizierung der Dichtungsbeaufschlagung im Laborbetrieb. Mit Hilfe der Finiten-Element-Analyse (FEA) und experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass berührungsfreie Wellendichtsysteme aktiv Luft und damit auch Öldunst oder Ölnebel fördern können. Als Abhilfemaßnahme wurde ein bezüglich Luftdurchsatz optimiertes Dichtsystem entwickelt. Die erstmals hierzu eingesetzte FEA hat sich als nützliches Werkzeug bei der Auslegung Berührungsfreier Dichtsysteme erwiesen. Die aufgrund von Wärmeausdehnung, Fertigungstoleranzen und Lagerluft erzeugten axialen Wellenverlagerungen bewirken bei BFWD einen erhöhten Eindringstrom. Mittels einer Verschiebevorrichtung konnten diese erhöhten Eindringströme im Versuch quantitativ ermittelt werden. Zur einfacheren Montage des komplexen berührungsfreien Dichtsystems wurden Gestaltungsvarianten entwickelt, die als axial steckbare Systeme in der Praxis eingesetzt werden können.
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Berührungsfreies Abdichten schnelllaufender Spindeln gegen feine Stäube
(2007) Orso, Jochen; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Seit einigen Jahren geht der Trend in der Werkzeugmaschinenindustrie weg von umweltbelastenden Kühlschmierstoffen hin zur Trockenbearbeitung. Um dieser Entwicklung auch von konstruktiver Seite aus Rechnung zu tragen, wurden berührungsfreie Dichtsysteme auf ihre Eignung zur Abdichtung gegen feine Stäube untersucht. Im Rahmen eines vierjährigen Forschungsprojektes am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart wurden Erkenntnisse über das Abdichtverhalten feiner Stäube gesammelt und diese in praxisgerechte Konstruktionsrichtlinien umgesetzt. Die Leistungsfähigkeit derartiger Dichtsysteme wurde experimentell mit Hilfe eines Partikelzählers quantitativ nachgewiesen. Richtig gestaltete berührungsfreie Dichtsysteme mit Sperrluftunterstützung sind dazu geeignet schnelllaufende Spindeln sicher, zuverlässig und dauerhaft gegen feine Stäube und Partikel abzudichten.
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Betriebs- und Benetzungseigenschaften im Dichtsystem Radial-Wellendichtung am Beispiel von additivierten synthetischen Schmierölen
(2013) Klaiber, Mathias; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ein Dichtsystem Radialwellendichtung umfasst drei Komponenten: Gegenlauffläche, Radial-Wellendichtring und abzudichtendes Fluid. Auf dem Gebiet der Schmieröle ist die Entwicklung rasant. Die Leistungsfähigkeit der Fluide wird durch den Einsatz von synthetischen Grundölen und gezielt durch die Zugabe von Additiven gesteigert. Wie diese neuartigen Fluide die Funktionalität der Dichtsysteme beeinflussen ist unklar. Zielsetzung der Arbeit: In einem ersten Schritt wurde geklärt, wie sich synthetische, additivierte Fluide auf die Betriebs- und Benetzungseigenschaften des Dichtsystems Radial-Wellendichtung auswirken. Die Betriebseigenschaften sind hierbei das Reibmoment, der Förderwert und der Verschleiß. Die Benetzungseigenschaften wurden durch den Kontaktwinkel und den Benetzungsfaktor erfasst. Der zweite Schritt war die Klärung der Zusammenhänge zwischen den insgesamt fünf genannten Eigenschaften. Der Benetzungsfaktor ist eine Eigenschaft, welche eingeführt wurde, um die Migrationswilligkeit eines Fluids auf einer metallischen Oberflächenprobe zu beschreiben. Es bietet sich der Vorteil, die Verweildauer des Fluids in der Größenordnung von mehreren Stunden zu wählen. Der gravitationsbedingte Einfluss auf die Ausbreitung eines Fluids wird dadurch deutlich reduziert und die fluidspezifischen Benetzungseigenschaften kommen besser zum Tragen. Die Einlagerungstemperatur kann ebenfalls variiert werden und es ist nicht notwendig die Messung auf der gekrümmten Oberfläche einer Gegenlauffläche durchzuführen. Der Benetzungsfaktor beschreibt somit die Veränderung der durch ein Fluid benetzten Fläche, nach einer definierten Verweildauer und Einlagerungstemperatur. Eine Steigerung der Verweildauer oder der Einlagerungstemperatur bewirkt tendenziell eine Erhöhung des Benetzungsfaktors. Der Reinigungszustand vor der Bestimmung des Benetzungsfaktors beeinflusst diesen. Oberflächen, welche zusätzlich mit einem Oberflächenreinigungsgerät (Plasmatechnik) gereinigt wurden, werden besser benetzt. Ein Einfluss des Fluids ist in sämtlichen Untersuchungen festzustellen. Es wirkt sich die Art des Grundöls und das einzelne gelöste Additiv auf das Ergebnis aus. Grundsätzlich wurde in den Untersuchungen festgestellt, dass die Ergebnisse mit Fluiden in welchen ein Additiv gelöst ist, sich von denen mit dem reinen Grundöl unterscheiden. Additive beeinflussen also das Funktionsverhalten des Dichtsystems. Weiterhin haben einzelne Additive einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse der Untersuchungen. Dieser zeigt sich unabhängig davon, in welchem Grundöl die Additive gelöst sind. Auch ist der Einfluss unabhängig davon, aus welchem Werkstoff die Radial-Wellendichtringe gefertigt sind. Das Additiv Aminphosphat