Betriebs- und Benetzungseigenschaften im Dichtsystem Radial-Wellendichtung am Beispiel von additivierten synthetischen Schmierölen

Abstract

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.

The sealing system of a radial shaft seal consists of three components: the shaft surface, the radial shaft seal and the fluid. These kind of sealing systems have been used since more than 70 years. During the last decades the fluids have changed more and more. An increasing usage of synthetic base oils, which contain an increasing number of additives, can be recognized. The influence of these fluids as part of the sealing systems on the functional behavior of the systems is not known. One goal of this thesis was to determine the influence of synthetic fluids and their additives onto the functional properties of a sealing system. These functional properties are the friction torque, the pumping rate and the wear of the radial shaft seal. All investigations have been done with radial shaft seals made from NBR and FPM. Another goal of this thesis was to quantify the wetting behavior of the fluids. Therefore two wetting properties have been examined: the contact angle and the wetting factor. The contact angle was measured with the fluids on the surface of the radial shaft seals made from both elastomers. Therefore wetting interactions between the fluid and the elastomeric surfaces were detected. The wetting factor was measured with the fluids on the flat surface of a sample made from steel. The wetting factor describes the change of the wetting area after a period of some hours. In this investigations the time was at least two to a maximum of 20 hours. There was also the possibility to do these investigations at different temperatures between 20 and 90°C. The wetting factor was used to represent the wetting interactions between the fluids and the shaft surface, made from steel. Synthetic fluids have been used in all investigations. Their base oil is polyglycole or polyaphaolefine. Each fluid contains of a base oil and one single additive. Additionally the base oils without any additive have been used. In sum 19 different fluids were part of the investigations. The results of the investigations of the named functional und wetting properties show an influence of the base oils. Higher friction torques, pumping rates and wear of the radial shaft seal was measured with fluids based on polyglycole. The contact angles were also higher and the wetting factors were lower with this kind of base oil. Apart from the influence of the base oils, the single additives have shown an influence on the properties. Some additives have always an increasing influence on one property, others always have a decreasing influence. The main goal was to describe all connections between the five functional and wetting properties. All results have been evaluated regarding to the different fluids. This final step was based on the results of the previous investigations, which had been done separately for every property. The first result is that the characteristic of every connection between two properties is similar, despite of the different elastomers. In sum there are five different properties. Looking at three arbitrary properties, there are also three connections between them. Assumed that the characteristics of two connections are known, the characteristic of the unknown third connection must follow a constraint. All determined results have led to an internally consistent overall context. Because of this the results confirm each other. The characteristics of the connections between the friction torque, the pumping rate, the wear of the radial shaft seal and the contact angle are equal. The characteristic of the connection of the wetting factor is opposed to all the named properties. While the friction torque, the pumping rate, the wear and the contact angle increases, the wetting factor decreases at the same rate. The characteristic of the connection of the contact angle and the wetting factor is opposed. Both properties are describing the endeavor of a fluid of wetting a surface. The higher the endeavor of a fluid is, the lower must be the contact angle and the higher must be the wetting factor. The opposed characteristic of their connection is conclusive. This result is remarkable because of the different materials of the surfaces. Different fluids have different endeavors of wetting a surface, but they respectively show the same endeavor on both surfaces which are made from different materials. The friction torque and the wear are dependent on the thickness of the fluid film in the sealing contact. A high pumping rate should reduce the thickness of the fluid film. Finally the assumption can be formulated, that the endeavor of a fluid of wetting a surface is the opponent of the pumping rate. Then the thickness of the fluid film and at the end the friction torque and the wear of the radial shaft seal, are dependent on the wetting properties of the fluid.