PTFE-Manschettendichtungen mit Spiralrille : Analyse, Funktionsweise und Erweiterung der Einsatzgrenzen

Abstract

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.

Elastomeric lip seals are used to seal rotating shafts in all areas of mechanical and automotive engineering. The Elastomeric lip seal is a frequent and reliable sealing system in millions of cases. Based on its good static sealing and the active dynamic sealing mechanism it is accepted by the market. However, limits are set to its area of application. The load on the lip seal during its use, for example at high ambient temperatures and high shaft speeds leads to high temperatures at the seal edge. Also the high specific friction work leads to overheating. This degrades the elastomer and the fluid. Elas-tomeric lip seals are ageing very fast under such high-loads. An even bigger problem is the comparative low chemical resistance. For these reasons Elastomeric lip seals are being substituted more and more by sleeve type lip seals made of Polytetrafluorethylene (PTFE) compounds. The PTFE lip seals can be used in a temperature range up to 260 °C and at higher circumferential speeds. Due to their good tribological attributes they can also be used at sparsely oiled sealing areas or for the sealing of poorly lubing fluids. Its universal chemical resistance is an-other major advantage. In comparison to an Elastomeric lip seal the plain PTFE lip seal does not have an in-ward pumping mechanism. Therefore the PTFE lip seal with spiral groove was devel-oped. The spiral groove is connected, analogue to a thread with several convolutions, to the shaft. Thereby it generates an adjusted pump effect on the oil beneath the lip de-pending on the direction of rotation. The static sealing has to be stated critically due to the fact that fluids can leak through the continuous spiral groove at standstill of the shaft. The precise functions of the dynamic and the static seal mechanism are not well understood up to now. Therefore today’s products were largely developed by empiric procession. Nevertheless, the understanding of the flow is necessary to be able to develop and improve new seals.

This work aimed to analyse and optimise the function and design of the groove-geometry. Therefore the state-of-the-art of market-available PTFE lip seals was investigated. The following behaviours and methods were analysed and used:

• Geometry • Radial Force • Friction Torque • Oil pumping rate • Air pumping rate • Leak tightness, wear and development of oil coal in long-time tests • Static leak tightness • Flow in the convolutions due to visual analysis through a glass hollow shaft • Finite Element Analysis • Computational Fluid Dynamic Analysis

With these methods the penetration behaviour, the hydrodynamic flow and the back pumping mechanisms were investigated and exemplarily described for three groove types. The mechanisms in different groove types can now be understood, compared, and optimised. In addition, the influence of entered particles or of an oxidation deposit from degraded oil can be analysed. Furthermore, this knowledge serves the verification of Computational Fluid Dynamic simulations.

Results for the dynamical function are: • The oil is forwarded circumferentially in the convolutions around the shaft and therefore pumped back. No axial flow takes place. • The transport of the oil takes also place on the contacting areas, even if the convolutions are not filled. --> The geometries of the different spiral grooves are working well if the shaft rotates.

Results for the statical function are: • All PTFE lip seals leak if the oil level reaches the shaft, and therefore the lip. • The oil flows through the open entry into the groove, around the shaft and even above the oil level. It leaks out at the air side. --> The geometries of the different spiral grooves do not work sufficiently if the oil level reaches the lip seal at standstill of the shaft.

With this knowledge, the groove geometry was optimized in this dissertation. • The contacting area has to be small, and the walls of the groove have to be rampant. Therefore the oil can be hold in this area by cohesion forces and the oil does not flow in the convolution. • The lip seal was innovatively extended with a closed ring at the oil side. This ring closes the open entry of the spiral groove and thus avoids the inflow of oil. • The radial force and the pressure distribution were optimised with the help of finite element analysis. They were adjusted with newly-created add-ons.

With these optimisations a new, statically leak tight lip seal for the use in all fields of mechanical engineering was developed. It can seal all fluids at temperatures up to 260 °C.

This innovative lip seal prevents choosing a wrong seal, optimises the storage and ensures an optimal function at all operating conditions. The costs are comparable to high-grade Fluorelastomeric lip seals.