führt stets zu den größten gemessenen Reibmomenten. Dieses Additiv zeigt unabhängig von der Verweildauer und der Einlagerungstemperatur auch immer den kleinsten Benetzungsfaktor. Hinsichtlich des Kontaktwinkels hebt sich das Additiv Ca-Sulfonat dadurch hervor, dass mit Fluiden, in welchen es gelöst ist immer die kleinsten Werte gemessen werden. Die Zusammenhänge zwischen den fünf genannten Betriebs- und Benetzungseigenschaften wurden jeweils getrennt für die beiden Werkstoffe der Radial-Wellendichtringe bewertet. Die Korrelation von jeweils zwei Eigenschaften wurde durch eine Gerade abgebildet. Verhalten sich die zwei Eigenschaften gegensätzlich zueinander, hat die Gerade eine negative Steigung. Dies ist beispielsweise der Fall, bei einer Zunahme des Reibmoments, welches mit einer Abnahme des Benetzungsfaktors in Verbindung steht. Verhalten sich die Eigenschaften gleich zueinander, hat die Gerade eine positive Steigung. Bei jeglichen Kombinationen von zwei Eigenschaften ist die Orientierung der Geraden für Ergebnisse mit Radial-Wellendichtringen aus NBR und aus FPM gleich. Die grundsätzlichen Zusammenhänge innerhalb eines Dichtsystems sind damit unabhängig vom Werkstoff des Radial-Wellendichtrings. Die Eigenschaften Reibmoment, Förderwert, Verschleiß und Kontaktwinkel verhalten sich alle gleich. Die Zunahme einer Eigenschaft geht einher mit der Zunahme der anderen. Jeweils gegensätzlich zu diesen vier Eigenschaften, verhält sich der Benetzungsfaktor. Damit verhält sich dessen Wert auch gegensätzlich zu dem des Kontaktwinkels. Diese Werte repräsentieren die Migrationswilligkeit eines Fluids auf einer metallischen Oberfläche beziehungsweise auf der Oberfläche aus Elastomer. Dass sich die Werte der Eigenschaften gegensätzlich verhalten, beschreibt ein gleiches Verhalten der Migrationswilligkeit der Fluide auf unterschiedlichen Oberflächen. Insgesamt wird eine Zunahme der Migrationswilligkeit eines Fluids in Verbindung gebracht, mit einer Abnahme des Reibmoments, des Förderwerts und des Verschleißes. Auf Grundlage der Untersuchungen wird die Annahme formuliert, dass in diesen Untersuchungen die Migrationswilligkeit der Fluide einen maßgeblichen Einfluss auf die Fluidfilmhöhe im Dichtkontakt hat. Die Migrationswilligkeit eines Fluids beschreibt dessen Bestreben sich auszubreiten. Dies tritt im Dichtspalt in axialer Richtung von der Öl- zur Luftseite auf. Somit steht die Migrationswilligkeit im Wechselspiel mit dem Förderwert. Das Reibmoment und der Verschleiß werden durch die Fluidfilmhöhe bestimmt und sind damit das Ergebnis aus genanntem Wechselspiel und ebenfalls von der Migrationswilligkeit des Fluids abhängig.
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Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen
(2005) Kunstfeld, Thomas; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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.
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Einfluss des Schmierfetts auf das tribologische System Radial-Wellendichtung : Betriebsverhalten und Funktionsmodell
(2015) Sommer, Max; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit trägt auf dem Stand der Technik aufbauend zum Verständnis fettabdichtender Radial‐Wellendichtungen aus Elastomer bei. Hierzu erfolgt eine grundlegende Betrachtung des Einflusses von Bestandteilen und Eigenschaften der Schmierfette auf das Betriebsverhalten fettgeschmierter Elastomer‐Stahl-Reibkontakte. Dem gehen mikroskopische und rheologische Analysen der verwendeten Modellfette bekannter Zusammensetzung voraus. Um die Anzahl unbekannter Einflussfaktoren gering zu halten, wird ein Ring‐ Scheibe‐Versuchsaufbau verwendet. An diesem werden Reibverhalten, Schmierstoffversorgung, Verschleiß und Förderwirkung in Abhängigkeit des Schmierfetts untersucht. Diese Untersuchungen werden an realen Radial‐Wellendichtungen verifiziert. Im Dichtspalt wird die Verdickerstruktur durch Scherung zerstört. Es befinden sich jedoch Verdickerpartikel im Dichtspalt. Diese beeinflussen das Betriebsverhalten maßgeblich. Der Einfluss des Verdickertyps ist hierbei deutlich stärker als die Einflüsse von Schmierfettkonsistenz oder Grundöltyp. Es wird ein Zusammenhang zwischen dem Betriebsverhalten und rheologischen Schmierfettkennwerten vorgestellt. Damit lassen sich der Reibwert bei Mischreibung, die Gümbelzahl beim Übergang zu hydrodynamischer Reibung, das Auftreten von Mangelschmierung und der Verschleiß in Abhängigkeit von Schmierfetteigenschaften abschätzen. Zur Bewertung des Einflusses von Verdickerpartikeln wird eine Ordnungszahl eingeführt. Diese berücksichtigt Größe und Form dieser Partikel. Mit der Ordnungszahl lässt sich die Auswirkung von Verdickerpartikeln und damit von Schmierfetten auf Reibverhalten, Verschleiß und Förderwirkung qualitativ beschreiben. Auf den Ergebnissen aufbauend wird ein Funktionsmodell erstellt, welches die Vorgänge im Dichtspalt fettabdichtender Radial‐Wellendichtungen erstmalig unter Berücksichtigung des Verdickers beschreibt.
