Publikationen

Zusammenfassung

Das Tribosystem Radialwellendichtung bestehend aus Dichtelement und Welle sind die Hauptteile dieses Fachbuches. Es wird umfassend, basierend auf neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen der Aufbau und die Funktionsweise beschrieben. Etliche Beispiele mit Schadensbildern zeigen die verschiedenen Schadenskategorien und beschreiben deren Ursachen.

Zusammenfassung

Dieses Lehr- und Grundlagenbuch gliedert das Thema Tribologie von Grund auf neu. Die Begriffe werden einheitlich definiert und eindeutig verwendet. Es zeigt die Komplexität auf, weckt das Interesse für die Tribologie und bringt Klarheit in die Wechselwirkungen zwischen Festkörper und Schmierstoffe.

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Das Tribosystem Radialwellendichtung bestehend aus Dichtelement und Welle sind die Hauptteile dieses Fachbuches. Es wird umfassend, basierend auf neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen der Aufbau und die Funktionsweise beschrieben. Etliche Beispiele mit Schadensbildern zeigen die verschiedenen Schadenskategorien und beschreiben deren Ursachen.

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Dieses Lehr- und Grundlagenbuch gliedert das Thema Tribologie von Grund auf neu. Die Begriffe werden einheitlich definiert und eindeutig verwendet. Es zeigt die Komplexität auf, weckt das Interesse für die Tribologie und bringt Klarheit in die Wechselwirkungen zwischen Festkörper und Schmierstoffe.

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Die Grundlage zu diesem Büchlein entstand als zwölfteilige Artikelserie in der Zeitschrift Dicht!. Der Inhalt basiert auf der mittlerweile über 35-jährigen Erfahrung des Autors mit Dichtungen aller Art. Die Basis bilden eine Vielzahl von bearbeiteten Forschungsprojekten, unzählige Industrieberatungen und vielfältige Informationen aus der International Sealing Conference. Diese findet seit 2002 in 2-jährigem Rhythmus an der Universität Stuttgart statt. Sie ist mittlerweile die bedeutendste Dichtungstagung weltweit. Ziel der Darstellungen ist ein grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge im vielfältigen technischen System Dichtung zu wecken. Deshalb werden auch nicht einzelne Dichtelemente besprochen, sondern stets das tribologische System Dichtung betrachtet. Dieses besteht aus dem Dichtelement selbst, dessen Gegenfläche, dem abzudichtenden Stoff und der äußeren Umgebung. Hinzu kommen die Betriebsbedingungen und die konstruktive Integration der Dichtung in das technische Gesamtsystem. Alle Punkte und besonders ihr Zusammenwirken sind wichtig für eine gute Funktion der Dichtung – nicht nur das Dichtelement! Nur wenige grundlegende physikalische Zusammenhänge muss man kennen um die vielfältigen Dichtungen und ihre Wirkung beurteilen zu können. Die Vielfalt entsteht durch geschickte konstruktive und werkstoffmechanische Umsetzung der wenigen grundlegenden physikalischen Zusammenhänge. Der Inhalt dieses Büchleins soll jedermann helfen ein Gespür dafür zu entwickeln. Deshalb sind die Ausführungen vorzugsweise anschaulich und nicht mit letzter Konsequenz mathematisch und physikalisch exakt gehalten. Das Buch hat 89 Seiten mit 67 Abbildungen.

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Designed to meet the needs of design engineers, plant and maintenance engineers, project engineers, draftsmen, technical support staff, and technical marketing staff, this book considers the fundamental physical basis of seals as well as all major types of seals, seal materials, and sealing applications. The authors examine rotary, reciprocating, and static systems, explain fluid dynamics of thin films in seals, and address leakage control between mating parts in static or moving systems.

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Im vorliegenden Konstruktions-, Richtlinien- und Lösungskatalog ist das in 10-jähriger Forschungsarbeit am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart erworbene Wissen über die zweckgerechte Gestaltung berührungsfreier Spindelabdichtungen zusammengefasst. Der komplexe, geometrisch-konstruktive Inhalt der Forschungsergebnisse wird dem Konstrukteur in einer für die tägliche Konstruktionsarbeit effektiven Weise übermittelt.

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Das Buch stellt die Möglichkeiten und Grenzen der modernen Dichtungstechnik für bewegte Maschinenteile umfassend dar. In einundzwanzig Kapiteln werden die physikalischen Grundlagen und die vielfältigen Techniken des Abdichtens bewegter Maschinenteile in klarer Sprache und mit prägnanten Bildern beschrieben. Die Anwender von Dichtsystemen werden auf dem Stand der Technik eingehend informiert über die - Einsatzbereiche und das Verhalten von Standard-Dichtungen - Abdichtmöglichkeiten unter außergewöhnlichen Bedingungen - Dichtmechanismen der wichtigsten Systeme - Berechnung der Leckrate und der Reibung bestimmter Dichtungen - Leistungsgrenzen einzelner Dichtelemente und Dichtsysteme - Ursachen und Bedingungen, die zum Versagen von Dichtungen führen - Möglichkeiten der leckagefreien Abdichtung - Entwicklungstrends der modernen Dichtungstechnik Anmerkung: Dieses Buch ist vergriffen und wird nicht wieder aufgelegt. Einen aktualisierten Inhalt finden sie seit Februar 2003 frei zugänglich im Internet unter http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/. Das Buch "Fluid Sealing Technology" ist inhaltsgleich.

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Elastomeric rotary shaft seals are a common seal type for various industrial applications. They are comparably cheap and easy to use and offer an overall good performance. But the wear behavior of these sealing systems is not fully understood and not predictable so far. If a lip seal fails, it causes high maintenance costs and environmental damage. In this article, various tribological conditions are considered. For this purpose, the sealing systems are tested with multiple operating conditions relevant to practice. Three test series are conducted with rotary shaft seals BAUM5X7 75FKM585 on plunge ground shafts. The tests are carried out with two different circumferential velocities of the shaft (4.2 and 10 m/s), three different oil sump temperatures (40, 80, and 120 °C), two different lubricant types (FVA 3 and PG 3), and five different test durations (between 100 and 625 h). For a complete acquisition of the system condition, all shaft surfaces are measured in 2D and 3D before and after the test runs and the wear of the sealing edges is evaluated with a recently developed laser line triangulation method on the complete circumference of the sealing rings. Results show large amounts of wear, depending significantly on the operating conditions. A strong correlation of the wear effects in the tribocontact area of the sealing system becomes evident. This article helps to understand and avoid critical operating conditions concerning abrasive wear.

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Bei einer Vielzahl von Forschungsprojekten konnten mutmaßlich schädliche Einflüsse auf Radial- Wellendichtungen durch das Auftreten von Leckage nicht gezeigt werden. Eine quantitative Bewertung oder gar die Ermittlung von Grenzwerten ist nicht möglich. Das Fluidpumpvermögen eines Dichtsystems lässt sich über den Förderwert quantifizieren. Der Systemförderwert setzt sich dabei aus dem Förderwertanteil des Radial-Wellendichtrings und dem der Dichtungsgegenlauffläche zusammen. Häufig haben handelsübliche Radial-Wellendichtringe ein so starkes Fluidpumpvermögen, dass schädliche Einflüsse kompensiert werde können. Ziel des gesamten Projektes ist daher die Entwicklung eines Referenz-Radial-Wellendichtrings, dessen Fluidpumpvermögen gering aber gleichzeitig stabil ist. Dadurch soll der Einfluss auf den Systemförderwert minimiert werden. Ziel dieser Vorstudie ist ein schneller Erkenntnisgewinn und Wissenstransfer für das Gesamtprojekt. Das Fluidpumpvermögen wird in diesem Projekt durch gezielte geometrische Veränderungen der Querschnittsgeometrie beeinflusst. Dazu wurden Radial-Wellendichtringe aus zwei unterschiedlichen Materialien mit insgesamt sieben unterschiedlich abgestochene fluidseitigen Flankenwinkeln untersucht. In Geometrieanalysen konnte zunächst nachgewiesen werden, dass die vorgegeben geometrischen Parameter umsetz- und herstellbar sind. Daraufhin konnte in Radialkraftanalysen ein Zusammenhang zwischen der Geometrie der Dichtringe und der Radialkraft festgestellt werden. In Förderwertuntersuchungen konnte mit keinem der untersuchten Dichtringe Förderneutralität erreicht werden. Ferner konnte keine direkte Korrelation zwischen dem variierten fluidseitigen Flankenwinkel und dem Förderwert festgestellt werden. Erklärungen hierfür liefern Strömungsanalysen und Simulationen. Zusammenfassend lässt sich daraus schließen, dass für die Entwicklung eines förderneutralen Referenz- Radial-Wellendichtrings weitere geometrische Parameter betrachtet werden müssen. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht

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The seal failure of an elastomer rotary shaft seal is often caused due to lead on the shaft counterface. In sealing technology, the term ‘lead’ includes all structures on sealing counterfaces that are capable of transporting fluid in axial direction through the sealing contact and thus disrupting the sealing mechanism. Lead structures are created during the manufacturing process of the shaft surface or throughout the handling. They occur in various shapes and sizes. Depending on the characteristics of the lead structures, several specialized measurement and evaluation methods exist which have to be applied in combination. However, not all types of lead can be covered with the methods known so far. State of the art are frequency-based and model-based analysis methods, which are only able to detect periodic lead structures. Aperiodic and stochastically distributed lead structures cannot be detected due to the functional principle. This article provides an approach for a structure-based evaluation of macroscopic lead structures based on optical topography measurement data. This allows to detect all known types of macroscopic lead on the shaft surface and in future to measure microscopic and macroscopic lead with a single measurement procedure.

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The function of radial sealing systems depends significantly on the shaft counterface. External cylindrical plunge grinding is considered the standard for the manufacturing of suitable shaft counterfaces. It creates a stochastic surface texture with many anisotropic groove-like grinding structures, oriented in the circumferential direction of the shaft. The structures are created by the grain engagement into the workpiece during the grinding process. This surface characteristic exhibits optimal properties for hydrodynamic lubrication between the seal and the shaft. Although there is no axial relative movement between grinding wheel and workpiece in plunge grinding, under unfavorable conditions grinding structures can be produced that deviate from the circumferential direction. These structures then transport fluid through the sealing during rotation. Structures, that cause fluid transportation because of inclined orientation to the circumferential direction, are referred to as micro lead. Especially for high rotational speeds, e.g. in electric powertrains, micro lead causes high pumping effects and therefore leakage and following failure of products. This publication presents findings on the influence of the dressing parameters on the formation of micro lead during external cylindrical plunge grinding. The experimental investigations show that especially negative dressing speed ratios lead to the formation of micro lead structures.

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Elastomeric radial lip seals are complex tribological systems. Their sealing performance is essentially determined by the back pumping capability of the system. During the dynamic operation, radial lip seals can actively pump leaking fluid back to the fluid side. For the assessment of the pumping capability and the leak-tightness of the sealing system, the pumping rate can be used. The pumping rate measures the pumped fluid volume per time or distance. In this paper, the influence of low operating temperatures on the pumping rate of elastomeric radial lip seals is analysed experimentally. For this purpose, the pumping rate was measured at different oil sump temperatures betweenþinspace+40 and --20 °C. The experimental analyses were performed with radial lip seals made of nitrile rubber (NBR) and fluoro rubber (FKM) in combination with mineral and synthetic (polyglycol and polyalphaolefin) oils.

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Modern lubricants (e.g. polyglycols, esters) cause problems when sealed with radial lip seals. The wear of radial lip seals strongly depends on the wetting properties of the respective friction partners. The paper shows, how these wetting characteristics correlate to the wear measured on both, the radial lip seal and the shaft countersurface. Investigations were carried out using polished 100Cr6 steel counter faces and FKM radial lip seals, together with ten chemically different lubricants (two mineral oils, four polyglycols, two poly-α-olefins, one ester and one silicone oil). The results show why some radial lip sealing systems are able to maintain their function over the expected service life and others fail prematurely.

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The lubricant flow in the sealing gap significantly affects the sealing behavior of rotary shaft seals. Computational fluid dynamics (CFD) are applied here to analyze these fluid flows. A decisive input parameter is the sealing gap height respectively the lubricant film thickness. The film thickness is estimated on the basis of several analytical elastohydrodynamic lubrication (EHL) equations. The results for sealing characteristics such as the pumping rate and the friction torque derived from the numerical analyses are compared and discussed with the results obtained from test rig studies. This allows the validity of the applied methods to be verified.

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Radial lip seals are used in various sizes and designs to seal shaft interfaces. In contrast to other sealing systems, elastomeric radial lip seals have a back-pumping capability. Fluid is pumped under the sealing edge from the air side to the fluid side. The simplest method for measuring the back-pumping rate is the converse installation of the radial lip seal. This paper describes the current state of the art in back-pumping rate measurement. It shows the advantages over other methods and the limitations of the method. For the converse installation, there was always the assumption of hydrodynamic lubrication. This means there would be only minimal initial runin effects and no further wear. Current research work however, question this assumption. To analyze the wear formation during back-pumping rate measurements, various long-term tests were carried out. The resulting wear is compared with identical tests in normal installation.

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The sealing behaviour of elastomeric radial lip seals is essentially affected by the sealing mechanism in the contact area between the sealing edge and the shaft surface. The relative motion between radial lip seal and shaft deforms the sealing edge tangentially in the circumferential direction. This mechanical deformation is considered essential for the sealing mechanism. In this study, a numerical approach is employed to simulate this deformation. A three-dimensional multiscale model serves this purpose. The radial lip seal geometry is described on the macro-scale. On the micro-scale, an artificial rough surface with a stochastic roughness distribution is applied to an ideal sealing edge surface. A new meshing algorithm is used to discretise different sealing edge surfaces and automatically generates structured hexahedral meshes of the sealing edges. Mesh transitions connect the resulting finely meshed sealing edge to the coarsely meshed global macro-scale mesh of the radial lip seal. The paper introduces the modelling method used to simulate the deformation of radial lip seals. Results are presented and discussed with reference to the sealing behaviour. This contributes to a better understanding of the sealing mechanism of radial lip seals.

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A key factor influencing the friction of rod seals is a thin oil film, which is dragged into the sealing gap at outstroke and instroke. Accurate determination of oil film thickness in the sealing gap of rod seals is a challenging task since it is only in the range of a few nanometers. A novel measurement procedure to analyze the friction of common reciprocating sealing systems in direct relation to the shear rate and film thickness is introduced in this paper. Results from a first empirical study with film thicknesses in the range of a few nanometers and shear rates up to γ˙=107 s−1 were used to compare the friction of practically relevant polyurethane U-cups. The U-cups differ in their geometry and surface roughness. It is seen that even at such thin films, the measured friction of those seals can be approximated by Newtonian fluid friction (speed, film thickness, viscosity, contact area). In general, the novel measurement procedure is useful in a scientific and technical context, since it offers a new perspective on tribological mechanisms at thin film lubrication conditions.

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Elastomere Radial-Wellendichtungen werden in fast jedem antriebstechnischen Aggregat eingesetzt. Ohne Abdichtung der Wellendurchtrittstelle ist ein Betrieb unmöglich. Obwohl die Dichtringe millionenfach eingesetzt werden, kommt es immer wieder zum Systemschaden „Leckage“. Die Dichtringe zeigen als tribologischen Primärschaden beispielsweise Verhärtung, Risse oder exzessiven Verschleiß. Eine Berechnung der Lebensdauer ist für RWDR nach wie vor nicht möglich, daher sind Prüfläufe das einzige Werkzeug zur sicheren Auslegung von Dichtsystemen. Die Forschungsvorhaben der Projektreihe 696 haben zum Ziel, KmU und anderen Unternehmen einen Leitfaden zur systematischen Prüfung von Dichtsystemen zur Verfügung zu stellen. Wichtigstes Werkzeug dafür ist der vollständige Gesamtschadenskatalog. Das Wissen aus 696 I bis IV zum Thema Schadenanalyse, einstufigen und wechselnden Belastungen sowie zur Validierung der Ergebnisse unter industriellen Einsatzbedingungen wird in diesem Gesamtbericht zusammengeführt. Die Unternehmen können mit dem Leitfaden Schadensfälle analysieren und angepasste Kollektive für tribometrische Versuche erstellen. Damit können Dichtsysteme untersucht und optimiert werden. Leckage und Imageverlust können sicher vermieden werden. Die Erkenntnisse sind digitalisiert und stehen für den Wissenstransfer zur Verfügung. In der Projektreihe 696 wurden 278 Prüfläufe mit einer kumulierte Versuchslaufzeit von 108.117,4 h (= 12,3 Jahre) und einem kumulierten Laufweg von fast 2 Millionen km individuell ausgewertet. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Zusammenfassung

In the event of damage to sealing systems, expert knowledge in dealing with these problems is often not available to many industrial users. The development engineer is faced with the question of improving the product to meet the new requirements. The aim of this publication is to provide a proven guide for dealing with problematic sealing systems.

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Conclusions on the lubrication conditions in the sealing gap of rod seals can be drawn by measuring the oil film thickness on the rod after outstroke, for which ellipsometry is used in this paper. A commercially available U-cup rod seal made of polyurethane and a polished, hard-chrome-plated hydraulic rod were used. The film thickness was measured at various rod speeds (5–800 mms^(−1)), operating pressures (up to 25 MPa) and oil viscosities (ISO VG 15 - 460). Discrepancies between the inverse theory of hydrodynamic lubrication (IHL) and empirically measured film thickness are discussed in this paper. An approximation equation to calculate the film thickness of the analyzed sealing system based on the presented measurement data is provided.

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The lubrication and sealing mechanism of elastomeric radial lip seals are significantly influenced by local deformations in the contact area between the sealing edge and the shaft. These microscopic mechanical effects cannot be completely analysed in visual observations. This paper presents a methodology for the numerical analysis of the radial compression and the tangential distortion of the sealing edge surface during operation. The finite element analysis is used for this purpose. The modelling of a three-dimensional multiscale model is described in detail. Results are presented and discussed with reference to the possible sealing behaviour

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Radial lip seals are a common seal type for drive units in various industrial applications. Environmentally friendly operation strategies require these drive units to be driven on demand in short time duty. The sealing systems have to deal with fast changing oil sump temperatures. This cannot be reproduced on usual test rigs. Firstly, a test rig with advanced heating and cooling capacities was developed. Then, comprehensive test series were carried out. As expected, test results show, different constant temperature levels lead to a significant change of wear. Furthermore, fast changing temperatures are adding additional tribological stress to the sealing system.

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The function of a radial shaft seal is based on interactions between the sealing edge and the shaft counterface. To better understand these mechanisms, a look inside the sealing contact was taken. The procedure and the testing facility are presented in this article. In addition, a research methodology was developed to systematically analyze the fluid flow and the distortion of the sealing surface of shaft seals. The results of the test procedure are documented in an evaluation matrix that allows the comparison of sealing systems with different worn sealing edges. For example, the tests show an influence of the rotation direction of the shaft during running-in on the formation of leakage channels or oil collecting chambers within the sealing contact.

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The radial load of a radial lip seal indicates how strongly the sealing lip is pressed on the shaft. The radial load significantly affects the function of the seal. The German standard DIN 3761-9 describes the measurement of the radial load according to the split-shaft method but leaves room for interpretation. During the revision of the standard, a parameter study was conducted at the University of Stuttgart. This study analyses the influence of the measurement device, the mandrels and the measuring procedure on the results. Based on the study results, recommendations are derived and summarized in a best-practice guideline, which should enable an appropriate and reproducible measurement of the radial load. Die Radialkraft eines Radial-Wellendichtrings (RWDR) gibt an, wie stark dessen Dichtlippe an die Welle angedrückt wird. Die Radialkraft beeinflusst das Funktionsverhalten des RWDR maßgeblich. Die DIN 3761-9 beschreibt die Messung der Radialkraft nach dem Zwei-Backen-Verfahren, lässt dabei aber Interpretationsspielraum. Im Rahmen der Normüberarbeitung wurde am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart in einer Parameterstudie untersucht, welchen Einfluss die Eigenschaften des Messgeräts, die Ausführung der Messbacken und die Gestaltung des Messvorgangs auf das Messergebnis haben. Basierend auf den Studienergebnissen werden Empfehlungen abgeleitet und in einem Best-Practice-Leitfaden zusammengefasst, der eine zielgerichtete und reproduzierbare Messung der Radialkraft ermöglichen soll.

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Erhöhter Verschleiß am Radial-Wellendichtsystem ist ein häufig auftretendes Problem bei der Abdichtung moderner Schmierstoffe wie Poly-α-Olefinen, Polyglykolen und Estern. Im Forschungsprojekt "Welleneinlauf" wurden in diesem Zusammenhang Stoff- und Benetzungskenngrößen untersucht und identifiziert, mit deren Hilfe übermäßiger Verschleiß am Dichtsystem vorhergesagt werden kann. Ungeeignete Materialkombinationen der Dichtungskomponenten können so frühzeitig erkannt und vermieden werden. Das senkt Kosten und spart Zeit bei der aufwendigen Validierung von Dichtsystemen durch Prüfstandsuntersuchungen. Auf Grundlage der durchgeführten Analysen und Prüfstandsuntersuchungen wurde ein Korrelationsmodell erarbeitet, das zur Abschätzung des Verschleißverhaltens von Radial-Wellendichtsystemen genutzt werden kann. Dieses erfordert ausschließlich Stoff- und Benetzungskenngrößen aus genormten Mess- und Berechnungsverfahren. Einige Stoffgrößen können vom Anwender bereits aus Datenblättern oder als Anhaltswerte aus Tabellenwerken übernommen werden. Zentraler Punkt zur Bestimmung der Benetzungskenngrößen ist die meist unbekannte Oberflächenspannung, die nach DIN 55660, mit ergänzenden Hinweisen aus diesem Forschungsprojekt. bestimmt werden kann. Insbesondere bei der Verwendung modernerer Schmierstoffe wie Estern oder Polyglykolen anstelle von Mineralölen ergeben sich Schwierigkeiten, wie ein erhöhtes Leckage- und Verschleißrisiko. Bislang sind diese Schwierigkeiten nur mit zeit- und kostenintensiven Vor- und Prüfstandsuntersuchungen auszuräumen. Im abgeschlossenen Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass verglichen mit den aktuell genutzten Prüfstandsuntersuchungen, zeit- und kostengünstigere Förderwertuntersuchungen zur Identifikation verschleißanfälliger Radial-Wellendichtsysteme genutzt werden können. Die erzielten Forschungsergebnisse zeigen einen grundlegenden Zusammenhang zwischen den Benetzungseigenschaften der beteiligten Dichtungskomponenten und dem Verschleiß des Dichtsystems. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Anpassung und Weiterentwicklung von Radial-Wellendichtsystemen. Durch die gezielte Manipulation der Benetzungseigenschaften einzelner Dichtungskomponenten kann zukünftig der Einsatzbereich von Radial-Wellendichtungen erheblich gesteigert, Verschleiß reduziert und deren Lebensdauer erhöht werden.

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In this paper a numerical approach is applied to analyse the influence of wear on the lubrication and sealing mechanism of radial lip seals. A three-dimensional multi-scale mechanical model is presented. This allows to simulate the macroscopic deformation of the entire radial lip seal and the microscopic deformations in the contact area between the sealing edge and the shaft surface. Furthermore, different wear band widths and surface roughness of sealing edges can be analysed efficiently. In the context of this paper, measurement results of radial lip seals in different wear states out of test runs are applied. The simulation results of the different sealing edges are compared. This allows drawing conclusions about the influence of wear on the performance of radial lip seals. This leads to a better understanding of the potential failure mechanisms of radial lip seals.

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Bei der Abdichtung von Schmierfetten tritt häufig Mangelschmierung des Dichtsystems auf. Die Entstehung und Möglichkeiten zur Vermeidung dieser Mangelschmierung wurden im Projekt Fettmangel untersucht. Dazu wurde zunächst eine Prüf- und Bewertungsmethodik entwickelt, mit der 23 Schmierfette hinsichtlich ihrer Schmierfähigkeit von Radial-Wellendichtsystemen untersucht wurden. Dieselben Schmierfette wurden in einer ausführlichen rheologischen Charakterisierung ausführlich analysiert. Hierzu wurden teilweise neue Prüfverfahren entwickelt oder bestehende Prüfverfahren erweitert. Die dabei beobachteten Korrelationen mit der Mangelschmierung aus den Prüfläufen am Dichtsystem ermöglichen es, die Schmierfähigkeit der Fette im Dichtsystem anhand schnell messbarer rheologischer Kenngrößen vorherzusagen. Zusätzlich wurde der Einfluss der Betriebsbedingung auf die Mangelschmierung bei schlecht schmierenden Fetten untersucht. Als zentraler Einflussfaktor wurde im untersuchten Bereich die Temperatur identifiziert. Abschließend wurde untersucht, ob geometrische Strukturen auf dem Dichtring oder der Welle die Schmierung des Dichtsystems beeinflussen können. Die untersuchten Strukturen zeigten dabei ein Potential zur Reduzierung des Mangelschmierungsrisikos. Im Forschungsprojekt wurden dadurch Möglichkeiten entwickelt, Mangelschmierung in kurzen Prüfläufen zu identifizieren, durch kurze einfache und schnelle Messungen an häufig verfügbaren Rheometern vorherzusagen, mittels einer geeigneten Fettauswahl zu verhindern oder durch eine Anpassung der Betriebsbedingungen oder des Dichtsystems gezielt zu verringern.

Zusammenfassung

Grease-lubricated sealing systems show starved lubrication much more frequently than oil lubricated sealing systems. Different greases provide different lubricity to the sealing system. A test and evaluation method was developed that allows to assess the lubricity of different greases and to compare them with each other. The test and evaluation method consists of a test run and a subsequent analysis of the test components. The test run comprises a 24-hour speed collective and is performed on a test rig using real sealing system components. For the evaluation method, eight criteria are analysed, which are rated suitable for evaluating starved lubrication. The criteria include parameters measured during the test run, such as friction torque and temperature, as well as parameters inspected in the subsequent examination of all test components. All criteria are assessed and combined to an overall score, that allows to directly compare different greases with each other. The test and evaluation method developed reveals significant differences between 23 greases examined. Thus, the lubricity of greases in sealing systems can be analysed and compared much more quickly than in the past. Thanks to the rapid testing and focused evaluation of the relevant criteria, greases can be tested much more cost- and resource-efficiently than before.

Zusammenfassung

Radial lip seals are a common seal type for various industrial applications. In retarder breaking systems for commercial vehicles, radial lip seals are exposed to very fast changing oil sump temperatures. Due to increasing demands, the elastomer seals are increasingly failing premature in such applications. It is assumed that this is caused in particular by the very high temperature gradients, that result from the fact that a lot of braking power is dissipated within a short time. This is the case, for example, when braking while driving downhill with heavy loads. Since the temperature gradient is of minor importance in many applications, there are no publications regarding the specific influence of high temperature gradients on the function of radial shaft seals. Therefore, a test rig with advanced heating and cooling capacities is developed. A comprehensive test series is carried out, with the main focus on the influence of high temperature gradients on the wear behavior of the seals. Test results show, that different temperature levels lead to a significant change of the wear behavior. Additionally, fast changing temperatures are adding additional tribological stress to the sealing system.

Zusammenfassung

Diese Arbeit gibt Einblicke in das tribologische Verhalten fettgeschmierter Kontakte in pneumatischen Schieberventilen. Aufgrund des stark nicht-newtonschen Fließverhaltend des Fettes wurden verschiedene rheologische Messungen durchgeführt, um die beiden Materialmodelle nach Herschel-Bulkley und Palacios-Palacios zu parametrieren. Diese beiden Materialmodelle wurden in eine EHD Simulation des Dichtkontakts integriert und für zwei Temperaturen qualitativ verglichen. Für das Dichtsystem ist die Reibkraft nahezu unabhängig von der Wahl des Materialmodells. Außerdem konnten mit einer newtonschen Näherung des Fließverhaltens qualitativ vergleichbare Reibkräfte mit etwa 10% Abweichung gegenüber den nicht-newtonschen Modellen erzielt werden.

Zusammenfassung

Modern lubricants, such as polyglycols and esters, can cause problems when sealed with radial lip seals. Alongside chemical incompatibility with the elastomer, increased wear can impair the function of the sealing system and ultimately lead to leakage. Wear of the counterface is characterized by a characteristic abrasion that has the shape of a tangential circumferential groove. This wear is referred to as ``wear track''. Current research in the field of sealing technology shows that the wear of radial lip seals strongly depends on the wetting properties of the respective friction partners in addition to hydrodynamic influences. The wear sensitivity of the counterface is determined by the surface hardness (e.g. Vickers hardness HV) and the grain size of the microstructure (DIN EN ISO 643). The tendency to wear can thus ultimately be specified as the product of the lubrication condition and wear sensitivity. In this paper, the wear of different radial lip sealing systems is compared with hydrodynamic and wetting characteristics measured on the basis of the resulting wear track. For this purpose, wear investigations were carried out on five steel materials in combination with radial lip seals made of FKM and nine chemically different lubricants (two mineral oils, three polyglycols, two poly-a-olefins, one esters and one silicone oil). In addition, the relevant parameters (surface tension, dynamic viscosity, density, hardness) of the involved friction partners were determined as a function of temperature. Increased wear was observed especially in tests with polyglycol- and ester-based lubricants. In combination with the investigated steel materials, these lubricants show adhesion work that is less than or equal to the cohesive work in the lubricants themselves. This leads to incomplete wetting thus to a lubrication condition in the sealing gap which promotes abrasive wear and can have a negative influence on service life.

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Elastomeric radial lip seals are complex tribological systems. Their sealing performance is essentially determined by the back pumping capability of the system. During the dynamic operation, radial lip seals can actively pump leaking fluid back to the fluid side. For the assessment of the pumping capability and the leak-tightness of the sealing system, the pumping rate can be used. The pumping rate measures the pumped fluid volume per time or distance. In this paper, the influence of low operating temperatures on the pumping rate of elastomeric radial lip seals is analysed experimentally. For this purpose, the pumping rate was measured at different oil sump temperatures between +40 °C and 20 °C. The experimental analyses were performed with radial lip seals made of nitrile rubber (NBR) and fluoro rubber (FKM) in combination with mineral and synthetic (polyglycol and polyalphaolefin) oils.

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The oil film generation of a U-cup rod seal and the oil film thickness on the rod after outstroke were analyzed analytically, numerically, and experimentally. The analyzed sealing system consists of an unmodified, commercially available U-cup, a polished rod, and mineral oil. The inverse theory of hydrodynamic lubrication (IHL) and an elastohydrodynamic lubrication (EHL) model—both based on the Reynolds equation for thin lubricating films—were utilized to simulate the oil film generation. In the EHL analysis, physical parameters and numerical EHL parameters were varied. Both the analytical and numerical results for the varied parameters show that the film thickness follows a square-root function (i.e., with a function exponent of 0.5) with respect to the product of dynamic viscosity and rod speed, also referred to as the duty parameter. In comparison to the analytical and numerical results, the film thickness obtained via ellipsometry measurements is a function of the duty parameter with an exponent of approximately 0.85. Possible causes for the discrepancy between theory and experiments are discussed. A potential remedy for the modeling gap is proposed.

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The duty parameter diagram is a common tool to compare and analyse the lubrication and friction condition of different radial shaft sealing systems. In addition, it also allows an evaluation of the suitability of differently manufactured sealing counterfaces. This paper deals with the influences of different shaft surface structures on the formation of a lubricating film and a sealing gap. For this purpose, friction torque measurements were carried out, starting from very low sliding speeds of about 0.0042 m/s (corresponds to 1 rpm at a shaft diameter of 80 mm) up to 10.5 m/s. The aim is to cover the mixed friction area in addition to the liquid friction area and thus determine the position of the transition point between both friction states.

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Static and dynamic eccentricity between the radial lip seal and the rotating shaft are the result of imprecise production and assembly. In this work, the influence of static and dynamic eccentricity on the pumping rate are analysed experimentally. The experimental analyses were performed with radial lip seals made of nitrile rubber (NBR) and fluoro rubber (FKM) in combination with mineral and synthetic (polyglycol and polyalphaolefin) oils.

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Development of a redox flow battery (RFB) goes hand in hand with sealing technology. Mechanical variations on different RFB components affect the sealing performance. The clamping force generated by through-bolt-joints to assimilate compression, which must provide enough contact stress on the elastomeric seals and flanges over a stacked design to seal off leakage paths. Tolerances must be set according to norms or a well-defined compression range. Most mechanical variations are due to geometrical irregularities from manufacturing. The seal and other components also undergo time-dependent deformations due to stress relaxation and swell. Experiments and mathematical analysis determine initial RFB design conditions.

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Zur Abdichtung von Wellenaustrittsstellen hat sich der Radial-Wellendichtring (RWDR) aus Elastomer in der Praxis etabliert. Der Elastomer-RWDR besitzt sowohl eine gute statische als auch dynamische Dichtheit in beide Drehrichtungen der Welle. Die Einsatzgrenzen des Elastomer-RWDR setzt der Werkstoff. Bei sehr hohen chemischen oder thermischen Anforderungen ist der Betrieb eines Dichtrings aus Elastomer nicht mehr möglich. Aus diesem Grund kommt es vermehrt zum Einsatz von Wellendichtungen aus Compoundwerkstoffen auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE). Dichtringe aus PTFE besitzen hervorragende thermische und chemische Eigenschaften sowie eine gute Trockenlauffähigkeit. Im Gegensatz zum Elastomer-RWDR bilden Wellendichtringe aus PTFE selbständig keinen mikroskopisch aktiven Rückfördermechanismus aus. Zur Verbesserung der dynamischen Dichtheit werden deshalb makroskopische Rückförderstrukturen in den Dichtspalt der Wellendichtungen aus PTFE fertigungstechnisch eingebracht. Bis heute gibt es jedoch keine im Markt erhältlichen Wellendichtungen aus PTFE mit makroskopischen Rückförderstrukturen, welche sowohl dynamisch als auch statisch im überfluteten Zustand eingesetzt werden können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit einer neuen Herangehensweise zur Erzielung einer statisch und dynamisch einsetzbaren Wellendichtung aus PTFE. Die Grundidee besteht darin, die Steifigkeit des Dichtrings lokal zu beeinflussen. Hierzu sollen makroskopische Strukturen, im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, nicht innerhalb, sondern außerhalb des Dichtspalts fertigungstechnisch ein- oder aufgebracht werden. Durch den Steifigkeitsverlauf und die Verformung bei der Montage soll die Dichtung selbständig feine, flach verlaufende Förderstrukturen im Dichtspalt ausbilden. Diese flachen Förderstrukturen sollen gegenüber bisherigen Förderstrukturen hydrodynamisch wirksamer sein und aufgrund der lokalen Steifigkeitsunterschiede nicht verschleißen. Ziel ist eine statisch und dynamisch funktionierende Dichtung, welche unabhängig von den Einsatzbedingungen möglichst universell und zuverlässig eingesetzt werden kann.

Zusammenfassung

For the FKM research project "Lack of grease - Preventing starved lubrication of grease-sealing rotary shaft seals”, a large number of lubricating greases are characterized rheologically in detail. This paper presents a procedure for the time-effective measurement of the shear viscosity of a large number of lubricating greases at several shear rates and temperatures. The measurement is based upon DIN 51810 1. The critical factor here is the influence of previous measurements at lower shear rates. For the determination of the flow curve according to DIN 51810 2, a procedure of tempering the sample is determined and the influence of temperature on the flow behaviour investigated.

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Lip seals made of PTFE compound are used due to their high thermal and chemical stability for the sealing of shaft interfaces in housings. For a better dynamic leak-tightness hydrodynamic sealing aids are manufactured on the sealing lip. Thus a PTFE lip seal is capable of back-pumping fluid from the air to the fluid side. The pumping rate serves as an important parameter for the dynamic leaktightness of seals with a unidirectional sealing aid design. The correlation of pumping rate and dynamic leak-tightness for bi-directional sealing aid designs is deficient. A new hydrodynamic parameter is introduced to assess the dynamic leak-tightness of a sealing aid design. The so called pressure drag is the force resulting from the integral of the hydrodynamic pressure over the surface of the sealing aid. A hypothesis is proposed, stating that in order to guarantee a dynamically leak-tight shaft seal, two conditions should be satisfied. First, the pumping rate should be greater than zero. Second, the axial pressure drag should be directed entirely towards the fluid side. The hypothesis is verified on different types of unidirectional and bi-directional sealing aid design. In conclusion the axial pressure drag is shown to be a suitable performance parameter for the sealing aid design.

Zusammenfassung

Lip seals made of PTFE compound show very high thermal and chemical stability. Dynamic sealing aids are often added on the sealing lip in the contact zone with the shaft to guarantee dynamic leak-tightness. The dynamic behaviour of different sealing aids can be analysed by simulating the fluid-structure-interaction of PTFE lip seal, shaft and lubricant in the sealing contact. This paper introduces a multiscale simulation approach for the analysis of the static and dynamic leak-tightness of PTFE lip seals with a novel sealing aid design. The multiscale approach consists of a macroscale, mesoscale and microscale. A nonlinear structural finite element analysis of the mounting of the seal on the shaft is introduced on the macroscale. The material law is elastic plastic with a combined hardening rule. The contact stress and contact geometry obtained by the finiteelement analysis are used as an input for an elastohydrodynamic lubrication (EHL) analysis on the meso- and microscale. In the elastohydrodynamic lubrication analysis the hydrodynamic pressure and the hydrodynamic gap height between the seal and the shaft are simulated. Furthermore, characteristic performance quantities of the sealing system such as the pumping rate and friction torque are calculated. Experimental measurements are also presented in order to validate the simulation results. Thus, the potential of the validated multiscale analysis method for the topological optimisation of the lip seal design is shown.

Zusammenfassung

The shaft is an important part of the sealing system. In standard sealing counterfaces are hardened and grinded. This process is useful to reduce wear on the shafts used. Hardening is complex and expensive, so most companies try to avoid this process by using soft (not hardened) shafts. Soft shafts often show imperfections caused by the grinding process. Those imperfections causes leakage on the sealing system or even a breakdown of the entire sealing system. The latest research on these imperfect shafts shows different kinds of imperfections. Typical imperfections are called grinding burn or grinding chatter marks. The soft shafts are manufactured by a grinding process with different parameters. Afterwards the shafts were analysed concerning the imperfections. Detected imperfections are analysed qualitatively and quantitatively with different measurement and analysis methods. Those imperfections and measurement results will be showed. In the next steps functional tests will be performed. This functional tests include measurements of the pumping rate and the friction torque. The results will be correlated with the lubrication condition in the sealing contact. In a further step the wear behavior of the sealing edge, in contact with different imperfections on the countershaft positioned in the sealing contact, will be ratet. In this paper the research results will be showed and summarized.

Zusammenfassung

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. Dazu wurden verschiedene Stangenoberflächen experimentell untersucht. Die Versuche wurden exemplarisch mit einem PU-Nutring und einer PTFE-Stufendichtung durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf den Verschleiß an der Hydraulikstangendichtung gesetzt. Es hat sich gezeigt, dass der Verschleiß an PU- und PTFE-Dichtungen von unterschiedlichen Bereichen der Oberflächenrauheit verursacht wird. Der Verschleiß an PU-Dichtungen findet im unteren Bereich der Oberflächenrauheit statt, wogegen bei PTFE-Dichtungen der Spitzenbereich ausschlaggebend ist. Als Kennwerte zur Verschleißvorhersage wurden für die PU-Dichtungen die Mittlere Taltiefe (MTT) und der genormte 2D-Rauheitsparameter Rvk entwickelt bzw. identifiziert. Bei PTFE-Dichtungen ist es das Mittlere Hügelvolumen (MHV). Zusätzlich wurde ein FE-Modell erstellt, mit dem anhand von Oberflächenmessungen abgeschätzt werden kann, ob eine Hydraulikstange eher mehr oder weniger Verschleiß an der Dichtung verursacht. Bei der Leckage hat sich gezeigt, dass Oberflächen mit Strukturen quer zur Bewegungsrichtung tendenziell am Günstigsten sind. Insbesondere ist die Leckage bei geschliffenen Stangen erheblich geringer als bei Keramikstangen. Das trifft sowohl für PU- als auch für PTFE-Dichtungen zu. Ein Einfluss der Stangenoberfläche auf das Reibverhalten konnte in den Versuchen nicht festgestellt werden.

