Universität Stuttgart
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Item Open Access 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.