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Einfluss transienter Betriebsbedingungen auf den RWDR im System Radial-Wellendichtung
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2018) Eipper, Axel; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Der Einsatz von Radial-Wellendichtringen (RWDR) erfordert Prüfläufe zur Auslegung des Dichtsystems. Dazu müssen Betriebsparameter für das Prüfsystem definiert werden. Diese wiederum müssen Schadensbilder erzeugen, die mit der Anwendung vergleichbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Parameterstudie zum Einfluss über der Zeit variierter Betriebsparameter durchgeführt. Dabei stand der Einfluss transienter Umfangsgeschwindigkeiten auf den Verschleiß im Fokus der Untersuchungen. Da eine absolute Bewertung des Verschleißes jedoch nicht möglich ist, wurde vorab eine Vergleichsbasis geschaffen. Diese besteht aus Versuchsreihen zum Schadensverlauf konstant belasteter Dichtsysteme. In diesem Zuge wurde darüber hinaus eine Vorgehensweise zur Schadensanalyse definiert. Mit Hilfe dieser werden über die Untersuchungen hinweg vergleichbare Ergebnisse gewährleistet. Zur Untersuchung transienten Betriebs wurde ein Lastkollektiv entwickelt, welches die isolierte Betrachtung einzeln variierter Betriebsparameter ermöglicht. Dazu sind die Untersuchungen systematisch auf dieser Prozedur aufgebaut, wodurch diese untereinander vergleichbar bleiben. Um die Betrachtungen für den Anwender zugänglich zu machen, wurden real eingesetzte Lastkollektive untersucht. Dazu wurden diese den idealisierten Untersuchungen gegenüber gestellt, um einen Vergleich zu erzielen. Ziel der Untersuchungen ist, den Einfluss transienter Umfangsgeschwindigkeiten auf RWDR zu bewerten. Darüber hinaus soll dem Anwender ein Werkzeug zur Prüfung von Dichtsystemen an die Hand gegeben werden. Dieses ermöglicht die zeit- und kostenoptimierte Gestaltung von Prüfläufen mittels Raffung. Dabei basiert die Optimierung auf dem gezielten Verzicht nicht schädlicher Anteile aus bekannten Belastungen. Deren Identifikation ist erst mittels der erarbeiteten Erkenntnisse möglich. Aktuell existieren wenige wissenschaftliche Untersuchungen zu den beschrieben Zusammenhängen. Daher liefert die Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis transienter Belastungen.
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Einfluss von Grenzflächeneffekten auf den Dichtmechanismus der Radial-Wellendichtung
(2014) Schuler, Peter; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Problemstellung und Ansätze Moderne Schmierstoffe, wie Polyglykole und Ester, verursachen beim Abdichten mit Radial-Wellendichtringen (RWDR) Probleme. Neben chemischer Unverträglichkeit mit dem Elastomer kann höherer Verschleiß und schließlich Leckage auftreten. Die Ursache dieser Nachteile gegenüber konventionellen, mineralischen Schmierstoffen wurde in den Benetzungseigenschaften der Schmierstoffe vermutet. Zur Lösung wurden zwei Ansätze gewählt: Erstens, die Bestimmung der Oberflächenenergie der Komponenten der Radial-Wellendichtung (Schmierstoff, Elastomer und Gegenlauffläche). Von der Oberflächenenergie wurde dabei die Aufspaltung in einen polaren und einen dispersen Anteil berücksichtigt. Zweitens, die Untersuchung der Schmierstoffeigenschaften hinsichtlich des Einflusses strömungsmechanischer Instabilitäten. Solche Instabilitäten sind Taylor-Görtler-Wirbel und der Thermokapillareffekt. Untersuchungen Zehn chemisch unterschiedliche Schmierstoffe wurden untersucht: Zwei Mineralöle, drei Polyglykole, ein Poly-α-Olefin, zwei Ester und zwei Silikonöle. Benetzungs- und strömungsrelevante Stoffwerte wurden in Abhängigkeit der Temperatur gemessen. Diese Stoffwerte dienten der Berechnung von Benetzungs- und Strömungskenngrößen. Benetzungsversuche zeigten direkt das Verhalten der Schmierstoffe auf unterschiedlichen Substraten. Dichtungstechnische Versuche wurden hauptsächlich mit Radial-Wellendichtungen durchgeführt. Versuche mit PTFE-Manschetten und Stangendichtungen erweiterten den Blick auf andere Dichtsysteme. Von Radial-Wellendichtungen wurde das Förderverhalten, das Reibverhalten und das Verschleißverhalten bestimmt. Die Ergebnisse der dichtungstechnischen Versuche wurden nach den