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Research covering the development of non-contacting sealing systems that effectively and efficiently seal lubricating grease has produced very little in the way of generally applicable design rules, resulting in designers having to develop their own systems, according to their specific requirements. Published in two instalments, this article shows that research, which is being done in Germany at the Institute of Machine Components, University of Stuttgart, is attempting to remedy this situation. The first part, which appears here, highlights the lack of design rules and looks at the structure of sealing gaps, the flow of grease in these gaps and the influence gap direction has on the sealing effect.

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Die Grundlage zu diesem Büchlein entstand als zwölfteilige Artikelserie in der Zeitschrift Dicht!. Der Inhalt basiert auf der mittlerweile über 35-jährigen Erfahrung des Autors mit Dichtungen aller Art. Die Basis bilden eine Vielzahl von bearbeiteten Forschungsprojekten, unzählige Industrieberatungen und vielfältige Informationen aus der International Sealing Conference. Diese findet seit 2002 in 2-jährigem Rhythmus an der Universität Stuttgart statt. Sie ist mittlerweile die bedeutendste Dichtungstagung weltweit. Ziel der Darstellungen ist ein grundlegendes Verständnis für die Zusammenhänge im vielfältigen technischen System Dichtung zu wecken. Deshalb werden auch nicht einzelne Dichtelemente besprochen, sondern stets das tribologische System Dichtung betrachtet. Dieses besteht aus dem Dichtelement selbst, dessen Gegenfläche, dem abzudichtenden Stoff und der äußeren Umgebung. Hinzu kommen die Betriebsbedingungen und die konstruktive Integration der Dichtung in das technische Gesamtsystem. Alle Punkte und besonders ihr Zusammenwirken sind wichtig für eine gute Funktion der Dichtung – nicht nur das Dichtelement! Nur wenige grundlegende physikalische Zusammenhänge muss man kennen um die vielfältigen Dichtungen und ihre Wirkung beurteilen zu können. Die Vielfalt entsteht durch geschickte konstruktive und werkstoffmechanische Umsetzung der wenigen grundlegenden physikalischen Zusammenhänge. Der Inhalt dieses Büchleins soll jedermann helfen ein Gespür dafür zu entwickeln. Deshalb sind die Ausführungen vorzugsweise anschaulich und nicht mit letzter Konsequenz mathematisch und physikalisch exakt gehalten. Das Buch hat 89 Seiten mit 67 Abbildungen.

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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

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The common solution for sealing shafts in mechanical engineering is the usage of radial shaft seals made of elastomers. However elastomers encounter load limits in many applications. Through the application of PTFE (polytetrafluoroethylene) compounds as sealing material, the limitations of elastomers can be largely overcome. Therefore the usage of lip seals made of PTFE compounds is becoming more common in sealing technology. In contrast to the elastomeric radial shaft seals PTFE lip seals require special pumping structures to ensure their dynamic tightness. For applications with a fixed direction of shaft rotation PTFE lip seals with a spiral groove as pumping structure are established as state of the art. The spiral groove as pumping structure is only suitable for one direction of shaft rotation. For alternating directions of shaft rotation other pumping structures are used. Although functioning PTFE lip seals with pumping structures for both directions of shaft rotation are already in existence, these are still in the research stage and there is potential for optimization. Despite the high potential benefit for users through the availability of optimized PTFE lip seals with pumping structures, particularly for both directions of shaft rotation, there is little progress by the seal manufacturers. The main reason for lack in progress is deficient knowledge about the functional mechanisms of PTFE lip seals with pumping structures. Without knowing the exact functional mechanisms targeted optimization is hardly possible. Therefore optimization of PTFE lip seals with pumping structures requires high experimental effort and is accomplished by “trial and error”. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of the dynamic functional mechanisms of PTFE lip seals with pumping structures, particularly for both directions of shaft rotation. The focus of this thesis is the numerical investigation of the following topics. • Analysis of the flow pattern and pressure distribution around pumping structures and in the sealing gap. This serves a better understanding of the processes in the region of the sealing gap. • Investigation of various influences on the deflection and pumping ability of pumping structures. The objective is to identify the relevant parameters for the pumping ability of PTFE lip seals with pumping structures. • Analysis of the pumping behaviour through the hydrodynamic sealing gap and through local elevations of the sealing gap. • Exploration of the influences of the sealing gap geometry on the pumping ability of PTFE lip seals with pumping structures. • Investigation of the effects of geometry variations in the transitional area between pumping structures and the continuously closes ring, which is necessary for static tightness. The geometry of this area is crucial for pressure buildup and thus indirectly for the pumping ability of PTFE lip seals with pumping structures. Through a better understanding of the above topics, the dynamic functional mechanisms of PTFE lip seals with pumping structures are described more accurately than before. This allows to identify especially effective measures to improve the pumping ability and thus the dynamic sealing reliability of PTFE lip seals with pumping structures. The mentioned measures imply a more efficient optimization, whereby the experimental effort in the advancement of PTFE lip seals with pumping structures can be significantly reduced.

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Die Europäische Union hat das Ziel, den mittleren CO2-Flottenausstoß bei neu zugelassenen Fahrzeugen deutlich zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Automobilhersteller unter anderem Reibungsverluste von Bauteilen im Motor und am Antriebsstrang reduzieren. Hierzu gehört auch die Kurbelwellenabdichtung auf der Getriebeseite. Diese trägt derzeit bis zu 1 g CO2/km im Neuen Europäischen Fahrzyklus zur Emission bei. Aus Veröffentlichungen ist eine gasgeschmierte Gleitringdichtung bekannt, mit der die CO2-Emission auf unter 0, 1 g CO2/km je Dichtung reduziert werden kann. Diese wurde bisher in keiner Serienanwendung als Kurbelwellenabdichtung für Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Komplexität und die damit verbundenen Kosten übersteigen den Nutzen der durch geringere Reibungsverluste erzielt wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer gasgeschmierten Gleitringdichtung, welche die technischen Anforderungen einer Kurbelwellenabdichtung erfüllt und eine geringere Komplexität als die bisher bekannten Ausführungen aufweist. Nur mit diesen Verbesserungen ist die Serieneinführung einer gasgeschmierten Gleitringdichtung als Kurbelwellenabdichtung möglich. Der Stand der Wissenschaft und Technik wird untersucht und allgemeine Anforderungen an eine Kurbelwellenabdichtung ermittelt. Ein neues Konzept einer gasgeschmierten Gleitringdichtung für die getriebeseitige Kurbelwellenabdichtung eines Verbrennungsmotors wird vorgestellt. Wichtige funktionsrelevante Parameter werden analysiert und deren Einfluss auf die Funktion dargestellt. Für die Simulation des neuen Konzepts wird vorhandene Software weiterentwickelt. Die Auslegung erfolgt mit Optimierungsmethoden basierend auf den Anforderungen von Kurbelwellenabdichtungen. Wichtige Simulationsergebnisse werden dargestellt und interpretiert. Anhand der Anforderungen an Kurbelwellenabdichtungen wird ein Versuchsprogramm erarbeitet und durchgeführt. Die Versuchsergebnisse werden dargestellt und interpretiert. Die Simulations- und Versuchsergebnisse stimmen qualitativ überein. Die in der Arbeit erzielten Ergebnisse lassen darauf schließen, dass dieses neue Konzept einer gasgeschmierten Gleitringdichtung in einem Verbrennungsmotor als getriebeseitige Kurbelwellenabdichtung eingesetzt werden kann. Die Komplexität und die damit verbundenen Kosten können mit dem neuen Konzept deutlich reduziert werden. Weitere Versuche in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen werden zeigen, ob alle Anforderungen über die Fahrzeuglebensdauer erfüllt werden können. Zum derzeitigen Zeitpunkt ist kein anderes Dichtkonzept mit vergleichbarem CO2-Einsparungspotential an der Kurbelwelle bekannt. Die weitere Entwicklung wird zeigen, ob durch eine Serienanwendung mit gasgeschmierten Gleitringdichtungen in Zukunft eine Verbrauchsminderung in Verbrennungsmotoren erzielt werden kann. Natürlich ist es möglich, dieses Konzept einer einfachen, kleinbauenden gasgeschmierten Gleitringdichtung auch bei anderen Anwendungen einzusetzen. Bei • kleinem Bauraum, • hoher Gleitgeschwindigkeit und • geringer Schmierung kann dieses neue Konzept gegenüber Radial-Wellendichtringen und handelsüblichen gasgeschmierten Gleitringdichtungen große Vorteile bieten. Das Ziel der Arbeit wurde vollständig erreicht.

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Die vorliegende Arbeit trägt auf dem Stand der Technik aufbauend zum Verständnis fettabdichtender Radial‐Wellendichtungen aus Elastomer bei. Hierzu erfolgt eine grundlegende Betrachtung des Einflusses von Bestandteilen und Eigenschaften der Schmierfette auf das Betriebsverhalten fettgeschmierter Elastomer‐Stahl‐Reibkontakte. Dem gehen mikroskopische und rheologische Analysen der verwendeten Modellfette bekannter Zusammensetzung voraus. Um die Anzahl unbekannter Einflussfaktoren gering zu halten, wird ein Ring‐Scheibe‐Versuchsaufbau verwendet. An diesem werden Reibverhalten, Schmierstoffversorgung, Verschleiß und Förderwirkung in Abhängigkeit des Schmierfetts untersucht. Diese Untersuchungen werden an realen Radial‐Wellendichtungen verifiziert. Im Dichtspalt wird die Verdickerstruktur durch Scherung zerstört. Es befinden sich jedoch Verdickerpartikel im Dichtspalt. Diese beeinflussen das Betriebsverhalten maßgeblich. Der Einfluss des Verdickertyps ist hierbei deutlich stärker als die Einflüsse von Schmierfettkonsistenz oder Grundöltyp. Es wird ein Zusammenhang zwischen dem Betriebsverhalten und rheologischen Schmierfettkennwerten vorgestellt. Damit lassen sich der Reibwert bei Mischreibung, die Gümbelzahl beim Übergang zu hydrodynamischer Reibung, das Auftreten von Mangelschmierung und der Verschleiß in Abhängigkeit von Schmierfetteigenschaften abschätzen. Zur Bewertung des Einflusses von Verdickerpartikeln wird eine Ordnungszahl eingeführt. Diese berücksichtigt Größe und Form dieser Partikel. Mit der Ordnungszahl lässt sich die Auswirkung von Verdickerpartikeln und damit von Schmierfetten auf Reibverhalten, Verschleiß und Förderwirkung qualitativ beschreiben. Auf den Ergebnissen aufbauend wird ein Funktionsmodell erstellt, welches die Vorgänge im Dichtspalt fettabdichtender Radial‐Wellendichtungen erstmalig unter Berücksichtigung des Verdickers beschreibt. This thesis contributes to the understanding of the operational behavior of grease lubricated elastomeric radial shaft seals. Therefore, basic research is done on the tribological behavior of grease in a rubber‐steel‐tribocontact. This work is accompanied by rheological and microscopic analyses of the used greases. These greases are model greases with a known composition. To reduce the number of unknown influences, a ring‐on‐disc test set up is used. With this test set up investigations are done on frictional behavior, supply with lubricant, wear and pumping rate in dependence of the grease. The results of these tests are validated in experiments using radial shaft seals. The thickener network is destroyed in the sealing gap by the high shear forces. But thickener particles remain in the sealing gap. They show a huge impact on the operational behavior of the tribosystem. Thereby, the influence of the thickener type is much bigger than the ones of the grease consistency or the base oil type. Correlations between the operational behavior and rheological properties of the greases are described. An estimation of the friction coefficient at mixed lubrication, the Gümbel number at the transition to hydrodynamic lubrication, the occurrence of starvation and the wear is achievable with these correlations. The definition of an ordinal number for thickener particles is a new approach to describe the influence of greases on the operational behavior of tribocontacts. This ordinal number groups the thickener particles by their shape and sorts each group on the size of the particles. This approach shows the dependence of frictional behavior, wear and pumping on the appearance of thickener particles and thus on the grease type. The results are summarized in a functional model of grease lubricated radial shaft seals. With this model the processes in the sealing gap are described for the first time considering the influence of thickener particles.

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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 50 mm 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 50 mm 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.

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Die Oberflächentopografie der Dichtungsgegenlauffläche hat einen wesentlichen Einfluss auf die Fluidförderung im Dichtsystem Radial-Wellendichtung. Daher ist die funktionsgerechte Beschreibung dieser besonders wichtig. Die Charakterisierung erfolgt anhand von 3D-Kennwerten der DIN EN ISO 25178. The topography of shaft counterfaces has a significant influence on the pumping rate of radial lip seals. Therefore, it is important to describe its functional properties as good as possible. The characterization based on 3D parameters of the ISO 25178.

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The sealing performance of rotary shaft lip seals (below referred as »seal«) was investigated with view to interfacial phenomena. Biodegradeable lubricants often cause higher wear than mineral based oils, and hence leakage. The root cause for this behaviour was supposed to be of interfacial nature. This lead to the approach of investigating surface tension properties of the seals components. Ten lubricants (polyglycols, poly-α-olefins, mineral based oils, silicone oils and esters), three elastomers (fluorocarbon rubber, nitrile butadiene rubber and acrylate rubber) and three shaft materials (steel, brass and glass) were investigated. For all specimen the surface tension was measured. The surface tension was assumed to be splitted into a polar and a non-polar fraction. For the combination of each lubricant and each solid, the work of adhesion was calculated. This gave detailed information about the wetting behaviour of the lubricants. For the lubricants some material values were measured: The dynamic viscosity, the specific density, the thermal conductivity and the specific heat capacity. These values were used to calculate dimensionless numbers of fluid motion. The onset of Taylor-Görtler vortices and thermocapillary instability could be estimated. For the onset of vortices, not only mechanical forces but also buoyancy forces (Bénard instability) were taken into account. In numerous bench test runs, the following properties were investigated: The pumping rate and the frictional behaviour of elastomeric seals. In long term bench test runs, the wear behaviour was tested. For polytetrafluoroethylene-seals, leakage tests were done. The bench test runs were evaluated in terms of interfacial phenomena. Themainresultsare: • The work of adhesion between shaft and lubricant seems to be the main reason for the level of the seals pumping rate. Polyglycols with a high work of adhesion produced the highest pumping rates. • The work of adhesion between elastomer and lubricant plays a role as well. If this work of adhesion is smaller than the lubricants work of cohesion, the elastomer is not completely wetted. This results in high pumping rates and poor wearing behaviour. • At a critical duty parameter the seals lubrication condition changes. This change is attributed to thermocapillary instability at the border of the sealing zone. • Thermocapillary instability influences the seals pumping rate as well. This is due to temperature gradients from the sealing zone to its surrounding. For a high thermal conductivity of the shaft, this effect can be neglected. The achieved progress is an explanation of lubricant influence on the sealing performance of rotary shaft lip seals.

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Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen werden aufgrund ihrer allgemeinen Chemikalienbeständigkeit und hohen abdichtbaren Gleitgeschwindigkeiten immer dann eingesetzt wenn Wellendichtringe aus Elastomer versagen. Die Betriebsdauer wird dann allein durch abrasiven Verschleiß begrenzt. Bedingt durch die Molekülstruktur hat PTFE eine sehr niedrige Reibungszahl aber auch einen geringen Verschleißwiderstand. In der Dichtungstechnik wird PTFE daher nahezu immer gefüllt mit Partikeln, Plättchen oder Fasern eingesetzt. Diese Füllstoffe beeinflussen das tribologische Verhalten und verbessern den Verschleißwiderstand. Gefüllte PTFE Materialien werden als PTFE-Compound bezeichnet. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen Beschreibung des tribologischen Systems Wellendichtung. Es besteht aus einem PTFE-Wellendichtring, einer Stahlwelle als Gegenlauffläche und einem Schmierstoff. Das PTFE-Compound selbst, der tribologische Gegenlaufpartner, der Schmierstoff und die Betriebsbedingungen bestimmen die Reibung und den Verschleiß, sodass sie bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen. Die Betrachtung auf lediglich einer Längenskala ist zur Beschreibung und Simulation von Reibung und Verschleiß aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge im Dichtsystem nicht ausreichend. Es wurde daher ein Mehrskalenansatz formuliert. Ein Bottom-Up-Ansatz beschreibt das tribologische System von der kleinsten hin zur größten Skala: • Das Mesomodell liegt zwischen der Nano- und der Mikroskala. Es beschreibt einen analytischen Ansatz eines energetisch motivierten Verschleißgesetzes. Das Modell berücksichtigt temperaturabhängige Druck- und Scherfestigkeiten und verwendet dimensionslose Kennwerte. Die scheinbare Reibungsenergiedichte integriert den Schmierungszustand in das Modell. • Das Mikromodell berechnet die thermischen Materialkennwerte über ein repräsentatives Volumenelement. • Das Makromodell enthält das geometrische Modell der Wellendichtung und die Verschleißalgorithmen zur Volumenreduktion. Ein Finite Elemente Ansatz koppelt das Meso- und das Mikromodell. Als Basis für die Materialmodellierung wurden umfangreiche Untersuchungen des thermomechanischen Material- und tribologischen Verhaltens durchgeführt. Die Analysen der Materialzusammensetzung und der Mikrostruktur erfolgten mit einem Computertomograph. Härte- und Nanoindentermessungen wurden zur Identifikation von tribologische Kennwerten verwendet. Die temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungszusammenhänge wurden im Zug-/ Druck- und Scherversuch an einer Universalprüfmaschine ermittelt. Ein Ring-Scheibe-Tribometer wurde zusammen mit einer Thermographie Kamera zur Messung von Reibung, Verschleiß und der Temperatur nahe dem Reibkontakt verwendet. Die Validierung des vorgestellten Ansatzes erfolgte durch einen Vergleich von Wellendichtring-Dauerlaufversuch und dessen Simulation. Die simulierte Radialkraft und der Verschleiß stimmen sowohl im Trocken- als auch bei Schmierung mit den Experimenten überein. Das Potenzial der entwickelten Methode wurde an einer Auswahl handelsüblicher Wellendichtringe mit Spiralrille dargestellt. Der Multiskalensatz zur Verschleißsimulation und der Abschätzung der Betriebsdauer ist damit ein nützliches Werkzeug zur Wellendichtringoptimierung und Kostenreduktion im Produktentwicklungsprozess.

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An statischen Dichtstellen, die sich in korrosiven Umgebungen befinden, kann das Fehlerbild der korrosiven Dichtungsunterwanderung auftreten. Hierbei werden die metallischen Dichtflächen korrosiv angegriffen, was zu Undichtigkeiten führen kann. Dieser Beitrag beschreibt die Vorgänge der korrosiven Unterwanderung und zeigt konstruktive Optimierungsansätze, basierend auf experimentellen Untersuchungen, auf.

Zusammenfassung

This paper shows and explains which visual failure analysis methods are meaningful and how they can be useful to analyse dynamic sealing systems. While most people think a scanning electron microscope (SEM) image of a sealing edge is always necessary, the presentation helps to judge which method is better suitable. This leads to an adjusted effort while costs and primarily time is saved. The result is a perfect analysis and the knowledge about the tribological function 1 or the failure mechanism 2, 3.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden der aktuelle Stand der Technik, experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Versagen der RWDR Befettung, sowie den daraus resultierenden Dichtungsgeräuschen am Beispiel der Pkw-Lenkung zusammengefasst. Es wurde versucht, anhand der Ergebnisse wirksame Abhilfe- und Verbesserungsmaßnahmen zu finden. Als Entstehungsursache der Dichtungsgeräusche in der Pkw-Lenkung wurden die RWDR im Lenkungsventil identifiziert. Als Stand der Technik werden heute RWDR mit Doppeldichtkante und Befettung eingesetzt, die als Referenzsystem für die durchgeführten Versuche gelten. Die zuvor eingesetzten RWDR mit Einfachdichtkante waren nicht für die Betriebsbedingungen der vollhydraulischen (HPS) bzw. elektrohydraulischen (EHPS) Lenksysteme geeignet. Der Vorteil des Dichtungsdesigns Doppeldichtkante liegt in einem etwa 8,4 mm³ großen Schmierfettreservoir zwischen den beiden Dichtkanten. Die RWDR sind im Betrieb durch den Rücklaufdruck beaufschlagt. Laut Angabe eines Lenkungsherstellers /33/ treten als Betriebsbedingungen Rücklaufdrücke von 2 bis 5 bar, mit einzelnen Druckimpulsen von bis zu 30 bar, und Hydrauliköltemperaturen von -40°C bi s etwa 140°C auf. Der Wertebereich der Betriebszustände wurde durch Versuche an einem Originallenkungsprüfstand (OLPS) auf einen Systemdruck von 2 bis 4 bar und Hydrauliköltemperaturen zwischen RT und 80°C eingeschränk t. Die Dichtungsgeräusche traten im Feld im warmen Betriebszustand nach circa 10.000 Fahrkilometern und einer Einbauzeit von 8 bis 15 Monaten auf /33/. In /33/ wird der Anzahl der quietschenden Pkw-Lenkungen je nach Fahrzeughersteller auf etwa 0,2 bis 5 % geschätzt. Eine Einflussgrößenanalyse zeigte, dass das Vorhandensein der Befettung bei den untersuchten Parametern den größten Einfluss auf das mittlere Reibmoment und den Haftpeak zu Beginn der Bewegung hat. Nur durch das Hydrauliköl alleine kann keine ausreichende Schmierwirkung erreicht werden. Die Beurteilung der Benetzungseigenschaften anhand von Kontaktwinkelmessungen zeigte einen deutlichen Qualitätsunterschied zwischen den untersuchten Hydraulikölen. Im Vergleich zeigte ein RWDR mit Einfachdichtkante bei reiner Hydraulikölschmierung ein um 330 % höheres Reibmoment als ein RWDR mit Befettung. Bei dem RWDR mit Doppeldichtkante waren es sogar 400 %. Die Einflussgrößen Hydraulikölsorte, Dichtungswerkstoff, Systemdruck oder Schmierfettsorte haben mit etwa 20 %, 25 %, 70 % bis 100 % und 50 % im untersuchten Wertebereich einen geringeren Einfluss auf das Reibmoment. Als eine weitere wichtige Einflussgröße wurde der Wartezeiteinfluss erkannt. Der Wartezeiteinfluss beschreibt die Höhe des Haftpeaks zu Beginn der Bewegung in Abhängigkeit von der Wartezeit bei anstehendem Systemdruck. Für den Anregungsmechanismus wurden zwei einfache Modelle, das Saugnapf- und Drehorgelmodell, formuliert. Diese beruhen auf den Vermutungen, dass es durch den fehlenden Schmierstoff zu einer erhöhten Adhäsion oder einem mechanischen Verhaken der Oberflächenrauheiten von RWDR und Wellenoberfläche kommt. Als Ursachen für die Mangelschmierung wurden Versagensmechanismen der Befettung, wie eine Alterung der Schmierfette oder eine Unverträglichkeit zwischen Schmierfett und Hydrauliköl, untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass es durch ein künstlich gealtertes Schmierfett zu einem 130 %igen Anstieg im Reibmoment und 25 %igen Anstieg im Wartzeiteinfluss kommt. Auch konnte eine Unverträglichkeit zwischen dem Hydrauliköl Ö2 und dem Referenzfett gezeigt werden. Nach dem Nachweis einer fallenden Reibkennlinie und einer Nichtlinearität in der Differentialgleichung anhand von Reibmomentmessungen, konnte mit einem vereinfachten Torsionsschwinger als MATLAB-Simulink-Modell nachgewiesen werden, dass es sich bei dem RWDR-Wellen-Kontakt um ein schwingungsfähiges System handelt und selbsterregte Reibungsschwingen (Stick-Slip-Effekt) möglich sind. Die Abhilfe- und Verbesserungsmaßnahmen zielten auf einen zuverlässigen Ersatz der Befettung und auf eine verbesserte Schmierwirkung des Hydrauliköls. Untersucht wurden Beschichtungen für RWDR (Gleitlacke GL1, GL2 und GL3; RFN®-Beschichtung) und für die Wellenoberfläche (RFN®), ein modifizierter PTFE-Dichtungswerkstoff, ein neues Dichtungsdesign „Ölrinne“, zwei stochastische Oberflächenstrukturierungen der Welle, sowie die beiden Ölzusätze LecWec und Lubrizol. Zwar erreichte keine der getesteten Abhilfe- und Verbesserungsmaßnahme alle Eignungsvorgaben, jedoch ist bei dem neuen Dichtungsdesign „Ölrinne“ und dem Ölzusatz Lubrizol eindeutig das Potential für eine erfolgreiche Weiterentwicklung vorhanden.

Zusammenfassung

Radial lip seals are the most widely used type of dynamic seals. Large numbers are applied in many different applications, for example in drive and fluid aggregates or in gears and motors. It is well known that such seals operate with a thin lubricating film between shaft and lip. Leakage is prevented by an active pumping mechanism of the seal-lip from the air-side to the oil-side. This pumping action is induced by microasperities on the lip surface, which form into vane-like patterns due to the shear deformation during rotation. In over 75 years of research and development the radial lip seal has been continuously improved and optimized. Today, a lot of experience is available about the functionality and appropriate operating conditions. But it is also known that the sealed fluid and the surface finish of the shaft play an important role in the operation of the seal. Due to the very small sealing gap, there are interactions between the components involved in the tribological system. For good operation, the components must perfectly match. Although a lot of research has been done in understanding the sealing behavior, there are still a number of aspects that remain unexplored. One of these is the influence of the shaft surface finish. This thesis presents a large amount of experimental and theoretical analysis concerning the influence of shaft surface finish to relevant parameters of the tribological system. One of the main topics were investigations concerning the active and passive pumping ability of the shaft. Active pumping of the shaft is caused by oblique structures, which produce a flow of fluid in axial direction of the shaft during rotation. Such structures increase the risk of leakage or dry running, depending on the rotation direction of the shaft. A high degree of active pumping of the shaft should be avoided. But most practical surface finishes produce oblique structures due to the manufacturing process. Based on parametric studies, the effect of such structures on the pumping rate was analyzed experimentally and by simulation. Number, depth and angle of the structures were varied. The results showed that even structures with depths of about 300 nm develop a great pumping activity. Based on these experiments, a mathematical model was build up that allows a calculation of the pumping rate, produced from oblique structures. Passive pumping is caused by the shaft surface roughness, which affects the formation of roughness structures at the seal-lip and induces a pumping action. A good pumping seal is important to lip seal performance. Experiments with different shafts showed, that the roughness of the shaft in the circumferential direction is determinative. Based on the results, a correlation between roughness in circumferential direction and pumping rate was developed. The standard manufacturing method for shafts is plunge grinding. But this process causes high manufacturing costs. An alternative is hard-turning. Although hardturned shafts have proven their suitability in practical applications, it is not entirely clear, which effect the macroscopic turning spiral has to the sealing system. Their influence was analyzed by long-term tests with several geometries of the turning spiral at different rotation directions and mounting positions. Failure patterns were analyzed und described. The turning spiral can be critical, if the pumping ability of the seal-lip decreases. Based on the results, qualitative criteria were derived for the geometry of the turning spiral and the mounting situation. The friction behavior was analyzed in short-term tests by varying oil level, radial force of the seal-lip, oil viscosity, sliding speed and seal material. In addition, the influence of different shaft surfaces was analyzed. The highest friction was produced at shaft surfaces with a high bearing area. Based on this experiments, an extended dutyparameter diagram was developed, which takes into account the bearing area of the shaft surface. This diagram allows an estimation of the frictional behavior in the sealing contact between shaft and seal-lip better than before. The influence of different shaft surfaces to wear has been identified in long-term tests. Surface changes have been analyzed and described. In most cases, oil-carbon was formed on the seal-lip. Wear in terms of abrasion was observed neither at the seals nor at the shaft surfaces. The results of this thesis provide a basis to estimate the effect of different shaft surface finishes. Future research projects should focus on appropriate parameter ranges of the shaft surface for seal-relevant variables. This information is an important criterion to improve manufacturing processes and to ensure surface quality. That knowledge can then be transferred to other sealing applications.

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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.

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Bei der Abdichtung von Fließfetten sind Radialwellendichtsysteme erschwerten Betriebsbedingungen ausgesetzt. Neben teils instationären tribologischen Zuständen sind die Einsatzgrenzen hinsichtlich der maximalen Wellendrehzahlen aufgrund hoher Temperaturen im Dichtkontakt stark eingeschränkt. Im durchgeführten Forschungsvorhaben wurden erstmalig systematische experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der systembildenden Komponenten Dichtelement, Dichtungsgegenlauffläche, Schmierstoff und Dichtungsumfeld auf das Funktionsverhalten fließfettabdichtender Dichtsysteme durchgeführt. Mittels eines Modells ist die Funktionsweise dieser Systeme anschaulich dargestellt. Aus den Ergebnissen wurden Richtlinien zur Auslegung und Bewertung fließfettabdichtender Systeme erstellt. Zur Auslegung des Dichtungsumfelds steht ein konkreter Maßnahmenkatalog zur Verfügung. Anhand einer Regressionsanalyse wurden die Gewichtung der Einflussgrößen sowie geltende Einsatzgrenzen abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine simple Substitution von Schmieröl durch Fließfett nicht ohne Weiteres durchführbar ist. Trotz Versuchsbedingungen, die weit unterhalb der Einsatzgrenzen für ölabdichtende Systeme liegen, trat vermehrt Mangelschmierung im luftseitigen Bereich des Dichtspalts auf, was zu Ablagerungen auf der Welle führte. Starker abrasiver Verschleiß des Dichtelements ist die Folge. Die Einsatzgrenze für die Abdichtung von Fließfett kann auf ca. 50 % der für Ölabdichtungen gültigen Werte festgelegt werden. Auf Basis der Versuchsergebnisse ließen sich anhand der Richtlinien und des Maßnahmenkatalogs jedoch Möglichkeiten zur Optimierung der Dichtsysteme ableiten. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

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The main failure cause of PTFE lip-seals is abrasive wear of the sealing edge or sealing lip. The failure of sealing elements is unwanted for various reasons. On the one hand the leak of fluid to be sealed can have negative influences on environment. On the other hand the leak of fluid acting as lubrication can lead to the damage or to the failure of an entire machine or plant. Ecological and economic aspects become more and more important for the use of machines and plants. The unexpected shutdown caused by failure of the seal is to be avoided under all circumstances. Therefore one wants to know the wear characteristics of the sealing element under the given operating conditions. Reaching a high lifetime is the highest goal for the development of sealing systems. So maintenance costs can be minimised. Prediction of the achievable lifetime regarding operation conditions is a further important point for the use of sealing elements. For mentioned reasons an early replacement of the seal can be reasonable. Describing wear characteristics of PTFE lip-seals is the intention of the actual thesis. One aim of this study was the programming of a tool, which is able to simulate wear. In order to illustrate the change of the component due to wear correctly, wear characteristics must be described by a wear model. For this on the one hand the selection of a suitable wear model is necessary. On the other hand extensive experimental investigations are required to get the appropriate parameters for the selected wear model. Various tribological tests were passed to determine the specific wear characteristics of a PTFE-compound which is in common use for lip-seals. Final analyses compare the simulation results with PTFE lip-seals after endurance tests. The investigations to the wear of PTFE-compounds, accomplished in the context of this thesis, and the developed tools for numeric wear simulation make an important contribution to this part of the sealing technology. The results of the wear investigations give limitations for use of PTFE/carbon-compounds against steel surfaces. With attention to the determined limitations a low-wear application of the material is possible. The two presented methods of wear simulation show different ways for the implementation of the wear-conditioned volume reduction within FE-simulation. Both methods have their special shown pro and cons. A substantial success of this thesis is the objective evidence that wear simulation with characteristic values out of tribological tests has good results. The combination of these two methods was so far not used in the sealing technology in this form. In the past tribological tests were already accomplished for the determination of wear rates of certain combinations of material. There are already studies, which were concerned with wear simulation. Here the wear factor was verified in such way that the simulation results were fitted to the test results. However a transfer of the characteristic values is not possible on other components. In the context of this dissertation the wear factor was determined at the tribological test rig and transferred to wear simulation on PTFE lip-seals. It was proven that this transfer is possible and gives a good agreement with component tests. Due to the large variance of the test results a concrete statement about reaching a certain operating time of one seal can not be made right now. Therefore further investigations will be necessary in the future. These may not only operate with the average values of the test results. More significant simulation results are expected in consideration of the distribution of the test results at the tribological test rig. However a higher number of test runs are necessary. This is not to be realised with only one test rig in limited time. Therefore a larger number of tribological tests should be passed parallel in future investigations. It must be examined if the variance of the results at the tribological test rig matches with the test results on PTFE lip-seals. The methodology of wear simulation offers also further development potential. In order to make this tool for a broad user spectrum usable, the application must be arranged simpler. At last it should be integrated into existing FE-programs.

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The sealing of rotating shafts by means of radial lip seals (RLS) against the environment is essential and a challenge for the engineering. The failure of a small and relatively inexpensive sealing element can provide an immense material damage. A growing environmental consciousness results in increasing requirements for the engaged sealing systems. Leakage, tolerated 20 years ago, is in now intolerable. The radial lip seal is part of a tribology system. This system includes the sealed fluid, the sealing counter surface and the radial lip seal. All system partners affect the goodness of sealing, wear and friction. The sealing counter surface is one of the most important partners in this system. It has to be neutral in fluid transport capability. Microstructures (Twist) on the surface cause an axial fluid transport against the direction of rotation. This leads to sealing system failure. The standard manufacturing method for sealing counter surface is twist free grinding. However, this standard process could also fail. The quality control of twist is hard to handle. Twist can be divided into macro‐ and microtwist. The standard roughness parameters like Ra or Rz are unsuitable for an adequate functional characterisation of twist. There are special twist measurement methods like the hairline method or the CARMEN‐analysis. But they have some weak points. The focus of these measurement methods is macrotwist or they afford only a quantitative view on twist. In the today’s industrial practice, you might faith in the goodness of the manufacturing process and on the recommended roughness parameters. The fine microtwist is mainly not observed. But this microstructures raise leakage in the sealing systems. Investigations at institute of machine components (IMA) at university of Stuttgart demonstrated this clearly. Such microstructures have a clear pumping ability. But there are no applicable measurement methods for this. The intention of this work was to develop a method for analysing the sealing counter surface for microtwist. In this work a method for measuring and analysing microstructures on sealing counter surfaces has been developed. New parameters for the characterisation of microtwist are established. Some examples showed that this analysis method is able to do a better characterisation of microtwist. An integral analysis of twist is possible in combination with the existing twist measurement methods. For this a procedure plan was developed in this work.

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This paper presents a large amount of experimental and theoretical analysis and the related result concerning high pressure rotating unions. Rotating unions for high pressure are often found in tool machines and in mobile hydraulic machines. In this applications oil pressure between 5 and 30 MPa have to be sealed. Those pressures are mostly dynamic and have to be sealed on rotating or swivelling shafts with low turning speeds (below 1 m/s). High pressure rotary shaft seals (so called rotor seals) are small radial acting seals that were used for this task. Troubles occur as those seals generate high friction forces or show high break away behaviour at the beginning of the shaft movement. Thermal problems and excessive wear leads to failures often caused by co-rotation of the seal ring with the shaft. The seals do not exceed their designated lifetime and the high friction forces disturb the function massively. Literature to this topic is quite rare. Plenty of patents are concerned with reduction of the friction forces. They partly show an incomplete knowledge about the way rotor seals operate. Just two independent scientific investigations are concerned with radial shaft seals under such a high pressure. Based on the seal rings available on the market and their materials the properties of rotor seals have been determined. Material tests allowed to figure out the properties concerning friction, wear and extrusion resistance of different seal ring materials. Test with varied conditions at low pressure showed by analyzing with statistic methods that the shape of the seal ring has a major impact on friction. Seal rings have been tested on break away friction by varying the time before movement and the pressure at beginning of the shaft movement and seal ring material. Experiments with seal under pressure from both sides in combination with finite element analyses deposited the basis for a detailed model of the sealing mechanism of high pressure radial seals with a flat sealing face. Thereby the oil pressure in the sealing contact must be considered. That pressure has been experimentally identified. The wear of the seals has been identified by long term tests with two different test programs that represented applications with interrupted and non interrupted shaft movement and intermitted pressure load. Failure pattern has been analyzed and described. The most common failure pattern could be dedicated to co-rotation of the seal ring with the shaft. Theoretical and experimental work showed causes and highlighted critical working conditions. By using FEA, thermal loads in rotating unions have been simulated. Out of this, influences by the design have been quantified. Based on many calculations, a mathematical model was build up that allows an estimation of the temperature in the sealing contact between shaft and seal ring. Out of the findings a very small prototype seal was developed that realizes many design guidelines that have been figured out within this work. The most important ones are together with the major findings written down in a separate chapter to use for the designer or development engineers. All the given advice is secured by experiments and a well-founded basis for the design of a high pressure radial sealing with the expected properties. For the first time the user has information in hand that allows to figure out critical points of a design. The user is able to influence properties in a specific way and avoid failures or identify the cause of them to find pertinent solutions.

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Mit einem 8-Zellen-Dauerlaufprüfstand hat sich der Fachbereich Dichtungstechnik am Institut für Maschinenelemente der Uni Stuttgart der Herausforderung gestellt, die Wechselwirkungen in komplexen tribologischen Systemen und deren Auswirkung auf die Dichtfunktion realitätsnah zu untersuchen.

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Überall dort wo Kräfte in einem Antriebsstrang übertragen werden, hat der Schmierstoff eine entscheidende Rolle. Er nimmt entscheidend Einfluss darauf, ob ein wirtschaftlicher Betrieb mit einem hohen Wirkungsgrad möglich ist. Der Schlüssel hierfür ist die für die jeweilige Anwendung optimierte Zusammensetzung des Schmierstoffes. Hoch additivierte, synthetische Fluide kommen vermehrt zum Einsatz. Diese sind für die Anforderungen der Verzahnungsstufen und der Lagerungen optimierte Lösungen. Eine unerlässliche Komponente in jedem Getriebe ist das Dichtsystem. Trotz all der Nutzungssteigerung durch verbesserte Schmierstoffe, kommt es zwischen der Dichtung und diesen Schmierstoffen oftmals zu einer Unverträglichkeit. Es tritt unvorhersehbar Leckage auf, was den Ausfall des Dichtsystems und damit des Getriebes bedeutet. Die verantwortlichen Additive können nach aktuellem Stand der Forschung nicht benannt werden. Bisherige Untersuchungen beschränken sich auf Verträglichkeitsbetrachtungen von fertig konfektionierten Schmierstoffen. Die Erkenntnisse ermöglichen aber keine grundlegende und übergreifende Beurteilung. Diese Wissenslücke wird in einem hierfür initiierten Forschungsprojekt des Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. untersucht. Es werden unterschiedliche synthetische Grundöl-Einzeladditiv-Mischungen betrachtet. Hierbei ist es entscheidend, dass jedes Fluid nur aus dem Grundöl und ausschließlich einem Additiv zusammengesetzt ist. Ein Ausfall kann eindeutig einem Additiv zugeordnet werden. In einem zweiten Projektschritt werden betriebsnah konfektionierte Schmierstoffe aus dem Grundöl und mehreren Einzeladditiven untersucht. Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen mit den Grundöl-Einzeladditiv-Mischungen vorgestellt. Im Einzelnen wird die Wirkung dieser Fluide im Dichtsystem Elastomer Radial-Wellendichtring durch Förderwertuntersuchungen, Reibmomentmessungen und Funktionsuntersuchungen detailliert betrachtet. Gleichbleibend für alle Untersuchungen ist ein Referenzdichtsystem. Die Gegenlaufflächen weisen jeweils die gleichen Eigenschaften auf. Es wurden die Dichtringwerkstoffe NBR und FPM bei jeweils gleichem Systemdurchmesser der Dichtung untersucht. Einzig der Schmierstoff wurde variiert, was eine eindeutige Zuordnung der aufgetretenen Veränderungen und eine Bewertung der Funktion des Dichtsystems zulässt. Vor und nach allen Untersuchungen wurden die Gegenlaufflächen optisch und taktil vermessen. Weiterhin wurden die Mikrohärte, die Verschleißbreite und die Radialkraft der RWDR vor und nach den Untersuchungen gemessen. Alle diese Maßnahmen ermöglichen es zu bewerten, welches Additiv im Dichtsystem welche Reaktion verursacht. Eine umfassende Beurteilung wird vorgestellt, basierend auf den neuesten Erkenntnissen des Forschungsvorhabens.

