Projekte im Forschungsbereich Dichtungstechnik

Ziel ist es, Funktionsmechanismen von PTFE-Manschettendichtungen mit dynamischen Rückförderstrukturen abzuleiten. Hierzu wird die Fluid-Struktur-Interaktion im Dichtspalt zwischen PTFE-Manschette Wellenoberfläche und Schmierstoff mittels EHD-Simulation (Elasto-Hydrodynamik) untersucht.

 

Analyse und Optimierung von Dichtsystemen in Drehübertragern unter Berücksichtigung von modularem Aufbau, Reibungsarmut und platzsparendem Aufbau. Integration moderner Technologien und innovativer Dichtelemente.

 

Zur Abdichtung von Wellendurchtrittsstellen in Gehäusen werden in allen Bereichen des Maschinenbaus Radialwellendichtringe (RWDR) eingesetzt. Allerdings sind seinem Einsatzbereich auch Grenzen gesetzt. Die Anforderungen an den Dichtring hinsichtlich Wellenlaufgeschwindigkeit, Umgebungstemperaturen und chem. Verträglichkeit durch das abzudichtende Fluid (z. B. sogenannte Bioöle) werden immer größer.

 

Radial-Wellendichtringe (RWDR) mit Elastomer-Dichtlippe werden zur Abdichtung zwischen ro­tie­renden und ruhenden Maschinenteilen eingesetzt. Im Betrieb entsteht im Kontaktbereich zwischen RWDR und Welle Reibwärme. Je mehr Reibwärme entsteht und je schlechter diese abgeführt werden kann, desto größer ist die Temperaturüberhöhung im Kontaktbereich. Hohe Tem­peraturen sind für das Dichtsystem extrem schädlich.

 

In vielen Anwendungen versagen Elastomer-Radialwellendichtringe (RWDR) aufgrund von hohen Temperaturen und chemisch aggressiven Fluiden. Dann werden oftmals Gleitringdichtungen oder andere aufwändige, teure und groß bauende Dichtsysteme eingesetzt. Werden die Einsatzgrenzen von Elastomer-RWDR überschritten ist jedoch eine universell einsetzbare, einfach zu beherrschende, zuverlässig funktionierende Dichtlösung notwendig.

 

Radial-Wellendichtungen (RWDR) sind aus dem industriellen Alltag nicht mehr wegzudenken. Trotz ihrer starken Verbreitung ist eine rechnerische Vorhersage der Lebensdauer aktuell nicht möglich. Nur mit aufwändigen Prüfläufen lässt sich das Verhalten - für jedes Dichtsystem individuell - abschätzen. Diese Prüfläufe sind jedoch zeit- und kostenintensiv, weshalb hier vor allem kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) im Wettbewerb mit großen Konzernen im Nachteil sind.

 

Die neuen 3D-Kennwerte nach DIN ISO 25178 zur Oberflächenbeschreibung sind hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit für die Dichtungstechnik nahezu unerforscht. Deshalb sollen in diesem praxisnahen Vorhaben durch Korrelation von gemessenen Förderwerten unterschiedlicher Wellenoberflächen mit 3D-Kennwerten zulässige Grenzen bestimmt werden.

 

Drucklos bespritzte oder überflutete Durchtrittstellen von Wellen durch Gehäusewände werden mit Radial-Wellendichtringen (RWDR) abgedichtet. RWDR besitzen einen dynamischen Dichtmechanismus, der dem Austreten von Flüssigkeit entgegenwirkt. Der Dichtmechanismus wird bisher durch Strömungseffekte erklärt, die die Benetzungseigenschaft des Schmierstoffs vernachlässigen und isotherme Bedingungen voraussetzen. Schwierigkeiten beim Abdichten biologisch abbaubarer Schmierstoffe konnten mit den bisherigen Ansätzen nicht erklärt werden.

 

Berührungsfreie Dichtungen mit fettgefüllten Spalten werden seit vielen Jahrzehnten zur Abdichtung von Schmutz eingesetzt. Um zielsicher fettgefüllte berührungsfreie Dichtungen entwickeln und auch zukünftigen Herausforderungen begegnen zu können, sind fundierte Konstruktionshinweise dringend notwendig.