Benetzungs- und Strömungskenngrößen ausgewertet. Ergebnisse Die wichtigsten Ergebnisse sind: Der Förderwert von Radial-Wellendichtungen hängt, für die untersuchten Schmierstoffe, linear von deren Adhäsionsarbeit auf der Gegenlauffläche ab. Hohe Adhäsionsarbeit bedeutet einen hohen Förderwert. Für den Verschleiß von RWDR und Gegenlauffläche zeigt sich ein Zusammenhang mit der Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und Elastomer- Dichtkante. Unterschritt die Adhäsionsarbeit den Wert der Kohäsionsarbeit, trat im Versuch Verschleiß auf. Ab einem kritischen Wert der hydrodynamischen Kennzahl ändert sich der Reibungszustand der Radial-Wellendichtung. Das Eintreten der Änderung wurde mit dem Einsetzen thermokapillarer Instabilität erklärt. Fortschritt Eine Erklärung für den Schmierstoffeinfluss auf den Dichtmechanismus wurde gefunden. Adhäsions- und Kohäsionsarbeit der Komponenten der Radial-Wellendichtung haben einen deutlichen Einfluss auf das Förder- und Verschleißverhalten. Der Einfluss axialer (Thermokapillareffekt) und radialer (Görtler-Wirbel) Temperaturgradienten wurde aufgezeigt. Einschränkungen Die erzielten Ergebnisse gelten in erster Linie nur für die untersuchten Kom- ponenten. Trotz der breiten Fächerung an Versuchsteilen kann nicht ohne Weiteres auf andere Polymere und Schmierstoffarten geschlossen werden. Die für die Elastomere ermittelten Oberflächenenergien hängen von der Vorbehandlung der Proben ab. Trotz plausibler Ergebnisse sind diese Oberflächenenergien als Relativwerte zu verstehen. Die dichtungstechnischen Versuche wurden für einen Betriebspunkt durch- geführt. Die gezeigten Zusammenhänge könnten an anderen Betriebspunkten (insbesondere sehr niedrige und sehr hohe Temperatur) durch weitere Effekte überlagert oder egalisiert werden.
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Entwicklung und Funktionsanalyse rückenstrukturierter Manschettendichtringe aus PTFE-Compound
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2019) Stoll, Mario; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Zur Abdichtung von Wellenaustrittsstellen hat sich der Radial-Wellendichtring (RWDR) aus Elastomer in der Praxis etabliert. Der Elastomer-RWDR besitzt sowohl eine gute statische als auch dynamische Dichtheit in beide Drehrichtungen der Welle. Die Einsatzgrenzen des Elastomer-RWDR setzt der Werkstoff. Bei sehr hohen chemischen oder thermischen Anforderungen ist der Betrieb eines Dichtrings aus Elastomer nicht mehr möglich. Aus diesem Grund kommt es vermehrt zum Einsatz von Wellendichtungen aus Compoundwerkstoffen auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE). Dichtringe aus PTFE besitzen hervorragende thermische und chemische Eigenschaften sowie eine gute Trockenlauffähigkeit. Im Gegensatz zum Elastomer-RWDR bilden Wellendichtringe aus PTFE selbständig keinen mikroskopisch aktiven Rückfördermechanismus aus. Zur Verbesserung der dynamischen Dichtheit werden deshalb makroskopische Rückförderstrukturen in den Dichtspalt der Wellendichtungen aus PTFE fertigungstechnisch eingebracht. Bis heute gibt es jedoch keine im Markt erhältlichen Wellendichtungen aus PTFE mit makroskopischen Rückförderstrukturen, welche sowohl dynamisch als auch statisch im überfluteten Zustand eingesetzt werden können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit einer neuen Herangehensweise zur Erzielung einer statisch und dynamisch einsetzbaren Wellendichtung aus PTFE. Die Grundidee besteht darin, die Steifigkeit des Dichtrings lokal zu beeinflussen. Hierzu sollen makroskopische Strukturen, im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, nicht innerhalb, sondern außerhalb des Dichtspalts fertigungstechnisch ein- oder aufgebracht werden. Durch den Steifigkeitsverlauf und die Verformung bei der Montage soll die Dichtung selbständig feine, flach verlaufende Förderstrukturen im Dichtspalt ausbilden. Diese flachen Förderstrukturen sollen gegenüber bisherigen Förderstrukturen hydrodynamisch wirksamer sein und aufgrund der lokalen Steifigkeitsunterschiede nicht verschleißen. Ziel ist eine statisch und dynamisch funktionierende Dichtung, welche unabhängig von den Einsatzbedingungen möglichst universell und zuverlässig eingesetzt werden kann.