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Sealing of cables are difficult. Hard conditions for the sealing, like steam, vacuum, high temperature and medical sterilization, all these need special solutions. Four methods were given, and all their performance were tested through experiments. The resuits show that the method that the sealings of the reaction chamber are carried out at the wire and the box separately is the best. This method fixs a steel pipe at the entrance of the reaction chamber, wire is through the pipe into the cavity. 0-ring is used for the sealing between steel pipe and steel reaction chamber. The wire is reinforced with heat-shrinkable plastic casing.

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Zur Abdichtung von Wellendurchtrittsstellen werden häufig Radialwellendichtringe (RWDR) aus Elastomer (FPM oder NBR) eingesetzt. Infolge der Relativbewegung zwischen Welle und Dichtring wird kinetische Energie in Reibwärme umgewandelt. Jeder dieser Werkstoffe und das Öl haben eine kritische Dauereinsatztemperatur welche nicht überschritten werden darf. Die Temperatur im Reibkontakt ist demnach eine lebensdauerentscheidende Größe. Messungen der Temperatur direkt im Reibkontakt mittels Thermoelementen sind sehr aufwändig und sofern möglich, fehleranfällig. Messungen mit einer hochauflösenden Thermographiekamera sind weniger aufwändig, aber physikalisch bedingt nur direkt am, aber nicht im Reibkontakt möglich. Die Temperatur ist erwartungsgemäß etwas niedriger als im Reibkontakt. Standardwärmeübertragungssimulationen mit einem Strukturmechanikprogramm sind eine oft ausreichende Näherung zur Abschätzung der Temperatur im Reibkontakt. Sie eignen sich gut für Parameterstudien, aber nicht für absolute Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen. Die komplexen Wechselwirkungen bei der Wärmeleitung und der Konvektion werden dabei zu stark vereinfacht. Das Temperaturfeld ist in der Regel eng mit dem Geschwindigkeitsfeld der Fluide (hier Öl und Luft) gekoppelt. Diese Kopplung wirkt sich direkt auf die Wärmeübergänge von den Festkörpern zu den Fluiden aus und darf nicht vernachlässigt werden. In dieser Veröffentlichung wird eine erweiterte Methode zur Simulation der Temperatur im Reibkontakt vorgestellt. Mittels einer CHT-Analyse wird das Temperatur- und Geschwindigkeitsfeld in einem Radialwellendichtring-Prüfstand berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Das zur Berechnung der spezifischen Heizleistung im Reibkontakt herangezogene gemessene Reibmoment wird mit den Ergebnissen aus der CHT-Analyse bezüglich des Planschmomentes korrigiert. Das wirkliche Reibmoment des Dichtrings kann so berechnet werden. Rotary shaft seals made of elastomers (FPM or NBR) are often used at rotating sealing applications. Friction heat is generated by the relative velocity between the shaft and the sealring. All sealing materials and the oil have a critical working temperature, which must not be exceeded. The temperature in the friction contact is a lifetime decisive parameter. Thermocouples were used for direct measurements of the temperature in the friction contact. This is very complex and error-prone. Measurements with a high resolution thermocam are less complex, but only possible near by, not in the friction contact. The temperature is unsurprisingly lower. Standard heat transfer simulations are often a good approximation for the estimation of the temperature in the friction contact. They are ideal for parameter studies but not for high-precision comparisons with experimental results. The complex interactions of conduction and convection will be oversimplified. The temperature field and the velocity field of the fluids are strongly coupled. This coupling affects the heat transfer from the solid to the fluids and must not be neglected. This paper shows an advanced method to simulate the temperature in the friction contact. The temperature and velocity field will be calculated by an Conjugated-Heat- Transfer analysis (CHT). A classical heat tranfer analysis with consideration of the fluid. The simulations will be compared to experimental results. The used heating power, determined by measurments of the friction torque, will be corrected by the simulated plash-torque. The real, corrected friction torque of the sealring is now known.

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Radialwellendichtringe (RWDR) sind im Maschinenbau häufig eingesetzte Dichtelemente, meist um Öl abzudichten. Durch erweiterte Anforderungen an Maschinen werden zunehmend die flüssigen Öle durch konsistente Schmierfette ersetzt. Ölabdichtende Systeme sind umfassend erforscht und werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Praxis eingesetzt. Schmierfette verhalten sich jedoch völlig anders als Öle. Das Wissen für Öle ist somit nicht direkt übertragbar. Spezialwissen für fettabdichtende Systeme gibt es kaum. Die Folgen sind kostspielige und unerklärbare Ausfälle in der industriellen Praxis. In diesem Forschungsvorhaben wurden schmierfettabdichtende RWDR hinsichtlich ihrer Einsatzgrenzen und der günstigen Gestaltung der Dichtstelle untersucht. Variiert wurden die Komponenten des Dichtsystems: Dichtring, Schmierfett, Dichtringlauffläche und Einbauumgebung sowie die Betriebsparameter, Umfangsgeschwindigkeit und Temperatur. Das Ergebnis ist gesichertes Wissen über den Einfluss der einzelnen Komponenten auf Reibung, Verschleiß, Dichtgüte, Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Entstanden ist ein erster praxisgerechter Leitfaden, der eine auf Schmierfette optimierte Gestaltung und Beurteilung von RWDR-Dichtsystemen ermöglicht. Die Einsatzgrenzen lassen sich nun viel besser abschätzen. Die Forschungsarbeiten haben klar gezeigt: Das Verbesserungspotential ist groß. Schmierfette lassen sich in weiten Grenzen zuverlässig mit RWDR abdichten. Stirnseitig anstehendes Fett, reduzierte Anpressung, schmale Dichtkante und relativ raue Dichtringlaufflächen erwiesen sich als besonders günstig. Die richtige Wahl und Kombination der einzelnen Komponenten des Dichtsystems ist hierbei aber entscheidend. Was unbedingt zu beachten ist, und welche besondere Aufmerksamkeit Schmierfette verlangen, ist ausführlich im informativen Abschlussbericht dargestellt.

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Ziel der Untersuchung war, den Einfluss unterschiedlicher Wellenoberflächen-Charakteristiken auf das Reibmoment von Radial-Wellendichtungen zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass der Traganteil einer Oberfläche ein entscheidender Faktor ist. Zur Bestimmung des Traganteils wurden 3D-Oberflächenmessungen mittels eines fein auflösenden Mikroskopsystems durchgeführt. Über das Aneinanderfügen mehrerer Bilder in Richtung des Umfangs konnte ein größerer Abschnitt einer möglichen Laufspur gemessen und topographisch ausgewertet werden. Während den Reibmomentmessungen wurden die Versuchsbedingungen wie Öl, Drehzahl, Ölsumpftemperatur etc. bestmöglich konstant gehalten. Die Ergebnisse lassen erkennen, dass plateauartige Oberflächen zu höheren Reibmomenten gegenüber zerklüfteten Oberflächen mit zahlreichen schmalen Kuppen führen. Anhand der Auswertung der Traganteile in verschiedenen Schnitttiefen wurde dies eindeutig quantitativ bestätigt.

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In dieser Arbeit wurde die Bestimmung der WÜK einer komplexen Geometrie mittels einer CHT Analyse gezeigt. Hierzu wurde die turbulente Strömung der Luft um den Prüfstand und des Öls im Prüfstand berechnet. Die Temperatur wurde mit Thermoelementen unter der Dichtkante und einer Thermographiekamera im optisch zugänglichen Bereich vor dem RWDR gemessen. Die Luft wird axial von der rotierenden Welle angesaugt und bis zu deren Ablösung mitrotiert. Das Ergebnis der stationären turbulenten CHT-Simulation ist das statische Temperaturfeld. Mit den aus der CHT-Simulation bekannten lokalen WÜK und Temperaturen wurden gemittelte WÜK berechnet, welche dann als Randbedingungen in einer Strukturmechanik-Wärmeübertragungssimulation ohne Fluid eingesetzt werden. Die numerischen Ergebnisse stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die gemessene Temperaturdifferenz zwischen den Thermoelementen und der Thermographiekamera von 4 K wurde mit den Simulationen bestätigt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnisse bestätigen, dass man aus Messungen mit einer Thermographiekamera auf die Temperatur unter der Dichtkante zurückschließen kann. Die erreicht Genauigkeit von 1,3 K ist hierzu ausreichend.

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Bisher werden Rauheitsprofile von Oberflächen vorwiegend entgegen der Funktionsrichtung ermittelt. So wird beispielsweise die Rauheit von Dichtungslaufflächen häufig in axialer Richtung gemessen, zweckmäßiger wäre jedoch eine Beurteilung der Oberflächen entlang der Umfangsrichtung. Ziel ist, hierdurch eine wesentlich bessere Übereinstimmung zwischen Oberfl ächenbeschaff enheit und tribologischem Verhalten zu erhalten. Um Rauheitswerte beurteilen zu können, müssen allerdings die exakten Messbedingungen bekannt sein: taktil oder optisch, in Achs- oder Umfangsrichtung, Filterart, Primärprofil oder Rauheitsprofil usw. Nur bei identischen Messbedingungen sind die Rauheitswerte miteinander vergleichbar. Bei der Entwicklung einer allgemeingültigen Strategie zur Beurteilung der Oberflächenbeschaff enheit sind viele Punkte zu beachteten, wozu noch viel Arbeit notwendig ist.

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Die Reibung in der Kontaktzone von Radial-Wellendichtungen entscheidet über die Lebensdauer des Dichtrings und den Leistungsverlust. Eine möglichst genaue Vorhersage des Reibungszustands ist deswegen wünschenswert. Die simulative Berechnung des Reibungszustands ist zurzeit kaum möglich. Dies liegt an der Komplexität der Vorgänge in der Kontaktzone. Vereinfachungen, die im Makroskopischen zulässig sind, führen in der mikroskopischen Kontaktzone der Radial-Wellendichtung zu eklatanten Fehlern. Die durchgeführten Versuche zeigen den eindeutigen Einfluss der Rauheit auf die Reibung. Gegenlaufflächen mit geringer Rauheit haben höhere Reibungszahlen als solche mit hoher Rauheit. Dies liegt vermutlich an der unterschiedlichen Ausprägung der Flüssigkeitsreibung in der Kontaktzone. Raue Gegenlaufflächen könnten zu punktuellen Festkörperkontakten mit dem Dichtring neigen. Daraus folgt ein geringer Mischreibungsanteil und eine größere Schmierfilmhöhe zwischen einzelnen Rauheitserhebungen. Durch eine geringere Scherrate führt das zu niedrigerer Flüssigkeitsreibung. Wird für die Abschätzung des Reibungszustands die Rauheit der Gegenlauffläche berücksichtigt, lassen sich deutlich genauere Aussagen treffen. Ein um den Faktor der Rauheit korrigiertes Gümbelzahl-Diagramm wäre ein belastbares Instrument zur Reibungsvorhersage bei Radial-Wellendichtungen.

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Zur Abdichtung bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen werden häufig Dichtringe aus gefüllten Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt. Der Werkstoff ist im Gegensatz zu Elastomerwerkstoffen hoch temperatur- und chemikalienbeständig. Hauptausfallursache ist allerdings der Dichtringverschleiß. Die Mechanismen, die zu diesem Verschleiß führen sind nicht ausreichend bekannt. Eine Berechnung zur Lebensdauervorhersage damit unmöglich. In dieser Arbeit wird ein Multiskalenansatz zur Analyse, Modellierung und Simulation von Verschleiß und Reibung an PTFE-Manschettendichtungen vorgestellt. Stand des Wissens ist, dass sich die physikalischen Vorgänge bei Reibung und Verschleiß nicht auf eine Betrachtungsskala beschränken lassen. Auf der sogenannten Mesoskala erfolgt die Modellierung und Berechnung der Reibung auf Rauheitsebene. Das Mikromodell berücksichtigt die Mikrostruktur des Werkstoffs. Das Makromodell, das den Hauptteil dieser Veröffentlichung darstellt, beschreibt den Verschleiß auf der Bauteilebene. In Verbindung mit einem Verschleißgesetz lässt sich die Geometrieveränderung des Bauteils berechnen. Eine Gebrauchsdauervorhersage ist damit möglich.

Zusammenfassung

Zuverlässiges Abdichten mit Radial-Wellendichtringen ist nur mit speziellen Wellenoberflächen möglich. Die Fertigung solcher Oberflächen ist aufwändig und damit teuer. Ein neues Verfahren, das Drehfräsen, reduziert den Fertigungsaufwand erheblich. Ein vergleichender Versuch mit einer im Einstich geschliffenen Welle zeigt, dass beide Systeme dicht und die Reibmomente nach der Einlaufphase gleich sind.

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In vielen Bereichen des Maschinenbaus werden zur Abdichtung rotierender Bauteile Radial-Wellendichtringe eingesetzt. Bis heute ist keine Möglichkeit vorhanden den RWDR adäquat in die Lebensdauerberechnung von Systemen einzubeziehen. In dieser Arbeit werden die Grundlagen zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von RWDR dargestellt und diskutiert. Dies umfasst die Betrachtung des RWDR als Teil eines komplexen Dichtsystems, die Einflussfaktoren auf die Lebensdauer, die Definition des Ausfalls und die Ausfallmechanismen. Zudem wird auf die Testplanung und Methoden zur Testzeitverkürzung für Lebensdauerversuche von RWDR eingegangen. Zuletzt werden erste Auswertungen von Dichtungsausfällen aus dem Feld vorgestellt Radial Shaft Seals are widely used in mechanical engineering for the sealing of rotating components. Until today there is no possibility to include Radial Shaft Seals adequately into the lifetime calculation of reliability systems. In this paper the fundamentals for the determination of the reliability of RSS are presented and discussed. This involves the consideration of the RSS as part of a complex sealing system, the influences on reliability, the definition of the failure and the failure modes. Furthermore the test planning of lifetime tests of radial shaft seals is discussed. At last the results of a field data analysis are presented

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The rod seal of a hydraulic cylinder is a crucial component as it controls leakage directly into the environment. Several testing methods can be used to detect a decreasing sealing ability, even before measured leakage occurs. This feature article describes the results of leakage measurements, pumping rate measurements and film thickness measurements on the rod surface. The differences between the individual methods are described and discussed, and also compared with predictions from finite element calculations.

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The minimum of the friction torque can be achieved if the cross sections of the convolutions are big enough to pump out the oil beneath the lip.

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For simple geometries like a plane plate the heat transfer coefficients (HTC) can be calculated in an analytical way. With more complex geometries these empirical approach fails. The HTCs of real machines can only be measured by time-consuming experiments. The crux is, that these coefficients depend on the type of the flow and the thermal properties of the solid materials and the fluids, which depend again on the geometrie properties and the operating conditions. Another way is their identification by doing a numerical fluid simulation regarding the energy conservation equations. This work presents an approach to calculate the heat transfer coefficients of a test rig for radial shaft seals. A computational fluid dynamics analysis was done to get the velocity and the temperature distribution. After this, it is possible to derive the heat transfer coefficients. Concerning the high cpu-time for an adequate wall treatment, it was checked whether it makes sense to use the determined heat transfer coefficients in a non-fluid heat transfer simulations as boundary conditions. The numerical results will be verified with experimental results at the test rig for radial shaft seals. Therefore two thermo couples were placed in the rotating shaft to get the temperature under the sealing edge. Because this method is technically most demanding, a thermal imaging system was used to get the temperature in front of the optically accessible area of the seal ring. Thermal imaging measurements show a 4 Klower temperature, compared to the thermo couples. This difference will be checked.

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Um Gegenlaufflächen von RWDR allgemein beschreiben zu können, müssen sowohl die auf der Oberfläche befindliche Textur wie auch weitere Oberflächenparameter betrachtet werden. Dabei kommt es vor allem auf die Erkennung und Auswertung von mikroskopisch feinen Riefen an. Ein erster Ansatz zur Riefenanalyse wurde mit dem beschriebenen Verfahren aufgezeigt. In weiteren Untersuchungen ist zu prüfen, ob die Ausrichtung und Form einer Topographieaufnahme Einfluss auf die erkannte Riefenverteilung hat und ob diese Methode auf alle Wellenoberflächen anwendbar ist. Für ein umfassendes Modell zur Erklärung der Förderwirkung im Dichtsystem ist noch viel Arbeit notwendig.

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The design of fluid sealed surface areas is a challenge for any engineer, due to mechanical, thermal and chemical influences. In the field of drive technology a further challenge is the transmission of torques onto the sealing area. Designers have to consider all these influences when making the pertinent layout. If sealing fluids are used as sealing agents, the designer has to decide whether to design the sealing area as a mere force-locked connection or as a combination of force-locked and adhesive bonded. When connections which are forcelocked and join adhesive bond are chosen connections conditions and details at the sealing gap have to be known. Due to new measuring techniques and the visualization of the measuring results, it is possible to obtain all the necessary details of the surface sealing area.

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Im Beitrag wurden Ergebnisse von Dauerlaufversuchen von verschiedenen Rotordichtringen auf hartgedrehten Gegenlaufflächen unter hohem Öldruck vorgestellt und mit denen auf gehärtet und geschliffener Fläche verglichen. Hartgedrehte Gegenlaufflächen tendieren zu höherer Losbrechreibung. Im Betrieb gleichen sich die Charakteristiken beider Gegenlaufflächen allmählich an. Die geschliffene Gegenlauffläche bietet keinen Vorteil mehr, ist teilweise sogar deutlich schlechter. Das Reibmomentniveau bei Gleitreibung ist ähnlich, allerdings schwankt das Reibmoment auf hartgedrehten Gegenlaufflächen deutlich stärker als auf gehärtet und geschliffenen. Die Dichtringe verschlissen auf hartgedrehte Fläche etwas stärker, als auf geschliffenen. Zudem zeigten sie mehr Leckage – unabhängig von der Drehrichtung. Bei den Versuchen verhielt sich der Dichtring aus UHMW-PE oft gegen den Trend der Gruppe. Dichtringe aus diesem Werkstoff scheinen mit der hartgedrehten Fläche sogar besser zurecht zu kommen, als mit der gehärtet und geschliffenen. Die unterschiedlichen Drehparametersätze zeigten ein ähnliches Eigenschaftsprofil der hartgedrehten Wellen untereinander, lediglich beim Welleneinlauf war die Welle mit Parametersatz B bei allen Dichtungen einheitlich besser als alle anderen Flächen – einschließlich der geschliffenen. Auch wenn die vorliegende Untersuchung nicht statistisch abgesichert ist, lässt sich sagen, dass hartgedrehte Wellen geeignete Gegenlaufflächen sein können. Intergral betrachtet ist die gehärtete und geschliffene Fläche noch immer die erste Wahl, eine mögliche Alternative dazu sind hartgedrehte Flächen aber allemal.

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In den Untersuchungen wurde festgestellt, dass momentan flüssig abgedichtete Flansche überdimensioniert ausgelegt werden. Grund hierfür ist die Auslegung als reine Schraubenverbindung. Dabei wird nicht berücksichtigt, dass sowohl durch Reibung als auch durch Klebkräfte Momente übertragen werden können. Um beide Effekte ausnutzen zu können, muss bekannt sein, in welchem Verhältnis die Flächenanteile von Flächenkontakt zu Klebfläche stehen. In den Versuchen wurde dieses Verhältnis durch die Auswertung visualisierter Dichtspalte ermittelt. Die Titelfrage, ob die Schicht eines Flüssigdichtmittels eine Klebschicht ist, kann demnach mit „Ja“ beantwortet werden. Jedoch ist es kein Klebfilm im herkömmlichen Sinn. Die Unterschiede sind, die Unterbrechungen des Klebfilms durch den Flächenkontakt der Gehäusehälften, die inhomogene Klebschichtdicke, das Vernetzen unter Druck und die Spannungen in der Klebschicht. Ziel weiterer Untersuchungen ist es den Anteil an Flächenkontakt der gefrästen Oberfläche genauer zu untersuchen. Besonders entscheidend ist hierbei die genaue Bestimmung der Schichtdicke des Flüssigdichtmittels. Zurzeit kann sie nur experimentell ermittelt werden. Die Berechnung der Schichtdicke in Abhängigkeit des Anpressdrucks, der Viskosität, der Überlappungsfläche und der Zeit ist ungenau 1. Grund hierfür ist die Änderung der Viskosität beim Fügen. Des Weiteren sind die Gestalt der Dichtspaltgeometrie und die Einflüsse auf die Flüssigdichtmittelschicht und deren Abdichteigenschaften zu untersuchen. Sobald die offenen Fragen beantwortet sind, lassen sich die Einsatzgrenzen von Flüssigdichtmitteln genau bestimmen. Somit wird mit den Einsatzgrenzen die flüssig abgedichtete Flächendichtstelle berechenbar. Das Berechnen ermöglicht, im Hinblick auf Leichtbau das Potential, das in der Klebung steckt, zu nutzen und die Flächendichtstellen zu optimieren.

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Elastomeric lip seals are frequent and reliable machine components. However, their range ofapplication is limited. Ifthese limits are reached, the seals are often replaced by PTFE sleevetype seals with spiral grooves (PTFE lip seals). The basic geometries and types ofgrooves have an empiric origin. An exact analysis and with it the knowledge of their function does not exist. This paper presents a project that aims to analyze and optimize the function and design ofthese grooves. A test rig developed at the Institute ofMachine Components at the University of Stuttgart visualizes the flow in PTFE lip seals and between hydrodynamic sealing aids of elastomeric lip seals. The flow is observed and recorded through a glass hollow shaft, which allows investigating the behavior in all directions and areas of the lip. This knowledge is essential to develop new geometries and to verify complex fluid dynamic analysis.

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Schmale Flächen bei berührenden Elementen sind dichtungstechnisch günstig. Hydrostatische und hydrodynamische Strukturen auf den Gleitflächen bringen erhebliche Verbesserungen beim Reib- und Verschleißverhalten. Eine Kombination der Vorteile ist aufgrund der schmalen Gleitflächen schwierig und erfordert besondere Lösungen. Durch Berechnungen und Versuche mit verschiedenen Strukturierungen, konnte eine optimale Struktur entwickelt werden. Diese Struktur baut einen stabilen, trennenden, schmierenden und kühlenden Schmierfilm zwischen Gleitflächen auf, so dass das System praktisch berührungsfrei arbeitet. Mit dieser Struktur lassen sich Leistungen im kW-Bereich einsparen und Drücke von 80 bar und gleichzeitig Gleitgeschwindigkeiten von 47 m/s über lange Zeit betriebssicher beherrschen.

Zusammenfassung

Um Gegenlaufflächen von RWDR allgemein beschreiben zu können, muss sowohl das Oberflächenprofil in Umfangsrichtung wie auch die auf der Oberfläche befindliche Textur betrachtet werden. Dabei kommt es vor allem auf die Profilform sowie die exakte Erkennung und Auswertung von mikroskopisch feinen Riefen an. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen vorhandene Zusammenhänge zwischen dem Oberflächenprofil in Umfangsrichtung und der Oberflächentextur in Form von Riefen. Niedrige Reibmomente sind demnach vor allem bei zerklüfteten Oberflächenprofilen zu erwarten, innerhalb derer sich Schmierstoff „einlagern“ kann. Bei eher plateauartigen Oberflächen sind derartige „Schmierstoffdepots“ nicht vorhanden, so dass eine geringere hydrodynamische Trennung der Gleitflächen stattfindet, was zu höheren Reibmomenten führt. Allerdings hat auch die Oberflächentextur einen wesentlichen Einfluss auf den Schmierungszustand im Dichtkontakt. Diese lässt sich bisher nur unzureichend erfassen, so dass zu erwartende Reibmomente nur grob abgeschätzt werden können. An einer quantitativen, rechnergestützten Analyse der vorhandenen Oberflächentextur wird derzeit intensiv gearbeitet.

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Elastomeric lip seals are frequent and reliable machine components. However, their range of application is limited. If these limits are reached, the seals are often replaced by PTFE sleeve-type seals with spiral grooves (PTFE lip seals). The basic geometries and types of grooves have an empirical origin. An exact analysis and with it the knowledge of their function does not exist. This paper is a sequel to a presentation at 2005 Annual Meeting which is published in Tribology Transactions, Volume 50 Issue 3, 2007. Within this project the flow in different groove geometries was visually analyzed. Furthermore the friction torque, the pumping rates and the long time behavior regarding leakage, wear and soiling by degraded lubricants were analyzed. The knowledge and understanding of the behavior of PTFE lip seals is now available. With this knowledge it is possible to push the limits of PTFE lip seals and to use them in other fields of applications – applications with overflowed shafts.

Zusammenfassung

Für die Abdichtung von Drehübertragern für hohen Hydraulikdruck (z.B. Rundschalttisch) werden Dichtringe verwendet, die in geschlossenen Nuten im Gehäuse eingeschnappt sind. Sie dichten auf einer gehärteten und geschliffenen Welle ab. Diese sind in der Fertigung teuer. In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie sich ein Ersetzten der geschliffenen Welle durch eine hart- oder weichgedrehte Welle auf die Dichtung auswirkt. Es wurden folgende Punkte genau betrachtet: • Losbrechreibung der Dichtung beim Start der Drehbewegung • Reibung im Betrieb der Dichtung • Leckage durch Oberflächenstruktur, Drehwendel oder Druckwechsel • Verschleiß des Dichtrings • Verschleiß der Welle durch Welleneinlauf • Einfluss des Drucks auf die o.g. Punkte um ggf. eine Betriebsgrenze auszumachen Hierzu wurden verschiedene marktübliche Dichtringe auf den verschiedenen Gegenlaufflächen betrieben und anhand von Messwerten verglichen. Es zeigte sich, dass hartgedrehte Wellen weitgehend geeignet sind und weichgedrehte Wellen mit Einschränkungen bei niederen Anforderungen eingesetzt werden können.

Zusammenfassung

Elastomeric lip seals are used to seal rotating shafts in all areas of mechanical and automotive engineering. The Elastomeric lip seal is a frequent and reliable sealing system in millions of cases. Based on its good static sealing and the active dynamic sealing mechanism it is accepted by the market. However, limits are set to its area of application. The load on the lip seal during its use, for example at high ambient temperatures and high shaft speeds leads to high temperatures at the seal edge. Also the high specific friction work leads to overheating. This degrades the elastomer and the fluid. Elastomeric lip seals are ageing very fast under such high-loads. An even bigger problem is the comparative low chemical resistance. For these reasons Elastomeric lip seals are being substituted more and more by sleeve type lip seals made of Polytetrafluorethylene (PTFE) compounds. The PTFE lip seals can be used in a temperature range up to 260 °C and at higher circumferential speeds. Due to their good tribological attributes they can also be used at sparsely oiled sealing areas or for the sealing of poorly lubing fluids. Its universal chemical resistance is another major advantage. In comparison to an Elastomeric lip seal the plain PTFE lip seal does not have an inward pumping mechanism. Therefore the PTFE lip seal with spiral groove was developed. The spiral groove is connected, analogue to a thread with several convolutions, to the shaft. Thereby it generates an adjusted pump effect on the oil beneath the lip depending on the direction of rotation. The static sealing has to be stated critically due to the fact that fluids can leak through the continuous spiral groove at standstill of the shaft. The precise functions of the dynamic and the static seal mechanism are not well understood up to now. Therefore today’s products were largely developed by empiric procession. Nevertheless, the understanding of the flow is necessary to be able to develop and improve new seals. This work aimed to analyse and optimise the function and design of the groove- geometry. Therefore the state-of-the-art of market-available PTFE lip seals was investi- gated. The following behaviours and methods were analysed and used: Geometry Radial Force Friction Torque Oil pumping rate Air pumping rate Leak tightness, wear and development of oil coal in long-time tests Static leak tightness Flow in the convolutions due to visual analysis through a glass hollow shaft Finite Element Analysis Computational Fluid Dynamic Analysis With these methods the penetration behaviour, the hydrodynamic flow and the back pumping mechanisms were investigated and exemplarily described for three groove types. The mechanisms in different groove types can now be understood, compared, and optimised. In addition, the influence of entered particles or of an oxidation deposit from degraded oil can be analysed. Furthermore, this knowledge serves the verification of Computational Fluid Dynamic simulations. Results for the dynamical function are: The oil is forwarded circumferentially in the convolutions around the shaft and therefore pumped back. No axial flow takes place. The transport of the oil takes also place on the contacting areas, even if the convolutions are not filled. è The geometries of the different spiral grooves are working well if the shaft rotates. Results for the statical function are: All PTFE lip seals leak if the oil level reaches the shaft, and therefore the lip. The oil flows through the open entry into the groove, around the shaft and even above the oil level. It leaks out at the air side. è The geometries of the different spiral grooves do not work sufficiently if the oil level reaches the lip seal at standstill of the shaft. With this knowledge, the groove geometry was optimized in this dissertation. The contacting area has to be small, and the walls of the groove have to be rampant. Therefore the oil can be hold in this area by cohesion forces and the oil does not flow in the convolution. The lip seal was innovatively extended with a closed ring at the oil side. This ring closes the open entry of the spiral groove and thus avoids the inflow of oil. The radial force and the pressure distribution were optimised with the help of finite element analysis. They were adjusted with newly-created add-ons. With these optimisations a new, statically leak tight lip seal for the use in all fields of mechanical engineering was developed. It can seal all fluids at temperatures up to 260 °C. This innovative lip seal prevents choosing a wrong seal, optimises the storage and ensures an optimal function at all operating conditions. The costs are comparable to highgrade Fluorelastomeric lip seals.

Zusammenfassung

Die Funktion einer Radial-Wellendichtung wird, vor allem bei Serienprodukten, mittels Versuchsläufen überprüft. Das Zusammenspiel der einzelnen Systemparameter Dichtring, Welle und Schmierstoff muss gegeben sein, um eine zuverlässige Funktion bei den vorherrschenden Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Über Lastkollektive sollen die Betriebsbedingungen im Versuch simuliert werden. Zugleich soll eine Raffung der Betriebsbelastungen erfolgen, so dass innerhalb vergleichsweiser kurzer Versuchszeiten eine Aussage über deutlich längere Betriebszeiten getroffen werden kann. Verschiedenartig aufgebaute Lastkollektive wurden über Versuchsläufe miteinander verglichen, um so grundlegende Erkenntnisse zur Gestaltung eines Lastkollektivs zu erhalten. Die Hauptschädigungsmechanismen abrasiver Verschleiß und thermische Belastung des Dichtsystems können über das Drehzahl-Temperatur-Kollektiv direkt beeinflusst werden. Hierzu wird die Gestaltung eines aussagefähigen Lastkollektivs vorgestellt. Wesentlich ist bei allen Untersuchungen eine dem Anwendungsfall entsprechende Gewichtung der auftretenden Belastungen. Werden diese nicht geeignet abgebildet kann dies zur Folge haben, dass andere Schädigungsmechanismen auftreten, woraus ein abweichendes Ausfallverhalten der untersuchten Dichtsysteme resultiert. Die Untersuchungsergebnisse würden in diesem Fall die zu untersuchende Anwendung nicht repräsentieren, was falsche Schlüsse und Maßnahmen zur Folge hätte. Die Gestaltung eines Lastkollektives für Untersuchungen von RWDR hat wesentlichen Einfluss auf die Versuchsergebnisse und sollte für jeden Anwendungsfall überprüft werden.

Zusammenfassung

Durch die statistische Auswertung von Ausfalldaten, sowohl aus dem Feld als auch aus Prüfstandversuchen, können Informationen über die Lebensdauer und das Verhalten von Dichtringen gewonnen werden. Obwohl bei Felddaten nicht alle Umgebungsbedingungen bekannt sind, kann durch die große Anzahl an Daten eine zuverlässige Aussage getroffen werden. Die Sammlung und Analyse von Rückläuferdaten bringt eine zusätzliche Sicherheit bei der Bestimmung der Lebensdauer. Dis gilt vor allem bei sehr langen Betriebsdauern, die in Versuchen nur schwer ermittelt werden können. Dadurch können Versuchszeiten von mehreren tausend Stunden eingespart werden. Ebenso kann die notwendige Anzahl von Prüflingen bei gleicher Aussagesicherheit deutlich reduziert werden. Durch die Auswertung von Mischverteilungen lassen sich zusätzliche Rückschlüsse auf das Ausfallverhalten von verschiedenen Ausfallmechanismen ziehen und damit auch für unterschiedliche Anwendungsfälle eine genaue Aussage treffen.

Zusammenfassung

Baugruppen, die Betriebsfluide enthalten, sind heute auf Dichtheit zu prüfen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird auch bei Baugruppen die flüssigkeitsdicht sein müssen mit Prüfgasen gemessen. Hierdurch müssen zwei Leckraten festgelegt und miteinander verknüpft werden. Die Studie zeigt, welche Probleme dadurch entstehen und was zu beachten ist. In den einzelnen Kapiteln wird auf die Strömungen, die Dichtheitsprüfung, die Messverfahren und das Umrechnen von Leckraten eingegangen. Abschließend muss festgestellt werden, dass ein allgemeingültiger Zusammenhang, um von einer mit einem Prüfgas bestimmten Leckrate auf die Dichtheit bezüglich einer bestimmten Flüssigkeit schließen zu können, bisher nicht bekannt ist. Es sind auch keinerlei Ansätze absehbar, wie ein solcher aussehen könnte.

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Radial-Wellendichtungen bilden ein komplexes tribologisches System aus Dichtring, Wellenoberfläche und abzudichtendem Fluid. Die dynamische Dichtheit beruht auf einer Pumpwirkung des RWDR, die hauptsächlich auf verzerrte Verschleißstrukturen der Dichtkante zurückzuführen ist. Das Reibmoment des Dichtsystems ist von einigen Systemparametern abhängig, die sich gegenseitig stark beeinflussen, so dass ohne direkte Messung nur eine grobe Abschätzung des Reibmoments erfolgen kann. Veränderungen über der Laufzeit müssen aufgrund von Verschleiß und Elastomeralterung mit berücksichtigt werden. Ein Radial-Wellendichtring ist ein abgestimmtes System aus Werkstoff, Geometrie und Radialkraft, das über lange Zeiträume zuverlässig abdichten kann. Die Anpressung der Dichtkante an die Wellenoberfläche wirkt sich wesentlich auf das Reibmoment und somit auf die entstehende Reibleistung aus. Eine Erhöhung dieser Anpressung, z.B. aufgrund von Überdruck im Aggregat, führt zu steigender Reibleistung und somit einer erhöhten thermischen Belastung der Dichtkante, bei verringerter Lebensdauer. Werden Einstich geschliffene Wellenoberflächen mit Rauheiten der oberen Hälfte des empfohlenen Bereichs eingesetzt, so kommt es zu einer besseren Konditionierung des Dichtrings, was den dynamischen Dichtmechanismus unterstützt. Die gemessenen Reibmomente der Dichtsysteme mit rauen Wellen, liegen niedriger als die bei glatten Oberflächen, was die Erwärmung der Dichtzone und somit die thermische Belastung des Dichtsystems verringert. Anwendungen wie Windenergieanlagen benötigen eine besondere Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer des Dichtsystems, bei gleichzeitig erschwerten Betriebsbedingungen und Umwelteinflüssen. Dies erfordert spezielle Maßnahmen bei der Auslegung des Dichtsystems, um durch konstruktive und äußere Einflüsse die Belastung des Dichtsystems nicht weiter zu erhöhen: Die Wellenrauheit sollte auf den Dichtring abgestimmt sein, so dass es zu einer guten Konditionierung der Dichtkante kommt. Eine geringe thermische Belastung des Dichtsystems erhöht die Lebensdauer. Die geeignete konstruktive Gestaltung des Einbauumfelds begünstigt eine gute Schmierung des Dichtrings und ermöglicht eine gute Wärmeableitung. Ein Überdruck an der Dichtstelle sollte vermieden werden. Der abzudichtende Schmierstoff darf das Elastomer des RWDR nicht schädigen. Hier müssen evtl. im Vorfeld Ölverträglichkeitsuntersuchungen erstellt werden. Vorsicht bei Schmierstoff- oder Additivwechseln in bestehenden Systemen! Die Dichtung muss als Dichtsystem betrachtet werden, mit aufeinander abgestimmten Komponenten. Der Radial-Wellendichtring darf hierbei nicht als Katalogelement behandelt werden, sondern muss sorgfältig entsprechend den Einsatzbedingungen und dem verwendeten Fluid ausgewählt werden.

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Wegen des geringen Bauraums werden für Drehdurchführungen, beispielsweise in automatischen Getrieben, vorwiegend sogenannte Kolbenringe eingesetzt. Immer weiter steigende Anforderungen lassen sich mit diesem Dichtelement nicht mehr beherrschen. Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsprojekts Hochdruck-Wellendichtring ein adäquates Nachfolge-Dichtsystem entwickelt. Die Entwicklung gliederte sich in fünf Schritte: -Screening und Auswahl geeigneter Werkstoffe -Eperimentelle Untersuchung des Gesamtsystems -Theoretische Untersuchung des Gesamtsystems -Entwicklung von Alternativen -Versuche mit den neu entwickelten Dichtringen Validierungsversuche ergaben, dass mit dem Hochdruck-Wellendichtring ein hocheffizientes Dichtsystem entwickelt wurde, mit dem alle im Projekt geforderten Anforderungen erfüllt werden konnten. Es lassen sich p·v-Werte von über 3.800 bar·m/s beherrschen, was über das 8-fache des bisherig erreichbaren Werts ist

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Rotating unions for hydraulic fluids are often sealed with high pressure rotary seals for pressures up to 30 MPa at low shaft speeds (mostly interrupted and swivelling). They are used, for example, in mobile hydraulic equipment (excavators) or machine tools (indexing tables). Usually many oil ducts have to be sealed on one shaft. Therefore it is necessary that the seal ring is narrow and mountable in turned grooves. Such seals are mostly made of PTFE-compound or polyurethane. Often seals fail prior their predetermined lifetime. Some problems arise due to extrusion via the gap between housing and shaft, or premature wear of the seal ring and the shaft. Other causes may be high friction forces producing overheating in the sealing contact. Besides these negative effects, likely to be found for all kinds of pressure seals, there are some other things that may cause problems. This is particularly the geometry of the high pressure rotary seals: the so-called “worm-effect”, e.g. the seal ring co-rotates with the shaft and the static seal twists because of the often changing pressures. In this paper, the various failure causes and difficulties are exhibited, explained and dealt with, in order to find solutions.

