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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.