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Manschettendichtringe aus PTFE-Compounds : Funktionsmechanismus von PTFE-Manschettendichtungen und Entwicklung von Rückförderstrukturen für beidseitig drehende Wellen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Gölz, Jan; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Arbeit beschreibt PTFE-Manschettendichtungen für beidseitig drehende Wellen. Dies umfasst Dichtsysteme mit glatten PTFE-Manschettendichtringen (ohne Rückförderstrukturen) und solche mit selbst entwickelten bidirektionalen Rückförderstrukturen. Es werden Leckrate, Reibmoment und Verschleiß analysiert, sowie die Vorgänge im Dichtspalt betrachtet. Abschließend werden Funktionsmodelle erstellt und die zugrundeliegenden Funktionsmechanismen beschrieben.
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PTFE-Manschettendichtungen mit Spiralrille : Analyse, Funktionsweise und Erweiterung der Einsatzgrenzen
(2008) Bauer, Frank; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Analyse der Geometrie und der Funktionsweise unterschiedlicher PTFE-Manschettendichtringe. Hierzu wurden Radialkräfte, Reibmomente, Förderwerte von Öl und Luft und das statische Dichtverhalten untersucht. In zahlreichen Dauerlaufversuchen wurden die Dichtfunktion und das Verschleißverhalten der Welle und des Dichtrings, sowie die Anfälligkeit und die Folgen von Ölkohlebildung untersucht. Ein Hauptbestandteil der Analyse war die visuelle Beobachtung des Eindringverhaltens und der Strömungsvorgänge in den Spiralrillen. Hierzu wurde ein Prüfstand mit einer Glashohlwelle konzipiert und aufgebaut. Mit einer hochauflösenden digitalen Farbkamera und einem Zoomsystem wurden die Vorgänge in allen Bereichen der Dichtringe analysiert. Die Dichtringe können dabei verdreht werden, sodass sich verschiedene Bereiche (z. B. der Dichtsteg) in oder außerhalb des Ölsumpfes befinden. Untersuchungsergebnisse: • Die Geometrien der Spiralrillen und der Dichtlippen handelsüblicher Dichtringe variieren sehr stark. • Durch die Geometrievariationen und die verschiedenen Compounds variieren die Radialkräfte, Reibmomente und die Förderwerte ebenfalls sehr stark. • Die vorgestellte Methode zur Messung des Luftförderwertes durch Verdrängung von Öl in einem flach liegenden Schlauch hat sich als geeignet herausgestellt. • Die Dichtringe sind dynamisch dicht. • In gut gestalteten Spiralrillen wird das Öl im dynamischen Zustand durch die Gewindegänge zurückgepumpt. Das bereits ausgetretene, aber noch an der Dichtlippe anhaftende Öl wird eingesaugt und zurückgepumpt. • Gut gestaltete Gewindegänge sind während des Betriebs weitgehend leer und die Dämme fördern das eingedrungene Öl zurück. • Alle Dichtringe sind bei anliegendem Öl statisch undicht. Der Ölfüllstand beeinflusst die Dauer bis zur Leckage. • In gut gestalteten Gewindegängen fließt das Öl im statischen Zustand hauptsächlich auf den Dämmen und in den Gewindegängen um die Welle herum. Das Öl fließt dabei auch über den Ölspiegel nach oben. • Der Dichtsteg wirkt als Störstelle und beeinflusst die Leckagemenge und die Zeit bis zur Leckage negativ. Auf dem Dichtsteg fließt Öl axial über den jeweiligen Gewindegang auf den nächsten Damm. • Mithilfe der Finiten Elemente Analyse lassen sich die Verformungen mit einem linear elastisch – ideal plastischen Materialmodell gut vorherbestimmen. Durch Vergleich mit Radialkraftmesswerten kann die Simulation gut an die Realität angepasst werden. • Mithilfe einer Weiterentwicklung der Grundgeometrie durch Verstärkungen können die Gesamtanlage und die Pressungsverteilung der Dichtlippe und der Dämme wesentlich besser angepasst werden, als dies seither möglich war. • Strömungssimulationen sind derzeit aufgrund der starken nicht-linearen Werkstoffeigenschaften und der nötigen Fluid-Struktur-Kopplungen mit herkömmlicher Standardsoftware nicht möglich. Auf Basis dieser Ergebnisse und Erkenntnisse wurden Gestaltungsvorschläge erstellt, die einen Einsatz im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau funktionssicher ermöglichen. Nach den Gestaltungsvorschlägen wurde ein Prototyp gefertigt und analysiert. Dieser Dichtring hat einen durchgehenden geschlossenen Ring auf der Ölseite. Dadurch dringt das Öl nicht direkt in die Spiralrille ein. Die Untersuchungsergebnisse bestätigen die Gestaltungsvorschläge. Die Ziele, die Funktionsweise der Spiralrillen zu analysieren, zu verstehen und diese zu optimieren, wurden erreicht. Die umfassenden Untersuchungen ergeben: Mit • einem stirnseitig geschlossenen Ring, • schmalen Dämmen, • deren Oberflächen im Berührbereich glatt sind, • tiefen und breiten Rillenquerschnitten und • angepasster Radialkraft können Manschettendichtringe aus PTFE-Compounds mit günstigen dichtungstechnischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen geschaffen werden. Mit dieser Optimierung und Erweiterung der Einsatzgrenzen wurde ein wesentlicher Fortschritt in der Dichtungstechnik für den allgemeinen Maschinen-/ Anlagen- und Fahrzeugbau erreicht. Diese bei allen Betriebsbedingungen dichten PTFE-Manschettendichtungen ermögli-chen Wellendichtsysteme, die von -100 °C bis +250 °C funktionieren und bei denen die chemischen Eigenschaften des abzudichtenden Fluides keine Rolle spielen. Dies ist heute und in der absehbaren Zukunft auch mit den hochwertigsten Elastomer-Radialwellendichtungen nicht möglich. Damit wird eine Falschauswahl des Dichtrings ausgeschlossen, die Lagerhaltung minimiert und eine optimale Funktion gewährleistet. Die Herstellungskosten sind mit denen hochwertiger Radialwellendichtringen aus Fluorelastomeren vergleichbar.