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Seit einigen Jahren geht der Trend in der Werkzeugmaschinenindustrie weg von umweltbelastenden Kühlschmierstoffen hin zur Trockenbearbeitung. Um dieser Entwicklung auch von konstruktiver Seite aus Rechnung zu tragen, wurden berührungsfreie Dichtsysteme auf ihre Eignung zur Abdichtung gegen feine Stäube untersucht. Im Rahmen eines vierjährigen Forschungsprojektes am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart wurden Erkenntnisse über das Abdichtverhalten feiner Stäube gesammelt und diese in praxisgerechte Konstruktionsrichtlinien umgesetzt. Die Leistungsfähigkeit derartiger Dichtsysteme wurde experimentell mit Hilfe eines Partikelzählers quantitativ nachgewiesen. Richtig gestaltete berührungsfreie Dichtsysteme mit Sperrluftunterstützung sind dazu geeignet schnelllaufende Spindeln sicher, zuverlässig und dauerhaft gegen feine Stäube und Partikel abzudichten. As pollution control and cost saving issues have become more pronounced, efforts were made to reduce the amount of cooling lubricant required in machine tooling applications. A non-contacting air barrier sealing arrangement was found to fulfil these requirements in dry tooling processes and dirty applications. During four years of research at the Institut fuer Maschinenelemente at the University of Stuttgart, detailed knowledge was gained regarding the sealing of dust particles in dirty working environments. Through extensive experimental research, the efficiency of these sealing systems were quantified using a particle analyzer. The corresponding data was analysed and the results were ultimately integrated into machine design guidelines. Ideal designed air barrier sealing systems increase the durability and reliability of high-speed rotating shafts by protecting them from fine dust and particles.

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Dichtsysteme sind funktionswichtige Konstruktionselemente aller technischer Produkte. Wo berührende Dichtungen verlust- und verschleißbehaftet sind, arbeiten berührungsfreie Dichtungen verlustarm und verschleißfrei. Fanglabyrinth-Dichtungen sind für bespritzte und nicht dauerhaft überflutete Dichtstellen besonders geeignet. Bei günstiger Gestaltung - auch ihres Umfeldes - sind diese in allen Drehzahlbereichen (auch im Stillstand) tröpfchenfrei dicht. Das in Bild 8 dargestellte Fanglabyrinth, ein Versuchsdichtsystem, dichtet auf einem Bauraum von 25 mm x 15 mm einen Strom von 50 l/min wässriger Flüssigkeit die aus 12 Düsen mit 2 mm Durchmesser direkt auf ihren Eingangsbereich gespritzt werden in einem Drehzahlbereich von ±10.000 min -1 zuverlässig tröpfchenfrei ab. Die kleinste Spalthöhe ist 0,3 mm, der Wellendurchmesser beträgt 100 mm. Letztlich ist die erzielte Dichtgüte nur eine Frage der geeigneten Maßnahmen, des gestalterischen Aufwandes und des zu Verfügung stehenden Bauraumes. Hilfe für die richtige Konstruktion geben ein praxisgerecht ausgearbeiteter Konstruktionskatalog des Instituts 1 oder Mitarbeiter des Instituts im direkten Gespräch.

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The desire for small maintenance costs and extended service intervals promotes the development of life time lubricated systems. Therefore consistent fluids (greases) are mainly used. Their limitations, represented in characteristic value (speed*mean bearing diameter) clearly increased up to 2,5*106 min-1*mm. However possibilities, potentials and limitations for radial working sealing systems are still unknown. The following shows a possibility for test arrangement and measurement to analyse wear concerning rotary shaft sealing systems in grease application.

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Mit berührungsf reien Dichtsystemen lassen sich Fluide zuverlâssig abdichten. Für gering beanspruchte Wellendurchtrittsstellen eignen sich Fanglabyrinthdichtungen. Das Institut für Maschinenelemente hat hierfür Wirkprinzipien erforscht und Gestaltungsregein erarbeitet, weil kâufliche Lösungen meist nicht effektiv genug sind.

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Die Auslegung von flüssig abgedichteten Flächendichtstellen ist aufgrund von mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen schwierig. Eine Möglichkeit zur Vereinfachung ist die Simulationen mit Finite-Elemente-Berechnungen. Jedoch müssen für die Simulationen derzeit erst aufwändig Daten gewonnen werden. Gewünscht werden aber Simulationen, die wenige Versuchsdaten benötigen. Das bedeutet eine detaillierte Implementierung des Systemverhaltens. Hierzu müssen die Vorgänge im Dichtspalt genau verstanden werden.

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The results of the wear simulation show that this tool is able to predict the wear of PTFE lip seals. The change of geometry, which is caused by the wear, can be computed with the simulation tool that has been developed. Since the current simulation only calculates wear with an average wear factor, the outline calculated can ooly be an average of the worn geometry without consideriog the spread of the wear tests. Investigations of PTFE lip seals have shown that they exhibit a very wide spread in lifetime runs under identical operating conditions. Work by Kralo et al. /5/ has shown that the seals examined had a lifetime between 1700 and 11 800 hours. Because of the large scatter of the test results, no further statement can be made about reaching a certain lifetime; this will require further investigation. Therefore not only the average values of the wear tests should be induded. For a more meaningful simulation result, the spread of the rest results on the tribological test rig must be considered in addition to the average values.

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Statische Flächendichtungen befinden sich oft im Krafthauptschluss. Vor allem bei Getrieben übertragen sie Kräfte und Momente und sind damit hochbelastete Flächendichtstellen. Das Zusammenwirken von Zug- und Scherkräfte wirkt sich negativ auf flüssig abgedichtete Flächendichtstellen aus. Bisher liegen nur in eingeschränkter Form Konstruktionshinweise vor. Basierend auf dieser Problemstellung und aufbauend auf den FVA-Projekte 152/I-III und 308/I-II wurden in diesem Projekt folgende Schwerpunkte gesetzt: • Identifikation der entscheidenden Parameter für Flüssigdichtmittel, • Gestaltung des Flansches im Hinblick auf Kräfte, Momente u. Dichtheit, • Auswahl des Flüssigdichtmittels, • Auftragsmethoden und Zeitpunkt der Prüfung auf Dichtheit. Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen und der Recherche zu den Auftragsmethoden sind im Kapitel 13 in Konstruktions- und Auslegungshinweise zusammengefasst. Es ist gelungen das komplexe Zusammenwirken unterschiedlicher Parameter aufzuschlüsseln und damit dem Anwender den Umgang mit diesen Parametern zu erleichtern.

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Rotary shaft lip seals are very frequently used dynamic seals. Large numbers of them are in use in many different applications. The sealing ring, the shaft and the sealed fluid form a complex sealing system. For a successfully operating sealing system an adequate combination of the components is required. Between the sealing lip and the rotating shaft there must be a thin lubricating film of oil. The “reverse pumping” process in the sealing zone prevents leakage through the film. This sealing mechanism is caused by microasperities on the lip surface and also affected by the shaft surface. In the sealing area most shafts are manufactured by plunge grinding. With rotary shaft lip seals they form a well operating sealing system, as the experiences of the last years show. However, this machining process takes long and is expensive. There is need at more economical processes for the machining of the sealing area on shafts. In some applications hard turned shafts are already used successfully. At Institute of Machine Components sealing systems with differently machined surfaces were examined. Ground, hard turned, rolled and shot-blasted shafts were used. The pumping effect and the friction torque were investigated in short-term tests. Leakage and wear of the sealing system were examined in 240h tests. The test results and their meaning for practice are explained.

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Die Abdichtung von Drehübertragern für hohen Hydraulikdruck (z.B. Rundschalttisch) werden Dichtringe verwendet, die in geschlossenen Nuten im Gehäuse eingeschnappt sind. Diese Dichtungen wurden unter Berücksichtigung des gesamten Einbauumfelds der Werkzeugmaschine in diesem Projekt erstmalig in großer Breite untersucht. Teil der Untersuchungen war: • Literaturrecherche und Dokumentation des Standes der Technik • Konstruktion und Bau einer Prüfeinrichtung • Werkstoffversuche hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Reibung und Verschleiß gängiger Dichtungsmaterialien • Versuche an Einzeldichtungen um Einflüsse wie Öltemperatur und Drehzahl auf die Dichtungen zu bestimmen • Anwendungsnachbildende Dauerlaufversuche nach dem Bealastungsprofil eines Rundschalttisches • Anwendungsnachbildende Dauerlaufversuche nach dem Belastungsprofil einer Kupplungsschaltung in Pressen für Verschleiß und Reibkraftbestimmung • Finite Elementrechungen zur Analyse des Dichtmechanismus • Untersuchungen bei Betriebszustandswechseln um Verschleißmechanismen erklären zu können und Reibkraftverhalten für den Anwender abschätzbar zu machen Als Ergebnis steht nun, neben detaillierten Kenntnissen über Verschleiß und Reibung der Dichtungen, ein Konstruktionskatalog zur Verfügung. Zudem wurden neue Dichtsysteme entwickelt und getestet und so Wege aufgezeigt, die marktübliche Lösungen in puncto Lebensdauer oder Bauraum um ein Vielfaches überlegen sein können.

Zusammenfassung

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. Gesamtziel ist deshalb die Beschreibung des Dichtsystems über einen aussagekräftigen Parameter SRWDR, anhand dessen das Dichtsystem bewertet werden kann. Dieser Parameter setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Ziel des Projektes Oberflächentopographie ist die Untersuchung des Kennwertanteils, der die Systemparametereinflüsse auf das Dichtsystem beschreibt. Über umfassende Prüfstandsuntersuchungen wurden die Parametereinflüsse bestimmt. Der Förderwert von Dichtsystemen mit im Einstich geschliffenen Wellenoberflächen kann nun für bestimmte Systemparameter erstmals direkt berechnet werden. Für weitere Schmierstoffe und Systemdurchmesser erfolgt eine Anpassung der Systemgleichung durch Anpassungsfaktoren, die über Stichversuche ermittelt werden können. Diese Erkenntnisse sind in einem weiten Bereich einsetzbar. KMU haben somit erstmals die Möglichkeit das Verhalten des Dichtsystems abzuschätzen. Die erzielten Erkenntnisse erweitern den Kennwert SRWDR um einen wesentlichen Teil, so dass dem Gesamtziel, einer Beschreibung von Radial-Wellendichtungen über einen charakteristischen und aussagefähigen Kennwert, ein weiterer Baustein hinzugefügt werden konnte. In einem zweiten Projektteil wurden unterschiedliche Drehzahl-Temperatur-Kollektive untersucht, die zur Funktionsprüfung von Dichtsystemen in Dauerlaufversuchen eingesetzt werden. Hinweise zur Gestaltung eines solchen Kollektivs und ein Kollektivvorschlag sind das Ergebnis. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Zusammenfassung

Seit etwa zwei Jahrzehnten werden PTFE-Manschettendichtungen mit Spiralrille als Kurbelwellenabdichtung erfolgreich eingesetzt. Die Dichtstelle ist hier nur bespritzt. Probleme durch zu hohe Temperaturen oder chemische Unverträglichkeiten, wie sie bei Elastomer-Radialwellendichtringen häufig auftreten, gibt es aufgrund der überlegenen Werkstoffeigenschaften nicht. Sie sind jedoch an teilüberfluteten Dichtstellen bei Wellenstillstand undicht. Warum war bisher unklar.

Zusammenfassung

Ziel des Projektes Fettabdichtung i5t die Ermittlung von Einsatzgrenzen fettabdichtender Radial-Wellendichtringe sowie die funktionsgerechte Gestaltung derartiger Systeme. Die Eigenschaften von Schmierfett erschweren die Versuchsdurchführung erheblich. Vielfach treten überraschende Effekte und Wechselwirkungen auf, die zu großer Streuung und gegenläufigen Versuchsergebnissen führen. Dies macht die Interpretation der Versuchsergebnisse oft problematisch. Effekte sind häufig nicht eindeutig zuordenbar. Viele grundlegende Fragenstellungen wie z. B. die des einzusetzenden Schmierfett (Verdicker, Grundöl und Viskosität, Additive, Konsistenzklasse ...), die Schmierfettplatzierung, die notwendige Schmierfettmenge und Gestaltung des Dichtungsumfeldes, um nur einige zu nennen, sind offen und erfordern eingehende wissenschaftliche Betrachtung. Die dargestellten Ergebnisse machen deutlich, dass eine Beschreibung der Einsatzgrenzen fettgeschmierter Radial-Wellendichtringe nicht ausschließlich über die Gleitgeschwindigkeit im Dichtkontakt erfolgen kann. Die Einflüsse aller systembildenden Komponenten müssen analysiert und daraus die wesentlichen extrahiert werden. Erst dann kann das System ganzheitlich im Sinne zuverlässigem Betriebsverhalten abgebildet und beschrieben werden.

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Rotating unions for high oil pressure (30 MPa) are common in technique. For example they can be found in excavators between the turnable upper part and the stationary lower part or in the indexing tables of tool machines. These seals often cause problems. Due to the high oil pressure, their friction torque can rise up to one hundred Nm and the seals fail during operation. But with known failure pattern the user is able to judge and improve the seal and the surrounding construction. This paper summarizes the failure causes that were observed during experiments at the Institute of Machine Components over the last years.

Zusammenfassung

Die Ergebnisse der Verschleißsimulation zeigen, dass dieses Werkzeug in der Lage ist, den Verschleiß von PTFE-Manschettendichtungen vorherzusagen. Die Änderung der Geometrie, die durch den Verschleißvorgang bewirkt wird, lässt sich mit dem hier entwickelten Simulationswerkzeug berechnen. Da in der Simulation bisher nur mit einem Mittelwert aus den am Triboprüfstand ermittelten Verschleißkennwerten gerechnet wird, ist der Zusammenhang zwischen dem zurückgelegten Gleitweg in der Simulation und der Laufleistung der realen Dichtung nicht sicher vorhersagbar. Dies liegt daran, dass PTFE-Manschettendichtungen sehr hohe Streuungen der erreichbaren Lebensdauer bei identischen Einsatzbedingungen aufweisen. Bei Untersuchungen von Olbrich /5/ erreichten die untersuchten Dichtungen eine Lebensdauer zwischen 1.700 und 11.800 Stunden. Aufgrund der großen Streubreite der Versuchsergebnisse kann zum jetzigen Zeitpunkt keine Aussage über das Erreichen einer gewissen Laufleistung der Dichtungen gemacht werden. Hierzu werden in Zukunft weitere Untersuchungen notwendig sein. Diese dürfen sich bei der Ermittlung der Verschleißkennwerte für das Verschleißmodell nicht allein auf die Mittelwerte der Versuchsergebnisse stützen. Für aussagekräftigere Simulationsergebnisse ist die Berücksichtigung der Streuung der Versuchsergebnisse am Triboprüfstand unbedingt erforderlich.

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Across the decades radial shaft seals have been developed into reliable sealing elements. At the same time radial shaft seals have been the primary focus of research and development. However existing tests indicate that all three sealing system components, the radial shaft seal, the shaft surface and the fluid are involved in transporting fluid in a sealing system. In this regard a model is being presented that distinguishes between an active and passive transport effect. The direct transport effect of the shaft surface and the radial shaft seal are summarized under active transport effect. The active transport effect is produced both on the shaft and on the seal edge of the radial shaft seal by directive structures which are able to produce a directed flow of fluid by themselves. The passive transport effect consists of the indirect transport effect of the shaft surface and the indirect transport effect of the system. Behind the definition of the indirect transport effect of the shaft surface is the realization that shaft surface roughness strongly affects the formation of structures on the seal edge with the ability to transport, even if it does not produce any directed flow of fluid itself. All external parameters affecting the level of transport in the system are summarized under indirect transport effect of the system. A surface parameter which can describe a shaft surface in respect of its suitability as a shaft surface must be able to take into account both the active and the passive component of the transport effect of the shaft surface. A simple model based on manually positioned structures is being presented for the active component. Whilst a suitable surface parameter, like, for example the SRWDR parameter proposed in this work, is still unavailable a close look must be taken at alternative machining processes for twist-free grinding with regard to the structure produced on the shaft. Manufacturing process parameters are an important criterion for ensuring surface quality in cases where twist-free grinding has been successfully replaced by another manufacturing process.

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Radialwellendichtringe werden als Rotationsdichtung überall dort eingesetzt wo Drehbewegungen durch Gehäusewände übertragen werden. Neben dem Austritt von Schmierstoffen aus dem Aggregat verhindern sie auch, dass Schmutz und Spritzwasser in den Schmierstoffkreislauf gelangt. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von Industriegetrieben über Fahrzeuggetriebe und -motoren bis hin zu Konsumgütern wie Waschmaschine und Küchenmixer .

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Rotordichtungen dichten sehr hohe Drücke dynamisch ab. Sie sind überwiegend aus PTFE-Compounds teilweise aber auch aus Polyurethan, Polyketon, ultrahochmolekularem Polyethylen oder gewebeverstärktem Elastomer gefertigt An die Werkstoffe werden mehrere Anforderungen gestellt. Extrusions- und Verschleißversuche zeigten auf, wie gut die Werkstoffe diesen Anforderungen gerecht werden. Werkstoffuntersuchungen ergaben, dass die meisten PTFE-Compounds beim Extrusionswiderstand und somit auch bei der Formbeständigkeit Schwächen zeigen. Filigrane Dichtkanten oder feine Strukturen am Gleitring lassen sich deshalb damit nicht über längere Zeit halten. PTFE-Compounds unter hohem Druck müssen einfach und massiv gestaltet sein. Polyurethan und vor allem Polyketon extrudieren weit weniger und halten die Form gut. Nur die besten PTFE-Kohlecompounds haben ähnlich gute Werte. Polyketon, UHMW-PE, einzelne PTFE-Compounds und Polyurethan sind sehr verschleißfest. der Gegenlaufflächenverschleiß ist nur bei kunstoffgefüllten PTFE-Compounds ähnlich gut wie bei den getesteten Nicht-PTFE-Werkstoffen. Vor allem PTFE-Bronze greift die Gegenlauffläche sehr stark an und ist für rotatorische Anwendungen nicht zu empfehlen. Die Reibkräfte sind bei UHMW-PE mit großem Abstand am niedrigsten. Überraschender weise ist Polyurethan mit vielen PTFE-Compounds sind beim Reibwert auf demselben Niveau.

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Gelangen Radial-Wellendichtringe aus Elastomer an ihre Einsatzgrenzen werden bei bespritzten Dichtstellen z.B. Manschettendichtungen mit Spiralrille aus PTFE-Compounds eingesetzt. Diese sind chemisch universell und thermisch bis über 200°C beständig. Die Spiralrille fördert in die Dichtfläche eingedrungenes abzudichtendes Fluid in den abzudichtenden Raum zurück. Wie der Dichtvorgang abläuft ist unbekannt. Die Geometrie der Spiralrille wird auf Grund mangelnder spezifischer Kenntnisse durch Versuch und Irrtum entwickelt. Dies ist Unbefriedigend. Insbesondere klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) benötigen dafür unbedingt eine zielführende Handlungsanleitung. Äußerst wünschenswert für KMU's wäre auch, solche Dichtringe bei überfluteten Dichtstellen zuverlässig einsetzen zu können. Ziel dieses Projektes war zu klären, wie die Spiralrille funktioniert und wie sie dem zufolge günstig zu gestalten ist. Dieses Ziel wurde erreicht. Als zusätzliches Ergebnis wurden Gestaltungsvorschläge für zuverlässige Dichtringe bei dauerhaft überfluteter Dichtstelle abgeleitet. Am Markt erhältliche Dichtringe wurden mittels Materialschnitten im eingebauten Zustand detailliert vermessen. Radialkräfte, Reibmomente, Förderwerte von Luft und Öl sowie die statische Dichtheit wurden ermittelt. In Dauerläufen über 500 und 1000 Stunden wurde die dynamische Dichtheit, der Verschleiß der Dichtringe und der Wellen sowie die Bildung von Ölkohle untersucht. Aufwändige Strömungsanalysen (statisch und dynamisch) durch eine Glashohlwelle hindurch führten zu entscheidenden Erkenntnissen. Radiale und axiale Strömungen in der Dichtzone wurden visualisiert und damit einer Analyse zugänglich gemacht. Zwischenergebnisse führten zu von Herstellerfirmen im Arbeitskreis weiter entwickelten Dichtringen die ebenfalls untersucht wurden. Die Ergebnisse waren positiv. Alle Dichtringe verschlissen im Vergleich zu früheren Untersuchungen vor 10 Jahren kaum. Im dynamischen Betrieb waren, bis auf zwei, alle Dichtungen dicht. Bei teilweiser oder vollständiger Überflutung sind alle Dichtungen statisch undicht. Wie die Spiralrille zusammen mit ihrem Umfeld wirkt und wie sie demzufolge zu gestalten ist wurde ermittelt und beschrieben. Darauf basierend wurden Gestaltungsvorschläge für eine Optimierung der Spiralrille und für eine wirksame statische Abdichtung erarbeitet. Die optimierten Dichtringe können zumindest an teilüberfluteten Dichtstellen funktionssicher eingesetzt werden. Weitere Untersuchungen zu überfluteten Dichtstellen stehen noch aus. Die Ergebnisse wurden bei zwei themenbezogenen Tagungen und in einem Buchbeitrag vorgestellt (siehe Abschlussbericht Quellen 27-29). Das Forschungsvorhaben (AiF-Nr. 13353N) wurde aus Haushaltsmitteln des BMWi über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Weit darüber hinausgehende praxisrelevante Erkenntnisse wurden abgeleitet.

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Elastomer-RWDR sind ein häufig eingesetztes und zuverlässiges Maschinenelement. Gelangen diese an ihre Einsatzgrenzen (Temperatur, Drehzahl, Chemikalienbeständigkeit), können sie in einigen Spezialfällen (drehrichtungsabhängig, nicht überflutete Dichtstellen) durch PTFE-Manschettendichtungen mit Spiralrille ersetzt werden. Die Grundgeometrien und –arten dieser Spiralrillen sind weitgehend empirisch entstanden. Eine genaue Analyse, und damit ein fundiertes Verständnis der Funktionsweise gab es bisher nicht. In dieser Veröffentlichung wird die Funktionsweise der Spiralrillen im statischen und dynamischen Betriebszustand vorgestellt. Hierzu wird neben den herkömmlichen Untersuchungsverfahren eine visuelle Methode zur Beobachtung der Strömung unter der Dichtlippe eingesetzt.

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Rotordichtungen dichten Fluide unter hohem Druck rotatorisch leckagearm ab. Bisher war wenig Handfestes über Rotordichtungen bekannt. Deshalb wurden viele Dichtringbauformen entwickelt und aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt. Um herauszufinden, welche geometrischen Gestaltungsprinzipien für die Dichtringe vorteilhaft sind wurden FE-Simulationen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Maximalwerte der Pressung durch die Verformung an die Niederdruckseite wandern. Geschickte Dichtringgestaltung kann den Effekt verstärken und druckseitig die Pressung mindern oder gar aufheben. Dies reduziert die Reibung. Werkstoffuntersuchungen ergaben, dass die meisten PTFE-Compounds beim Extrusionswiderstand und somit auch bei der Formbeständigkeit Schwächen zeigen. Polyurethan und vor allem Polyketon extrudieren weit weniger. Polyketon, UHMW-PE, einzelne PTFE-Compounds und Polyurethan sind sehr verschleißfest. UHMW-PE zeigt den niedrigsten Reibwert, Polyurethan und viele PTFE-Compounds sind beim Reibwert auf demselben Niveau. Versuche an Rotordichtungen unter 25 MPa Druck zeigten, dass alle Werkstoffe außer PTFE-Compounds stark erhöhte Losbrechmomente aufweisen. Gleiten die Dichtungen erst einmal zügig über die Welle, sind die Reibkräfte bei Dichtungen aus Nicht-PTFE-Werkstoffen deutlich niedriger. Weitergehende Untersuchungen haben zum Ziel, den Verschleiß der Dichtungen zu analysieren und Ausfallursachen auszumachen. Zusammen mit den oben vorgestellten Erkenntnissen, ermöglicht dies in Zukunft gezielt leistungsfähigere Dichtungen zu entwerfen und deren Grenzen richtig einzuschätzen.

Zusammenfassung

Das Dichtsystem Radial-Wellendichtung hat viele Einflussfaktoren, welche die Funktion nachhaltig beeinflussen. Die Oberfläche der Dichtungslauffläche sollte drallfrei sein, um den tribologischen Zustand in der Kontaktzone zwischen Dichtring und Welle nicht zu stören. Von der Rauheit der Wellenoberfläche und der Schmierstoffviskosität hängt die Förderfähigkeit des Dichtringes wesentlich ab, verändert sich aber zeitlich. Abhängig von der Schmierstoffviskosität ist der Schmierzustand der Kontaktzone bei größerer Wellenrauheit besser, so dass sich ein kleineres Reibmoment ergibt. Förderwert und Reibmoment eines Dichtsystems lassen sich rechnerisch zzt. nur grob Abschätzen, eine genaue Berechnung ist nicht möglich.

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Ziel des Projektes Fettabdichtung ist die Ermittlung von Einsatzgrenzen fettabdichtender Radial-Wellendichtringe, sowie die funktionsgerechte Gestaltung derartiger Systeme. Die Eigenschaften von Schmierfett erschweren die Versuchsdurchführung erheblich. Vielfach treten überraschende Effekte und Wechselwirkungen auf, die zu großer Streuung und gegenläufigen Versuchsergebnissen führen. Dies macht die Interpretation der Versuchsergebnisse oft problematisch. Effekte sind häufig nicht eindeutig zuordenbar. Viele grundlegende Fragenstellungen wie z.B. die des einzusetzenden Schmierfetts (Verdicker, Grundöl und Viskosität, Additive, Konsistenzklasse…), die Schmierfettplatzierung, die notwendige Schmierfettmenge und Gestaltung des Dichtungsumfeldes, um nur einige zu nennen, sind offen und erfordern eingehende wissenschaftliche Betrachtung. Die dargestellten Ergebnisse machen deutlich, dass eine Beschreibung der Einsatzgrenzen fettgeschmierter Radial-Wellendichtringe nicht ausschließlich über die Gleitgeschwindigkeit im Dichtkontakt erfolgen kann. Die Einflüsse aller systembildenden Komponenten müssen analysiert und daraus die wesentlichen extrahiert werden. Erst dann kann das System ganzheitlich im Sinne zuverlässigem Betriebsverhalten abgebildet und beschreiben werden.

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Dichtungen sind wichtige Bauteile für Lagerungen. Aufbauend auf einige wenige wichtige Grundlagen werden Dichtsysteme für lineare und drehende Bewegung besprochen. Wichtige Aspekte dabei sind Gestaltung, Funktion, Einbauumfeld, Reibung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Möglichkeiten und Grenzen werden aufgezeigt. Seals are important construction units of bearings. After some few important basics sealing systems for linear and rotational movement are discussed. Thereby important aspects are design, function, installation surrounding field, friction, life span and reliability. Possibilities and limits are pointed out.

Zusammenfassung

The investigation methods discussed here make it possible to establish the relevant sealing characteristics of shaft surfaces. The pumping rates determined for the shaft surfaces permit a rapid pre-evaluation of the suitability of a shaft surface as a counter face for lip seals. The observation of the system pumping rate during operation without interference to the tribological system - for example, by disassembly and renewed installation of the seal - provide further evaluation possibilities. The influence of the different shaft surfaces on sealing security and reliability of the sealing system can be determined. The selection of suitable manufacturing processes and parameters is made easier. Several manufacturing methods were checked for their suitability for the counter face in shaft seals. It is shown that the machining feed spiral that is created on the shaft surface is not the reason for the pumping ability of the shaft surface. With appropriate manufacturing, both hardened and non-hardened traverse turned steel shaft surfaces can be sealed by means of suitable lip seals. The direction of rotation is not crucial. This is proved by the sealing tests that were successfully completed. The turning methods without axial feed, such as tangential turning and plunge turning, also produce suitable counter faces for radial lip seals

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Ziel des Forschungsvorhabens war, in Langzeitversuchen die Veränderung an Hydraulikstangendichtungen und deren Auswirkungen auf die Dichtwirkung zu ermitteln. Daraus sollte eine Geometrie für Hydraulikdichtungen entwickelt werden, die trotz Verschleiß und Alterung über lange Zeit gleich bleibend gute Dichtheit gewährleistet. Langzeitversuche mit PU-Nutringen zeigten Veränderungen an der Form der Dichtkante. Die Luftseite der Dichtlippe flachte leicht ab, der Radius an der Dichtkante vergrößerte sich. Diese Veränderungen spielten sich in einem Bereich von wenigen Hundertstelmillimetern ab. Leckage und Förderwertmessungen ergaben eine während der Langzeitversuche zunehmende Dichtwirkung. Die Versuche mit PTFE-Stufendichtungen zeigten keinen Zusammenhang zwischen Dichtwirkung und geometrischen Veränderungen. Trotz deutlicher Veränderungen im Betrieb an den Dichtungen war die Leckage der einzelnen Dichtungen praktisch konstant, jedoch deutlich höher als bei PU-Nutringen. Dadurch ergab sich kein Ansatzpunkt, um eine geeignete Dichtungsform mit guten Dicht- und Verschleißeigenschaften zu finden. Die bei PU-Nutringen ermittelten Veränderungen an der Dichtkante (flacherer Winkel auf der Luftseite, größerer Radius an der Dichtkante) wurden mittels der FEM untersucht. Dabei zeigte sich, dass sehr kleine Dichtkantenradien zu hohen Absolutwerten des maximalen Pressungsanstiegs und damit zu sehr dünnen Schmierfilmen führen. Ein größerer Radius an der Dichtkante führt beim Aus- und beim Einfahren zu größeren Schmierfilmhöhen. Bei den untersuchten Betriebsbedingungen führt dies zu einer größeren Schmierfilmdickendifferenz. Für eine gute Dichtwirkung ist also eine gute Abstreifwirkung beim Ausfahren allein nicht ausreichend. Vielmehr muss die Bilanz zwischen der Schmierfilmdicke beim Ausfahren und der Schmierfilmdicke beim Einfahren gezogen werden. Werden diese Veränderungen (größerer Dichtkantenradius, flacherer Winkel auf der Luftseite der Dichtlippe) an PU-Nutringen bereits im Neuzustand realisiert, kann von Beginn an eine bessere Dichtwirkung erzielt werden. Die dabei entstehenden dickeren Schmierfilme verringern zudem die Reibung und den Verschleiß. Die Dichtungen verändern sich im Betrieb weniger. Wird die Luftseite der Dichtlippe abgewinkelt gestaltet, kann eine druckabhängige Änderung des Pressungsverlaufs erreicht werden. Im Differentialbetrieb kann damit die Rückförderung stark verbessert werden. Werden diese Gestaltungsmerkmale umgesetzt, könnte über einen langen Zeitraum zuverlässig abgedichtet werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

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Das Dichtsystem der Radial-Wellendichtung stellt ein tribologisches System dar, das von vielen Parametern beeinflusst wird. Ein wichtiges Element ist dabei die Wellenoberfläche, die sich als sehr komplexes Thema zeigt. DIN 3760 und DIN 3761 enthalten zur vollständigen dichtungstechnischen Beschreibung der Wellenoberfläche zu wenige Angaben. Diese beziehen sich zudem nur auf geschliffene Wellen, alternative Fertigungsverfahren werden darin nicht betrachtet. Diese modernen Fertigungsverfahren schaffen zurzeit noch Probleme, da die erzeugten Oberflächen Dichtungstechnisch noch nicht vollständig quantifiziert werden können. Hierfür wird ein umfangreiches Wissen über die Wirkung verschiedener Oberflächentopographien und Drallstrukturen benötigt. Die Drallstrukturen erzeugen in der Dichtzone eine drehrichtungsabhängige Förderwirkung, die sich aus den geometrischen Parametern noch nicht voraussagen lässt. Deshalb ist die Forderung nach einer drallfreien Lauffläche des Dichtrings wichtig, allerdings nicht ausreichend quantifizierbar. Als Fertigungsverfahren ist weiterhin das Schleifen im Einstich mit langen Ausfeuerzeiten die beste Wahl, um ein zuverlässiges Dichtsystem mit möglichst langer Lebensdauer zu erhalten. Aber auch Tiefziehen und Drehen kommen in Betracht. Über beschichtete Wellenlaufflächen ist zurzeit nur sehr wenig Wissen vorhanden. Im aktuell laufenden Forschungsvorhaben „Oberflächentopographie“ (AiF-Nr. 13815 N/1, FKM-Nr. 502690) wird am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart, die passive Förderwirkung näher untersucht. Die Rauheitseinflüsse auf den Dichtring und die Bildung der förderwirksamen Strukturen werden in einem umfangreichen Versuchsprogramm erarbeitet. Weiter werden die Einflüsse der Systemparameter untersucht. Mit diesen Ergebnissen kann das Modell zur Flüssigkeitsförderung erweitert und das System Radial-Wellendichtung genauer beschrieben werden.

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Flächendichtverbindungen sind im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau weit verbreitet. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzgebiete sind sie unterschiedlichsten mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Entsprechend gibt es Flächendichtungen in den verschiedensten Werkstoffen, Formen und Ausführungen. Eine einfach Antwort auf die Frage wie eine Flächendichtstelle zu gestalten und welche Flächendichtung dann einzusetzen ist gibt es nicht. Für eine zuverlässige und betriebssichere Abdichtung ist eine ganzheitliche Betrachtung der Flächendichtstelle und eine sorgfältige Auswahl der Flächendichtung unerlässlich. Es kann keine generelle Aussage gemacht werden, welche der drei betrachteten Flächendichtungsarten für die jeweilige Flächendichtstelle besser geeignet ist. Es muss immer das gesamte Flächendichtungssystem: Flächendichtung, Gehäuseflansch, Verschraubung, Fertigungsmöglichkeiten, abzudichtendes Fluid und Einsatzbedingungen sowie deren komplexes Wechselspiel betrachtet werden.

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The development of seals is often based on empiric knowledge. Especially the hydrodynamic flow and the “back pumping mechanisms” in sealing aids of elastomeric lip seals and in the spiral grooves of PTFE lip seals are not well understood up to now. Nevertheless, this understanding of the flow is indispensable to be able to develop and improve new seals. For this purpose, it is necessary to be able to visualise and analyse the hydrodynamic flow in and beneath the sealing aids. A method was developed and a test rig was built at the Institute of Machine Components at the University of Stuttgart to visualise the flow. The flow under the sealing interface can be observed and recorded through a glass hollow shaft and a prism by a zoom lens and a digital camera. This knowledge helps to analyse and understand the mechanisms. Furthermore, it is the base for optimisations of the geometry of the sealing aids and for fluid mechanic simulations, which can avoid expensive prototypes.

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Elastomeric lip seals are frequent and reliable machine components. However their range of application is limited. If these limits are reached, the seals are often replaced by PTFE sleeve-type seals with spiral grooves (PTFE lip seals). The basic geometries and types of grooves have an empiric origin. Exact analysis and with it the knowledge of their function does not exist. This paper presents a project, which aims to analyze and optimize the function and design of these grooves. A new method and test rig developed at the Institute of Machine Components/ University of Stuttgart visualizes the flow in PTFE lip seals and between hydrodynamic sealing aids of elastomeric lip seals. The flow is observed and recorded through a glass hollow shaft, which allows investigating the behavior in all directions and areas of the lip. This knowledge is essential to develop new geometries and to verify complex fluid dynamic analysis.

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Seit einigen Jahren geht der Trend in der Werkzeugmaschinenindustrie weg von umweltbelastenden Kühlschmierstaffen hin zur Trockenbearbeitung. Um dieser Entwicklung auch von kanstruktiver Seite aus Rechnung zu trogen, wurden berührungsfreie Dichtsysteme auf ihre Eignung zur Staubabdichtung untersucht. Im Rahmen eines vierjährigen Farschungsprojektes am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart wurden Erkenntnisse über das Abdichtverhalten feiner Stäube gesammelt und diese in praxisgerechte Kanstruktionsrichtlinien umgesetzt. Die Leistungsfähigkeit derartiger Dichtsysteme wurde experimentell mit Hilfe eines Partikelzählers nachgewiesen. Richtig gestaltete berührungsfreie Dichtsysteme mit Sperrluftunterstützung sind dazu geeignet schnelllaufende Spindeln sicher, zuverlässig und dauerhajt gegen feine Stäube und Partikel abzudichten. As pollution control and cost saving issues have become more pronounced, efforts were made to reduce the amount of cooling lubricant required in machine tooling applications. A non-contacting air barrier sealing arrangement was found to fulfil these requirements in dry tooling processes and dirty applications. During four years of research at the Institut fuer Maschinenelemente at the University of Stuttgart, detailed knowledge was gained regarding the sealing of dust particles in dirty working environments. Through extensive experimental research, the efficiency of these sealing systems were quantified using a particle analyzer. The corresponding data was analysed and the results were ultimately integrated into machine design guidelines. Ideal designed air barrier sealing systems increase the durability and reliability of high-speed rotating shafts by prtecting them from fine dust and particles.

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Pulsating interior pressure in components of Driving Technology leads to the fact, that screwing components are additionally extended, thus relaxing pressure on loaded parts. This dynamic process has a particularly negative effect on the seal. The seal is relaxed additionally in zones of low area pressure, or might even be expelled. Housing parts with low stiffness are increasingly deformed producing gaps and splitting, what in the worst case may lead to leakage. The Institute for Machine Elements has been active for many years in the examination of dynamically highly loaded sealing areas. The sealing areas at are basically loaded with a torque. In this field of research, principal examinations at flange connections that have been designed according to lightweight construction have been realised. Due to the lightweight construction, increased relative movements at the sealing plane take place, provoking damage of the sealing material. For the experimental tests at the gear boxes several test rigs were set-up. Cases for application of flat gaskets in the field of Driving Technology that are loaded with pulsating interior pressure, are hydraulic controls, as, for instance, control plates for automatic automobile transmission, as well as pumps for secondary aggregates of gears. Figure 1 shows the location of the control box with the channel plate of an automatic transmission.

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Due to environmental protection, safety and cost effectiveness non-contacting seals are more and more used, if non pressurized shaft interfaces have to be sealed reliably and maintenancefree. The increasing of rotational speed, the demands of low power loss and long lifetime is often not to be achieved with contacting rotating shaft seals made of rubber. The maximum allowable circumferential speed of a rotating shaft seal made of fluoro elastomer and a shaft diameter of 80 mm is 30 m/s, according to a rotational speed of 7000 min-1, when all other operating conditions are optimal. Higher circumferential speed or disadvantageous operating conditions are leading to a higher abrasion of the sealing edge and finally to failure. By using non-contacting seals, there is no contact and for this reason no abrasion. Using non-contacting seals, there are unfortunately no standard systems in opposite to many contacting rotating shaft seals. Therefore it is essential to design and dimension a noncontacting seal for each new application. In practice, manageable solutions and guidelines exists only for sealing low viscous fluids with high run accuracy, for example in the working spindle of machine tools. Verified experimental solutions for high viscous fluids, smaller run accuracy which leads to dynamic changing gap heights, self induced air flow with resulting oil mist leakage are not known. This tends to result in, that non-contacting seals, for example for rail-mounted vehicle transmissions or transmissions in wind-powered devices are not being designed and dimensioned, but developed by trial and error with a high investment. The goal of this research work was, to examine the function of non-contacting seals under special operating conditions to be found in aggregates of vehicle and mechanical engineering, like: • sealing high viscous fluids, • appearance of dynamic changing gap height, • appearance of self induced air flow, • demand of small axial mounting space. Experimental results and design details are described in diagrams and illustrated figures. Most important for reliable sealing is the entrance zone. A well designed entrance zone prevents fluid to enter in the interior zone of non-contacting seals. When sealing high viscous fluids, the collecting chamber should be noble designed because of the worse flow behaviour. This is also valid for dynamic changing gap heights leading to higher incoming fluid flows. Self induced air flows could be verified, both by experiment and Finite Element Analysis (FEA). FEA was used to optimize the design of non-contacting seals. Resulting sealing design showed less or no air flows. So it was possible to avoid the leakage of oil mist by keeping primary sealing function. The results of this work are summarized in advanced design guidelines for each viewed item. It enables engineers to design reliably operating non-contacting seals for their specific application. Additionally, principal sketches show, how easy mountable sealing systems with axial mounting direction should be designed for inner and outer sealing.