 

Rechnerische Abschätzung der Dichtgüte von Radial-Wellendichtringen durch Kenntnis der Systemparametereinflüsse II

 

In den zurückliegenden Forschungsprojekten Strukturanalyse I und II wurde eine strukturbasierte Auswertungsmethode für Drallstrukturen entwickelt. Die funktionale Bewertung von Dichtungsgegenlaufflächen erfolgt hierbei anhand von optisch vermessenen Oberflächentopographien. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen und Fluidsimulationen konnte die Funktion des Verfahrens mittels Korrelationsbetrachtungen aufgezeigt werden.

 

Ziel des Forschungsprojektes ist eine Beschreibung der Vorgänge im Dichtspalt, die den Einfluss der Oberflächentopografie der Hydraulikstange auf die Dichtungsreibung und Leckage beschreibt. Mit Hilfe einer einfachen 3D-Oberflächenmessung soll der Anwender die auftretende Reibung und Leckage und somit die Eignung der Stange abschätzen können.

 

Für den Fertigungsprozess Schleifen im Einstich gehärteter Wellen liegen durch die jahrelange Anwendung wichtige Erfahrungswerte vor. Diese Erfahrungswerte sind nicht 1:1 auf den Fertigungsprozess bei weichgeschliffenen Gegenlaufflächen übertragbar. Bei weichgeschliffenen Gegenlaufflächen treten häufig Fehlstellen auf, die zu unvorhersehbaren Abdichtproblemen bis hin zum Komplettausfall der Dichtung führen können.

 

Verschleiß ist die Hauptausfallursache bei Manschettendichtringen aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Er entsteht aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Manschettendichtring und der Gegenlauffläche. Durch diesen Materialverlust verändert sich die Geometrie im Kontaktbereich. Ab einem bestimmten Verschleißgrad versagt der Manschettendichtring und es kommt zur Leckage.

 

Für die Auslegung von flüssig abgedichteten Flächendichtstellen fehlen bislang Berechnungsvorschriften. Besonders für die Entwicklung von Kleinserien und Einzelanfertigungen werden für einen schnellen, kostengünstigen Konstruktionsprozess Möglichkeiten der numerischen Auslegung benötigt, die auch als Rechtfertigungsgrundlage für konstruktive Entscheidungen dienen.

 

Eine zuverlässige, berührende Abdichtung von Schmierfetten bereitet nach wie vor große Probleme. Eine leckagefreie Abdichtung sowie das zuverlässige Abschirmen von Verunreinigungen von außen sind jedoch zum Erreichen hoher Produktqualitäten erforderlich. Aus an der Forschungsstelle durchgeführten Forschungsarbeiten zur Abdichtung von Schmierfetten sind die Leistungsgrenzen fettabdichtender Systeme bekannt. Aus diesen Arbeiten ist ferner umfassendes Wissen über den Einfluss des Dichtungsumfelds und der Systemkomponenten auf das Betriebsverhalten dieser Systeme vorhanden. Die mangelnde Kenntnis über die bei der Abdichtung von Fetten im Dichtspalt relevanten Mechanismen verhindert jedoch die Auslegung verlustarmer und betriebssicherer fettabdichtender Systeme

 

Zur Abdichtung von Wellendurchtrittsstellen werden Radial-Wellendichtungen benötigt. Ein zu diesem Zweck häufig eingesetztes Dichtelement stellt der Radial-Wellendichtring (RWDR) dar. Dieser ist Bestandteil eines tribologischen Systems, bestehend aus dem RWDR, dem abzudichtenden Fluid und der Dichtungsgegenlauffläche. Die Komponenten dieses Systems stehen in komplexen Wechselwirkungen zueinander.

Die dynamische Dichtfunktion einer Radial-Wellendichtung basiert auf einer Förderwirkung des Dichtrings. Im Betrieb gelangt Fluid aus dem abzudichtenden Raum in die Kontaktzone zwischen Dichtkante und Wellenoberfläche, so dass dieser Bereich ausreichend geschmiert ist. Trotzdem tritt, infolge einer entgegengesetzten Rückförderwirkung, an der Luftseite keine Leckage aus. Das System ist dicht und weist eine gewisse Dichtsicherheit auf. Die Höhe der Förderwirkung ist von den einzelnen Systemparametern und deren Zusammenwirken abhängig.