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Radialdichtungen unter hoher Druckbelastung in Drehübertragern von Werkzeugmaschinen
(2010) Henzler, Markus; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In der vorliegenden Arbeit sind umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen und deren Ergebnisse zu Hochdruck-Drehübertrager zusammengefasst. Hochdruck-Drehübertrager finden oft in Werkzeugmaschinen und in der Mobilhydraulik Anwendung. Hierbei werden Öldrücke von 5 bis 30 MPa – meist schwellend – auf rotierenden oder schwenkenden Wellen bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit kleiner 1 m/s abgedichtet. Sog. Rotordichtungen (gekennzeichnet durch kleine Radialdichtringe) kommen bei der Abdichtung zum Einsatz. Dabei treten Schwierigkeiten auf, beispielsweise hohe Reibung und ungünstiges Reibverhalten wie Losbrechreibung, starkes Erhitzen des Reibkontakts, übermäßiger Verschleiß und frühzeitiges Versagen durch sog. Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle. Die Standzeiten der Dichtungen sind nicht ausreichend hoch und die hohen Reibkräfte der Dichtungen stören die Funktion erheblich. Spezielle Literatur zum Thema ist kaum vorhanden. Viele Patente befassen sich mit Ansätzen zur Reibungsreduzierung, lassen aber teilweise inhaltlich auf lückenhafte Kenntnis bezüglich der Funktion dieser Dichtungen schließen. Lediglich zwei unabhängige wissenschaftliche Untersuchungen befassten sich bisher mit Radialdichtungen auf diesem Druckniveau. Auf Basis am Markt verfügbarer Dichtringe und deren Werkstoffe wurden die Eigenschaften von Rotordichtringen experimentell ermittelt. Anhand von Werkstoffversuchen wurden die Eigenschaftsprofile hinsichtlich Reibung, Verschleiß und Extrusionswiderstand verschiedener Rotordichtringwerkstoffe erarbeitet. Variationsversuche im Niederdruckbereich belegten mithilfe statistischer Auswertemethoden einen äußerst großen Einfluss der Geometrie des Dichtrings auf die Reibung. Die Dichtringe wurden experimentell auf Losbrechreibung untersucht und die Einflüsse von Stillstandszeit unter Druck und drucklos, sowie Dichtringwerkstoff ermittelt. Versuche mit beidseitig druckbeaufschlagten Dichtungen legten – gemeinsam mit Finite-Element-Analysen – die Basis für ein detaillierteres Funktionsmodell des Dichtmechanismus von Radialdruckdichtungen mit breiter Dichtfläche. Hierbei spielt auch der Öldruck im Dichtkontakt eine wesentliche Rolle, der im Rahmen der Arbeit experimentell bestimmt wurde. Verschleiß der Dichtringe wurde anhand von Dauerlaufversuchen mit zwei unterschiedlichen Versuchsprogrammen gefahren, die sich zum einen an Anwendungen mit Start-Stopp-Betrieb sowie Dauerrotation und pulsierendem Druck (Kupplungsschaltungen) orientierten. Schadensbilder wurden analysiert und beschrieben. Die häufigsten Schadensbilder konnten auf Mitrotieren des Dichtrings mit der Welle zurückgeführt werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen dazu deckten Ursachen auf und wiesen auf die kritischen Betriebszustände hin. Mittels Finite-Element-Untersuchungen wurden thermische Lasten im Drehübertragersystem simuliert und daraus konstruktionsbedingte Einflüsse quantifiziert. Auf Basis von zahlreichen Simulationen wurde ein mathematisches Modell aufgestellt, das es ermöglicht, die Dichtkontakttemperatur zwischen Dichtring und Welle einzuschätzen. Aus den gewonnen Erkenntnissen wurde ein Prototypendichtring entwickelt, der viele der erarbeiteten Konstruktionshinweise in sich in klein bauender Weise vereint. Die wesentlichen Erkenntnisse wurden in einem separaten Kapitel übersichtlich zur praktischen Anwendung zusammengefasst. Die darin gesammelten Gestaltungshinweise sind über Versuche abgesichert und bilden so eine fundierte Grundlage zur Gestaltung eines Drehübertragers mit den gewünschten Eigenschaften. Dem Anwender stehen damit erstmals ausführliche Informationen zur Verfügung, um zu bestimmen, wo kritische Punkte seiner Konstruktion liegen. Es ist ihm möglich Eigenschaften gezielt zu verbessern und Fehlfunktionen vorzubeugen oder deren Ursache zu identifizieren und zu beseitigen.