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Die zur statischen Dichtungstechnik gehörenden Flächendichtverbindungen sind im Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbau sehr weit verbreitet. Auf Grund ihres vielfltigen Einsatzes sind sie unterschiedlichsten mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen unterworfen. Demzufolge gibt es Flächendichtungen in den verschiedensten Werkstoffen, Formen und Ausführungen. Für eine zuverlässige und betriebssichere Abdichtung ist eine ganzheitliche Betrachtung der Dichtstelle und eine sorgfältige Dichtungsauswahl unerlässlich. Es kann keine generelle Aussage gemacht werden, welche der drei betrachteten Dichtungsarten für die jeweilige Dichtstelle besser geeignet ist. Es muss immer das gesamte System: Dichtelement, Dichtungsflansch, Verbindungselement, abzudichtendes Fluid und Umgebungsbedingungen sowie deren komplexes Wechselspiel betrachtet werden. Der Trend geht aber zu einer vermehrten Nutzung von Metalldichtungen und Flüssigdichtmitteln.

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Die Funktion des Dichtsystems Radial-Wellendichtring beruht auf dessen Eigenschaft, Fluid von der Luftseite zur Bodenseite zu fördern. Zur qualitativen und quantitativen Beurteilung von unterschiedlichen Dichtringen und auch Dichtsystemen haben sich im Laufe der Forschungsarbeiten zum Radial-Wellendichtring drei prinzipielle Vorgehensweisen etabliert. Zum Einen wird dem Dichtsystem an der Luftseite zwischen Dichtkante und Wellenoberfläche eine definierte Ölmenge zugegeben. Anhand der benötigten Zeitspanne, um das zugegebene Fluid vollständig zur Bodenseite durchzufördern, wird der Förderwert errechnet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Dichtstelle luftseitig mit einem definierten Ölvolumenstrom zu bespritzen, und das abfließende Ölvolumen zu erfassen. Aus der Differenz zwischen angespritztem und Abgeflossenem Ölvolumen wird die Förderung im Dichtsystem errechnet. Die Dritte Methode verwendet eine luftseitige Sekundärkammer, welche mit Öl geflutet wird. Gemessen wird entweder der Ölverlust in der Sekundärkammer oder der Ölgewinn in der Primärkammer als Förderwert des Dichtsystems. Diese Förderwertbestimmungsmethoden werden ausnahmslos zur Bestimmung des Förderwertes unter „Laborbedingungen“ verwendet. D.h., der Dichtring wird zu Beginn oder nach Abschluss einer Dichtheitsuntersuchung o. ä. demontiert, und auf einer Prüfeinrichtung förderwertmäßig vermessen. Die vorgestellte Messeinrichtung ermöglicht nun auf der verwendeten Prüfeinrichtung, den Förderwert eines Dichtsystems während einer Dichtheitsuntersuchung ohne Eingriff ins Dichtsystem zu messen. So kann zu beliebigen Zeitpunkten einer Dichtheitsuntersuchung der aktuelle „dichtungstechnische Zustand“ des Systems erfasst und bewertet werden. Eingesetzt wird hierzu eine „modifizierte Zweikammer-Methode“. Eine geeignet nach außen abgedichtete Sekundärkammer wird für die Dauer der Förderwertmessung mit Öl geflutet. An einem Steigrohr kann in Abhängigkeit der Zeit das geförderte Ölvolumen abgelesen werden und somit der Systemförderwert errechnet werden. Nach Abschluss der Förderwertmessung wird die Sekundärkammer wieder entleert, und die Dichtheitsuntersuchung kann fortgesetzt werden. Die ggf. auftretende Leckage des untersuchten Dichtsystems wird fortlaufend erfasst.

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Die hier vorgestellten Untersuchungsmethoden ermöglichen eine Erfassung der dichtungstechnisch relevanten Eigenschaften von Wellenoberflächen. Die ermittelten Förderwerte der Wellenoberflächen erlauben, vorab deren dichtungstechnischen Eigenschaften abzuschätzen. Durch die Beobachtung der Systemförderung während des Betriebs ohne Eingriff in das tribologische System (z.B. durch Demontage und erneutem Einbau des Dichtrings zur Vermessung) ergeben sich weitere Beurteilungsmöglichkeiten. Der Einfluss der unterschiedlichen Wellenoberflächen auf die Dichtsicherheit und somit Zuverlässigkeit des Dichtsystems ist somit ermittelbar. Die Auswahl der dichtungstechnisch geeigneten Herstellungsverfahren und -parameter wird so erleichtert. Es wurden unterschiedliche Drehverfahren auf ihre Eignung zur Herstellung von Gegenlaufflächen für Radial-Wellendichtringen untersucht. Es zeigte sich, dass die beim Längsdrehen entstehende Vorschubwendel nicht ursächlich für eine gerichtete Förderung der Wellenoberfläche ist. Mit sachgemäß hergestellten (hart- und weich-) längsgedrehten Wellenoberflächen aus Stahl kann mittels geeigneter Radial-Wellendichtringe leckagefrei abgedichtet werden. Hierbei ist die Drehrichtung nicht entscheidend, wie die erfolgreich absolvierten Dichtheitsuntersuchungen verdeutlichen. Auch die Drehverfahren ohne axiale Vorschubbewegung wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich erzeugen geeignete Gegenlaufflächen für Radial-Wellendichtringe.

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Schnelligkeit, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sind Anforderungen an eine moderne Werkzeugmaschine. Inwieweit diese Bedingungen erfüllt werden können, hängt von der Güte der eingesetzten Komponenten ab. Maßgebend für die Genauigkeit sind die Führungen. Damit sie über lange Zeit genau und leichtgängig bleiben, sind spezielle Maßnahmen zu treffen. Dies sind bei Gleit- und Wälzführungen zum einen eine ausreichende Schmierung, zum anderen muss der Eintrag von Fremdstoffen in die Führung vermieden werden. Dies ist die Aufgabe des eingesetzten Dichtsystems, das bei Linearführungen als Abstreifer bezeichnet wird. 90\% aller Störungen an Linearführungen sind letztendlich auf das Versagen bzw. die falsche Auslegung des Abstreifers zurückzuführen, /1/: · Schmutz und Fremdflüssigkeiten dringen in großem Maße in den Führungsbereich ein. Verschleiß, Klemmen der Führungen, Ruckgleiten, Genauigkeitsverlust, Schwingungen, mangelhafte Werkstück-Oberflächen und eine verminderte Lebensdauer sind die Folgen. Schmierstoff tritt nahezu ungehindert aus, wodurch die eingesetzten Kühlschmierstoffe bzw. die Umgebung verunreinigt werden. Mangelschmierung der Gleit- bzw. Wälzpartner, unnötig hohe Betriebskosten und Entsorgungskosten von Abfallstoffen sind die Folgen. · Kühlschmierstoff, Schmutz und Schmierstoff verbinden sich zu chemisch aggressiven Mischungen, die zu erheblicher Korrosion führen können.

Zusammenfassung

Zu den durchgeführten Untersuchungen lässt sich abschließend sagen, dass die Verschleißsimulation ein geeignetes Werkzeug ist, um im Vorfeld von Versuchen eine Voruntersuchung im Sinne von Parametervariationen durchzuführen. Es kann Zeit gespart werden, da viele Teile erst gar nicht produziert und auf dem Prüfstand gestestet werden müssen. Die Methode der Verschleißsimulation liefert auch Hinweise, wie sich Veränderungen an bestehenden Bauteilen auf das Verschleißverhalten auswirken können. Aufgrund der vielschichtigen Einflüsse eines Tribosystems auf das Verschleißverhalten, ist es zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich, Verschleiß unter beliebigen Betriebsbedingungen quantitativ zu bestimmen. Aber für einen qualitativen Vergleich von Varianten eignet sich die Methode der Verschleißsimulation bereits sehr gut. Natürlich können solche Untersuchungen Prüfstandsversuche nicht vollständig ersetzen. Zumindest um die Funktion der Dichtsysteme nachzuweisen, sind Versuche weiterhin unerlässlich. Auch sind Aussagen über Leckageraten aufgrund der Simulationsergebnisse zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich. Man muss die Verschleißsimulation, wie im übrigen die gesamte FE-Simulation, als Hilfsmittel sehen, das dazu beitragen kann Entwicklungszeiten zu verkürzen bzw. die Anzahl der Varianten zu erhöhen. Sie ist nicht in der Lage den Versuch am realen Bauteil zu ersetzen.

Zusammenfassung

Bei den vorgestellten Versuchen wurden Polyurethan Nutringe auf ihr Verschleißverhalten getestet. Diese zeigten in Verbindung mit Hartchrom Hydraulikstangen sehr gute Verschleißeigenschaften. Auch nach 800 km Laufleistung konnte keine Beeinträchtigung der Dichtwirkung festgestellt werden. Durch ein leichtes Abflachen der Dichtkante auf der Luftseite verbesserte sich die Förderleistung bei Versuchen mit druckbeaufschlagter Prüfzelle mit zunehmender Laufstrecke. Die auf der Dichtfläche auftretenden Riefen wirken sich bei Druckbeaufschlagung nicht auf die Dichtwirkung aus, im drucklosen Fall führen sie zu einer Verringerung der Förderleistung, die aber für ein leckagefreies Abdichten ausreicht. Polyurethan-Nutringe erreichen bei den gewählten Betriebsbedingungen nach 800 km noch nicht ihre Leistungsgrenze.

Zusammenfassung

Weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der Federanpressung haben gezeigt, dass, wie in früheren Untersuchungen auch, die dichtungstechnisch notwendige Anpressung nicht überschritten werden sollte. Übermäßiges Anpressen der dichtspaltbildenden Partner führt zu instationären Reibmomentverläufen und hohen Laufspurtiefen in der Versuchsdichtungen. Für Dichtringe vom Typ B wurden - auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten (vu~=~20~m/s) - in den Versuchsreihen niedrigere Endleckagewerte gemessen. Die Reibung war gleichzeitig kleiner oder gleich, die Laufspurtiefen im Dichtring deutlich kleiner als bei Dichtringen vom Typ A. Grund ist der elastischere (biegeweichere) Aufbau dieser Dichtringe. Untersuchungen zum Betriebsverhalten über längere Zeiträume (1000 h) ergaben für Dichtringe vom Typ WKDR-R1.5 eine Leckagerate, die im Mittel kleiner als 0,5 g/h war, für WKDR-Q45 kleiner 0,3 g/h. Nach Versuchsende wurde am Außendurchmesser beider Dichtringe ein bleibender Druckverformungsrest festgestellt. Eine Verbesserung der Rezeptqualität des Dichtringwerkstoffs sowie eine Erhöhung der Verarbeitungsqualität der Dichtringe sind erste Ansätze die Ergebnisse der vorgestellten Dichtring-Varianten zu verbessern. Neben neuen Dichtring-Varianten sind konstruktive Lösungsansätze für Kassetten-Anordnungen denkbar.

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Dichtungen sind wichtige Bauteile praktisch aller technischen Gebilde von Autos genauso wie Küchenmaschinen oder Kernkraftwerken - also auch von Windkraftanlagen. Nach einer Erläuterung grundlegender dichtungstechnischer Zusammenhänge, werden Dichtungen für dynamische Dichtstellen in vier Arten - passive, aktive, mehrfache und hermetische eingeteilt und deren Wirkung beschrieben. Diese allgemeingültige Betrachtung wird dann in versehiedene reale Dichtsysteme umgesetzt. Für drehende Wellen wird auf die Funktion und Grenzen von Radial-Wellendichtringen, PTFE- Manschetten, Gleitringdichtungen und andere Elemente zur Abdichtung von Fluiden unter Druck eingegangen. Besonders betrachtet wird auch der Systempartner Wellenoberfläche, da ja Dichtungen stets als tribologisches System bestehend aus Dichtring, Gegenlauffläche, Schmierstoff und Umgebung zu betrachten sind. Die Funktion von Dichtungen für Linearbewegungen und der daraus zu ziehenden Konsequenzen wird beschrieben. Die Möglichkeiten Wellen berührungsfrei - und damit langzeitzuverlässig - abzudichten wird intensiv beleuchtet. Schließlich wird auf die dichtungstechnischen Besonderheiten in Windkraftanlagen eingegangen und technische Grenzen werden aufgezeigt.

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Dichtungen für hin- und hergehende Bewegungen, wie beispielsweise Hydraulik-Stangendichtungen oder Führungsbahnabstreifer, lassen auf ihrer Gegenlauffläche einen Schmierfilm zurück. Informationen über die Dicke des Schmierfilms in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermöglichen Rückschlüsse auf die tribologischen Verhältnisse unter der Dichtkante und ermöglichen eine Optimierung des Dichtsystems. Das optische Messverfahren Ellipsometrie wurde erläutert und ein Verfahren vorgestellt, durch Abschleudern definiert dicke Ölfilme herzustellen. Anhand dieser Ölfilme bekannter Dicke wurde die Eignung des Messverfahrens zur Schmierfilmdickenmessung im Bereich kleiner 2 µm demonstriert. Einige Messungen der von Hydraulikstangendichtungen abgestreiften Ölfilme auf einer polierten Kolbenstange wurden vorgestellt und der Zusammenhang zwischen Dichtungsgestaltung und Schmierfilmdicke beispielhaft erläutert. Mit dem vorgestellten Verfahren ist es auch möglich die Funktionsänderung (Änderung der Pressungsgradienten) im Laufe ihrer Betriebszeit direkt am Ergebnis (Schmierfilmdicke) zu erfassen, noch bevor Leckage auftritt.

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Im Rahmen dieses Beitrags wurden experimentelle Versuchsergebnisse mit praxisnahen inversen Wellendichtsystemen vorgestellt. Diese verwenden einen konstruktiv vorhandenen Wellenabsatz als Dichtkante. Die für beide Anordnungen untersuchten Einflussfaktoren waren der öl- und luftseitige Dichtkantenwinkel sowie die Umfangsgeschwindigkeit der Dichtkante (Welle). Die Zielgrößen waren die Reibung im dynamischen Dichtkontakt und die Dichtheit (Messgrößen: Reibmoment und Leckage). Die Versuchsreihen wurden mittels der statistischen Versuchsplanungs-Software CORNERSTONE™ geplant und ausgewertet. Basis dieser Untersuchungen war ein vollständig faktorieller Zweistufenplan vom Typ 2k. Als Ergebnis der Regressionsanalyse stehen Modellgleichungen bereit. Diese geben auf Basis mathematisch-statistischer Methoden innerhalb des untersuchten Wertebereichs mit unterschiedlicher Qualität der Anpassung die Zusammenhänge zwischen den Einflussfaktoren und den Zielgrößen wieder. Weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der Federanpressung haben gezeigt, dass, wie in früheren Untersuchungen auch, die dichtungstechnisch notwendige Anpressung nicht überschritten werden sollte. Übermäßiges Anpressen der dichtspaltbildenden Partner führt zu instationären Reibmomentverläufen und hohen Laufspurtiefen in der Versuchsdichtungen. Für Dichtringe vom Typ B wurden - auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten (vu~=~20~m/s) - in den Versuchsreihen niedrigere Endleckagewerte gemessen. Die Reibung war gleichzeitig kleiner oder gleich, die Laufspurtiefen im Dichtring deutlich kleiner als bei Dichtringen vom Typ A. Grund ist der elastischere (biegeweichere) Aufbau dieser Dichtringe.

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Kenntnisse über den Verschleiß von Dichtungen ist für deren Weiterentwicklung und Lebensdauerabschätzung wie auch für Zuverlässigkeitsbetrachtungen von entscheidender Bedeutung. Die üblichen globalen pÂv-Werte reichen für eine treffsichere Verschleißabschätzung bei Weitem nicht aus. Auf der Basis von experimentellen Verschleißuntersuchungen an einem PTFE-Compound in dichtungsähnlicher Form wurde ein erstes Verschleißmodell entwickelt und in die FEA integriert. Mittels einer eigens entwickelten Subroutine für das FE-Programm MARC ist es gelungen, Verschleiß im stationären Bereich berechenbar zu machen. Die Implementierung des Einlaufverschleißes ist ebenfalls denkbar. Die Quantifizierung des Verschleißes durch die Volumenberechnung des Modells liefert ausreichend genaue Ergebnisse. Ausgehend von diesem Stand sollte auch an anderen Geometrien, wie z.B. PTFE-Manschettendichtungen, Verschleiß treffsicher simuliert werden können. Die Öltemperatur hat zumindest in den hier untersuchten Bereichen keinen erkennbaren Einfluss auf die Verschleißrate. Für die Höhe der Verschleißrate scheint vielmehr die tatsächliche Temperatur an der Dichtkante von Bedeutung zu sein. Um diese messtechnisch erfassen zu können sollen in Zukunft Messungen der Dichtkantentemperatur mit Hilfe einer Thermografiekamera durchgeführt werden. Diese erlaubt ein berührungsloses Messen der Temperatur. Bei Verwendung einer entsprechenden Optik ist eine sehr hohe Auflösung von maximal 25 µm erreichbar. Dadurch können dann Aussagen getroffen werden, wie stark sich die Dichtkantentemperatur bei verschiedenen Öltemperaturen tatsächlich unterscheidet.

Zusammenfassung

The working-spindle of a machine tool is one of the most important components in the line of force. It has a large influence on the static and dynamic behaviour of the machine tool and determines the achievable production quality and the productivity of the machine tool. Under all circumstances the bearings of the spindle must be protected against cooling lubricants and chips. The requirements on the spindle sealing systems are still increasing. A cause for it is the chipping enhancement of modern machine tools. Among other things this is possible with high speed spindles and higher pressure on the supply of the cooling lubricants. Together with the stronger splinter accumulation in the work area, harder conditions for the sealing systems are the result. New machine technologies as for example the method of dry processing leads to a dry, solid load on the sealing systems and thus to a new task of sealing. Superordinate goal of this research work are secured guidelines, based on experimental results, for non-contact rotary sealing systems for extreme conditions by cooling lubricants and/or solids. The contamination behaviour in the interior zone of liquid-collecting labyrinth seals can be improved with the described design details. With suitable designed air-barrier seals there is no penetration of liquid into the sealing system, which leads to solid deposits in the internal area of the seal. Dry solids or dust, for example produced by dry processing, cannot be sealed with liquid-collecting labyrinth seals without an air-barrier. In contrast air-barrier seals are suitable. Independent from the conditions (dry solids or dust, solid liquid mixtures or extreme liquid splashing) there is one air-barrier seal design suitable for the non-contact sealing of rotating spindles. The compiled guidelines, the conclusions and the full-scale design example of an airbarrier seal for a grease lubricated spindle bearing makes it easier to understand the function of non-contact rotary sealing systems. Additionally a method of calculation is presented to estimate the operating parameters of air-barrier seals. The results of this work are not only valid for the non-contact sealing of rotating spindles for machine tools, they are also suitable for other applications in mechanical engineering.

Zusammenfassung

Mittels einer neu entwickelten Subroutine für das FE-Programm MARC ist es gelungen, Verschleiß im stationären Bereich berechenbar zu machen. Die Quantifizierung des Verschleißes durch die Volumenberechnung des Modells liefert ausreichend genaue Ergebnisse. Das nichtlineare Verschleißmodell wird momentan in die Verschleißsubroutine implementiert. Ausgehend von diesem Stand, wird auch an PTFE-Manschettendichtungen versucht, Verschleiß treffsicher zu simulieren. Wichtig für die Simulation ist, dass das verwendete Materialmodell die Materialeigenschaften des verwendeten Werkstoffs ausreichend genau abbildet. Je genauer die simulierte Spannung im Kontakt der im tatsächlichen Bauteil entspricht, desto präziser werden auch die Ergebnisse für den Verschleiß ausfallen. Gerade für die hier untersuchten PTFE-Compounds wurden am IMA verbesserte Werkstoffmodelle für PTFE-Wellendichtungen entwickelt und untersucht /9/, /10/. Bei einer genügend großen Anzahl von Versuchen ist die Entwicklung eines mathematischen Modells, das die komplette Berechnung der Volumenabnahme über die gesamte Lebensdauer für ähnliche Tribosysteme ermöglicht, denkbar. Letztendlich sollen auch der Anfangsverschleiß (Bereich I) und der Verschleiß im Bereich III Eingang in die Simulation finden und so eine möglichst konkrete Vorhersage über die Entwicklung des Verschleißes im Betrieb erlauben. Allerdings muss der Verschleiß für jedes einzelne Tribosystem mit seinen Betriebsparametern (z.B. Gleitgeschwindigkeit, Temperatur, Pressung, ...) spezifiziert werden, was einen hohen Versuchsaufwand für die Parametergewinnung bedeutet.

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The influence of oil temperature on the sealing function of inverted sealing arrangements was introduced. These experimental investigations were planned and analysed by experimental design software. In general the friction between the mating seal faces is higher for T oil = 40°C than for T oil = 80°C. The Pareto-diagram, coming from the experimental design method, for the leakage shows, that the factors oil- and air side contact angle a + ß and the width of contact b do effect the leakage, while the factor oil temperature Toil fect of T oil doesn't. This non-existing ef- is not that clearly detectable without experimental design. The possibility of using a PTFE-Carbon-Compound as sealing material was shown. Due to the lower frictional coefficient Il of the combination PTFE-Carbon - steel than the combina- tion rubber - steel the measured frictional torque was lower. This conforms to experimental results obtained with commonly PTFE lip seals and metal shafts. The frictional torque in- creased by increasing the width of contact b. A radial loaded inverted sealing arrangement was introduced. There was no significant influ- ence of circumferential velo city and load on the frictional torque measurable. Leakage was measured in dependence of the direction of shaft rotation. In most cases this effect is due to microasperities a few micrometers high which are metrological not observable. A spaced optimised arrangement was introduced. A reduction ofaxial space of nearly 48\% was achieved. The basic functions of the weIl known \textquotedblmodular inverted test-sealing system\textquotedbl got remained. Options for optimisation are realised and will be considered in future arrangements.

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Pulsierender Innendruck führt bei Getriebedichtstellen dazu, dass die Verschraubung zusätzlich gedehnt wird und somit die verspannten Teile entlastet werden. Dieser dynamische Vorgang wirkt sich hauptsächlich auf die Dichtung negativ aus. Sie wird in Bereichen niedriger Flächenpressung zusätzlich entlastet oder möglicherweise ausgetrieben. Gehäuseteile mit einer geringen Steifigkeit verformen sich verstärkt und es kommt hier zu Spaltbildungen und Klaffungen. Im Extremfall führt das zu innerer oder äußerer Leckage.

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Im Maschinenbau sind zahlreiche Trennstellen, wie zum Beispiel an Gehäusen, zuverlässig abzudichten. Gerade im Fahrzeugbau werden dafür zunehmend sogenannte Flüssigdichtmittel verwendet. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Weichstoff- oder Metalldichtungen kommt es dabei zu teilweisem Kontakt der Dichtflansche, da das Flüssigdichtmittel vorwiegend in den Rauheitstälem vorhanden ist und so die Leckagekanäle abdichtet. Die in der Praxis auftretenden Belastungen auf eine flüssigabgedichtete statische Flachdichtstelle sind sehr vielfältig. Um alle Einflussgrößen untersuchen zu können sind viele Versuche notwendig. Durch den Einsatz der statistischen Versuchsplanung kann die Anzahl der benötigten Versuche stark reduziert werden. Die Auswertung der am Institut für Maschinenelemente durchgeführten Versuchen ergaben, insbesondere für die unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten, starke Einflüsse auf die Dichtheit und den auftretenden Verschleiß an Dichtmittel und Flanschoberflächen. Während eine Zunahme der Oberflächenrauheit zu vermehrter Leckage führt, nimmt der Verschleiß ab.

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Die Abdichtung biologisch schnell abbaubarer Schmierstoffe mit Radialwellendichtringen aus Elastomerwerkstoffen ist problematisch, denn Wechselwirkungen zwischen dem Schmierst off und dem Werkstoff des Dichtrings können zu einer Zerstörung der Dichtung führen. Daher wurden die Auswirkungen verschiedener Bio-Öle auf das Funktions- und Abdichtverhalten handelsüblicher Radialwellendichtringe in einem umfangreichen Versuchsprogramm untersucht.

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Im Maschinenbau sind zahlreiche Trennstellen, wie zum Beispiel an Gehäusen, zuverlässig abzudichten. Gerade im Fahrzeugbau werden dafür zunehmend sogenannte Flüssigdichtmittel verwendet. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Weichstoff- oder Metalldichtungen kommt es dabei zu teilweisem Kontakt der Dichtflansche, da das Flüssigdichtmittel vorwiegend in den Rauheitstälern vorhanden ist und so die Leckagekanäle abdichtet. Die in der Praxis auftretenden Belastungen auf eine flüssigabgedichtete statische FlachdichtsteIle sind sehr vielfältig. Um alle Einflussgrößen untersuchen zu können sind viele Versuche notwendig. Durch den Einsatz der statistischen Versuchsplanung kann die Anzahl der benötigten Versuche stark reduziert werden. Die Auswertung der am Institut für Maschinenelemente durchgeführten Versuchen ergaben, insbesondere für die unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten, starke Einflüsse auf die Dichtheit und den auftretenden Verschleiß an Dichtmittel und Flanschoberflächen. Während eine Zunahme der Oberflächenrauheit zu vermehrter Leckage führt, nimmt der Verschleiß ab.

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Die Makro- und Mikrostruktur von Wellenoberfächen beeinflusst die Funktion und Zuverlassigkeit von Dichtsystemen mit Radialwellendichtringen wesentlich. Deshalb warde untersucht, wie die Fertigungsverfahren Längsdrehen (hart und weich), Drehen im Einstich, Tangentialdrehen und Schleifen im Einstich sowie speziell eingebrachte Mikrostrukturen sich auf die Dichtfunktion auswirken. Überlegungen zur messtechnischen Bewertung der erzeugten Oberfächen münden in ein Modell zur Abschatzung der Gesamtfunktion des Systems Radialwellendichtung. Teile dieses Berichts sind das Ergebnis einer Forschungsaufgabe, die vom Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. (FKM) gesteilt und am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart bearbeitet wurde. Die Arbeit warde durch das Bundesministerium für Wirtschaft imd Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF-Nr. 12838N) finanziell gefördert.

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Sperrluftdichtsysteme sind geeignet, Spindeln nicht nur bei Flüssigkeitsbespritzung sondern auch bei Staubbeaufschlagung berührungsfrei sicher abzudichten. Ohne Sperrluft ist, im Gegensatz zur Flüssigkeitsabdichtung, keine sichere Funktion erreichbar. Elemente, die aus der Flüssigkeitsabdichtung als wirkungsvoll bekannt sind, erwiesen sich auch bei der Staubbeaufschlagung als effektiv oder zumindest nicht als schädlich. Sperrluftdichtsysteme können damit für Flüssigkeits- und Staubabdichtung gleich gestaltet werden. Der Gestaltung des Eingangsbereiches kommt große Bedeutung zu. Entscheidend für die Dichtwirkung sind im Gegensatz zur Flüssigkeitsabdichtung Spaltumlenkungen um möglichst 90°. Eine einzige Umlenkung kann für die Dichtwirkung ausreichend sein. Ohne Umlenkung ist keine gute Dichtheit erreichbar. Während Sperrluft Flüssigkeit direkt zurück hält, wird ein Sperrluftstrom bei der Staubabdichtung dazu benötigt, eingedrungene und abgebremste Partikel wieder aus dem Spalt herauszufördern. Ohne diesen Fördereffekt setzt sich der Spalt mit Partikeln zu, es entsteht Reibung und es kann zum Fressen kommen. Der Einfluss der Drehzahl ist bei der Staubabdichtung wesentlich geringer als bei der Flüssigkeitsabdichtung. Es ist lediglich eine geringe Erhöhung des Sperrluftstromes nötig, um das Wandern von Partikeln zur Lagerseite durch Luftverwirbelungen im Spalt zu unterbinden. Positiv wirkt die Drehzahl bei Stirnflächenspalten. Eindringende Partikel werden durch die Zentrifugalkraft wieder herausgefördert. Die detaillierten Ergebnisse sind zu einfach handhabbaren Konstruktions- und Betriebsregeln aufbereitet. Eine rechnerische Auslegung bezüglich der Dichtheit von Sperrluftdichtsystemen zur Staubabdichtung ist mit einfachen, allgemein gültigen Formeln nicht möglich. Für eine sichere Bestimmung der notwendigen Sperrluftparameter ist eine experimentelle Überprüfung notwendig.

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Die Betriebsbedingungen und somit die Dichtsicherheit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von RWDR wird vom direkten Umfeld des Dichtelementes maßgebend beeinflusst. Schmierung und Kühlung im Bereich des Dichtelementes spielen hier eine entscheidende Rolle. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen deutlich den Einfluss der konstruktiven Gestaltung der direkten inneren Dichtringumgebung. Geht man von der allgemein anerkannten Faustformel aus, nach der eine Erhöhung der Einsatztemperatur von elastomeren Bauteilen um 10 K eine Reduktion der Lebensdauer von 50 % bzw. eine um 10 K geringere Temperatur eine doppelte Lebensdauer bedeutet, so bietet sich hier dem Konstrukteur ein breiter Spielraum in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Dichtstelle des von ihm gestalteten Aggregates. Die Komplexität der Zusammenhänge lassen, abgesehen von den Ümgehungsbohrungen", noch keine eindeutigen und allgemein gültigen Aussagen zu. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen Dichtraumgestaltung und Dichtsicherheit künItig genauer erfassen zu können. Hinsichtlich der Beeinflussung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Dichtsystems RWDR ist hier noch großes unerschlossenes Potential vorhanden.

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Dichtungen für hin- und hergehende Bewegungen, wie beispielsweise Hydraulik-Stangendichtungen oder Führungsbahnabstreifer, lassen auf ihrer Gegenlauffläche einen Schmierfilm zurück. Informationen über die Dicke des Schmierfilms in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermöglichen Rückschlüsse auf die tribologischen Verhältnisse unter der Dichtkante und ermöglichen eine Optimierung des Dichtsystems. Das optische Messverfahren Ellipsometrie wurde erläutert und ein Verfahren vorgestellt, durch Abschleudern definiert dicke Ölfilme herzustellen. Anhand dieser Ölfilme bekannter Dicke wurde die Eignung des Messverfahrens zur Schmierfilmdickenmessung im Bereich kleiner 2 µm demonstriert. Einige Messungen der von Hydraulikstangendichtungen abgestreiften Ölfilme auf einer polierten Kolbenstange wurden vorgestellt und der Zusammenhang zwischen Dichtungsgestaltung und Schmierfilmdicke beispielhaft erläutert. Mit dem vorgestellten Verfahren ist es auch möglich die Funktionsänderung (Änderung der Pressungsgradienten) im Laufe ihrer Betriebszeit (Schmierfilmdicke) zu erfassen, noch bevor Leckage auftritt. direkt am Ergebnis

Zusammenfassung

Mittels einer neu entwickelten Subroutine für das FE-Programm MARC ist es gelungen, Verschleiß im stationären Bereich berechenbar zu machen. Die Quantifizierung des Verschleißes durch die Volumenberechnung des Modells liefert ausreichend genaue Ergebnisse. Ausgehend von diesem Stand sollte auch an anderen Geometrien, wie z.B. PTFE-Manschettendichtungen, Verschleiß treffsicher simuliert werden können. Wichtig für die Simulation ist, dass das verwendete Materialmodell die Materialeigenschaften des verwendeten Werkstoffs ausreichend genau abbildet. Je genauer die simulierte Spannung im Kontakt der im tatsächlichen Bauteil entspricht, desto präziser werden auch die Ergebnisse für den Verschleiß ausfallen. Gerade für die hier untersuchten PTFE-Compounds wurden am IMA verbesserte Werkstoffmodelle für PTFE-Wellendichtungen entwickelt und untersucht /9/. Bei einer genügend großen Anzahl von Versuchen ist die Entwicklung eines mathematischen Modells, das die komplette Berechnung der Volumenabnahme über die gesamte Lebensdauer für ähnliche Tribosysteme ermöglicht, denkbar. Allerdings muss der Verschleiß für jedes einzelne Tribosystem mit seinen Betriebsparametern (z.B. Gleitgeschwindigkeit, Temperatur, Pressung, ...) spezifiziert werden, was einen hohen Versuchsaufwand für die Parametergewinnung bedeutet. Ein weiteres Problem, das sich aus der Verschleißcharakteristik ergibt, ist, dass sich bisher nicht vorhersagen lässt, wie stark der Bereich I (s. Bild 3) ausgebildet ist. Für den Bereich III gelten diese Einschränkungen noch viel stärker, da dieser Verschleiß plötzlich auftreten und die Verschleißrate so stark ansteigen kann, dass das Dichtsystem in sehr kurzer Zeit funktionsunfähig ist. Jede Rechnung oder Simulation ist eben nur so „genau“ oder treffsicher wie ihre „Eingangsdaten“!

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Die Dichtsicherheit und Lebensdauer von Radial-Wellendichtringen wird stark vom direkten Umfeld des Dichtelementes beeinflusst. Hierbei spielen Aspekte wie Schmierung und Kühlung im Bereich des Dichtelementes eine entscheidende Rolle. Die Vorgestellten Untersuchungen zeigen deutlich den Einfluss der konstruktiven Gestaltung der direkten inneren Dichtringumgebung auf dessen Betriebsbedingungen. Geht man von der allgemein anerkannten Faustformel aus, nach der eine Erhöhung der Einsatztemperatur von elastomeren Bauteilen um 10 K eine Reduktion der Lebensdauer von 50 %, bzw. eine um 10 K geringere Temperatur doppelte Lebensdauer bedeutet, so bietet sich hier dem Konstrukteur ein breiter Spielraum im Bezug auf die Zuverlässigkeit der Dichtstelle des von ihm gestalteten Aggregates. Die Komplexität der Zusammenhänge lassen, abgesehen von den „Umgehungsbohrungen“, noch keine eindeutigen und allgemein gültigen Aussagen zu. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Zusammenhänge zwischen Dichtraumgestaltung und Dichtsicherheit künftig genauer erfassen zu können. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Dichtsystemen mit Radial-Wellendichtringen ist hier noch großes, unerschlossenes Potential vorhanden.

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An moderne Getriebegehäuse in Leichtbauweise werden hinsichtlich der Dichtheit und der Betriebssicherheit sehr hohe Anforderungen gestellt. Kritische Gehäusebereiche sind Trennfugen, Dichtflansche, Verschraubungen und die sich daran anschließenden Gehäuseflächen, die sich im Betrieb mehr oder weniger stark verformen. Das Dichtungsmaterial, als mechanisches Koppelglied zwischen den Gehäuseteilen, verliert durch die dauernd wechselnden Verformungszustände seine Fähigkeit, die zur Dichtheit notwendige Flächenpressung aufrecht zu erhalten. Die elastischen Nachgiebigkeiten der Verschraubung und der Flansche reichen schließlich nicht mehr aus, um den Verlust der Anpressung der Dichtung an die Dichtflansche auszugleichen; das Gehäuse wird undicht. Die am IMA durchgeführten Arbeiten lassen sich in vier Bereiche aufteilen: Dies waren zum einen umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Serienprüfgehäusen, die Entwicklung und Anwendung von analytischen Näherungsberechnungsverfahren, die Erstellung eines Konstruktionskatalogs und schließlich Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode. Die experimentellen Untersuchungen mit dem Gehäusedichtungsprüfstand (GDP) konzentrierten sich im wesentlichen auf Versuche an zwei unterschiedlichen Serienprüfgehäusen. Dies war zum einen ein Industriegetriebe-Prüfgehäuse aus Grauguß und ein Fahrzeuggetriebe-Prüfgehäuse aus Leichtmetall. An diesen Getriebegehäusen in Topfbauweise wurden in dynamischen Dauerversuchen dichtungstechnisch relevante Parameter, wie das Dichtungsmaterial, die Dichtungsgeometrie, Prüföltemperatur und Schraubenvorspannkräfte variiert. Die Versuchsergebnisse an beiden Prüfgehäusegeometrien stimmten in der Tendenz des Ausfallverhaltens der Dichtverbindung gut überein. Aufgrund der hohen dynamischen Last kommt es zu einem verstärkten irreversiblen Setzen von Weichstoffdichtungen. In Abhängigkeit von den konstruktiv gegebenen Schraubenvorspannkraftreserven durch die Schraubenklemmlänge, führt die irreversible Zusammenpressung des Dichtungsmaterials zu Schraubenvorspannkraftänderungen. Kann konstruktiv nur eine kurze Klemmlänge realisiert werden, so kann es durch das Betriebssetzen zum teilweisen vollständigen Verlust der Schraubenvorspannung kommen. Es wird deshalb empfohlen auf konstruktivem Wege für möglichst hohe elastische Schraubenvorspannkraftreserven zu sorgen und bei Verwendung von Weichstoffdichtungen auf möglichst dünne Dichtungen mit hoher elastischer Rückfederung zurückzugreifen. Im Gegensatz zu den Weichstoffdichtungen lassen sich mit Hilfe von dauerplastischen und anaerob aushärtenden Flüssigdichtungen äußerst setzarme Dichtverbindungen mit geringen Schraubenvorspannkraftverlusten realisieren. Bei Verwendung dieser Dichtungen in hochbelasteten Getriebegehäusen und bei Auftreten hoher Schermomente ist bei der Auslegung auf eine Mindestflächenpressung zu achten. Eine anaerob aushärtende Flächendichtung mit hoher Schersteifigkeit und genügend hoher Elastizität ist einer anaerob aushärtenden Flächendichtung mit ausgeprägt sprödem Materialverhalten vorzuziehen. Bei der Auswahl dieser Dichtungswerkstoffe ist besonderes Augenmerk auf die zulässige Gebrauchstemperatur zu legen. Weiter waren innovative Flächendichtungen in Form von elastomerbeschichteten und gesickten Metalldichtungen Gegenstand der experimentellen Untersuchungen. Hier zeigte sich, daß die Metallsickendichtungen im Bezug auf das Setzverhalten und in der Temperaturbeständigkeit den Weichstoffdichtungen weit überlegen waren. Ein weiterer Vorteil der gesickten Metalldichtungen liegt in ihrer Fähigkeit, durch variable Gestaltung der Sickenform die Anpressung der Dichtflansche in Bereichen geringer Steifigkeit positiv beeinflussen zu können. Durch die hohen auftretenden Scherbelastungen im Prüfbetrieb kam es dennoch zu hohen Relativbewegungen in der Dichtfuge. Die adhäsive Haftung der Elastomerbeschichtung auf dem Metallträger reicht derzeit offensichtlich nicht aus, um den hohen Scherbelastungen in den Trennfugen standzuhalten. Die Ergebnisse der durchgeführten experimentellen Untersuchungen, die auf analytischem Wege ermittelte Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Finite-Elemente-Berechnungen konnten in einem "Konstruktionskatalog" zusammengefaßt und bildlich dargestellt werden. Die FEM sollte als Werkzeug bei der Auslegung von hochbeanspruchten Dichtverbindungen verstärkt eingesetzt werden. Mit deren Hilfe ist es möglich, das komplexe Betriebsverformungsverhalten von Flächendichtverbindungen in guter Näherung zu simulieren.