 

Die z.B. bei der Trockenbearbeitung entstehenden Metallstäube müssen von tribologischen Systemen wie Spindellagern ferngehalten werden. Ziel ist es, experimentell abgesicherte Gestaltungsrichtlinien für die Rückhaltung von Stäuben aller Art zu schaffen und diese effektiv in die betriebliche Praxis zu transferieren.

 

In der Praxis eingesetzte dynamische Wellendichtsysteme weisen fast immer eine an die "weiche" Polymerdichtung angeformte Dichtkante auf. Die Welle ist im Kontaktbereich üblicherweise glatt. Mit dem systematisch entwicklten modularen inversen Versuchsdichtsystem ist es gelungen, die Funktion einer invertierten Dichtungsanordnung zwischen relativ bewegten Maschinenteilen nachzuweisen.

 

Es stellt sich das Problem, funktionsfähige Dichtelemente und Dichtsysteme für Linearführungen in Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Diese Dichtsysteme müssen bei geringer Reibung und ohne Stick-Slip den Schmierstoffverlust aus der Führung weitestgehend unterbinden und das Eindringen von Fremdstoffen (Kühlschmierstoff und Schmutz) verhindern.

 

Moderne Produktionsverfahren erzeugen unterschiedliche Oberflächen, die die Funktion des Dichtrings beeinflussen. Durch systematische Untersuchungen der Oberflächentopographie in der Dichtzone werden Rauheitsparameter bestimmt, die eine Korrelation zwischen dem Reibungs-, Verschleiß-, und Dichtverhalten herstellen.

 

Für die besonderen Bedingungen im allgemeinen Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau gibt es beim derzeitigen Stand der Technik keine konkreten Gestaltungsrichtlinien für berührungsfreie Wellendichtungen an "drucklos" bespritzten, ganz-, teilweise- oder schwallartig überfluteten Wellendurchtrittsstellen. Entsprechend vielgestaltig sind die Probleme und entsprechend aufwendig und teuer die Maßnahmen um die BFWD irgendwie leckagearm zu bekommen.

 

Einfluß moderner Fertigungsverfahren und der so erzeugten Makro- und Mikrostrukturen der Wellenoberfläche auf die Funktion von Radialdichtungen. Beschreibung der Wellenoberfläche mit dichtungstechnisch funktionsgerechten 3D-Oberflächenparametern. Charakterisierung fertigungs- und dichtungstechnisch günstiger Wellenoberflächen.

 

Flächendichtungen sind wesentliche Bestandteile in allen Bereichen des Maschinenbaus. In der Dichtungstechnik zählen die Flächendichtungen zum Bereich der statischen Berührungsdichtungen. In zunehmenden Maße werden hier Flüssigdichtmittel eingesetzt. Gerade in der Großserienfertigung und im Leichtbau ist die universelle Anwendbarkeit für beliebige Geometrien und das automatisierbare Auftragen des Dichtmittels von großem Vorteil.

 

Radial-Wellendichtungen sind sehr häufig eingesetzte Dichtsysteme, die in den unterschiedlichsten Anwendungen zu finden sind. So vielfältig wie die Einsatzbereiche sind auch die Randbedingungen und Einflussparameter, die sich auf die Funktion des Dichtsystems auswirken. Hauptkomponenten des Systems sind der Radial-Wellendichtring aus Elastomerwerkstoff, die Wellenoberfläche und das abzudichtende Fluid. Aufgrund der Komplexität sind zurzeit keine zuverlässigen Vorhersagen über das Systemverhalten möglich. Bei bekannten Kombinationen kann auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden, die bei Dichtungsherstellern und manchen Anwendern vorhanden sind. Sollen allerdings neue Kombinationen aus Dichtring, Wellenoberfläche und Schmierstoff eingesetzt werden, sind umfassende Prüfstandsuntersuchungen unumgänglich.