Open Access
Schmutzabdichtung mittels Fettgefüllter Berührungsfreier Wellendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2017) Kümmel, Johannes Ulrich; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Arbeit befasst sich mit Fettgefüllten Berührungsfreien Wellendichtungen (FBFWD) zur Schmutzabdichtung bei horizontaler Welle. An Hand von gängigen Dichtungsgeometrievarianten werden zunächst die Funktionsweise und Grenzen der Abdichtung aufgezeigt und im Anschluss daran Konstruktionsrichtlinien und Betriebsempfehlungen davon abgeleitet.
Open Access
Statisches Abdichten auf nicht idealen Dichtflächen in der Antriebstechnik
(2015) Reibert, Jan-Peter; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die statische Abdichtung von Gehäusetrennstellen in der Antriebstechnik war schon immer eine anspruchsvolle Aufgabe. In den letzten Jahren kommt erschwerend hinzu, dass die Oberflächengüte der Dichtflächen schlechter wird. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, systematisch die Eignung verschiedener Dichtungsarten bezüglich der Abdichtung dieser nicht idealen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Die Einteilung der Dichtungen erfolgte nach deren Wirkprinzip in Adhäsions- und Verpressdichtungen. Diese wurden weiter unterteilt nach der Einbauart in Kraftnebenschluss- und Krafthauptschluss-Systeme. Auf der Grundlage dieser Einteilungen wurden repräsentative Prüfdichtungen ausgewählt. Im ersten von drei Untersuchungsblöcken wurde die Scherbelastung eines Dichtsystems betrachtet. Die Schubsteifigkeit variierte in einem großen Bereich von 0,1 Nm/µm bis 100 Nm/µm. Die beiden wesentlichen Einflussfaktoren waren die Verpresskraft und die Temperatur, die sich vor allem bei Dichtungen mit Polymer auswirkte. Das Verschleißverhalten der Dichtungen reichte von kein Verschleiß bei PTFE- und Aramidfaserdichtung bis hin zur vollständigen Zerstörung der Beschichtung der Metallhalbsickendichtung. Äußerte sich der Scherweg bei den Feststoffdichtungen im Verschleiß, so führte er bei Flüssigdichtmitteln teilweise schon bei wenigen Mikrometern zur Zerstörung der Dichtmittelschicht. Eine Fasenkonstruktion in Verbindung mit einem elastischen Dichtmittel bringt hier eine erhebliche Verbesserung. Die Dichtflächenfehler wurden nach der Art, wie sie abdichtbar sind, in abzudeckende und auszufüllende Dichtflächenfehler unterteilt. Die Abdichtung von auszufüllenden Dichtflächenfehlern kann theoretisch mit den Mitteln der Kontaktmechanik beschrieben werden. Wesentliche Erkenntnis war die Fließbewegung des Elastomers, die während des Anpassvorgangs von der Fehlstelle weggerichtet ist. In der Finite-Elemente-Analyse wurde die Anpassung für spitze und stumpfe Kratzer beschrieben. Die Leckagepfade sind in der Spitze oder der Ecke zu erwarten. Die Schädigung der Dichtung erfolgt aufgrund der Spannungsmaxima an den Übergängen in die Fehlstellen. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Reibungszustände bedeutenden Einfluss auf die Dichtungsanpassung haben. Abschließend wurde ein Geometriekennfeld berechnet, welches die abdichtbaren Fehlstellen darstellt. Die abdichtbare Kratzertiefe wurde in Innendruckversuchen ermittelt. Es konnten Tiefen zwischen 20 µm (Weichstoffdichtung mit Aramidfasern) und 1000 µm (Silikon, Polyacrylat) abgedichtet werden. Die mit Elastomerformdichtungen abdichtbare Tiefe eines 60°-Kratzers lag zwischen 50 µm und 100 µm, je nach Innendruck. Sobald die Fehlstellen weniger schroff sind, erhöht dies die abdichtbare Tiefe drastisch. In Scherversuchen wurde die Korrelation zwischen abdichtbarer Kratzertiefe und Scherbelastung untersucht. Zwei Effekte wurden dabei beobachtet: Geringe Scherbewegung unterstützt den Anpassungsvorgang; höhere Scherbewegung führt zu Leckage durch Verschleiß oder den Verlust der Anpassung. Die Betrachtung der Unebenheitsabdichtung erfolgte in Innendruckversuchen und Scherversuchen für wellige und stufige Unebenheiten. Wellige Unebenheiten waren zwischen 0,1 mm und 1 mm Tiefe abdichtbar. Die abdichtbare stufigen Unebenheitstiefen entsprachen dem Bereich der maximal abdichtbaren Kratzertiefen. Je kontinuierlicher die Unebenheit ist, umso größer ist die abdichtbare Tiefe. Dichtungen mit großem elastischem Arbeitsbereich sind dabei von Vorteil. Bei allen auszufüllenden Dichtflächenfehlern fehlt der Dichtung der Halt in der Gehäusetrennfuge. Gleichzeitig wird ihre durch Innendruck belastete Fläche größer. Daher sind Dichtungen aus hochfestem Material, wie beispielsweise die faserverstärkte Weichstoffdichtung oder aber Dichtungen mit einem steifen Querschnitt, wie beispielsweise die Metallsickendichtungen oder der Rechteckring, leistungsfähiger. Für die Abdichtung von abzudeckenden Dichtflächenfehlern ist eine große Auflagefläche der Dichtung von Vorteil. Eine Zwischenstellung nehmen Grate ein, die entweder durch ihre vollständige Abdeckung oder durch die vollständige Anpassung der Dichtung abgedichtet werden können. In letzterem Fall gelten die gleichen Regeln wie bei der Kratzerabdichtung. Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine breite Grundlage geschaffen, um die Abdichtbarkeit von nicht idealen Dichtsystemen in Abhängigkeit der verwendeten Dichtungsart abzuschätzen. Diese wurde in speziellen Hinweisen für den Konstrukteur und die Qualitätssicherung zusammengefasst. Damit hat der Konstrukteur die Möglichkeit, seine Konstruktion gezielt auf die eingesetzte Dichtung hin zu optimieren oder eine geeignete Dichtungsart auszuwählen. Der Qualitätssicherung ist die Möglichkeit geschaffen worden, gezielter als bisher Dichtflächen zu überprüfen, ohne dabei vermeidbaren Ausschuss und damit Kosten zu produzieren.