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The increasing demands on radial shaft seals have in recent years led to the replacement of traditional elastomer seals by chemically and thermally more stable seals made of compounded polytetrafluorethylene. With the increasing use of finite element analysis, there is a concurrent demand for robust material models and material data for the PTFE compounds used. Due to their complex mechanical material behaviour these models and data are not available in sufficient quality. Extensive research work has been conducted in the field of material behaviour of PTFE compounds. Based on this research, material models have been developed for a typical carbon filled PTFE compound and implemented in the finite element analysis. The material models were applied to simple tensile tests and various PTFE shaft seals, then compared with measurements and thus verified. On the basis of material tests, material models for PTFE compounds were developed and implemented in finite element analysis. Comparisons with measured seals confirmed the validity of the material models. Resulting from this work, there are now models at our disposition enabling us to test a multiplicity of function critical sealing characteristics using finite element analysis. Finite element analysis can therefore be efficiently used for the development of PTFE shaft seals.

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Die in der Praxis auftretenden Belastungen auf eine flüssigabgedichtete statische FlachdichtsteIle sind sehr viel- fältig. Um alle Einflussgrößen untersuchen zu können sind sehr viele Versuche notwendig. Durch den Einsatz der statistischen Versuchsplanung konnte die Anzahl der benötigten Versuche um ein Vielfaches reduziert werden. Die Auswertung der Versuche ergab, dass im allgemeinen die Belastungsparameter (Scherung, Pressung, Temperatur) den größten Einfluss haben, während die geometrischen Parameter (Flanschwerkstoff, Dichtungsmaterial und Flanschoberfläche) nur in Verbindung mit Belastungen zum Tragen kommen. Vor allem die Scherbelastung führt bei rauhen Oberflächen und hoher axialer Pressung zu früher Leckage und hohem Verschleiß. Daher sind bei der Gestaltung von statischen DichtsteIlen die Belastungen, welche auf die Dichtverbindung wirken, möglichst zu minimieren. Je nach verwendetem Flüssigdichtmittel ist die Oberflächenrauheit entsprechend den Angaben des Dichtungsherstellers vorauszuwählen. Die genauen Oberflächenkennwerte ergeben sich aus dem Fertigungsverfahren und den zu erwartenden Belastungen.

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Berührungsfreie Dichtsysteme (BFWD) werden immer häufiger eingesetzt, wenn drucklos bespritzte Wellendurchtrittsstellen möglichst betriebssicher, zuverlässig und wartungsfrei abzudichten sind. Das bisherige Haupteinsatzgebiet dieser Dichtsysteme ist die Abdichtung von Werkzeugmaschinenspindeln bei hoher Lagerlaufgenauigkeit. Für Anwendungen im allgemeinen Fahrzeug- und Maschinenbau, beispielsweise der Abdichtung von Schienenfahrzeuggetrieben oder Getrieben in Windkraftanlagen 1 gelten jedoch meist geringere Laufgenauigkeiten, so dass die Funktion berührungsfreier Dichtsysteme für diese Fälle verifiziert werden muss. Im Beitrag wird der Einfluss von Zusatzbewegungen auf das Abdichtverhalten berührungsfreier Dichtsysteme anhand einer Fanglabyrinth-Dichtung vorgestellt. Non contactmg sealing systems are more and more used, if non pressurized shaft interfaces have to be sealed reliably and maintenance-free. The past main field of application of these sealing systems were the sealing of machine tool spindles with high run accuracy. For applications with usually smaller run accuracies in vehicle and mechanical engineering, for example the sealing of rail-mounted vehicle transmissions or transmissions in wind-powered devices 1, the function of non-contacting sealing systems has to be verified. The paper presents the influence of shaft movements on the sealing behavior of non-contacting sealing systems on the basis of a liquid collecting labyrinth seal.

Zusammenfassung

Der Einfluß der Öltemperatur auf die Abdichtfunktion von Dichtsystemen mit invertierter Dichtgeometrie wurde vorgestellt. Die experimentellen Versuchsreihen wurden mittels statistischer Versuchsplanungs-Software geplant und ausgewertet. Grundsätzlich ist für TÖl = 80°C das im Dichtkontakt induzierte Reibmoment niedriger als für TÖl = 40°C. Das vorgestellte Pareto-Diagramm (Einflußgrößen auf die Leckage) zeigt, daß die Einflussfaktoren DKöl, DKluft, und b einen Einfluß haben, die Öltemperatur nicht. Der (nicht vorhandene) Einfluß von TÖl auf die Leckage läßt sich ohne statistische Auswertung kaum erkennen. Die Einsatzmöglichkeit von PTFE-Compound wurde aufgezeigt. Der geringere Reibkoeffizient der Reibpaarung PFTE-Compound – Stahl gegenüber Elastomer – Stahl bewirkt auch bei invertierten Dichtsystemen eine geringere Reibung. Diese nimmt, wie bei Elastomeren, mit größer werdender Berührbreite zu. Eine radial angepresste inverse Dichtungsanordnung und experimentelle Versuchsergebnisse zum Einfluß der Umfangsgeschwindigkeit und Anpressung wurden vorgestellt. Ein unmittelbarer Einfluß der Umfangsgeschwindigkeit und Anpressung auf das Reibmoment konnte nicht festgestellt werden. Die Leckage trat drehrichtungsabhängig auf. Dieser Effekt läßt sich auf fertigungsbedingte, meßtechnisch nicht erfassbare Strukturen zurückführen. Eine bauraumoptimierte inverse Dichtungsanordnung wurde vorgestellt, eine Reduktion des axialen Bauraumes von 48 % konnte erreicht werden. Das grundsätzliche Funktions- und Betriebsverhalten des bekannten modularen inversen Versuchsdichtsystems bleibt erhalten. Optimierungspotential wurde erkannt und findet zukünftig Berücksichtigung.

Zusammenfassung

Soll Leckage und das Eindringen von Flüssigkeiten und Schmutz verhindert werden, dann ist ein Abstreifer notwendig, der in beiden Bewegungsrichtungen gut abstreift. Dies gilt besonders dann, wenn der Abstreifer, wie beispielsweise bei Führungen oder hydrostatisch gelagerten Pinolen in Werkzeugmaschinen, das einzige Dichtelement ist. Dies kann mit einem doppellippigen Abstreifer, mit kurzen und steifen Dichtlippen bei eingeschränktem Vorspannweg, erreicht werden. Ein großer Vorspannweg führt nicht zu einem besseren Abstreifergebnis, ganz im Gegenteil. Mit geringer werdender Dichtlippenhöhe fällt der maximale Pressungsgradient und damit die Dichtwirkung stark ab. Das Pressungsmaximum muss sehr nahe an der Dichtlippenkante sein um einen Keilspalt zu verhindern. Für jeden Werkstoff muss der Abstreifer nach den hier vorgestellten Kriterien angepasst werden. Es wurde gezeigt, dass die häufig angepriesenen, dünnlippigen Abstreifer mit großem Vorspannweg, um Toleranzen, Verlagerungen und Verschleiß auszugleichen, praktisch unwirksam sind.

Zusammenfassung

Dichtungen sind wichtige Bauteile praktisch aller technischen Gebilde – von Autos genauso wie von Küchenmaschinen oder Kernkraftwerken. Nach einer Erläuterung grundlegender dichtungstechnischer Zusammenhänge, werden Dichtungen für dynamische Dichtstellen in vier Arten – passive, aktive, mehrfache und hermetische eingeteilt und deren Wirkung beschrieben. Diese allgemeingültige Betrachtung wird dann in verschiedene reale Dichtsysteme umgesetzt. Für drehende Wellen wird auf die Funktion und Grenzen von Radial-Wellendichtringen, PTFE-Manschetten, Gleitringdichtungen und andere Elemente zur Abdichtung von Fluiden unter Druck eingegangen. Besonders betrachtet wird auch der Systempartner Wellenoberfläche, da ja „Dichtungen“ stets als tribologisches System bestehend aus Dichtring, Gegenlauffläche, Schmierstoff und Umgebung zu betrachten sind. Eine Beschreibung der Funktion von Dichtungen für Linearbewegungen und der daraus zu ziehenden Konsequenzen sowie eine Beleuchtung der Möglichkeiten berührungsfrei abzudichten, runden die Ausführungen ab.

Zusammenfassung

In der Praxis eingesetzte dynamische Wellendichtsysteme haben fast immer eine an die "weiche" Polymerdichtung angeformte Dichtkante. Die Welle ist im Kontaktbereich üblicherweise glatt. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass sich durch Invertierung (Dichtkante an der harten Welle in Kombination mit einem einfach geformten, glatten Polymerteil, im folgenden als inverses Wellendichtsystem bezeichnet) ebenso Abdichtungen zwischen relativ bewegten Maschinenteilen realisieren lassen. Nach einer Einführung wird der aktuelle Stand der theoretischen und experimentellen Arbeiten zusammengefasst und die Entwicklungssystematik vorgestellt. Commonly used dynamic shaft sealing systems usually have a sealing edge formed on the polymeric seal running against a plain shaft. This paper describes that by inversion (sealing edge on the hard shaft in combination with a simple formed, plain polymeric seal, in the following called invertive sealing system) it is also possible to realize a dynamic sealing task between relativly moved machineparts. After an introduction the current status of the theoretical and experimental results will be summerized and the systematics for further development will be shown.

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Funktionsweise Berührungsfreier Wellendichtungen unter den besonderen Betriebsbedingungen des allgemeinen Maschinen- und Fahrzeugbaus zu erforschen. Dabei stand die Verifizierung der für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für höherviskose Fluide im Vordergrund. Dazu wurden einzelne Funktionselemente von BFWD methodisch experimentell untersucht. Um die betrieblichen Einflüsse auf BFWD zu erfassen, wurde für gängige Lager der Durchfluss bei Öleinspritzschmierung vorab ermittelt. Je nach Lagerart und -anordnung beträgt der Durchfluss 5 bis 95 % der anspritzenden Flüssigkeitsmenge. Die Ergebnisse dienten zur Ermittlung der Randbedingungen für die Erforschung der Funktionselemente. Die Untersuchungen mit zähen Ölen an Standardelemente von BFWD bewiesen ein analoges Funktionsverhalten, wie bei der Abdichtung wasserdünner Flüssigkeiten. Aufgrund der bis zu 500 mal höheren Viskosität konnte jedoch bei gleichen geometrischen Abmessungen ein bis zu 100 mal geringerer Durchfluss ermittelt werden. Vergleichende Berechnungen ergaben, dass bei ent- sprechenden im Dichtsystem zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen, die Spalthöhen bei der Abdichtung so zäher Fluide vier bis fünf mal so hoch sein dürfte, als bei der Abdichtung von niederviskosen Flüssigkeiten. Da das Ablaufverhalten höherviskoser Flüssigkeiten schlechter ist, sind im Dichtsystem angeordnete Fangkammer großzügig auszulegen. Mit Hilfe der verifizierten Gestaltungsrichtlinien wurde ein funktionsfähiges Berührungsfreies Dichtsystem konzipiert. Das Dichtsystem ist technisch dicht.

Zusammenfassung

Dichtungen für hin- und hergehende Bewegungen, wie beispielsweise Hydraulik-Stangendichtungen oder Führungsbahnabstreifer, lassen auf ihrer Gegenlauffläche einen Schmierfilm zurück. Die Dicke des Schmierfilms in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermöglicht Rückschlüsse auf die tribologischen Verhältnisse unter der Dichtkante und ermöglichen eine Optimierung des Dichtsystems. Das optische Meßverfahren Ellipsometrie wurde erläutert und ein Verfahren durch Abschleudern definiert dicke Ölfilme herzustellen vorgestellt. Anhand dieser Ölfilme bekannter Dicke wurde die Eignung des Meßverfahrens zur Schmierfilmdickenmessung im Bereich kleiner 2 µm demonstriert. Einige Messungen der von Hydraulikstangendichtungen abgestreiften Ölfilme auf einer polierten Kolbenstange wurden vorgestellt und der Zusammenhang zwischen Dichtungsgestaltung und Schmierfilmdicke beispielhaft erläutert. Es konnte gezeigt werden, daß dünne Ölfilme ausreichend zeitstabil sind und daher nicht nur die mittleren Filmdicken der Ölfilme meßbar sind, sondern auch deren räumliche Oberflächenstruktur.

Zusammenfassung

Ziel der Arbeit war, die Funktionsweise Berührungsfreier Wellendichtungen (BFWD) unter den besonderen Betriebsbedingungen in Aggregaten des allgemeinen Maschinenbaus zu erforschen. Dabei stand die Verifizierung, der für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für höherviskose Fluide im Vordergrund. Dazu wurden einzelne Funktionselemente von BFWD methodisch experimentell untersucht. Zur praxisorientierten Durchführung der Arbeit, fand im Vorfeld eine Industrieumfrage statt, in der die Randbedingungen für die Versuche ermittelt wurde. Als Versuchsöl wurde ein FVA-Referenzöl mit der Viskositätsklasse ISO VG 320 gewählt. Die Untersuchungen an einzelnen Funktionselementen mit zähen Ölen bewiesen ein analoges Funktionsverhalten, wie bei der Abdichtung wasserdünner Flüssigkeiten. Aufgrund der bis zu 500 mal höheren Viskosität konnte jedoch bei gleichen geometrischen Abmessungen ein bis zu 100 mal geringerer Durchfluss ermittelt werden. Vergleichende Berechnungen ergaben, dass bei entsprechenden im Dichtsystem zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen, die Spalthöhen bei der Abdichtung so zäher Fluide vier bis fünf mal so hoch sein dürfen als bei der Abdichtung von niederviskosen Flüssigkeiten. Ein günstig gestalteter Eingangsbereich reduziert den eindringenden Flüssigkeitsstrom um bis 95 % gegenüber einem ungünstig gestalteten. Dafür muss der radiale Eingangsspalt überdeckt und eine stationäre Fangrinne angebracht werden. Die für niederviskose Flüssigkeiten bekannten Gestaltungsrichtlinien für Fangkammem gelten auch bei der Abdichtung zäher Öle. Um das schlechtere Fließverhalten zu berücksichtigen, ist das Volumen der Fangkammer größer auszuführen. Wird der Übergang der Fangkammer zum Rücklauf trichterförmig ausgeführt. zeigen auch höherviskose Flüssigkeiten ein strömungstechnisch günstigeres Ablaufverhalten. Die Ablaufkanäle sind größtmöglich auszuführen. Um die betrieblichen Einflüsse auf BFWD zu erfassen, wurde für sechs gängige Lagerarten der Durchfluss bei Öleinspritzschmierung ermittelt. Je nach Lagerart und -anordnung beträgt der Durchfluss zwischen 5 und 95 % des Einspritzstroms. Die Ergebnisse dienten u.a. der Verifizierung der Dichtungsbeaufschlagung im Laborbetrieb. Mit Hilfe der Finiten-Element-Analyse (FEA) und experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass berührungsfreie Wellendichtsysteme aktiv Luft und damit auch Öldunst oder Ölnebel fördern können. Als Abhilfe- maßnahme wurde ein bezüglich Luftdurchsatz optimiertes Dichtsystem entwickelt. Die erstmals hierzu eingesetzte FEA hat sich als nützliches Werkzeug bei der Auslegung Berührungsfreier Dichtsysteme erwiesen. Alternativ dazu wurde die Möglichkeit betrachtet, ölabscheidende Filterelemente in BFWD zu integrieren. Die aufgrund von Wärmeausdehnung, Fertigungstoleranzen und Lagerluft erzeugten axialen Wellenverlagerungen bewirken bei BFWD einen erhöhten Eindringstrom. Mittels einer Verschiebevorrichtung konnten diese erhöhten Eindringströme im Versuch quantitativ ermittelt werden. Zur einfacheren Montage des komplexen berührungsfreien Dichtsystems wurden Gestaltungsvarianten entwickelt, die als axial steckbare Systeme in der Praxis eingesetzt werden können.

Zusammenfassung

In Aggregaten der Antriebstechnik wie Motoren, Getrieben, Kupplungen usw., aber auch in anderen Bereichen wie Werkzeugmaschinen, Pumpen oder Verdichtern ist das Abdichten von Wellen seit jeher eine häufige und wichtige Aufgabe. Entsprechend ihrer Bedeutung wurde an den dafür eingesetzten Dichtsystemen in den letzten 40 Jahren mehr oder minder energisch entwickelt. Am Beispiel der dynamischen Abdichtung von Wellen wird die Entwicklung und Funktion von Dichtsystemen dargestellt und auf Potentiale, Probleme und Trends hingewiesen. In units for drives and transmissions like motors, gears, couplings, clutches etc., but also in others fields like machine tools, pumps or compressors the sealing of shafts always has been a frequent and important task. In accordance with their importance in the past 40 years it was taken more or less drastic action in the development of the sealing systems used there. By the example of the dynamic sealing of shafts the development and function of sealing systems are shown and the potentials, problems and trends are pointed out.

Zusammenfassung

Druckabdichtende berührungsfreie Dichtungen haben als Drosseldichtung stets einen Durchfluß, wenn nicht ein interner Rückfördermechanismus wie bei, der Sperrdichtung installiert ist. Der Durchfluß - die Leckage - von Drosseldichtungen ist rechnerisch abschätzbar, die Unsicherheit des Ergebnisses allerdings erheblich. Allein geometrische Abweichungen vom Idealzustand verändern beim glatten Spalt den Durchfluß um den Faktor zehn. Turbulente Strömung, gegliederte Spalte und rasche Bewegung von Welle oder Stange lassen rechnerische Abschätzungen fast zum Glücksspiel werden. Meist ist man auf experimentell ermittelte Werte angewiesen. Die Eigenschaften und Grenzen von Sperrdichtungen hingegen lassen sich, zumindest solange die Strömung laminar ist, rechnerisch mit einiger Sicherheit vorhersagen. Drosseldichtungen funktionieren zum Teil nur nach dem Wirkprinzip "Drosseln" - z. B. glatter enger Spalt - häufig kommt noch das Wirkprinzip Ümlenken" - z. B. Labyrinthspalt - hin- zu. Erst bei Integration des Wirkprinzips "Rückfördern" ist Durchfluß in begrenzten Betriebsbereichen vermeidbar, z. B. bei Sperrdichtungen. Das ist dann allerdings meist mit einer erheblichen Erwärmung verbunden. Fanglabyrinth-Dichtungen sind berührungsfreie Wellendichtungen für bespritzte oder schwallartig überflutete Wellendurchtrittsstellen bei geringem Differenzdruck. Diese erfüllen ihre Gesamtfunktion - berührungsfrei Abdichten - mittels der acht physikalischen Wirkprinzipien - Abweisen, Abspritzen, Abschirmen, Umlenken, Drosseln, Rückfördern, Auffangen und Abführen. Fanglabyrinth-Dichtungen sind - sofern günstig gestaltet - tropffrei, d. h. technisch dicht. Sie erlauben jedoch und erzeugen bei Rotation auch selbst prinzipbedingt einen Luftdurchzug. Große technische Bedeutung haben sie als verlustleistungsarme Dichtung auch für große Flüssigkeitsströme bei hoher Relativgeschwindigkeit. Bild 51 zeigt links ein Beispiel aus der Praxis, wie ein ölgeschmiertes Wälzlager nicht abzudichten ist und rechts in zwei Varianten (oben/unten), wie dieselbe DichtsteIle richtig gestaltet aussehen sollte. Bei Fanglabyrinth-Dichtungen werden fünf wichtige Funktionsbereiche, nämlich Eingangsbereich, Innenbereich, Ablaufbereich, Ausgangsbereich und Dichtungsumfeld unterschieden. Für jeden dieser Funktionsbereiche gibt es spezielle Gestaltungsregeln, wie dort jeweils die physikalischen Wirkprinzipien für bestimmte Betriebszustände günstig zu integrieren sind. Der wichtigste Funktionsbereich ist der Eingangsbereich. Alles was nicht in den Innenbereich gelangt, muß dort auch nicht "entsorgt" werden! Sekundäre und tertiäre Maßnahmen im Dichtungsumfeld können die primäre Aufgabe - berührungsfrei tropffrei abdichten - wesentlich erleichtern oder gar erst ermöglichen. Um die richtigen Maßnahmen im Dichtungsumfeld ergreifen und den Eingangsbereich und Ablaufbereich günstig gestalten zu können, sind die äußeren Bedingungen, unter welchen das Dichtsystem zu arbeiten hat, umfassend zu analysieren. Die Kenntnis der Strömungen im Innenbereich einer Fanglabyrinth-Dichtung erlaubt es, diesen problemgerecht zu gestalten. Werden Fanglabyrinth-Dichtungen \textquotedblreduziert\textquotedbl, indem man zwecks einfacherer Gestaltung wesentliche Wirkprinzipien nicht integriert, so werden aus Fanglabyrinth-Dichtungen die bekannten berührungsfreien Schutzdichtungen. Schutzdichtungen sind in aller Regel nicht flüs- sigkeitsdicht, weil eben wesentliche Wirkprinzipien fehlen. Die meisten der derzeit handelsüblichen berührungsfreien Wellendichtelemente sind den Schutzdichtungen zuzurechnen. Mittels Zusatzelementen ist der Einsatzbereich von Fanglabyrinth-Dichtungen erweiterbar. Wird eine einfache Magnetflüssigkeits-Dichtung hinzugefügt, so unterbindet diese den meist unerwünschten Luftdurchzug vollständig, da der Dichtspalt durch den Magnetflüssigkeits- ring quasi hermetisch verschlossen ist. Wird aktiv, d. h. bewußt mit Energie von außen saubere Luft an geeigneter Stelle in eine Fanglabyrinth-Dichtung eingeleitet - sogenannte Sperrluft - so kann der Luftdurchzug geleitet werden. Ist die Sperrluftführ,ung günstig gestaltet, kann auf große Teile der sonst notwendigen Fanglabyrinth-Dichtung verzichtet werden. Ein optimal gestalteter Eingangsbereich plus eine günstig ausgelegte Sperrluftdichtung er- möglichen berührungsfreies Abdichten bei beliebiger auch im Betrieb wechselnder Lage der Welle im Raum. Sowohl zur Auslegung als auch zur Bestimmung der Dichteigenschaften gibt es erprobte Rechenverfahren. Bild 52 zeigt beispielhaft, wie durch geeignete Kombination verschiedener berührungsfreier Dichtungen und Zusatzelemente ein flüssigkeitsgefüllter Hochdruckraum berührungsfrei und quasi hermetisch abdichtbar ist.

Zusammenfassung

Zur mathematischen Beschreibung des untersuchten PTFE-Kohle-Compounds wurde ein rheologisches Modell bestehend aus einer seriellen Anordnung eines elastischen und eines viskoplastischen Elements vorgestellt. Mit dem entwickelten Modell ist es möglich, den Zugversuch und insbesondere die folgende Relaxation in ausreichender Genauigkeit zu beschreiben. Zu überprüfen ist, ob alternative Ansätze für die Elastizitätsfunktion eine Verbesserung in der Beschreibung des Zugversuchs bringen

Zusammenfassung

The wear of PTFE lip seal represents one cause of failure in practice. Accordingly adequate compounds with a higher wear resistance are required. This paper deals with fundamental tribological properties and effects of filled PTFE materials in sealing contact with steel surfaces and ceramic coatings, mainly on the basis of experimental work done in the authors' laboratory. Specific friction and wear mechanisms of PTFE materials were discussed. The results presented in this paper have been carried out on a new lubricated ring-on-disk test concept at the Institut für Maschinenelemente of the University of Stuttgart. The experiments demonstrate once more that a reliable sealing system needs a careful material seleetion and an adequate surface finish.

Zusammenfassung

Statisch abgedichtete verschraubte Gehäuse-Dichtungssysteme im Getriebe- oder Motorenbau weisen oft das Problem einer inhomogenen Verteilung der Flächenpressung über die Dichtfläche und einer mangelnden Steifigkeit gegenüber Betriebsbeanspruchungen auf. Dieser Beitrag stellt ein Verfahren vor, mit dem sich Flächendichtverbindungen hinsichtlich dieser Aspekte bereits in der Konstruktionsphase betriebssicher gestalten lassen. Eingesetzt wird hierbei die Methode der Strukturoptimierung. Ein FE-Modell der Dichtverbindung wird dabei mit einem implementierten nichtlinearen Werkstoffmodell der Flächendichtung topologieoptimiert. Bolted housing systems with gasket sealings in engine and gearbox design frequently suffer from a non-homogeneous distribution of the contact pressure on the sealing surface and an insufficient stiffness against operating loads. Described in this publication is a procedure that allows the reliable design of bolted flange sealings. This already can be established during the design state by the use of the structural optimization method (topology optimization) on a FE-model of the sealing housing with an implemented non-linear material model of the gasket.

Zusammenfassung

Druckbelastbare Wellendichtungen haben keine unbegrenzte Lebensdauer. Unter den Prüfbedingungen war eine Häufung der Ausfälle im Bereich einer Laufzeit von 2000 bis 8000 Stunden festzustellen. Die Ergebnisse sind nicht ohne weiteres auf andere Betriebszustände übertragbar. So dürften bei geringerer Belastung und verbesserter Wärmeabfuhr längere Laufzeiten zu erwarten sein. Die Elastomer-RWDR versagten in der Regel durch Ölkohleablagerungen oder Alterung, die PTFE-Manschetten durch Verschleiß. Dichtungen verschiedener Hersteller unterscheiden sich gravierend. Vor allem bei PTFE-Manschetten ist durch eine Weiterentwicklung der PTFE-Compounds und der geometrischen Gestalt des Dichtkörpers eine erheblich bessere Funktion erreichbar. Weitere Versuche zur statistischen Absicherung sind notwendig, wenn auch ein immenser Versuchs aufwand dafür notwendig ist. So belief sich die Gesamtlaufzeit aller 45 untersuchter Dichtungen zusammen auf nahezu 200000 Stunden. Dies entspricht einer Gleitstrecke von 1,8 Mio. Kilometern oder 45 Erdumrundungen.

Zusammenfassung

Abstreifer für Werkzeugmaschinen-Führungen haben die Aufgabe das Eindringen von Fremdstoffen in die Kontaktzone zwischen Führungsbahn und Gleit- bzw. Wälzschuh zu verhindern. Zudem haben Abstreifer im Regelfall die Aufgabe, den zur Schmierung der Führung eingesetzten Schmierstoff im System zu halten. Frühzeitige Ausfälle von Führungen durch Verschleiß, klemmende Wälzkörper in Wälzführungen und Schmierstoff-Leckage traten trotz der Verwendung von Abstreifern auf. Zusätzlich zu diesen Schadensbildern entstehen durch die Leckage Umweltbeeinträchtigungen. Austretender Schmierstoff verschmutzt die Maschinen und verursacht Aufbereitungs- und Entsorgungskosten. Über die Funktionsweise bzw. Versagens-Mechanismen von Abstreifern lagen bislang noch keine gesicherten Erkenntnisse vor. Zur Klärung dieser Sachverhalte wurden die hier vorgestellten Untersuchungen durchgeführt. Die Untersuchungen an handelsüblichen Abstreifern haben vorwiegend die Versagens-Mechanismen aufgedeckt. Die abzustreifenden Feststoffe aus der Umgebung unterwandern die schmutzabstreifende Dichtlippe. Bedingt durch falsch gestaltete Dichtlippen entstehen an vielen handelsüblichen Abstreifern zur Umgebung hin geöffnete Keilspalte, die ursächlich für den. Eintrag von Feststoffen in das System verantwortlich sind. Auch die Schmierstoff-Leckage entsteht durch falsch gestaltete Abstreifer. Einlippige Dichtungen, die schmierstoffseitig in eingebautem Zustand einen flachen Keilspalt haben, sind nicht in der Lage Schmierstoffe abzudichten. Die mangelhafte Befestigung vieler Abstreifer, die Profilinstabilität bedingt durch Profilform und Werkstoff, ungeeignete Pressungsverteilung unter den Dichtlippen, die mangelhafte Abstützung von Reibkräften und letztendlich die improvisierte Gestaltung der Dichtungsprofile führen zu deren mangelhaften Funktion. Die Untersuchungen an handelsüblichen Abstreifern und die dichtungstechnischen Grundlagen waren die Ausgangsbasis für die hier beschriebene Entwicklung. Ein den Anforderungen entsprechend gestalteter Abstreifer-Querschnitt, geeignete Werkstoffe und die sichere Befestigung des Abstreifers wurden als Kernpunkte für weiterentwickelte Abstreifer herausgearbeitet. Die Finite- Elemente-Methode wird als Werkzeug bei der Auslegung von geometrisch komplex gestalteten Abstreifern benötigt, um das vielschichtige Zusammenwirken von Belastung, Gestalt und Werkstoff-Verhalten nachbilden und beurteilen zu können. Der für die Dichtwirkung von Abstreifern entscheidende Pressungsverlauf unter den Dichtlippen läßt sich mit der FEM berechnen und optimieren. Der auf diesem Weg entwickelte Abstreifer wurde aus eine,m PoIyether-Urethan hergestellt und eingehend experimentell getestet. Die Funktionstüchtigkeit dieses Abstreifers weist die Gültigkeit der bei der Entwicklung getroffenen Annahmen nach. Die durchgeführten Arbeiten, insbesondere die auf die Belange der Dichtungstechnik zugeschnittene Nutzung der FEM, sind ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zur Abdichtung von Linearführungen.

Zusammenfassung

Shaft seals made from filled PTFE materials, so called PTFE lip seals, have been successfully used for decades in the chemical industry. Due to their chemical and thermal stabiIity, PTFE lip seals are successfully used instead of elastomeric lip seals in many automotive and hydraulic applications. This paper deals with fundamental tribological properties and effects of filled PTFE materials employed in rotary shaft seals, mainly on the basis of experimental work done in the authors' laboratory. The tribological components of a sealing system and the main influences on the sealing function are briefly surveyed. Furthermore, the test methods and test conditions used are described. The experimental results show that the fillers of the PTFE compounds, but as importantly the topography of the shaft, play an crucial role in fluid sealing.

Zusammenfassung

Berührungsfreie Wellendichtsysteme werden dann eingesetzt, wenn anspritzende Flüssigkeiten bei hoher Umfangsgeschwindigkeit oder hoher Temperatur zuverlässig, verlustleistungs- arm und verschleißfrei abzudichten sind. Besondere Probleme bereitet dabei die Abdichtung von Flüssigkeitsdunst oder -nebel. Dessen "Transport" hängt in erheblichem Maße von induzierten Luftströmungen im Dichtsystem ab. Diese vom Dichtsystem zum Teil selbst induzierten Luftströme sind im folgenden Beitrag 1) behandelt. Die Entstehung dieser Luftströme wird erläutert, die Folgen diskutiert und Lösungsmöglichkeiten zur Beseitigung aufgezeigt. Der Einsatz der Strömungssimulation mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) als potentielles Werkzeug zur Luftstromoptimierung wird überprüft.

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Radial-Wellendichtringe sind ein bewährtes Dichtelement zur drucklosen Abdichtung von Schmierölen an Wellendurchtrittsstellen beispielsweise in Fahrzeugmotoren oder Getrieben 1. Das die Dichtfunktion bewirkende Dichtsystem besteht aus dem Radial-Wellendichtring selbst, dem abzudichtenden Fluid und der Wellenlauffläche. Durch „moderne“, kostengünstige Fertigungsverfahren für die Wellenlauffläche bekommt diese eine andere Oberflächenstruktur als beim herkömmlichen Schleifen im Einstich. Der folgende Beitrag beleuchtet die Auswirkung von bislang wenig beachteten Mikrostrukturen der Wellenlauffläche auf das Verhalten des gesamten Dichtsystems.

Zusammenfassung

Die Dauer der Einlaufphase von PTFE-Radialdichtungen und damit der Einlaufverschleiß wird hauptsächlich durch die mikrotopographische Anpassung der Gegenfläche bestimmt. Der Einlaufvorgang zeigt sich als ein komplexes Zusammenspiel zwischen PTFE-Compound und Mikroverschleißfestigkeit der Gegenfläche. Die Eignung einer Gegenfläche wird nicht allein von der Härte der Gegenfläche bestimmt. Werkstoffliche Eigenheiten beeinflussen den Dichtkontakt. Es ist festzuhalten, dass PTFE-Compounds sehr unterschiedlich auf die Endbearbeitung der Gegenfläche reagieren. So zeigt der Verschleißverlauf des PTFE/KohIe-Compounds eine empfindliche Abhängigkeit von der Endbearbeitung. Durch die gezielte Kombination von Füllstoffen können die Verschleißeigenschaften von PTFE-Compounds auf harten, verschIeißfesten Gegenflächen verbessert werden.

Zusammenfassung

Bei heute im industriellen Einsatz befindlichen dynamischen Wellendichtsystemen werden, sofern vorhanden, stets die "weichen" Polymerdichtungen mit einer geformten Dichtkante ausgeführt. Die Welle ist im Kontaktbereich glatt. Durch Invertierung - Dichtkante am harten dichtspaltbildenden Partner in Kombination mit einem einfach geformten, glatten Polymerteil, z.B. Kreis- oder Rechteckquerschnitt, lassen sich ebenso dynamische Dichtsysteme für Wellen aufbauen. Nach einer prinzipiellen theoretischen Betrachtung werden erste Ergebnisse aus Versuchen mit Inversen Dichtsystemen vorgestellt.

Zusammenfassung

Dichtungen für hin- und hergehende Bewegungen, wie beispielsweise Hydraulik-Stangendichtungen oder Führungsbahnabstreifer, lassen auf ihrer Gegenlauffläche einen Schmierfilm zurück. Die Dicke des Schmierfilms in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermöglicht Rückschlüsse auf die tribologischen Verhältnisse unter der Dichtkante und ermöglichen eine Optimierung des Dichtsystems. Das optische Meßverfahren Ellipsometrie wurde erläutert und ein Verfahren durch Abschleudern definiert dicke Ölfilme herzustellen vorgestellt. Anhand dieser Ölfilme bekannter Dicke wurde die Eignung des Meßverfahrens zur Schmierfilmdickenmessung im Bereich kleiner 2 µm demonstriert. Einige Messungen der von Führungsbahnabstreifern abgestreiften Ölfilme auf einer glatten Stahloberfläche wurden vorgestellt und der Zusammenhang zwischen Dichtungsgestaltung und Schmierfilmdicke beispielhaft erläutert. Es konnte gezeigt werden, daß dünne Ölfilme ausreichend zeitstabil sind und daher nicht nur die mittleren Filmdicken der Ölfilme meßbar sind, sondern auch deren räumliche Oberflächenstruktur. Wohl erstmalig konnte damit die Schmierfilmverteilung eines im Stick-Slip-Bereich betriebenen Führungsbahnabstreifers gemessen werden.

Zusammenfassung

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Fertigungsverfahren für Wellenlaufflächen auf das Förder- und Dichtverhalten von Radialwellendichtringen untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass sich Verfahren, wie z. B. das Außenkurzhubhonen, prinzipiell nicht zur Herstellung von solchen Dichtflächen eignen. Andere Verfahren wie das Hartdrehen bzw. das Hartdrehen und anschließende Rollieren sind tendenziell positiv zu bewerten. Zum problemlosen Einsatz fehlen noch Erfahrungen über grundlegende Einflüsse von Fertigungsparametern. Weitere Fertigungsverfahren, wie z. B. das Schälschleifen, das in neuester Zeit zur Herstellung von Wellenlaufflächen erprobt wird, konnten im Rahmen dieses Projekts noch nicht berücksichtigt werden 7. Bei Beachtung aller als günstig erkannten Fertigungsparameter werden durch Schleifen im Einstich noch immer die in der Summe unproblematischsten Wellenlaufflächen für Radialwellendichtringe erzielt. Eine zuverlässige Methode, um Drall oder fördernde Strukturen auf der Wellenlauffläche nachzuweisen und ihren Einfluss auf das Dichtverhalten von Radialwellendichtringen quantitativ abzuschätzen, ist mit den bisher bekannten und hier beschriebenen Methoden nicht möglich. Mit dem Verfahren der Kreuz-Korrelation-Funktion können nur periodische Strukturen erkannt werden.

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Das Verformungsverhalten verschraubter Flächendichtverbindungen mit Flüssigdichtmitteln, bei denen sich Dichtspalthöhen von wenigen Mikrometern einstellen, kann durch die Implementierung eines am IMA entwickelten Werkstoffmodells sowohl für den Montagevorgang als auch für Belastungen, die im Betrieb auftreten, mit dem Programmsystem MARC/MENTAT und dem benutzerdefinierten Unterprogramm USPRNG gut nachgebildet werden. Die Entwicklung eines in das Unterprogramm UACTIVE eingebundenen Optimierungsalgorithmus ermöglicht durch eine automatisierte Gestaltung beliebiger Dichtflansch- und Dichtungsgeometrien eine homogenere Pressungsverteilung in der Dichtfläche und dadurch eine gesteigerte Betriebssicherheit der Flächendichtverbindung.

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Dichtungen sind wichtige Bauteile praktisch aller technischen Gebilde - also auch von Anlagen der Verfahrenstechnik. Nach einer Erlauterung grundlegender dichtungstechnischer Zusammenhnge werden Dich- tungen für dynamische Dichtstellen in vier Arten - passive, aktive, mehrfache und hermetische eingeteilt und deren Wirkung beschrieben. Diese allgemeingültige Betrachtung wird dann in verschiedene reale Dichtsysteme umgesetzt. Für drehende Wellen wird auf die Funktion und Grenzen von Radial-Wellendichtringen, PTFE- Manschetten, Gleitringdichtungen und andere Elemente zur Abdichtung von Fluiden unter Druck eingegangen. Besonders betrachtet wird auch der Systempartner Wellenoberflâche da ja ,,Dichtungen" stets als tribologisches System bestehend aus Dichtring, Gegenlauffliche, Schmierstoff und Umgebung zu betrachten sind. Eme Beschreibung der Funktion von Dichtungen für Linearbewegungen und der daraus zu ziehenden Konsequenzen, sowie eine Beleuchtung der Möglichkeiten berührungsfrei abzudichten, runden die Ausführungen ab.

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Trends in der Gesellschaft ziehen Trends in der Technik nach sich. Dies wiederum führt dazu, daß sich in den einzelnen Fachdisziplinen Grundrichtungen in der Entwicklung - also Trends - herausbilden. Diese wurden für die Dichtungstechnik an vier verschiedenen Dichtsystemen dargestellt und dabei die physikalischen Grenzen, und die Schwierigkeiten sich an diese Grenzen heranzutasten, punktuell aufgezeigt. Die ständig steigenden Anforderungen an die Dichtungstechnik machen Dichtsysteme nicht einfacher, sondern immer komplizierter, feingliedriger, empfindlicher und meist spezialisierter. Dies führt zu einer kaum mehr zu überblickenden Vielfalt. Manche Wünsche sind dichtungstechnisch nicht zu verwirklichen. Für die Gesellschaft bedeutet dies, die Ansprüche nicht zu hoch zu stecken. Null-Emission gibt es nicht! Für die "planenden" Ingenieure bedeutet dies, daß die Belange der Dichtungstechnik von Anfang an in die Überlegungen mit einzubeziehen sind, um vor böse Überraschungen sicher zu sein Professor Leyer drückte dies in seinen Schriften zur Maschinenkonstruktionslehre schon vor 35 Jahren folgendermaßen aus: "Eine ausgefeilte Technik des Dichtens ist für den schöpferischen Ingenieur ein wichtiges Erfordernis. Es sollte nicht vorkommen, daß er erst dann zu überlegen beginnt, welche Mittel ihm zum Dichten zur Verfügung stehen, wenn er vor ein Dichtproblem gestellt wird; vielmehr sollte er im voraus eine Reihe von Möglichkeiten bereithalten, um rasch entscheiden zu können, wie er der Eigenart der einen oder anderen Aufgabe gerecht wird. Dies ist schon deshalb zu empfehlen, weil diese Aufgabe recht häufig ist." Ganz so weit soll mit der Forderung hier nicht gegangen werden. Aber daran denken und entsprechend handeln, das muß schon sein. Sonst kann es wie bei der Entwicklung einer streichholzkopfgroßen Mikropumpe gehen. Nachdem die Entwicklung gelungen war, wurde bemerkt, daß die 30 bis 50 bar auch noch abgedichtet werden sollten. Der kleinste handelsübliche Dichtring der dies - wenn überhaupt - eventuell. können könnte, ist deutlich größer als die Pumpe.

