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Abdichtung trockener Stäube mit fettgefüllten berührungsfreien Wellendichtungen
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2018) Bosch, Florian; Haas, Werner (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit erweitert, ausgehend vom Stand der Technik, bestehende Konstruktionsrichtlinien für fettgefüllte berührungsfreie Wellendichtungen (FBFWD) zur Abdichtung von trockenen Schmutzpartikeln und gibt Ratschläge für deren zuverlässigen Betrieb. Bei FBFWD gibt es keinen Kontakt zwischen relativ zueinander bewegten Teilen der Dichtung. Die Dichtung arbeitet daher verschleißfrei. Bei der Abdichtung von Schmutzpartikeln ist darauf zu achten, dass sich der fettgefüllte Spalt öffnet. In die Dichtung eindringende Schmutzpartikel werden dann vom Schmierfett an den Spaltwänden gebunden und am weiteren Vordringen in die Dichtung gehindert. Damit FBFWD dauerhaft zur Abdichtung von Schmutzpartikeln eingesetzt werden können, muss das verschmutzte Schmierfett in der Dichtung rechtzeitig durch frisches Schmierfett ersetzt werden. Dies wurde im Rahmen dieser Arbeit in Versuchen mit frischem, gealtertem und verschmutztem Schmierfett untersucht. Aus den Ergebnissen wird eine Empfehlung für die erforderliche Nachschmiermenge formuliert. Darüber hinaus wird die Bewegung der im Schmierfett gebundenen Schmutzpartikel in einem Modell erläutert. Die Bewegung der Schmutzpartikel im Schmierfett tritt bei lokalem Überschreiten der Fließgrenze im Bereich der Schmutzpartikel ein. Diese Bewegung tritt bei Rotation der Welle ein und wird alleine durch die Fliehkraft ausgelöst. Eine Fettströmung im Spalt tritt bei geöffnetem Spalt nicht auf und ist daher nicht an der Bewegung der Schmutzpartikel beteiligt. Die überschlägige Überprüfung des Modells zeigt, dass es eine fliehkraftbedingte Bewegung der Schmutzpartikel im Schmierfett bereits unterhalb der Drehzahl gibt, die für einen geöffneten Spalt notwendig ist. Im ungünstigen Fall werden dabei Schmutzpartikel an die Spaltwand gedrängt und können infolge dessen nicht mehr durch Nachschmieren aus der Dichtung gefördert werden. Das Modell ist daher Ausgangspunkt zur Reduzierung des Bauraums, da Partikel aus bestimmten Spalten (jedem zweiten Axialspalt) nicht ausreichend durch Nachschmieren entfernt werden können. Neben wichtigen Betriebsanweisungen werden in dieser Arbeit bestehende Gestaltungsregeln so erweitert, dass eine zielsichere Konstruktion von FBFWD möglich ist. Durch die geeignete Anordnung der Dichtung in ihrem Umfeld (z.B. ein fettgeschmiertes Lager) kann die Schmierfettmenge im Gesamtsystem (hier ein beidseitig berührungsfrei abgedichtetes Rillenkugellager) reguliert und das Abscheiden von überschüssigem Schmierfett gesteuert werden. Die Schmierfettverteilung in den beiden Dichtungen eines Gesamtsystems wird dabei vor allem durch die Förderrichtung der Dichtung und den Durchmesser des Spalteingangs, durch den die Dichtung mit frischem Schmierfett versorgt wird, beeinflusst. Die Förderrichtung stellt sich durch die bei Rotation der Welle auf das Schmierfett wirkende Fliehkraft radial nach außen ein und kann in das Gesamtsystem hinein oder aus ihm heraus zeigen. Die Spalthöhe hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Schmierfettverteilung. Weitere Versuchsergebnisse zeigen, dass bei einer ideal konstruierten FBFWD der für die Dichtung notwendige Bauraum auf den Eingangsbereich mit einem anschließenden Axialspalt reduziert werden kann. Bestehende Mindestbetriebsparameter zur Öffnung des Spalts konnten nicht bestätigt werden. Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass die strukturviskosen Fließeigenschaften der Schmierfette und besondere Strömungsvorgänge unmittelbar vor der Spaltöffnung eine Öffnung des Spalts verursachen. Um diesen Effekt zukünftig mit einer Strömungssimulation untersuchen zu können, wird ein neues Fließgesetz formuliert. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit stehen sowohl dem Konstrukteur als auch dem Anwender von FBFWD umfassende Informationen zur zielsicheren Entwicklung von FBFWD zur Abdichtung von trockenen Schmutzpartikeln und für deren dauerhaften und zuverlässigen Betrieb zur Verfügung.
Open Access
Abdichtung von fließfettgeschmierten Getrieben mit Radialwellendichtungen - Reibungsminderung durch Makrostrukturierung der Dichtungsgegenlauffläche
(2014) Narten, Michael; Haas, Werner (apl. Prof. Dr.-Ing. habil.)
Diese Arbeit befasst sich mit Radialwellendichtungen von fließfettgeschmierten Getrieben und den Einflüssen der einzelnen Komponenten des Dichtsystems auf dessen Funktion und Verschleiß. Verglichen mit ölgeschmierten Systemen ist der Schmierstoffaustausch in fließfettgeschmierten Getrieben deutlich geringer. Hohe Dichtsystemtemperaturen bis hin zu globaler Mangelschmierung sind die Folgen. Anhand eines praxisnahen Experimentalgetriebes mit einem Wellendurchmesser von 50mm erfolgt eine systematische Variation der Komponenten Dichtelement, Dichtungsgegenlauffläche, Schmierstoff und Dichtungsumfeld. Die relevanten Einflussparameter sowie die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten werden identifiziert. Empfehlungen zur Auslegung von fließfettgeschmierten Dichtsystemen sowie ein praxisgerechtes Modell sind daraus abgeleitet. Die einflussreichste Komponente ist der Schmierstoff. Insbesondere das von ihm beeinflusste Druckniveau wirkt sich im unentlüfteten Getriebe dominant auf die radiale Anpressung der Dichtkante und die damit auf die Temperaturentstehung im Dichtkontakt aus. Die maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten für fließfettgeschmierte Dichtsysteme mit Dichtringen aus Fluor-Polymer-Kautschuk unter geringem Überdruck sollten von allgemein angenommenen 50% auf 25-30%, der für die Abdichtung von Öl geltenden Werte, verringert werden. Grund hierfür ist lokale Mangelschmierung, die schon bei vergleichsweise geringen Umfangsgeschwindigkeiten im luftseitigen Bereich des Dichtkontakts auftreten kann. Zur Minderung von Reibung und Temperatur im Dichtsystem und zur Vermeidung lokaler Mangelschmierung wird Makrostrukturierung von Dichtungsgegenlaufflächen als innovativer Ansatz vorgestellt. Anhand von Vorversuchen bei statischer Abdichtung, Reibmomentmessungen, Verschleißbetrachtungen und Langzeituntersuchungen wird dargestellt, dass achsparalleles Drehfräsen hierzu gut geeignet ist. Eine Wellenbeschichtung mit Strukturchrom wird als weiteres Verfahren vorgestellt. Um die reibungsmindernde Wirkung makrostrukturierter Wellen quantitativ zu beschreiben, werden diese anhand von 3D Oberflächenparameter charakterisiert. Zusätzlich werden die Parameter dem Funktions- und Verschleißverhalten der Dichtsysteme gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer praxisgerechten Eignung bewertet.