Dichtheit von Hydraulikstangendichtringen aus Polyurethan : Einfluss von Geometrieveränderungen an PU-Nutringen auf deren Dichtverhalten und Vergleich verschiedener Dichtheitsbewertungen

Abstract

Hydraulikzy­linder sind ein wichtiger Bestandteil moderner Maschinen, die eine große Kraftentfaltung bei kleinem Bauraum bieten. Diese werden schon seit Jahrzehnten eingesetzt und es wurde schon viel geforscht um sie zu verbessern. Trotzdem ist es auch heute noch eine Herausforderung, Leckage zu minimieren bzw. ganz zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Veränderung der Leckage und die Ver­änderung der Dichtringgeometrie von PU-Nutringen in Langzeitexperimenten untersucht. Mittels FEM wurden verschiedene Querschnittsprofile von PU-Nutringen be­trachtet, variiert wurde der Radius an der Dichtkante und eine zweite, flache Kante auf der Luftseite der Dichtlippe. Teilweise wurden reale Dichtringe mit diesen Profilen über große Distanzen getestet. Dabei wurde die Dichtgüte mit Leckagemes­sungen und Förderwertbestimmungen überwacht und die absolute Schmierfilmdicke wurde am gesamten Umfang mittels Ellipsometrie gemessen. Dichtringe mit anfänglich scharfer Dichtkante bildeten im Laufe des Versuchs einen kleinen Radius an der Dichtkante, Leckage trat bis ca. 300 km Laufstrecke auf, danach nicht mehr. FEM-Betrachtungen zeigten ebenfalls eine bessere Dichtwirkung bei Dichtringen mit einem Radius an der Dichtkante. Dagegen leckten Dichtringe, die vor Versuchsbeginn mit einem Radius an der Dichtkante versehen wurden. Bei den Dichtringen mit zweiter, flacher Kante auf der Luftseite der Dichtlippe konnte ein druckgesteuerter „Kippeffekt“ erzielt werden. Dadurch sollte vor allem im Differentialbetrieb eine hohe Dichtgüte möglich sein. Im Spritzguss hergestellte Dichtringe mit auf der Luftseite der Dichtlippe abgestochenen flache Fase, zeigten eine deutlich verbesserte Dichtwirkung im Differentialbetrieb, gedrehte Dichtringe nicht. Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Methoden zur Beurteilung der Dichtgüte, ergaben teilweise sehr unterschiedliche Ergebnisse. Letztlich muss sich im konkreten Aufbau mit Abstreifer, Dichtringen und Führungen sowie entsprechender Betriebsbedingungen zeigen, ob ein Dichtsystem leckagefrei ab­dichtet. Bei den Langzeitversuchen trat zeitlich partiell Leckage auf. Zu Beginn des Ver­suchs wurde leckagefrei abgedichtet, danach folgte ein Bereich in dem die Dichtungen leckten um dann über lange Zeit hinweg wieder dicht zu sein. Ne­ben den zeitlichen Unterschieden ergaben sich auch große Unterschiede am Um­fang der Dichtung. Schmierfilmdickemessungen mit dem Ellipsometer zeigten, dass die Schmierfilmdicke am Stangenumfang teilweise sehr große Unterscheide aufweist. Beide Phänomene sind bisher nicht durch theoretische oder simulative Betrachtungen zu erklären. Die Dichtringe mit flacher Kante auf der Luftseite der Dichtlippe sind eine Mög­lichkeit, durch druckgesteuerte Pressungsverläufe optimierte Dichtungen für Differentialbetrieb zu erhalten. Die mit dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse kön­nen allerdings nur als Anfang gesehen werden. Hier sollte durch weitere For­schung eine praxistaugliche Dichtringauslegung erarbeitet werden.

Die experimentellen Ergebnisse, insbesondere die Schmierfilmdickenmessung am Stangenumfang, werfen Fragen zu den tatsächlichen Vorgängen im Dicht­spalt und zur simulativen Abbildung dieser Vorgänge auf. Daher werden auch weiterhin Versuche und Experimente für die Auslegung von Dichtungen unerlässlich sein.

Hydraulic cylinders are an important part of modern machinery. Especially where high forces are needed, with little space available, they are a good choice. Though hydraulic cylinders have been used for many years and a lot of research was done to improve them, it is still a challenge to reduce and avoid leakage. To proceed on this subject, this thesis examined the tightness of polyurethane hydraulic rod seals with special respect to geometric changes of the seals and compared different methods to describe the tightness of the seals. Long term tests were carried out to analyse changes of leakage and changes of the seal shape of PU lip seals. Seal profiles with different radii at the sealing edge and a second, flat edge on the air side of the sealing lip were examined us­ing FEM. Some of these profiles were applied to real lip seals and tested in long term tests. During this long term tests the tightness was analysed with the de­termination of the leakage and of the pumping effect. Additionally, the absolute thickness of the oil film was analysed using Ellipsometry. During the long term test the sharp sealing edge changed to a radius, going along with improving tightness. Also Seal profiles with rounded sealing edges showed better tightness in FEM simulations compared to seal profiles with sharp edges. Contrary to this, seals with sealing edges rounded before starting the long term test, leaked from the beginning. Seals with a second, flat edge on the sealing lip showed a tilting effect of the sealing lip. With this, the pressure contribution between seal and rod can be in­fluenced by the pressure lasting on the seal. Especially for cylinders driven in differential mode this should enable good possibilities to reach a thin oil film dragged out during outstroke and a high ability to pump oil back in the cylinder during instroke. That should result in good tightness. Tests with turned seals couldn’t reach that potential. In contrast, injection moulded seals where the lip was cut-off to reach a second, flat edge on the lip, showed a significant im­provement of differential mode tightness. The methods used to characterise seal tightness are all helpful and eligible for a comprehensive examination. Nevertheless the results of the different methods differ. Finally, the quality of a sealing system has to be proofed with a concrete test installation using guides, seals and wipers. The leakage measurements of injection moulded seals showed temporal and lo­cal different values. After a phase with tight seals, leakage occurred, followed by a phase without leakage. Selective measurements of the pumping effect did not show leakage at all. Besides, the film thickness measured with the ellipsometer showed big circumferential differences. Lip seals with a second, flat edge on the lip offer a good possibility to improve tightness for differential mode seals. Nevertheless, further work is still necessary to put into practise a seal for daily use. The ellipsometer measurements with big circumferential differences require a new understanding of what happens in the sealing gap. Till then tests and experiments will be essential to design seals.