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit zeigt, daß die Finite-Elemente-Analyse bei adäquater Werkstoffmodellierung für PTFE-Compounds zu realitätsnahen Simulationser- gebnissen führt. So liefert das vorgestellte Modell zur Beschreibung des Zeitverhaltens für den untersuchten PTFE-Kohle-Compound für die zeit- und druckabhängige Radialkraft des EWDR eine zufriedenstellende Übereinstim- mung mit den Meßergebnissen. Als weitere Schritte sind die Implementierung der Temperatur und des in einem anderen Projekt am Institut untersuchten Verschleißes von PTFE-Compounds in die FEA geplant. Ein Ziel ist die Beschreibung des Langzeitverhaltens von PTFE- Dichtungen im Betrieb um deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit fundiert abschätzen zu können.

Zusammenfassung

Durch die Zusanunenarbeit zwischen Universität und Dichtungshersteller ergänzten sich die Erfahrungen und Arbeitsmethoden bei der Entwicklung einer patentierten druckbelastbaren Radialdichtung, dem RADIAMATIC EWDR. Modernste Berechnungsverfahren wie die Finite-Element-Analyse, neueste Erkenntnisse über das Werkstoffverhalten von PTFE-Compounds wie der Plastic-Memory-Effect, Neuentwicklungen und bewährte Funktionsprinzipell. wie die Gestaltung des Metallkäfigs fanden Eingang in die Funktions-, Fertigungs- und Montageoptimierung. Das Ergebnis systematischer Analyse und konsequenter Umsetzung der ermittelten Gestaltungsrichtlinien ist ein innovatives Produkt mit einem wesentlich erweiterten Leistungsspektrum. So wird auch in Zukunft eine enge Zusanunenarbeit auf dem Gebiet dichtungstechnisch relevanten Fragen einen Nutzen für die Universität, den Dichtungshersteller und vor allem für den Anwender bringen.

Zusammenfassung

Die Anpressung von dynamischen Dichtungen auf ibre Gegenlauffläche und die Pressungsverteilung haben entscheidenden Einfluß auf die Funktion der Dichtsysteme. Die initiale Anpressung bel der Montage wird durch die Geometrie und das Materlal der Dichtung bestimmt. Im Betrieb sinkt die Anpressung durch Zeit- und Temperatureffekte, wie Relaxation, Verschleiß und Wärmedehnung. Unterschreitet sie cm zum sicheren Abdichten notwendiges Maß kommt es zur Leckage. Am Institut für Maschinendemente der Universität Stuttgart wurden Untersuchungen zur Anpressung von Radialwellendichtungen (RWDR) an handelsüblichen Dichtungen durchgeführt.

Zusammenfassung

Reciprocating seals, for example hydraulic-seals, leave a thin lubrication-film on their counterface. Informations about the filmthickness, the viscosity of the oil being sealed and of the relative-speed make it possible to calculate the tribological conditions under the sealing-lip and allow an optimization of the sealing system. The optical filmthickness measuring method ellipsometry is explained and a technique is presented which permits to produce oilfilms of known thickness by spinning off. These oilfilms allow to demonstrate the qualification of the measuring method in the range sm aller than 2 µm filmthickness. Some measurements of wiped off oilfilms on a steel surface are presented and the correlation between seal-design and filmthickness is given. Dichtungen für hin- und hergehende Bewegungen, wie beispielsweise Hydraulik-Stangendichtungen oder Führungsbahnabstreifer, lassen auf ihrer Ge- gen lauffläche einen Schmierfilm zurück. Die Dicke des Schmierfilms in Abhängigkeit von Betriebsparametern ermöglicht Rückschlüsse auf die tribologischen Verhältnisse unter der Dichtkante und ermöglichen eine Optimierung des Dichtsystems. Das optische Meßverfahren Ellipsometrie wurde erläutert und ein Verfahren durch Abschleudern definiert dicke Ölfilme herzustellen vorgestellt. Anhand dieser Ölfilme bekannter Dicke wurde die Eignung des Meßverfahrens zur Schmierfilmdickenmessung im Bereich kleiner 2 µm demonstriert. Einige Messungen der von Führungsbahnabstreifern abgestreiften Ölfilme auf einer glatten Stahloberfläche wurden vorgestellt und der Zusammenhang zwischen Dichtungsgestaltung und Schmierfilmdicke beispielhaft erläutert. Es konnte gezeigt werden, daß dünne Ölfilme ausreichend zeitstabil sind und daher nicht nur die mittleren Filmdicken der Ölfilme meßbar sind, sondern auch deren räumliche Oberflächenstruktur. Wohl erstmalig konnte damit die Schmierfilmverteilung eines im Stick-Slip-Bereich betriebenen Führungsbahnabstreifers gemessen werden.

Zusammenfassung

Ausgehend von einer Einführung in die Dichtungstechnik wird die Fanglabyrinth-Dichtung als das zentrale Konstruktionselement zur berührungsfreien Abdichtung flüssigkeitsbespritzter Wellendurchtrittsstellen vorgestellt. Berührungsfreie Schutzdichtungen und Entlüjtungen werden systematisch daraus abgeleitet und die berührungsfreien Zusatzelemente Magnetflüssigkeitsdichtung und Sperrluft besprochen. Beginning with an introduction in fluid sealing technology the liquid collecting labyrinth seal is presented as the central design element for non-contacting sealing of liquid splashed shaft-throughputs. Therefrom non-contacting protecting seals and ventings are systematically derived and the non-contacting additional elements magnetic-liquid-seal and air-barrier are discussed.

Zusammenfassung

Durch ein neuentwickeltes Radialkraftmodul kann eine Standard-Zugprüfmaschine zur Radialkraftmessung an Dichtringen mit automatischer Durchmesserkompensation verwendet werden. Hier wird die vorhandene Steuerungs-, Regelungs- und Messtechnik der Zugprüfmaschine mit dem Prinzip der geteilten Messbacken herkömmlicher Radiameter verbunden. Es steht mit dem neuen Radiameter Radima II eine Messeinrichtung zur Verfügung, mit der die Radialkraft auch über einen langen Zeitraum unter verschiedenen Bedingungen automatisch und mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.

Zusammenfassung

Designed to meet the needs of design engineers, plant and maintenance engineers, project engineers, draftsmen, technical support staff, and technical marketing staff, this book considers the fundamental physical basis of seals as well as all major types of seals, seal materials, and sealing applications. The authors examine rotary, reciprocating, and static systems, explain fluid dynamics of thin films in seals, and address leakage control between mating parts in static or moving systems.

Zusammenfassung

Seals are important parts of almost all technical products - and as well of vehicle transmissions. After an introduction in the fundamental facts of sealing technology, the dynamic seals will be discussed as a tribological system consisting of the seal, the counterface, the lubricant and the aera around the seal. The development, the function and the limits of rotary shaft seals, of PTFE-seallips and of sealing elements for fluid under pressure will be discussed. Special attention will be given to the system part counterface. Adescription of the function of hydraulic seals, the logical conclusions, as weil as a view of the possibilities to seal with non-contacting sealing systems, ends the paper. Dichtungen sind wichtige Bauteile praktisch aller technischen Gebilde - also auch von Fahrzeuggetrieben. Nach einer Erläuterung grundlegender dichtungstechnischer Zusammenhänge werden dynamische Dichtungen als tribologisches System bestehend aus Dichtring, Gegenlauffläche, Schmierstoff und Umgebung betrachtet. Für drehende Wellen wird auf die Entwicklung, Funktion und Grenzen von Radial-Wellendichtringen, PTFE-Manschetten und Elemente zur Abdichtung von Fluiden unter Druck eingegangen. Besonders betrachtet wird der Systempartner Wellenoberfläche. Eine Beschreibung der Funktion von Hydraulikdichtungen und der daraus zu ziehenden Konsequenzen, sowie eine Beleuchtung der Möglichkeiten berührungsfrei abzudichten, runden die Ausführungen ab.

Zusammenfassung

Due to advanced technical, economic and environmental reasons, radial shaft and hydraulic rod seals demand new wear resistant counterface materials. Thermal spraying offers one alternative to common hardening and hard plating technologies. Applying corrosion resistant ceramic coatings by Thermal Spraying leads to new applications in sealing systems. The combination with PTFE-compound sealing materials can be used with aqueous, non-Iubricating and corrosive fluids. The authors have carried out extensive research on how the coating material and the surface structure of the coating effect hydraulic rod and radial shaft sealing systems. The presented results show that the influence of the coating on the sealing is critical for the performance of both standard and new custom sealing systems.

Zusammenfassung

Experimentelle Untersuchungen und Finite-Elemente-Berechnungen bestätigen, dass mit Gleitflächen, die geeignete Strukturen aufweisen, das Verhalten von Gleitringdichtungen bezüglich Reibmoment, Leckage und Betriebssicherheit günstig beeinflusst werden kann. Werden die Gleitflächen sowohl mit zuführenden als auch mit rückführenden Elementen (Einförder- und Rückförderstrukturen) versehen, kann durch eine entsprechende Gestaltung eine geringere Reibung und/oder eine geringere Leckage erzielt werden. Werden die Strukturen verteilt, das heißt, beispielsweise die Einförderstrukturen in den stationären Graphitgegenring und die Rückförderstrukturen in den Siliziumkarbidgleitring eingearbeitet, so kann im Verhältnis zu herkömmlichen, glatten Gleitflächen die Federanpressung wesentlich größer gewählt werden. Dabei wird ein verschleißfreier Betrieb der Gleitringdichtung erreicht, der durch gleichmäßige Reibung und verhaltnismäßig geringe Leckage gekennzeichnet ist. Zudem ist durch die höhere Federanpressung die axiale Nachstellbewegung des Gleitrings gesichert. Neben ausführlicheren experimentellen Untersuchungen konzentriert sich die weitere Entwicklung auf die Optimierung der Förderstrukturen mit Hilfe der Finite-Elemente-Berechnung. Insbesondere sollen hier die Temperaturänderung und die Verdampfung der abzudichtenden Flüssigkeit im Dichtspalt Berücksichtigung finden.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß unterschiedlich hergestellter Wellenlaufflächen (WLF) auf das Abdichtverhalten von Radial-Wellendichtringen (RWDR) untersucht. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand dabei das Förderverhalten der WLF aufgrund von Förderstrukturen und deren Auswirkungen auf die Dichtqualität des Dichtsystems. Der Nachweis von periodischen Förderstrukturen erfolgte durch Topographiemessung und Auswertung mittels Korrelationsfunktionen. Die Versuche mit "förderneutralen" RWDR zum Förderverhalten von unterschiedlich hergestellten Weilenoberflächen haben gezeigt, daß das Ziel einer direkten Förderwertbestimmung der WLF mit diesen Dichtringen nicht erreicht werden konnte. Die erzielten Ergebnisse waren jedoch im Hinblick auf das weitere Vorgehen irn Projekt von entscheidender Bedeutung. Das qualitative Förderverhalten von bestimmten Fertigungsverfahren für Wellenlaufflächen konnte erkannt werden. Ausgehend von den Ergebnissen mit den "förderneutralen" RWDR wurde mit handelsüblichen Standard- RWDR ein neues Verfahren zur Förderwertbestimmung einer Wellenlauffläche entwickelt. Bei diesem Verfahren wird der Förderwert des RWDR in der Auswertung rechnerisch eliminiert und somit der Förderwert der WLF bestimmt. In Versuchen mit hartgedrehten WLF, die eine eindeutige Förderstruktur zeigen, konnten übereinstimmende Ergebnisse mit der erwarteten Förderrichtung erzielt werden. Unterschiede in der Feinheit der Struktur spiegeln sich in der Höhe des Förderwerts der WLF wieder. Im Einstich geschliffene Wellenlaufflächen zeigen fast immer eine Förderung. Dies deutet auf Förderstrukturen auf der Oberfläche hin, auch wenn keine periodischen Drallstrukturen nachgewiesen werden können. In den Dichtheitsversuchen haben sich verschiedene Alternativen zu den herkömmlichen, im Einstich geschliffenen WLF, als brauchbar erwiesen. Geeignet hartgedrehte Wellenoberflächen sind prinzipiell zur Abdichtung mit RWDR geeignet. Im Einstich geschliffene WLF sind trotz Förderstrukturen dichtungstechnisch beherrschbar. Um die Funktionsweise auf den unterschiedlichen Oberflächen zu verstehen und einen dichtungstechnisch sicheren Fertigungsprozeß zu erreichen, sind weiterführende Untersuchungen insbesondere hinsichtlich dem Drehen notwendig. Verschleißuntersuchungen mit handelsüblichen RWDR zeigen auf harten und weichen Wellenoberflächen keine nennenswerten Unterschiede. Auch das Fertigungsverfahren der Wellenlauffläche hat keinen signifikanten Einfluß auf den WeIlenverschleiß. Versuche mit unterschiedlichen, abrasiven Ölzusätzen haben gezeigt, daß die Partikel größe entscheidend für den WeIlenverschleiß ist. Nur sehr kleine Partikel, die während des Betriebs unter die Dichtkante gelangen, werden dort wirksam. Das Ziel der Untersuchungen, die Veränderung der Oberflächenrauheit und der Oberflächenstruktur in Bewegungsrichtung zu ermitteln, konnte noch nicht erreicht werden. Eine Meßtechnik zur Erfassung und Darstellung von regelmäßigen Drallstrukturen auf Wellenoberflächen wurde während des Projekts vorgestellt und weiterverfolgt, um weitere Erkenntnisse über die Drallstruktur-Erkennung zu gewinnen. Grenzen dieses Verfahrens liegen darin, daß nur periodische "Grobstrukturen", aber keine stochastisch verteilten "Feinstrukturen" erfaßt werden können. Diese scheinen aber von der Wirksamkeit her entscheidend zu sein. Die bisher praktizierte Fadenmethode ist bis dato ein unzuverlässiges Verfahren zur Erkennung von Drallstrukturen auf der Welle. Eine quantitative Aussage ist mit ihr kaum möglich.

Zusammenfassung

Die steigenden Anforderungen an die Lebensdauer und Funktionssicherheit des Konstruktionselementes "Dichtung" erfordert neue, verschleißfeste Werkstoffe für die Gegenlauffläche in dynamisch hochbeanspruchten Radialdichtsystemen. Eine Alternative zu herkömmlichen, gehärteten oder hartverchromten Stahl-Gegenlaufflächen ist das Verschleißschutz-beschichten von Stahl-Gegenlauf- flächen. Vor allem Keramik-Beschichtungen, aufgetragen durch Plasmaspritzen, eröffnen neue Einsatzgebiete in der Dichtungstechnik, da mit Hilfe der korrosionsresistenten KeramiklPTFE-Werkstoffpaarung auch wässerige Medien und chemisch aggressive Betriebsflüssigkeiten abgedichtet werden können. Dabei stellt sich die Frage, inwieweit bisherige Dichtringe ihre Abdichtfunktion beim Einsatz von beschichteten Gegenlaufflächen erfüllen.

Zusammenfassung

Laser face seals can be adapted to low leakage rates and full-film lubrication with low friction coefficients at the same time. The Laserface-concept complies with the geometrical sizes of proven conventional mechanical seals. Preliminary tests with carbon graphite/silicon carbide Laserface-seals convincingly confirmed the lubricating and return-flow mechanisms. A positive side-effect of the higher load-bearing-capacity of Laserface-seals is that the spring bad can be increased to a level which, under all circumstances, will avoid au 0-Ring induced axial hang-up of the seal ring. This would sensibly enhance the behaviour of pusher' seals whilst retaining all of their advantages. In hot water sealing Laserface technology has shown that it can significantly extend the operating capability of seals. Tests on hot water mdi- cate improvements of up to 50 degree C in operating capability providing much more reliable operation. These improvements allow much simpler, lowercost applications of mechanical seals on hot water service.

Zusammenfassung

In den Versuchen erfüllten die untersuchten druckbelastbaren Wellendichtungen ihre Funktion im zulssigen Druckbereich, von Ausnahmen abgesehen, zuverlässig. Dichtungen aus Elastomerwerkstoffen haben ihre Einsatzgrenze bei 0,5 MPa (Werkstoff NBR) bzw. 1,0 MPa (FPM). Höhere Druckangaben der Hersteller sind kritisch zu betrachten. Höhere Drücke führen zu sehr großer Verformung und selbst bei geringer Gleitgeschwindigjceit zu starker Erwärmung. Ein Nachteil der Lippenclichtungen gegenüber den druckbelastbaren Radialwelienclichtringen (DWDR) ist die geringe, ausschließlich vom Elastomer herrührende Anpressung. Diese kann ein alterungsbedingtes Nachlassen der Elastizität nur bedingt ausgleichen. Infolge der tribologisch günstigeren Oberflchenstruktur, der hohen Festigkeit des Werkstoffs und der größeren thermischen Stabilität sind PTFE-Manschetten auch für Drücke größer 1 MPa geeignet. Der Entiastete Wellendichtring (EWDR) kann, bedingt durch das günstige Reibmomentverhalten, für Drücke bis 3 MPa bei gleichzeitig hoher Gleitgeschwindigkeit von 10 m/s eingesetzt werden. Die etwas höhere Leckage der PTFE-Dichtungen gegenüber den Elastomerclichtungen muss dabei in Kauf genommen werden. Zu beachten ist bei der Auswahi von druckbelastbaren Wellendichtungen außerdem, dass der negative Einfluss der Reibung auf den Gesamtwirkungsgrad einer Anlage eine Rolle spielt. So wurden in den durchgeführten Versuchen Verlustleistungen von bis zu 350 W gemessen.

Zusammenfassung

With increasing pressure an O-ring nestles into the rectangular groove. When the pressure decreases again, the O-ring returns to its initial pre-compressed shape. Literature mentiones, that this deformation is accompanied by sliding of the O-ring in its groove and, therefore, may lead to leakage and wear. To check the correctness of this assertion the authors set up a test unit, which allows to observe the contact surface of the O-ring through a glass disc while the pressure pulsates. It turned out that there is actually no sliding of the O-ring but a typical mode of internal flexing. The flexing motion was also simulated with a Finite Element Analysis and veryfied in tests by "freezing" pressurized O-rings in epoxy resin. The wear pattern observed on O-rings after a large number of pressure cycles supports the results of the visual inspection. Finally the results are discussed with regard to practical application of O-rings at pulsating pressure.

Zusammenfassung

Sealing of high-speed shafts poses a problem because the resulting high friction energy overheats and damages sliding and sealing surfaces; the oil may even coke. So-called floating seals may help to remedy the situation. Installed between two cone-shaped, concentric sealing surfaces, they rotate at a lower speed than the shaft and distribute the friction energy on both sealing surfaces. The risk of overheating at high rotational speed of the shaft is lower than with other sealing systems. The authors developed a new floating seal which - in co nt rast to other such seals - is able to seal liquids under pressure. Schwimmende Wellendichtringe (SWDR) sind frei drehbar zwischen einem mit dem Gehäuse und einem mit der abzudichtenden Welle verbundenen Laufkörper eingespannt. Sie rotieren im Betrieb langsamer als die Welle. Die Autoren entwickelten einen SWDR, der auch bei Überdruck des abzudichtenden Fluids Anwendung finden kann.

Zusammenfassung

Untersuchungen am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart zeigten, daß eine Beschädigung von O-Ringen im Bereich der Trennfuge der Dichtstelle nicht unbedingt von einer Spaltextrusion herrühren muß und daß statisch eingesetzte 0-Ringe bei Druckpulsation in ihrer Nut nicht rutschen sondern lediglich walken. Demzufolge gibt es bei diesen Bedingungen auch keinen Rutschver- schleiß.

Zusammenfassung

Der Zwang zu Material- und Energieeinsparung führt bel vielen Anwendungen zu Leichtbaukonstruktionen. Im Getriebebau sind diese gekennzeichnet durch dünne Wandstärken, schmale Flansche und geringe Trägheitsmomente der Gesamtkonstruktion. Die bei hoher Belastung an diesen Gehäusen auftretenden Verformungen können zu Mikrobewegungen in den Dichtfugen der abzudichtenden Bauteile und in der Folge zur Zerstörung der eingesetzten Dichtungen führen. Die Probleme werden verstärkt durch Unsicherheiten bei der Auslegung solcher Dichtstellen, Montageprobleme und die Forderung nach asbest- und lösemittelfreien Dichtungen. Die Untersuchung von Abdichtungen an derartigen Getriebegehäusen war Gegenstand dieses FVA-Vorhabens. Zur experimentellen Untersuchung der Abdichtung von Getriebegehäusen wurden - entsprechend den grundsätzlich unterschiedlichen Anforderungen - verschiedene Prüfstände bzw. -einrichtungen aufgebaut. Die Qualität der Abdichtung wurde anhand der statisch ohne aüßere Lasten aufgenommenen Pressungsbilder der Dichtfuge mit einer Pressungsverteilungsprüfeinrichtung beurteilt. Für viele Anwendungen ist mit der hier angewandten Methode eine sichere Auslegung der Abdichtung bzw. eine Detektierung vorhandener Schwachstellen möglich. Das Verhalten unter hoher und/oder dynamischer Belastung wurde am Deckeldichtungsprüfstand bei Einsatz des Prüfgehauses 1 oder des Prüfgehauses II ermittelt. Die Untersuchungen erfolgten bei Variation dichtungstechnisch relevanter Parameter unter realitätsnahen Bedingungen. Die Hauptbelastung des Dichtungsmaterials am Deckeldichtungsprüfstand ist eine Druck-Scher-Beanspruchung. Die experimentell ermittelten Ergebnisse wurden mit Ergebnissen aus Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) und anderen Verfahren verglichen. Die FEM-Berechnungen erfolgten überwiegend mit dem Programmsystem MARC/MENTAT. Weiterführende Untersuchungen erfolgten im FVA-Anschlußvorhaben Nr. 152/111 4. Wesentlicher Inhalt waren hier Parameteruntersuchungen an ausgewählten Seriengetrieben.

Zusammenfassung

Mit den steigenden Anforderungen an PTFE-Radialdichtungen gewinnt die tribologisch günstige Gestaltung der Gegenlaufflächen im Dichtkantenbereich an Bedeutung. Verscheiß- und ChemikaIienbeständigkeit stehen dabei im Vordergrund. In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Untersuchungen an Radialdichtungen auf unterschiedlichen Gegenlaufflächen dargestellt.

Zusammenfassung

Drucklos geflutete oder bespritzte Wellendurchtrittsstellen werden in der Regel durch Radial-Wellendichtringe mit Elastomer-Dichtlippen abgedichtet. Die kleineren Reibungsverluste und die höhere Werkstoffbeständigkeit sprechen inzwischen für Dichtringe mit PTFE- Dichtlippen. Wegen des andersartigen Werkstoffverhaltens unterscheiden sich die Dichtlippenformen bei PTFE und Elastomeren. Die Autoren beschäftigen sich mit der Dichtlippenform und der Reibung von PTFE-Wellendichtringen. At high temperatures and in chemically aggressive environments shaft seals with a PTFE lip are increasingly used as alternatives toelastomer lip seals. PTFE lip seals do not need a supplementary spring because the elastoplastic expansion of the lip alone generates sufficient contact pressure. The intensity of the sealing contact is governed by the lip's thickness rather than the interference between lip and shaft. With the lip running dry, friction is approximately proportional to radial contact force. Oil lubricated PTFE shafts normally run on an uninterrupted oil film. Nevertheless their friction is often higher than when the same seals are running dry. The friction coefficient of oil lubricated PTFE lip seals was found to range between 0.2 and 0.4. Interestingly, high friction coefficient values are therefore not necessarily attributable to dry running or boundary lubrication.

Zusammenfassung

Dichtungen sind kritische Konstruktionselemente. In 35 Jahren Dichtungsforschung am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Univesität Stuttgart wurde eine breite Wissensbasis und ein leistungsfähiges Versuchsfeld aufgebaut. Die Industrie kann die sich daraus ergebenden Mögliclikeiten zu ihrem Vorteil nutzen.

Zusammenfassung

Wellendichtringe mit PTFE-Dichtlippe (PTFE-Manschettendichtringe) erlangen wegen ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit zunehmend an Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl handelsübliche Dichtringe als auch am Institut hergestellte Dichtlippen experimentell untersucht. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen Radialkraft, Reibverhalten, Förderverhalten und Dichtheit bei vorzugsweise druckloser Beaufschlagung. Anhand der selbst hergestellten Dichlippen wurde der Einfluß der Form der Dichtlippe untersucht und mit Rückförderstrukturen für wechselnde Drehrichtungen der Welle experimentiert. Die Anpressung der Dichtlippe an die Welle erfolgt nur durch die Aufweitung der Dichtlippe bei der Montage auf die Welle, ohne die bei Elastomer-Radial-Wellendichtringen (Elastomer-RWDR) Obliche Spiralfeder. Die Dichtringe haben im Neuzustand bei Raumtemperatur eine hohe Radialkraft, die durch Kriechen irreversibel und bei hoher Temperatur reversibel abnimmt. Die Radialkraft wird hauptsächlich von der Dicke der Dichtlippe bestimmt, Werkstoff und Überdeckung haben wenig Einfluß. Das Reibmoment von PTFE-Manschettendichtringen ist entgegen der weit verbreiteten Meinung nicht geringer als bei Elastomer-RWDR. Im Trockenlauf und bei geringer Schmierung ist das Reibmoment durch die hohe Radialkraft bestimmt, bei guter Schmierung und damit flüssiger Reibung ist die große Berührfläche der bestimmende Faktor. Der Verlauf des Reibmoments Ober der Drehzahl zeigt, daß schon bei geringer Gleitgeschwindigkeit flüssige Reibung im Dichtspalt auftritt. Bei hoher Drehzahl lagen die ermittelten Reibwerte zwischen 0,2 und 0,7, und damit sehr viel höher als die in der Literatur oft angegebenen Werte. Bei Druckbeaufschlagung steigt das Reibmoment etwa linear mit dem Druck an. Bei PTFE-Dichtlippen bildet sich kein natürlicher Rückfördermechanismus wie bei Elastomer-RWDR. Zuverlässige Dichtheit ist nur bei Dichtringen mit Spiralrille gewährleistet, ohne Spiralrille muß mit hoher Leckage gerechnet werden. Abrasive Partikel im Öl sind nicht ursächlich für Leckage, führen aber zu hohem Verschleiß an Dichtring und Welle und dadurch zu verminderter Dichtheit. Mit entsprechend gestalteten Rückförderstrukturen ist prinzipiell eine Rückförderung in beiden Drehrich- tungen möglich. Die Rückförderung wird unter anderem durch die Anzahl, Größe, Tiefe und Lage der Strukturen sowie der Dicke und Aufdehnung der Dichtlippe beeinflußt. Werden PTFE-Dichtlippen im Trockenlauf betrieben, so ist das PTFE-Compound der Dichtlippe entscheidend für die Standzeit der Dichtlippe und den Verschleiß an der Welle. Eine hohe Standzeit der Dichtlippe und gleichzeitig geringer Wellenverschleiß ist dabei möglich.

Zusammenfassung

In der Hydraulik werden an vielen statischen DichtsteIlen O-Ringe eingesetzt. Ob die O-Ringe dort den heutigen Ansprüchen an Leckagefreiheit genügen oder ob sie bei Druckpulsation aufgrund der ständigen Deformation in ihrer Nut lecken, wurde am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart untersucht - mit einem verblüffenden Ergebnis.

Zusammenfassung

Flächendichtverbindungen, die im Montage- bzw. Auslieferungazustand dicht sind, körmen durch die im Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Beanspruchungen versagen. Für eine betriebsfeste Auslegung hochbeanspruchter Flachendichtverbindungen ist die genaue Kenntnis des Dichtungsmaterialverhaltens erforderlich. Flächendichtungen besitzen ein nichtiineares Montage- und Betriebs-Verformungsverhalten. Zur Modellierung dieses Verhaltens wurde ein modularer phanomenologischer Modellansatz entwickelt, dessen Struktur sich an den vorherrschenden Verformungsmechanismen orientiert. Die Modellparameter wurden im Rahmen eines standardisierten Prüfverfahrens auf dem Flächendichtungsprüfstand des Instituts für Maschinenelernente der Universitätt Stuttgart ermittelt. Die Finite-Elemente-Methode wird als Werkzeug bei der Auslegung von hochbeanspruchten Flächendichtverbindungen benötigt, um das komplexe Zusammenwirken von Belastung, Gestalt und Werkstoffverhalten nachbilden und beurteilen zu können. Der Modellansatz zur Beschreibung des nichtlinearen Dichtungsverformungsverhaltens wurde in Form von benutzerdefinierten Koppelelementen über eine vorgegebene Schnittstelle in ein Mehrzweck-FE-Programmsystem eingebunden. Damit wurde eine Grundlage zur Simulation und Analyse des Montage- und Betriebsverhaltens von beliebig gestalteten, dynamisch hochbeanspruchten Flächendichtverbindungen geschaffen. Vergleiche zwischen FE-Simulationen und Versuchen mit verschraubten Prüfdichtsystemen bestätigen, dass das im Rahmen des standardisierten Prüfverfahrens unter vereinfachten Bedingungen gewonnene Dichtungsmodell mit guter Näherung auf verschraubte Flächendichtverbindungen mit inhomogener Beanspruchungsverteilung übertragen werden kann. Die FE-Modellierung von Flächendichtungen mit benutzerdefinierten Koppelelementen eröffnet Möglichkeiten für eine automatisierte, FE-gestützte Optimierung von hochbeanspruchten Gehäuse-Flächendichtungs-Systemen im Rahmen eines rechnergestützten Gestaltungs- und Konstruktionsprozesses.

Zusammenfassung

Das Prinzip des druckentiasteten Wellendichtrings kann mit einfachen PTFE-Manschetten und somit auch mit handelsüblichen Dichtringen verwirkticht werden. Einer breiten industriellen Anwendung dieser druckbelastbaren reibungsarmen Dichtungsanordnung steht somit nichts im Weg. Sie erschließt neue Möglichkeiten der bauraumsparenden Wellenabdichtung für höheren Druck bei hoher Gleitgeschwindigkeit.

Zusammenfassung

Handelsübliche PTFE-Wellendichtringe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: - Zuverlässige Dichtheit ist bei PTFE- Wellendichtringen nur mit Rückförderelementen erreichbar. Bislang werden dazu die Dichtlippen mit Spiralrillen versehen. Dichtringe ohne Spiralrille waren häufig undicht. - PTFE-Wellendichtringe mit Spiralrille haben eine ähnlich hohe Rückförderung wie Elastomer-RWDR mit Drall. - Die Radialkraft von PTFE-Wellendichtringen ist größer als die von Elastomer-RWDR. - Die Reibleistung der PTFE-Wellendichtringe ist etwa gleich wie die von Elastomer-RWDR. - PTFE-Wellendichtringe mit geeignetem PTFE-Compound können bei Mangelschmierung und auch ungeschmiert eingesetzt werden. Die Reibung ist dabei kaum höher als bei ÖIschmierung.

Zusammenfassung

Die bauraumsparende Abdichtung stark bespritzter kleiner Spindeln erfordert in der Regel mehrstufige Dichtsysteme. Möglich ist die Kombination von Sperrluftdichtungen und vorgeschalteten Spaltdichtungen oder berührenden Dichtelementen. Der Beitrag vermittelt experimentell abgesicherte Werte für den notwendigen Sperrluftdruck und den Luftverbrauch sowie Richtlinien zur Gestaltung der Dichtsysteme. Hinweise zur Auswahl und Anwendung berührender, im Betrieb abhebender Dichtelemente runden die Ausführungen ab. Sealing in a Compact Manner. The sealing of heavily splashed spin dies in a compact manner, as a rule, requires a multistaged sealing system. A possible solution is to combine an outboard clearance or lip seal with an inboard air barrier. Based on experience and systematic testing the paper presents some figures of the required air pressure and flow rates and also some recommendations on the proper design of such sealing systems. Finally a few notes are given on the selection and application of such contact seals which, at higher speed, lift off from the mating seal face.

Zusammenfassung

Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen wurden in Vorversuchen an rohrförmigen Prüfkörpern in Abhängigkeit von der Temperatur die relevanten Werkstoffkennwerte ermittelt. Mit diesen Kennwerten wurde zunächst der in MARC-MENTAT modellierte Prüfkörper einer FE-Berechnung unterzogen. Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung dieser Berechnungsergebnisse mit den am Prüfkörper gemessenen Werten war der Weg frei, die Werkstoffkennwerte auch zur FE-Berechnung des kompliziert geformten, aber ähnlich beanspruchten Entlasteten Wellendichtrings zu verwenden. Die bei früheren Bauformen des Entlasteten Wellendichtrings praktisch beobachtete "thermische Leckage" wurde durch Implementieren des Plastic-Memory-Effekts in den PTFE-Werkstoff eliminiert. Dessen Wirksamkeit wurde durch den Vergleich von FE-Rechnung und Experiment nachgewiesen, wobei die FE-Rechnung bislang den Plastic-Memory-Effekt nicht berücksichtigt. In den Meßergebnissen enthalten ist jedoch auch das Kriechen des PTFE-Werkstoffs. Die weiteren Untersuchungen zielen darauf ab, den Plastic-Memory-Effekt an vorgedehnten PTFE-Zugproben isoliert zu messen, um ihn letztlich als weitere Werkstoffeigenschaft in die FE-Analyse implementieren zu können.

Zusammenfassung

Air-barrier seals are compact non contacting seals offering the possibility to seal fast running machine tool spindies which might permanently change their position in space. Hitherto the efficiency of such seals depends on the scattered know-how of the designers. In the paper the basic functions of air-barrier seals are described. In an air- barrier seal air is injected into narrow c1earances and creates a barrier pressure Pa. Cooling liquid which at high velocity splashes onto the entrance of the outer c1earance builds up pressure Pfl at this point. The air-barrier prevents liquid to leak into the bearing area as long as Pa is higher than Pfl. For various configurations of the seal the barrier pressure Pa is calculated and compared to experimental results. The influence of eccentrical or inclined position of the spindie is demonstrated. In view of the economy of sealing the conditions of minimum air consumption are discussed. Finally, based on experience and systematic testing, the paper presents design directives for air-barrier systems designated to seal asplashing liquid.

Zusammenfassung

Sometimes the designer is doubtful whether the fascinating coloured pictures presented by a Finite-Element-analysis do reliably agree with reality. In particular this is becoming a problem when constructional elements are concerned which, for example, consist of PTFE-compounds the suppliers of which are unable to procure the relevant material properties. More often than not there is a lack of information on the stress-strain behaviour within the intended operating temperature range. In this case the user of a FE- program by himself and sometimes by costly experiments has to establish the necessary material properties. In this process it proved most effective on the one hand to experiment with a simply shaped specimen under load conditions similar to those of the original component and, on the other hand, to apply the material properties measured by setting up a FE-model of the specimen and performing an equivalent calculation. If there is satisfactory agreement of the results a reliable calculation of more complex constructional components is justified as weIl. In the paper the authors show how this procedure was applied to calculate the radial sealing force of a complex PTFE-seal ring under realistic mechanical and thermal conditions.

Zusammenfassung

Optimum rod seals of hydraulic cylinders require effective wiping on the outstroke and, ideally, a complete inward pumping of the adhering film on the instroke. This is achieved by an asymmetric profile which creates a high maximum contact pressure gradient at the sealing edge on the fluid side and a corresponding low gradient near the outside end of the contact. In practice, however, by rising the fluid pressure inward-pumping diminishes which is due to a continuing increase of the maximum pressure gradient at the outside end of the seal contact. Based on the experience that a second circumferentially closed edge does not prevent the increase of leakage, the authors pursued the idea to support the back-surface with a large number of small asperities forming small interconnected gaps which boost inward pumping and reduce friction. Experimental results on the sealing capacity and friction of various back-surface structures are presented, and the design characteristics ofoptimum rod seals are discussed.

Zusammenfassung

Eine der Wellenrotation überlagerte Axialbewegung hatte unter Laborbedingungen keinen negativen Einfluß auf die Funktion und den Verschleiß von Radialwellendichtringen : - der Förderwert war in den meisten Fällen gleich gut oder besser - die Axialkraft war bei rotierender Welle so klein, daß der Dichtkörper nicht verkippte - die Leckrate war bei Dauerversuchen fast immer nicht erkennbar höher als bei Versuchen ohne Axialbewegung - verstärkter Verschleiß infolge Axialbewegung war nicht feststellbar - das Überfahren von Wellenlaufspuren (Verschleißrillen) erwies sich als unkritisch; weder die Leckrate noch der Verschleiß waren höher als auf unverschlissener Lauffläche - beim Überfahren von Ölkohleablagerungen war die Leckrate deutlich höher als auf glatter Welle. Ein höherer Verschleiß am RWDR war jedoch im untersuchten Zeitraum (500 Stunden) nicht nachweisbar. Nicht untersucht wurde der Einfluß zusätzlicher Axialbewegungen, wenn der RWDR bodenseitig mit Schmutzpartikeln beaufschlagt ist. In der Praxis kann dies zu Undichtheit führen, wenn infolge der Axialbewegung Schmutz zwischen die Dichtflächen geschleppt wird.

Zusammenfassung

Bezüglich Dichtheit und Betriebssicherheit werden an moderne Getriebegehäuse heute hohe Anfordernngen gestellt. Die Forderung nach einer möglichst hohen Leistungsdiehte und ein verstärktes Umweltbewußtsein bedingten neue Kenntnisse. mit denen Getriebegehäuse optimal ausgelegt werden können. Kritische Bereiche, insbesondere aufgnilld der Verformungen. sind hierbei leistungsfUhrende Dichtflansche mit den entsprechen- den Gehäuseanschlußbereichen sowie die Verschraubung und die verwendete Flachdichtung als solche. Aufbauend auf die bereits in den FVA-Projekten 152/1 und 152/11 durchgefUhrten Untersuchungen an Modell- prüfgehäusen lag der Schwerpunkt in diesem Projekt in folgenden Punkten: - Untersuchung der FlachdichtsteIlen von Seriengetrieben aus Aluminium- und Grauguß auf dem Deckeldichtungsprüfstand. - Versuche zum Materialverhalten verschiedener Feststoff- und Flüssigdichtungsmaterialien sowie von Metallsickendichtungen, - Analyse der Versagensmechanismen, - Empfehlungen zur Dichtungsauswahl bezüglich Material und Form, - Berechnungsverfahren zur Näherungsauslcgung der Dichtverbindung und - Durchfühnmg von ParametcnInterslichungen mit der FEM-Mcthode. Die konstruktiven Hinweise zur Optimicnmg von Gehüuseabdichtungen sind in diesem Bericht gesammelt in Kapitel 7 lKonstmktions- und Auslegungskatalog dargelegt. Dieser Abschlußbericht beinhaltet eine Vielfalt von Hinweisen und Anregungen, die in der industriellen Praxis bei der Auslegung und Optimierung von ruhenden Gehäuseabdichtbereichen wichtige Informationen liefert. Es ist hier gelungen, die komplexe Thematik der statischen Abdichtungen von hochbelasteten Getriebegehäusen in komprimierter Form darzustellen.