 

Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten Langzeitversuche an Hydraulikstangendichtungen haben ergeben, dass Veränderungen an der Dichtkante im Bereich von Hundertstelmillimetern das Dichtverhalten beeinflussen. Die am Prüfstand und mittels FEM durchgeführten Untersuchungen führten zu Gestaltungsvorschlägen, die eine hohe Dichtsicherheit bei geringem Verschleiß erwarten lassen.

 

Kopplung des Verschleißverhaltens mit der Strukturmechanik von PTFE-Radialdichtungen in der FEM. Optimierung der Dichtungsgeometrie hinsichtlich Verschleiß und Anpressung zur Steigerung der Lebensdauer.

 

Ziel des Vorhabens ist die Erstellung von Konstruktionsrichtlinien speziell für Flüssigdichtstellen. In erster Linie soll der Konstrukteur erfahren, wie die Dichtungsumgebung gestaltet werden muß, damit eine hohe Lebensdauer bezüglich Dichtheit und mechanischer Belastung der Gehäusetrennstelle erreicht wird.

 

Radiale Fluideinspeisung in rotierende Systeme ist in vielen Bereichen der Technik notwendig. Insbesondere dann, wenn keine Möglichkeit besteht stirnseitig Übergangsstellen an Wellen vorzusehen. Beispielhaft ist das Einspeisen von Dampf in Zylinder an Papiermaschinen, Temperierungsfluid in die Extruderschnecken von Kunststoffspritzgussmaschinen, Kühlschmierstoff unter Hochdruck in angetriebene Werkzeuge von Werkzeugmaschinen und Drucköl in Aktuatoren von Pkw-Automatgetrieben zu nennen. 
Für die Abdichtung stehen verschiedene Varianten zur Verfügung.

 

Für die Abdichtung von Drehübertragern für hohen Hydraulikdruck (z.B. im Rundschalttisch oder in Baggern) werden Dichtringe verwendet, die in geschlossenen Nuten im Gehäuse eingeschnappt sind. Diese Dichtungen werden unter Berücksichtigung des gesamten Einbauumfelds der Maschine in diesem Projekt erstmalig in großer Breite untersucht.

 

Radial-Wellendichtringe werden in einer Vielzahl technischer Anwendungen zur Abdichtung von flüssigkeitsbeaufschlagten, rotierenden oder stehenden Wellen erfolgreich eingesetzt. Das Schmierstoffangebot ist hierbei groß, wodurch eine gute Wärmeabfuhr und eine ständige Erneuerung des Schmierstoffs in der Kontaktzone zwischen Radial-Wellendichtring (RWDR) und Dichtungslauffläche gegeben sind.

 

Fettgefüllte berührungsfreie Wellendichtungen (FBFWD) werden häufig bei Wellendurchtrittsstellen mit starker Schmutzbeaufschlagung eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Spaltdichtungen aller möglicher Geometrien, die mit Fett gefüllt sind. Übliche Namen in der Literatur oder bei Dichtungsherstellern für diesen Dichtungstyp sind auch fettgefüllte Schutz- oder Labyrinthdichtungen. Das Fett soll den Schmutz am Durchdringen der Dichtspalte hindern. Diese Dichtungsbauform ist zunächst nichts grundlegend Neues, doch die Anforderungen haben sich radikal verändert.

 

Im Gegensatz zur Hydraulikstangendichtung ist zur optimalen Gestaltung der Stangenoberfläche in Hydraulikdichtsystemen nur sehr wenig bekannt. Die existierenden Oberflächenvorgaben beziehen sich weitestgehend auf die hartverchromte geschliffene „Standardstange“ und wurden über die letzten Jahrzehnte empirisch ermittelt. Bei der Verwendung alternativer Stangenoberflächen kommt es daher immer wieder zu hoher Leckage und exzessivem Verschleiß. Eine allgemeingültige Vorgabe, wie eine optimale Stangenoberfläche beschaffen ist, existiert nicht. Ziel dieses Forschungsprojekts war es daher, den Einfluss der Stangenoberfläche auf Reibung, Verschleiß und Leckage an Hydraulikdichtungen zu bestimmen.

