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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.