Abdichtung von fließfettgeschmierten Getrieben mit Radialwellendichtungen - Reibungsminderung durch Makrostrukturierung der Dichtungsgegenlauffläche

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit Radialwellendichtungen von fließfettgeschmierten Getrieben und den Einflüssen der einzelnen Komponenten des Dichtsystems auf dessen Funktion und Verschleiß. Verglichen mit ölgeschmierten Systemen ist der Schmierstoffaustausch in fließfettgeschmierten Getrieben deutlich geringer. Hohe Dichtsystemtemperaturen bis hin zu globaler Mangelschmierung sind die Folgen. Anhand eines praxisnahen Experimentalgetriebes mit einem Wellendurchmesser von 50mm erfolgt eine systematische Variation der Komponenten Dichtelement, Dichtungsgegenlauffläche, Schmierstoff und Dichtungsumfeld. Die relevanten Einflussparameter sowie die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten werden identifiziert. Empfehlungen zur Auslegung von fließfettgeschmierten Dichtsystemen sowie ein praxisgerechtes Modell sind daraus abgeleitet.

Die einflussreichste Komponente ist der Schmierstoff. Insbesondere das von ihm beeinflusste Druckniveau wirkt sich im unentlüfteten Getriebe dominant auf die radiale Anpressung der Dichtkante und die damit auf die Temperaturentstehung im Dichtkontakt aus. Die maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeiten für fließfettgeschmierte Dichtsysteme mit Dichtringen aus Fluor-Polymer-Kautschuk unter geringem Überdruck sollten von allgemein angenommenen 50% auf 25-30%, der für die Abdichtung von Öl geltenden Werte, verringert werden. Grund hierfür ist lokale Mangelschmierung, die schon bei vergleichsweise geringen Umfangsgeschwindigkeiten im luftseitigen Bereich des Dichtkontakts auftreten kann.

Zur Minderung von Reibung und Temperatur im Dichtsystem und zur Vermeidung lokaler Mangelschmierung wird Makrostrukturierung von Dichtungsgegenlaufflächen als innovativer Ansatz vorgestellt. Anhand von Vorversuchen bei statischer Abdichtung, Reibmomentmessungen, Verschleißbetrachtungen und Langzeituntersuchungen wird dargestellt, dass achsparalleles Drehfräsen hierzu gut geeignet ist. Eine Wellenbeschichtung mit Strukturchrom wird als weiteres Verfahren vorgestellt. Um die reibungsmindernde Wirkung makrostrukturierter Wellen quantitativ zu beschreiben, werden diese anhand von 3D Oberflächenparameter charakterisiert. Zusätzlich werden die Parameter dem Funktions- und Verschleißverhalten der Dichtsysteme gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer praxisgerechten Eignung bewertet.

This thesis covers radial lip seals for semi fluid grease lubricated transmissions, particularly the influences of the sealing systems components on its functional behavior and wear. Compared with oil lubricated systems the lubricant circulation in a semi fluid grease lubricated transmission is low, subsequently leading to higher temperatures or even global starved lubrication. An experimental transmission with a shaft diameter of 50mm is used to systematically vary the components sealing element, counter surface, lubricant and inner periphery. The relevant influencing parameters and the interactions between the components are identified. Recommendations for the design of semi fluid grease lubricated sealing systems are derived and presented. Furthermore, a practical model for grease lubricated radial lip seals is developed.

The most influential component is the lubricant. Especially its effect on the pressure in an unvented transmission impairs the contact force of the sealing edge and thereby the generated frictional heat. The common presumed limit for the maximal circumferential speed of slightly pressurized semi fluid grease lubricated sealing systems with lip seals made from fluoropolymer should be reduced from 50% to 25 - 30% of the limit for oil lubricated sealing systems. This reduction is based on local starved lubrication in the air sided section of the sealing contact which can already occur at relatively low circumferential speeds.

In order to reduce the friction and the temperature of the sealing system and furthermore to avoid local starved lubrication, macroscopic texturing of the counter surface is introduced as an innovative approach. Experiments of the static sealing, friction torque measurements, wear evaluations and long-term tests verify axially parallel turn-milling as an appropriate manufacturing method for macroscopic surface textures. Structural chrome coating is introduced as another possible method. 3D surface parameters are used to quantitatively describe the friction reducing effect of macroscopic surface textures. In the same process, these parameters are evaluated regarding their practical applicability to predict friction and wear.