 

Radialwellendichtringe werden zur Abdichtung von Wellendurchtrittsstellen eingesetzt. Sie bilden mit dem abzudichtenden Fluid und der Dichtungsgegenlauffläche ein komplexes tribologisches System. Befinden sich förderaktive Strukturen (Drall) auf der Dichtungsgegenlauffläche kann dies das Dichtsystem massiv beeinflussen. 
Die Mess- und Auswertemöglichkeiten von Drall insbesondere von Mikrodrall sind noch völlig unzureichend. Deshalb war es Ziel ein Auswerteverfahren, zur quantitativen Auswertung von Mikrodrall auf Dichtungsgegenlaufflächen, zu entwickeln.

 

Das bisherige Standard-Fertigungsverfahren für Gegenlaufflächen von Radialwellendichtringen ist „ Schleifen im Einstich“. In der Praxis ist aber ein Trend auszumachen hin zu alternativen Fertigungsmethoden, wie z.B. Hartdrehen, Weichdrehen, Rollieren oder auch Tiefziehen. 
Unterschiedliche Fertigungsverfahren erzeugen auch unterschiedliche Rauheiten und Topographien, also dreidimensionale Erhebungen und Täler.

 

In lebensdauergeschmierten Getrieben kommen häufig Fließfette zum Einsatz. Bezüglich der funktionsgerechten Gestaltung der Abdichtung von fließfettgeschmierten Systemen liegen zurzeit jedoch nur wenige unpräzise Erfahrungswerte vor. Infolgedessen treten häufig Ausfälle mit teilweise unerklärbaren Leckagen auf, die Schäden mit hohen Folgekosten verursachen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erstellung eines Maßnahmenkatalogs zur funktionssicheren Auslegung von Fließfettabdichtungen sowie eines Modells, welches die Funktionsweise fließfettabdichtender Radial-Wellendichtungen erklärt.

 

Schmierfette werden häufig mit Radialwellendichtungen abgedichtet die zur Abdichtung von 
Ölen entwickelt wurden. Dies führt zu einer erheblichen Einschränkung der Leistungsgrenzen. 
Vielversprechendes Potential in Hinblick auf die Leistungsgrenzen, bzw. Reibungsreduzierung wird in Folge dessen nicht ausgeschöpft. Ursächlich hierfür ist mangelndes Wissen über den Einfluss der Systemkomponenten auf das Betriebsverhalten. 
Im Vorhaben wurde der Einfluss der Systemkomponenten des Dichtsystems Radialwellendichtung auf dessen Betriebsverhalten systematisch untersucht.

 

Durch die Verwendung eines leistungsfähigeren Schmierstoffs lassen sich oftmals die Eigenschaften von einem Gesamtprodukt steigern. Synthetische Schmierstoffe werden hierbei bevorzugt eingesetzt, weil diese leistungsfähiger sind als mineralische Schmierstoffe. Eine weitere gezielte Leistungssteigerung kann durch eine geeignete Additivierung der Fluide erreicht werden. 
Es sind vermehrt Ausfälle an Dichtsystemen in welchen ein hoch additiviertes synthetisches Fluid vorkommt zu verzeichnen. Eine Aussage welche Additive gelöst in synthetischen Grundölen im dynamischen Betrieb mit Radial-Wellendichtringen aus unterschiedlichen Werkstoffen unverträglich sind, war bisher nicht möglich.

 

Die Funktionsweise von Radial-Wellendichtungen (RWDR) mit gehärteten Stahlwellen, meist drallfrei im Einstich geschliffen, wurde in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich erforscht. Diese Kombination hat sich millionenfach in unterschiedlichsten Anwendungen bewährt. Ergänzend zum Werkstoff Stahl werden aus verschiedensten Gründen immer häufiger innovative Werkstoffe und Beschichtungen eingesetzt.

 

Der Radialwellendichtring aus Elastomer (RWDR) wird zur Abdichtung vieler Wellendurchtrittsstellen erfolgreich verwendet. Allerdings sind seinem Einsatz Grenzen gesetzt. Deshalb wurden Dichtringe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) entwickelt. PTFE ist temperaturfest, trockenlauffähig und chemisch universell beständig. Da PTFE-Dichtringe nicht wie RWDR selbstständig einen Rückfördermechanismus entwickeln, werden mechanisch Spiralrillen eingebracht. Diese wirken jedoch nur in eine Drehrichtung und sind bei (Teil-) Überflutung undicht.