Open Access
Strömungsmechanische Untersuchungen zur Funktionsweise von Manschettendichtungen aus PTFE-Compounds mit Rückförderstrukturen
(2015) Goujavin, Witalij; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Standardlösung zur Abdichtung von Wellen im Maschinenbau sind Radial-Wellendichtringe (RWDR) aus Elastomeren. Allerdings stoßen Elastomer-Werkstoffe in vielen Anwendungen an ihre Belastungsgrenzen. Durch Einsatz von PTFE-Compounds als Dichtungswerkstoff können die Einschränkungen von Elastomeren weitgehend überwunden werden. Daher werden in der Dichtungstechnik immer häufiger Manschettendichtungen aus PTFE-Compounds (PTFE-MD) eingesetzt. Im Gegensatz zu Elastomer-RWDR sind bei PTFE-MD Rückförderstrukturen (RS) erforderlich, um die dynamische Dichtheit zu gewährleisten. Für Anwendungen mit festgelegter Drehrichtung der Welle gehören PTFE-MD mit Spiralrille zum bewährten Stand der Technik. Die Spiralrille als RS ist aber nur für eine Drehrichtung der Welle geeignet. Bei wechselnder Wellendrehrichtung werden andere RS verwendet. Es gibt zwar bereits funktionierende PTFE-MD mit RS für beide Drehrichtungen der Welle, allerdings sind diese noch im Erforschungsstadium und weisen Optimierungspotenziale auf. Trotz des hohen potenziellen Nutzens für Dichtungsanwender durch die Verfügbarkeit von optimierten PTFE-MD mit RS, insbesondere für beide Drehrichtungen der Welle, gibt es kaum Fortschritte seitens der Dichtungshersteller. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die entsprechenden Funktionsmechanismen nicht hinreichend bekannt sind. Ohne Kenntnis der genauen Funktionsmechanismen ist eine gezielte Optimierung nicht möglich. Daher muss mit hohem experimentellem Aufwand durch „Versuch und Irrtum“ optimiert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es einen Beitrag zum besseren Verständnis der dynamischen Funktionsmechanismen von PTFE-MD mit RS, insbesondere für beide Drehrichtungen der Welle, zu leisten. Dabei liegt das Hauptaugenmerk der Arbeit auf der numerischen Untersuchung der nachfolgenden Zusammenhänge. • Analyse des Strömungsverlaufs und der Druckverteilung um RS und im Dichtspalt. Dies dient einem besseren Verständnis der Vorgänge im Bereich des Dichtspalts. • Untersuchung unterschiedlicher Einflüsse auf das Umlenk- und Fördervermögen von RS. Ziel ist dabei die Identifikation von relevanten Einflussgrößen auf das Fördervermögen von PTFE-MD mit RS. • Analyse des Förderverhaltens durch den hydrodynamischen Dichtspalt und durch lokale Erhöhungen des Dichtspalts. • Betrachtung der Einflüsse der Dichtspaltgeometrie auf den Förderwert einer PTFE-MD mit RS. • Untersuchung der Auswirkungen von Geometrievariationen am Übergang einer RS in den geschlossenen Ring auf das Druckaufbauvermögen und damit auch indirekt auf das Fördervermögen von PTFE-MD mit RS. Durch ein besseres Verständnis der obigen Zusammenhänge können die dynamischen Funktionsmechanismen von PTFE-MD mit RS besser nachvollzogen werden. Hieraus lassen sich besonders wirkungsvolle Maßnahmen zur Verbesserung des Fördervermögens und damit der dynamischen Dichtsicherheit von PTFE-MD mit RS ableiten. Damit ist eine effektivere Optimierung möglich, wodurch der experimentelle Aufwand bei der Weiterentwicklung von PTFE-MD mit RS reduziert werden kann.
Open Access
Untersuchungen zum Förderverhalten von Dichtsystemen mit Radial-Wellendichtringen aus Elastomer
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2016) Remppis, Marco; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)