Statisches Abdichten auf nicht idealen Dichtflächen in der Antriebstechnik

Abstract

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.

The static sealing of housing joints in drive engineering has always been a challenging endeavour, all the more so since the last couple of years have seen conditions for the dependability of gasketed joints grow worse. One reason can be seen in the lesser quality of gasket surface finishing, combined with designs that are less stiff and allow for movement in the gasketed joint. The aim of this thesis was to systematically examine and present different gasket types in terms of their suitability for jointing in less than ideal boundary conditions. The gaskets have been categorized into adhesion gaskets and compressed gaskets, according to their operating principle. These categories were then further divided by their type of installation: off load contact or main load seal. Based on these classifications, representative gaskets were chosen for analyses. The first of three studies focused on the shear load of a given gasketed joint. Shear stiffness varied significantly, ranging from 0.1 Nm/µm to 100 Nm/µm. The two most relevant factors here were compression force and temperature, the latter being especially important in gaskets using polymer. Wear behaviour ranged from gaskets being effectively wear-free (PTFE and aramid fiber gaskets) to being completely destroyed (ribbed metal-elastomer gaskets with coating). In solid gaskets, the shear load already led to considerable wear, but in liquid gaskets a few micrometres often sufficed to lead to the destruction of the gasket layer. However, a chamber design in combination with a flexible liquid gasket brought significant improvements. Gasket surface imperfections were categorized according to the method by which they could be sealed: those that needed to be covered and those that needed to be filled. The latter can, in theory, be described by means of contact mechanics. One important finding was that, during the adjustment phase, the elastomer flows not towards but away from the imperfections. A finite element analysis was used to describe the adjustment of pointed and blunt scratches. It was found that leakage is to be expected at the lowest point of a pointed scratch or in the corner of a blunt scratch. Damages to the gasket as a result of stress maxima are to be expected at the edges of the imperfections. Another finding showed that friction has a strong influence on the adjustment. Finally, a geometrical characteristic diagram was used to depict the sealable imperfections. The sealable depth of scratches was determined via internal pressure tests. It was possible to seal depths ranging between 20 µm (soft material gaskets with aramid fibers) and 1000 µm (silicone or polyacrylate). Depending on internal pressure, the depth of a 60° scratch that could be sealed with an elastomer gasket ranged from 50 µm to 100 µm. As soon as the imperfections were less steep, a much greater depth could be sealed. Shear load tests were employed in order to determine the correlation between sealable depth of scratches and shear load. The following effects could be observed: smaller shear movement supports the adjustment process, whereas higher shear movement leads to leakages through wear or loss of adjustment. The sealing of flatness imperfections was investigated in internal pressure and shear load tests for wavy and stepped imperfections. Wavy imperfections could be sealed in a depth ranging between 0.1 mm and 1 mm. Stepped imperfections that could be successfully sealed were found to be in the upper range of sealable scratch depths. The more continuous an imperfection, the higher is its sealable depth. Gaskets with a wide range of spring are advantageous. What happens in fillable gasket surface imperfections is that the gasket lacks support inside the housing joint. At the same time, the gasket’s pressure loaded area increases. That is why gaskets made from a high-strength material (such as fibre filled soft material gaskets) or those with a stiff cross-section (such as ribbed metal elastomer gaskets or elastomer quadrings) perform better. In order to work with coverable surface imperfections, a larger contact face for the gasket is advantageous. Burrs can either be sealed by completely covering them, or by using a gasket that can adjust. In the latter case, the rules for covering scratches are applicable as well. A table sums up the suitability of the examined types of gaskets for sealing gasket surface imperfections in correlation to their operating parameters. The presented thesis offers a broad basis for assessing the sealability of less than ideal gasketed joints dependent on the gasket type used. It offers specific guidelines for design and quality management. Engineers will be able to optimise their design to best support a chosen gasket, or to choose a suitable gasket. Quality management will have the opportunity to review gasket surfaces in a more precise way than before, without producing rejects and hence unnecessary costs.