Zusammenfassung

Die Entwicklung von Systemen zur Diagnose and Vermeidung von Leckagen wird bis heute rein empirisch durchgefiihrt. Der Artikel vermittelt eine systematische Analyse der GröLen, die als Uberwachungsgröien dienen können. Bei der Entwicklung von Systemen zur Diagnose and Vermeidung von Leckagen sind spezifische Anforderungen wie Grenzwerte der möglichen Meßgrößen und begründete Auswahi der logischen Verbindungen der verschiedenartigen Meßgrößen zu berücksichtigen. Das Anwendungsbeispiel aus der Praxis zeigt, dass in hydraulischen Anlagen mit Systemen zur Diagnose und Vermeidung von Leckagen ein rechtzeitiges Erkennen und Stoppen von Leckagen möglich ist. Das wachsende Umweltbewußtsein, die Entwicklung verschiedenartiger Diagnosesysteme, elektronischer Steuerungen oder Regelungen und rechnergesteuerter Anlagen schaffen alle notwendigen Voraussetzungen für eine positive Marktentwicklung.

Zusammenfassung

Bei früheren Gestaltungsvarianten des EWDR wurde beim plötzlichen Abfall des Flüssigkeitsdrucks sogenannte spontane Leckage beobachtet. Inzwischen wurde festgestellt, daß diese Erschemnung ausschließlich eine Folge der starken Wärmedehnung des PTFE- Werkstoffs ist. Der Begriff ,,spontane Leckage“ wird demgemaß ersetzt durch ,,thermische Leckage“. Bei Wellendichtungen aus PTFE-Werkstoffen, deren Dichtkörper bei der Montage gedehnt wird, wirkt grundsätzlich der Plastic-Memory-Effekt der Wärmedehnung entgegen. Entscheidend für die Stärke des Plastic- Memory-Effekts scheinen sowohl der Grad der Dehnung als auch die Größe des gedehnten Volumens zu sein. Aufgrund dieser Annahme wurde der EWDR neu gestaltet (EWDR-PM) und durch Vorverformen ein starker Plastic-Memory-Effekt implementiert. Dieser Dichtring wies in Laboruntersuchungen in 01 bis 80°C keine Leckage auf. Das Reibmoment der Bauform EWDR-PM2 war weitgehend temperaturunabhängig. Bild 6 zeigt im Vergleich mit anderen Radialdichtungen den Verlauf der auf den Wellenumfang bezogenen tangentialen Reibkraft des EWDR-PM2. Während bei den anderen Dichtungen die Reibung nut steigendem Druck zunimmt, ist der EWDR-PM2 offensichtlich im Druckbereich bis 2,0 MPa druckentlastet. Zur optimalen Nutzung des Plastic- Memory-Effekts sollen in weiteren Arbeiten die Lange und Dicke der Dichtringmembran sowie das Untermaß der Dichtkante aufeinander abgestimmt werden. Dazu wird neben Experimenten die FE-Simulation des EWDR mit Hilfe des Programmsystems MARC/ MENTAT eingesetzt. Um in diese Simulation auch den Plastic- Memory-Effekt einbeziehen zu können, werden die notwendigen Kennwerte für die verwendeten Dichtungswerkstoffe in speziellen Experimenten ermittelt.

Zusammenfassung

The more and more stringent restriction for environment conservation and the tendency towards higher sliding velocities demand from modern mechanical-face-seals minimalleakage and low friction losses. In a cooperation between the Institut für Maschinenelemente IMA. University of Stuttgart. and the Institut für Strahlwerkzeuge, University of Stuttgart, microstructures on silicon carbide sliding-faces were manufactured by means of a usual KrF excimer laser, that improve the lubrication in the sealing gap as weIl as they decrease the leakage. For more details see 6. Extended Abstract. Immer strengere Umweltschutzauflagen und der Trend zu höheren Gleitgeschwindigkeiten fordern von modernen Gleitringdichtungen minimale Leckage und geringe Reibungsverluste. In einer Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Maschinenelemente (IMA) und dem Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart wurden mittels eines handelsüblichen KrF-Excimerlasers Mikrostrukturen auf SiC-Gleitflächen hergestellt, die gleichermaßen die Schmierung im Dichtspalt verbessern sowie die Leckage senken.

Zusammenfassung

Mit den vorgesteilten Gestaltungsregeln und Arbeitsanweisungen ist es möglich, die Bedingungen an einer Dichtstelle zweckgerecht zu analysieren, die richtige Funktion einer berührungsfreien Wellendichtung ,,theoretisch“ zu überprüfen und ein berührungsfreies Dichtsystem zielsicher zu entwerfen. Die vorgestellten Konstruktionsentwürfe sind für wässrige und ölige Flüssigkeiten bis zu einer dynamischen Viskosität von ca. 40 mPas experimentell überprüft und vielfach erfolgreich in der Praxis angewendet worden. Die funktionellen Gnundprinzipien gelten auch für andere Flüssigkeiten. Die spezielle Gestaltung und Dimensionierung muss eventuell angepaßt werden. Was noch aussteht, ist die Umsetzung bzw. Erweiterung und experimentelle Überprüfung für zähere Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit anderen Wechselwirkungen zu 0berflächen (z. B. stark additivierte Ö1e). Weiter ist das Verhalten bei Schmutzbeaufschlagung zu ermitteln und weitere Maßnahmen zur Eindämmnung des Luftdurchzuges sind zu erarbeiten. Auch über das Verhalten fettgefüllter Dichtspalte ist noch wenig bekannt. Das Prinzip ,,Sperrluft“ wird häufig als ,,Notnagel“ eingesetzt. Über die zweckgerechte Gestaltung von Sperrluftsystemen und Dichtsystemen für Öl-Luft-geschmierte Lagerungen ist jedoch bisher so gut wie nichts bekannt. Weitere Leistungssteigerungen der Aggregate, verstärktes Umweltbewußsein und aggressivere Fluide erfordern eine ständige Weiterentwicklung der Dichtungstechnik.

Zusammenfassung

Das Verhalten von Flachendichtsystemen wird durch das komplexe Zusammenwirken von Beanspuchung, Gestalt und Werkstoffverhalten bestimmt. Im vorgestelllten Forschungsprojekt steht die phanomenologische Untersuchung von Flächendichtsystemen unter dynamischer Scherbeanspruchung im Mittelpunkt. Dabei ist das Verhalten des Dichtungswerkstoffes von besonderem Interesse. Es wurde eine Prüfeinrichtung entwickelt, mit der sich dieses Verhalten an einer enfachen Dichtungsgeometrie bei definierten Umgebungsbedingungen unter definierter mechanischer Beanspruchung untersuchen läßt. Grundlage der Versuchsauswertung bildet eine Hysteresemeßmethode, mit der die Einflüsse der Beanspruchungsparameter auf das Federungs- und Dämpfungsverhalten des Prüfdichtsystems festgestellt werden können. Diese Einflüsse werden zur Zeit in einem umfangreichen Grundlagenversuchsblock untersucht. Erste Ergebnisse liegen vor. Ziel ist es, die Ergebnisse der Grundlagenversuche für die Praxis nutzbar zu machen. Dies soll in Form der Entwicklung eines standardisierten Prüfverfahrens und durch die Erstellung von Regeln zur Auslegung von Flächendichtsystemen unter dynamischer Scherbeanspruchung geschehen.

Zusammenfassung

Die RF-Dichtung vereirtigt Spaitstabilisierung und Rückförderwirkung auf den schmalen Gleitflchen handelsüblicher Gleitringdichtungen. In Versuchen rnit RF-Dichtungen, bei denen jeweils der strukturierte Gleitring aus Siliciurnkarbid bestand, wurde bei Abdichtung von Leitungswasser bei einer Druckdifferenz von 0,5 MPa urid emner Wellendrehzahl bis 4000 min in vielen Versuchslaufen die beschriebene Furiktion der RF-Dichtung überzeugend nachgewiesen. Die RF-Dichtung lauft auch unter veränderlichen Betriebsbedingungen stabil mit gleichmäßigem Reibmoment. Ihre Reibungszahl liegt vorwiegend im Bereich f = 0,06 ... 0,07. Die Einförderung von Flüssigkeit in den Dichtspalt mittels EF-Strukturen verbessert die Beriihrsicherheit entscheidend und ermöglicht einen nahezu versch1eiifreien Lauf. Trotz des dadurch vergrößerten Dichtspalts wird durch die Rückförderwirkung der RF-Strukturen eine gegenüber herkömmlichen Gleitringdichtungen verminderte Leckrate erreicht. Die Versuchsergebnisse lassen es als möglich erscheinen, mit RF-Dichtungen die Gleitwerkstoffpaarung SiC/SiC betriebssicher anzuwenden, weil offensichtlich durch das Zusammenwirken von Einförder- und Rückförderstrukturen bei vergleichsweise kleiner Leckrate eine gefährliche Berührungder Gleitflächen unterbunden werden kann.

Zusammenfassung

For sealing of higher pressure at a rotating shaft conventional elastomeric or PTFE-seals can only be applied at low sliding velocity. Up to now a mechanical seal was the only possibility of reliably sealing a pressure up to 3 MPa at a sliding velocity of 5 ... 10 mls. This paper presents a new, pressure-balanced shaft seal called „Entlasteter Wellengichtring (EWDR)“ /1/, which has been proved to correctly operate in laboratory tests at pressure up to 3 MPa and surface speed up to 12 mls.

Zusammenfassung

Im vorliegenden Konstruktions-, Richtlinien- und Lösungskatalog ist das in 10-jähriger Forschungsarbeit am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart erworbene Wissen über die zweckgerechte Gestaltung berührungsfreier Spindelabdichtungen zusammengefasst. Der komplexe, geometrisch-konstruktive Inhalt der Forschungsergebnisse wird dem Konstrukteur in einer für die tägliche Konstruktionsarbeit effektiven Weise übermittelt.

Zusammenfassung

The bearings of fast running spindies in precision machine tools are to be sealed leak -free against heavily splashing coolants and, eventually, injected lubricant has to be kept inside the bearing area. Rubbing seals are ruled out because of their high friction heat connected with untolerable deformations. Continuing their previous research and development on non-contacting shaft seals the authors now concentrate on collecting labyrinth seals for machine tool spindies. The basic functions of these labyrinths are discussed and put into practice. The paper introduces a variety of carefully thought-out labyrinth systems for practical application and the designer is supplied with detailed design directives.

Zusammenfassung

Wellendichtungen sind komplexe tribologische Systeme. Der bekannte Radial-Wellendichtring funktioniert nur, wenn sich zu Beginn seines Einsatzes im Elastomer selbsttätig eine Mikropumpe generiert. Dieser Rückfördermechanismus ist jedoch schwach und man kann damit nur drucklos überflutete Wellendurchtritte abdichten. Druckbelastete Wellendichtungen - beispielsweise Gleitringdichtungen - dichten bislang hauptsächlich passiv. Sie bilden einen sehr engen Spalt und begrenzen so den Leckstrom auf einige Milliliter pro Stunde. Das Rückförderprinzip läßt sich jedoch auch bei extrem harten Gleitdichtflächen verwirklichen. Mit dem Laserstrahl werden in Gleitringe aus Silciumkarbid Mikrostrukturen eingearbeitet, die die hydrodynamische Schmierung begünstigen und zugleich das Fluid in den abzudichtenden Raum zurückpumpen.

Zusammenfassung

Zur Abschätzung des Wärmeübergangs an Gleitringdichtungen ziehen die Autoren Berechnungsmethoden aus anderen technischen Anwendungen heran. So wird die Wärmeleitung im zylindrischen Dichtkörper mit derjenigen in einer Stabrippe verglichen. Theoretische und experimentelle Untersuchungen bilden die Grundlage für Richtlinien zur Werkstoffauswahl und Gestaltung. Es zeigt sich, daß beispielsweise bei der Abdichtung höherviskoser Flüssigkeiten (Öle) gut wärmeleitende Gleitring-Werkstoffe die Temperatur im Dichtspalt erheblich senken können.

Zusammenfassung

Der RadialweIJendichtring (RWDR) ist ein häufig verwendetes Dichtelement zur drucklosen Abdichtung rotierender Wellen. In der Praxis treten, infolge von Lagerspiel oder elastischer Verformungen von Bauteilen unter Last, häufig der Rotation überlagerte Axialbewegungen der Welle auf. Bei diesen Betriebsbedingungen ist ein überdurchschnittlich häufiges Versagen des RWDR zu beobachten. Ziel des Vorhabens war, die Dicht- und möglichen Verschieißmechanismen bei überlagerten Axialbewegung der Welle zu untersuchen. Zur Klärung der Fragen wurden Funktionsuntersuchungen auf drei Einzelprüfständen und Langzeitversuche auf einem Dauerprüfstand durchgeführt. Es wurden RWDR aus Fluorkautschuk (FPM) d 80 mm ohne Drall verwendet. Untersucht wurden hauptsächlich das Förderverhalten, das Reibverhalten, die Dichtheit und der Verschleiß der Ringe. Der Förderwert, der sich in vorausgegangenen Forschungsvorhaben als ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit von RWDR erwiesen hat, wird bei den meisten Axialbewegungen nicht schlechter, sondern deutlich besser als bei reiner Rotation. Eine Verringerung tritt nur bei großen Hüben und einer, im Verhältnis zur Einfahrgeschindigkeit, sehr schnellen Ausfahrgeschwindigkeit der Welle auf. In Dauerversuchen trat unter diesen Bedingungen aber keine überdurchschnittliche Undichtheit auf. Die Reibung zwischen RWDR und Welle wird wenig beeinflußt. Das Reibmoment ist bei überlagerten Axialbewegungen oft etwas geringer als bei reiner Rotation. Die axial an der Dichtkante angreifende Kraft, die zu einem Verkippen des Dichtkörpers führt, ist bei rotieren- der Welle ist in den meisten Fällen nahezu null. Ohne axiale Kraftkomponente verkippt auch der Dichtkörper nicht, bzw. treten keine Verzerrungen im Dichtkantenbereich auf, die den Fördermechanismus beeinflussen. In den Dauerversuchen mit Axialbewegung war die Quote der dichten Ringe höher als in den zwei zum Vergleich durchgeführten Dauerversuchen ohne Axialbewegung. Auch das Überfahren von Laufspuren, die sich bei längerem Betrieb oft bilden, hatten keinen negativen Einfluß auf das Dicht- und Verschleißverhalten der Dichtringe. Erhebungen auf der Lauffläche, zum Beispiel Ablagerungen von Ölkohle, bewirkten hingegen beim axialen Überfahren der Dichtung hohe Leckraten. Auf Grund der Ergebnisse ist in den meisten Anwendungesfällen kein negativer Einfluß der Axialbewegung zu erwarten.

Zusammenfassung

Bei Lagerdichtungen moderner Flugtriebwerke ändern sich die Temperatur der verdichteten Luft und die Wellendrehzahl schnell und in weiten Bereichen. Gesucht werden zuverlässige Wellendichtungen, die unter extremen Betriebsbedingungen wenig Heißluftleckage in die Lagerkammern durchlassen. Die Autoren stellen eine gasgeschmierte Gleitringdichtung mit Dichtkörpern aus Siliciumkarbid und unkonventionell schmalen Gleitflächen vor. Wenn sich das vorausberechnete Betriebsverhalten in der Praxis bestätigt, wird die Dichtung mit hoher Spaltstabilität bei sehr geringer Heißluftleckage arbeiten.

Zusammenfassung

Im Rahmen eines vom FKM gefôrderten Forschungsvorhabens wurden Radial-Wellendichtringe (RWDR) aus Fluorelastomer mit und ohne Drall sowie Manschetten-Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen (PTFE-Manschetten) mit Gewinderille untersucht. Die Ergebnisse, die im vorliegenden Aufsatz* auszugsweise beschrieben werden, sind ausfübrlich im FKM-Forschungsheft 146 7 dargesteilt.

Zusammenfassung

Bei keramischen Gleitringen kann die Gefahr eines Ausbrechens von Kanten oder gar des Bruchs des Gleitrings vermieden werden, wenn das an den Gleitflächen entstehende Reibmoment elastisch auf das angrenzende Bauteil übertragen wird. Unter anderem bieten sich hierfür Zylinderstifte aus Fluorelastomer an. In praxisnahen Experimenten wurde bei Temperaturen von 100 °C und 180°C und mindestens 86000 Lastspielen die zulâssige Scherspannung von Elastomerstiften aus Viton und Kalrez errnittelt. Mit diesen Werten können Elastomer-Stifte für den praktischen Einsatz in Gleitringdichtungen dimensioniert werden.

Zusammenfassung

The stability and durability of magnetic liquid seals have been tested under the condition of sealing other liquids. The results show that the deterioration of the magnetic fluid depends on the nature and combination of magnetic and nonmagnetic liquids as weH as on the shaft speed, the temperature of the seal and the gradient of the magnetic field. Seallife is considerably extended by suitabily shielding the magnetic fluid ring against the liquid to be sealed

Zusammenfassung

Die für eine sichere Funktion druckbelastbarer Radialdichtungen bei Druckdifferenzen bis zu p = 3 MPa bei v = 12 mls wichtige Forderung nach geringer Reibleistung läßt sich mit bisher bekannten Radialdichtungen nicht erfüllen. Ursachen hierfür sind zum einen die vergleichsweise breiten Berührflächen, zum anderen die bereits im drucklosen Zustand hohen Dichtflächenpressungen, die bei Druckbeaufschlagung noch weiter zunehmen. Die Forderungen nach mäöglichst schmaler Berührfläche und einer Dichtflächenpressung, die das zur Abdichtung notwendige Maß nicht übersteigt, können erstmals mit der neuen Strategie des entlasteten Wellendichtrings (EWDR) erfüllt werden. Diese Dichtung ist radialleichtgängig beweglich, so daß eine Exzentrizität zwischen Welle und Gehäuse die Funktion nicht beeinträchtigt. In experimentellen Untersuchungen wurde die Funktion des EWDR bei Druckdifferenzen bis p = 3 MPa und Gleitgeschwindigkeiten bis v = 8 mls überprüft. Die guten Ergebnisse dieser Versuche sowie das Ergebnis eines ersten Versuchs an der angestrebten Leistungsgrenze (p = 3 MPa; v = 12 mls) deuten darauf hin, daß der EWDR in diesem Leistungsbereich zur Abdichtung von Öl mit gutem Erfolg eingesetzt werden kann. In weiteren Untersuchungen soll unter anderem ermittelt werden, unter welchen Bedingungen der

Zusammenfassung

Schnellaufende Gleitringdichtungen verwirbeln die Flüssigkeit im Stopfbuchsraum so stark, daß der dadurch entstehende Leistungsverlust größer werden kann als der Reibungsverlust der gleitenden Dichtflächen. Um die Basis für eine praxis nahe Berechnung der Verwirbelungsverluste zu schaffen, führten die Autoren Messungen mit Original-Gleitringdichtungen und mit Probezylindern durch. Dabei ergab sich eine deutliche Abhängigkeit der Verwirbelungsverluste von der Zerklüftung der Rotoroberflächen. Als Ergebnis wird eine Gleichung zur Berechnung des Verwirbelungsverlustes angegeben, in der die Oberflächenstruktur des Rotors durch Formfaktoren berücksichtigt ist.

Zusammenfassung

Das Buch stellt die Möglichkeiten und Grenzen der modernen Dichtungstechnik für bewegte Maschinenteile umfassend dar. In einundzwanzig Kapiteln werden die physikalischen Grundlagen und die vielfältigen Techniken des Abdichtens bewegter Maschinenteile in klarer Sprache und mit prägnanten Bildern beschrieben. Die Anwender von Dichtsystemen werden auf dem Stand der Technik eingehend informiert über die - Einsatzbereiche und das Verhalten von Standard-Dichtungen - Abdichtmöglichkeiten unter außergewöhnlichen Bedingungen - Dichtmechanismen der wichtigsten Systeme - Berechnung der Leckrate und der Reibung bestimmter Dichtungen - Leistungsgrenzen einzelner Dichtelemente und Dichtsysteme - Ursachen und Bedingungen, die zum Versagen von Dichtungen führen - Möglichkeiten der leckagefreien Abdichtung - Entwicklungstrends der modernen Dichtungstechnik Anmerkung: Dieses Buch ist vergriffen und wird nicht wieder aufgelegt. Einen aktualisierten Inhalt finden sie seit Februar 2003 frei zugänglich im Internet unter http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/. Das Buch "Fluid Sealing Technology" ist inhaltsgleich.

Zusammenfassung

A new method has been developed to determine the film thickness at outstroke and instroke of a reciprocating PTFE rod seal. For a particular seal the results allow to distinguish whether the quality of sealing is mainly attributed to a better wiping at the outstroke or, alternatively, to a beUer inward-pumping at the instroke. Theoretical results have been verified by experiments with thres seals of slightly different cross section. The static contact pressure of the PTFE seals was measured by a suitable test rig. In order to throw light upon a poor reproducability of leakage and friction of newly installed seals the run-in behaviour of bronze-filled PTFE seals has been deeply investigated. It was found that during run-in the sealing ability and the friction characteristics are subject to a typical change which can be attributed to a smoothing out of the PTFE-surface.

Zusammenfassung

Magnetflüssigkeitsdichtungen(MFD) wurden bezüglich ihrer Beständigkeit gegenüber nichtmagnetischen Flüssigkeiten getestet. Die Ergebnisse zeigen, daß die Verschlechterung der Dichtwirkung mit der Zeit sowohl von der Beschaffenheit und der Kombination der magnetischen und nichtmagnetischen Flüssigkeiten als auch von der Umfangsgeschwindigkeit der Welle, der Temperatur der Dichtung und dem Gradienten des magnetischen Feldes abhängt. Die Lebensdauer der Dichtung ist wesentlich höher, wenn geeignete Dichthilfen zur Trennung von nichtmagnetischer und magnetischer Flüssigkeit verwendet werden.

Zusammenfassung

Die Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen werden heute sowohl mit berührenden als auch mit berührungsfreien Dichtsystemen abgedichtet. Die Reibungswärme und - bei starker Bespritzung - die Leckage setzen der Verwendung berührender Dichtelemente jedoch Grenzen. Zweckmäßig gestaltete berührungsfreie Dichtsysteme verhindern dagegen Leckagen bei gleichzeitig minimalem Leistungsverlust. Die Autoren vermitteln experimentell unter- mauerte Konstruktionsrichtlinien und stellen ein berührungsfreies Dichtsystem für vertikale Wellen vor. In Konstruktionsbeispielen wird dem Anwender die praktische Umsetzung der Richtlinien erläutert.

Zusammenfassung

Die Wellen von Kreiselpumpen werden heute überwiegend mit Gleitringdichtungen abgedichtet. Die Dichtflächen der Gleitringdichtungen verformen sich infolge der Einwirkung des abzudichtenden Drucks und der Reibungswärme. Oft verdampft die abzudichtende Flüssigkeit zwischen den Gleitflächen. Trotzdem laufen die Dichtungen in der Praxis verschleißarm und mit sehr kleiner Leckage. Der Einfluß der Verdampfung und der Stülpung der Gleitdichtflächen auf die Druckverteilung und die Spaltbildung wurde untersucht. Experimentell entdeckte periodische Reibmomentänderungen unentlasteter Gleitringdichtungen werden mit einem thermoelastischen Modell erklärt. Die Leckraten der Gleitringdichtungen wurden einschließlich des verdampfenden Anteils gemessen. Dabei zeigte sich ein bislang kaum beachteter Zusammenhang zwischen Gleitflächenbreite und Leckrate.

Zusammenfassung

Magnetflüssigkeiten enthalten in einer Trägerflüssigkeit suspendierte, sehr kleine magnetisierbare Partikel, die gegen Agglomeration chemisch beschichtet sind. Eine Magnetflüssigkeit kann in einem Magnetfeld gezielt positioniert werden und läßt sich daher vielseitig einsetzen. Am besten bekannt ist ihre Verwendung in Magnetflüssigkeitsdichtungen zur hermetischen Abdichtung von Gasen. Wesentliche Kenngrößen solcher Dichtungen - die abdichtbare Gasdruckdifferenz und die Reibleistung - können aufgrund der magnetischen Feldstärke im Dichtspalt und von Stoffdaten der Magnetflüssigkeit berechnet werden, wie nachfolgend gezeigt wird. Noch ungeklärt ist die Zuverlässigkeit der Abdichtung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsnebeln mit Hilfe von Magnetflüssigkeiten. Ein von der DFG gefördertes Forschungsvorhaben befaßt sich mit diesem Problem. Darüber wird hier ebenfalls berichtet.

Zusammenfassung

Untersucht wurde das Abdichtverhalten und der Kontaktpressungsverlauf von Hydraulik-Stangendichtungen aus PTFE. Das Abdichtverhalten von neuen Dichtungen verbesserte sich während einer Einlaufphase, in der sich die Dichtflächen glätten und sich die Dichtungen zum Teil bleibend verformen. Die Abhängigkeit des Abdichtverhaltens von der Ein- und Ausfahrgeschwindigkeit wurde benutzt, um aus den Meßwerten die größten Gradienten des Flüssigkeitsdruckverlaufs im Dichtspalt und daraus die mittleren Filmdicken beim Ein- und Ausfahren der Stange zu berechnen. Dabei zeigte sich, daß bei einem Druck von 10 MPa der außenseitige Druckgradient mit zunehmender Einfahrgeschwindigkeit flacher wird. Dies ist wahrscheinlich auf die entlastende Wirkung eines Schleppdrucks im außenseitigen Keilspalt zurückzuführen. Im untersuchten Betriebsbereich betrug die Filmdicke bei einer Ausfahrgeschwindigkeit von 200 mm/s unabhängig vom abzudichtenden Druck ca. 0,2 µm. Bei außenseitig überfluteter Dichtung nahm beim Einfahren die Dicke des in den Druckraum zurückgeförderten Ölfilms mit steigendem Druck ab. Die Grenze der dynamischen Dichtheit einer Einzeldichtung bei gleicher Aus- und Einfahrgeschwindigkeit lag zwischen 20 und 30 MPa. Mit Hilfe eines neuartigen Meßgeräts wurde der Kontaktpressungsverlauf zwischen Dichtung und Stange bei verschiedenen Drücken gemessen. Bei einem Druck von 10 MPa haben die Kurven einen flachen Pressungsanstieg auf der Außenseite. Bei Drücken über 20 MPa beginnen die Kurven mit einem steilen Gradienten, da die Dichtungen die Stange mit der gesamten Dichtfläche berührten. Die steile Anfangssteigung ist für das bei hohem Druck abnehmende Rückfördervermögen der Dichtungen maßgeblich. Der Vergleich der größten Steigungen der gemessenen Pressungsverläufe mit den berechneten größten Druckgradienten zeigt eine gute Übereinstimmung.

Zusammenfassung

Stangendichtungen aus verstärktem PTFE werden aufgrund einiger herausragender Eigenschaften in vielen Bereichen der Hydraulik verwendet. Ihr Wirkprinzip wurde nach physikalischen Erkenntnissen entwickelt und stützt sich auf die elasto-hydrodynamische Theorie. Die Betriebseigenschaften sogenannter . PTFE-Dichtkantenringe werden jedoch auch von Größen beeinflußt, die schwer meßbar sind. So gibt es bei der Beschreibung der tribologischen Vorgänge im Dichtspalt dieser Elemente noch immer offene Fragen. Mit Hilfe neuentwickelter Prüfeinrichtungen haben die Autoren die bei verschiedenen Schmierbedingungen entstehende Reibung und die unter Druckbelastung auftretende Radialkraft von PTFE-Dichtkantenringen eingehend untersucht.

Zusammenfassung

Radial angepreßte Wellendichtringe aus Elastomer- oder PTFE-Werkstoffen werden bei hohem abzudichtendem Druck selbst bei relativ langsam laufenden Wellen wegen der kaum beherrschbaren Reibleistung und wegen des hohen Verschleißes bisher kaum angewendet. Der Beitrag beschreibt neuartige Dichtungsanordnungen, bei denen der Dichtring infolge des abzudichtenden Drucks axial an eine wellige Stützfläche angepreßt und dabei „onduliert“ wird. Dadurch wird der tangentialen Gleitbewegung eine relative, axiale Wischbewegung überlagert, die die Schmierung der Dichtflächen wesentlich verbessert. Zugleich wird die wärmeübertragende Wellenberührfläche vergrößert. Versuchsergebnisse mit ondulierten Wellendichtringen („OWDR“) werden mitgeteilt.

Zusammenfassung

Because of high friction and wear rubber seals and PTFE seals scarcely are applied on rotaling shafts under high fluid pressure. The paper describes a new seal configuration in which a sealing ring is undulated by the pressure while in axial contact with an undulated back-up ring, whereby lubrication is effectively improved. Experimental results wilh rubber O-rings and optimally shaped PTFE seals under high pressure and medium sliding speed are presented.

Zusammenfassung

In many practical applications the sealing area is not submerged but only exposed to splashing fluid. Under such conditions the shaft can be sealed effectively and reliably without friction and wear by applying specially designed non contacting labyrinth seals. The re port describes the main results of investigations on the general sealing behaviour and presents a number of design directives for liquid spattered labyrinth seals. These seals are characterised by a specific combination of centrifugally splashing rings and stationary drained collecting chambers.

Zusammenfassung

It is well known that a normally tight rotary lip seal leaks permanently when it is eonversely installed. The reverse leakage obviously is the result of a hydrodynamic pumping mechanism which, at regular installation of the seal, creates a dynamic sealing mechanism. A number of different physical processes which in principle could create the pumping mechanism are discussed. Two of the concepts relate to adeviation of the tangential shear flow induced by definite microstructures of the rubber surface. Based on small deviations of shape or position of the seal edge a third concept considers very small relative reciprocating motions between shaft and seal. Probably in practice the sealing mechanism is determined by various physical processes at the same time.

Zusammenfassung

Zur optimalen Gestaltung von berührungslosen Dichtungen für flüssigkeitsbespritzte Wellendurchtritte sind zunächst die bekannten Konstruktionsrichtlinien für das eigentliche Dichtelement zu beachten. Die Ergebnisse weiterer Untersuchungen zeigen aber, daß auch der Gestaltung des Einbau-Umfeldes entscheidende Bedeutung zukommt. Die Autoren nennen eine Reihe zweckmäßiger Maßnahmen und weisen beispielhaft auf die Gestaltung berührungsfreier Wellendichtungen für zusätzliche axiale Bewegungen der Welle hin. Das grundsätzliche Problem der Luftdurchströmung dieser Dichtungen wird untersucht. Schließlich geben sie Konstruktionsrichtlinien an und stellen ein schematisch-konstruktives Verfahren vor, das es erlaubt, die möglichen Flüssigkeitsbewegungen in einer Dichtung vorausschauend zu beurteilen und demgemäß die Dichtung optimal zu gestalten.

Zusammenfassung

Zur Abdichtung der Wellen von Kreiselpumpen verwendet man überwiegend Gleitringdichtungen. Dabei führen die auf das Laufrad wirkenden hydraulischen Kräfte zur Durchbiegung der Welle. Im Hinblick auf die Dimensionierung der Pumpen welle interessiert es den Konstrukteur, ob die bei Chemie-Normpumpen auftretenden Wellendurchbiegungen die Funktion der Gleitringdichtungen beeinträchtigen. Bei experimentellen Untersuchungen an zwei Prüfständen mit nichtentlasteten und entlasteten Gleitringdichtungen (Durchmesser 43 mm) war bei einer der Praxis entsprechenden simulierten statischen Wellendurchbiegung bis 150 µm und einer dynamischen Überlagerung von 25 % = ± 37,5 f1.m kein meßbarer Einfluß auf das Leckage- und Reibungsverhalten der Gleitdichtflächen feststellbar. Die langzeitliche Answirkung auf die Nebendichtung (O-Ring) an der Wellenhülse war nicht Gegenstand dieser Untersuchungen. Die wesentlichen Beurteilungsgrößen der Gleitringdichtung - Leckage, Reibung und Verschleiß - hängen jedoch stark von der Bauart der Dichtung, den Betriebsbedingungen und vor allem von deren zeitlicher Veränderung ab.

Zusammenfassung

Das Hintereinanderschalten mehrerer Dichtelemente ist ein altbekanntes Prinzip der Dichtungstechnik. Im Gegensatz zum undefinierten Verhalten von Packungen mit aneinander liegenden Ringen ergibt sich mit entkoppelten, asymmetrischen Dichtelementen eine physikalisch definierte Verbesserung des Abdichtverhaltens. Mit Tandemanordnungen hydrodynamisch förderfähiger Stangendichtungen kann auch unter schwierigen Betriebsbedingungen völlige dynamische Dichtheit erreicht werden. Besonders geeignet hierfür sind PTFE-Dichtkantenringe mit optimierter Abstreifwirkung und gutem Rückfördervermögen. Der positive dynamische Dichtmechanismus einer Tandemanordnung wird ergänzt durch die redundante Dichtwirkung gegenüber leichten Beschädigungen der Stange oder der Dichtkanten. Auch bei Kaltstart wird eine wesentliche Verbesserung der Dichtwirkung erzielt.

Zusammenfassung

Mit Unterstützung des Bundesministers für Forschung und Technologie (BMFT) und des Forschungskuratoriums Maschinenbau (FKM) bearbeitet das Institut für Maschinenelemente und Gestaltungslehre (IMA) der Universität Stuttgart seit 1979 Forschungsprojekte über Radial-Wellendichtringe. Auf der Grundlage ausführlicher experimenteller Untersuchungen stellt das IMA nunmehr eine neuartige physikalische Erklärung für den Dichtmechanismus des Radial-Wellendichtrings vor. Er wird zurückgeführt auf eine durch Reibung verursachte, asymmetrische Verzerrung axial gerichteter Verschleißstrukturen der Elastomerkontaktfläche. Solche Strukturen entstehen am neuen Radial-Wellendichtring während der ersten Wellenumdrehungen. Infolge der Verzerrung tritt eine hydrodynamische Rückförderwirkung im Dichtspalt auf. Gleichzeitig, bewirkt die charakteristische Form der Verzerrung, daß ein Flüssigkeitsvorrat im Spalt zurückgehalten wird, der die Schmierung dauernd aufrechter- hält. Als charakteristische Größe für die Beurteilung der dynamischen Dichtwirkung von Radial-Wellendichtringen wird der meßtechnisch erfaßbare Förderwert vorgeschlagen Sponsored by BMFT and FKM the Machine Elements and Design Institute (lMA) of the University of Stuttgart is engaged in research of Elastomer Rotary Shaft Seals since 1979. Based on extensive experimental investigations IMA is presenting a new physical interpretation of the sealing mechanism of Elastomer Rotary Shaft Seals. The mechanism is attributed to a friction induced asymmetrical deformation ofaxial wear structures on the elastomer contact surface. The typical wear pattern appears on every seal during running in. As a consequence of the deformation a hydrodynamic pumping mechanism is created within the sealing gap. Furthermore the typical shape of tangential surface deformation is establishing a dynamic ftuid reservoir by which lubrication of the sealing gap is maintained. It is recommended to use the measurable pumping rate for characterising the dynamic sealing ability of Elastomer Rotary Shaft seals.

Zusammenfassung

Ausgehend von einer Literaturrecherche wurden handelsübliche, berührungsfreie Wellendichtungen auf ihr Verhalten bei starker Ölbespritzung untersucht. Gezielte konstruktive Veränderungen ermöglichten eine erhebliche Verbesserung des Dichtverhaltens. Refundo-Fangrinnen-Labyrinthringe zeigen in der von Wankel vorgeschlagenen Grundform ein hervorragendes Dichtverhalten. Sie waren im gesamten Untersuchungsbereich technisch dicht. Die vier vom Konstrukteur zu beachtenden Grundgedanken sind: - möglichst wenig FIüssigkeit mit großer Geschwindigkeit in Eingangsspalt-Längsrichtung direkt an den Eingangsspalt der Dichtung gelangen lassen, - die Abspritzwirkung der ersten „Kante“ der Dichtung besonders fördern, keinesfalls aber behindern, - abgeschleuderte Flüssigkeit durch geschicktes Auffangen nicht wieder auf die Welle gelangen lassen, - Rückflußmöglichkeiten aus denFangräumen schaffen und dabei den Abfluß nicht behindern. Sämtliche Wellendichtungen weisen jedoch Dunstlekkage auf. Diese könnte durch Kombination mit Ferrofluiddichtungen verhindert werden, falls sich deren Verhalten gegenüber Schwebetröpfchen als genügend lange stabil erweist.

Zusammenfassung

Rotary lip seals can operate without leakage even under unfavorable conditions when, because of radial shaft vibrations, a relatively large gap is formed. Such conditions of dynamic tightness are governed by the formation of a vortex flow in the oil bulk and can be defined by a function of dimensionless parameters. In the absence of effective aids to dynamic sealing and under operating conditions where the sealing lip is running on a sub-micrometer elasto-hydrodynamic fluid film, permanent leakage will occur. The leakage, however, is so low that it can evaporate from the surface of a small oil meniscus at the air side of the sealing contact. Based on these results the sealing mechanism of rotary shaft seals can be explained in terms of a dynamic balance condition.

Zusammenfassung

The sensitivity of rotary shaft seals against radial vibrations was tested by means of a shaft having a triangular polygon-profiled cross seetion. The results showed a characteristic maximum of leakage with reference to rotational speed. In a certain speed range the seals did not leak at alle Seals with “standard” lip profile are compared with extremely asymmetrie lip shapes.

Zusammenfassung

Radialwellendichtringe verwendet man als kostengünstige und raumsparende Dichtelemente zum druckiosen Wellenabdichten. Weil aber ihre Funktionsftihigkeit und Lebensdauer eng mit der Betriebssicherhèit des Gesamtsystems von Aggregaten. Maschinen und Anlagen verknüpft ist, ist eine sorgftiltige Prüfung der Wellendichtringe unbedingt erforderlich. Das Betriebsverhalten von Radialwellendichtringen wird von einer Vielzahi von Faktoren bestimmt, die nicht mit statischen Prüfverfahren vollstündig erfafit werden und die nur mit dynamischen Prüfmethoden untersucht werden können.

Zusammenfassung

Since around 1974 a number of new types of hydraulic rod seals appeared in hydraulic practice. Built for narrow space applications and requiring no more axial space than an O-Ring, these seals normally consist of modified PTFE-material and a separate rubber squeeze ring. Characteristically these ''PTFE-Edge-Seals'' have a sharp edged lip towards the high pressure side and a converging or parallel booster section beyond the low pressure end of the seal contact. In earlier tests these seals showed good high pressure sealing ability and very low friction. A tandem arrangement of such seals even showed zero-leakage in a long endurance test. A description of a variety of PTFE-Edge-Seals and test results obtained with single and tandem ins tallations are presented.

Zusammenfassung

In a number of practical sealing problems at movable parts a periodic variation of the sealed pressure is the dominant factor for thesealing system. The paper presents some results of theoretical and experimental investigations of face seals under pulsating or rapidly changing pressure. Under such conditlons a minimum gap closing velocity of the seal is achieved by selecting an optimum balance condition and, at the same time, there is no through-flow across the sealing clearance. Due to this mechanism, on lubricated gas seals can, in principle, work without any leakage.

Zusammenfassung

Floating bushing seals with pressure “dependent clearance deformation are used for sealing plungers of piston pumps especially in high pressure applications. A special type of elastohydrodynamic bushing seal used in practice” was theoretically investigated by use of the finite element method with respect to geometry, pressure drop, flow and self-centering.

Zusammenfassung

Die Vielfalt der industriell verwendeten Hydraulikdichtungen, insbesondere für axial bewegte Maschinenteile, ist verwirrend. Wer für einen bestimmten Anwendungsfall verschiedene Fachleute zu Rate zieht, erhält meist ebenso viele unterschiedliche Vorschläge über Art und Einbau von Dichtungen. Der Konstrukteur fragt nach objektiv begründbaren, praxisorientierten Beurteilungskriterien. Im Folgenden wird versucht, auf der Grundlage von Anforderungen und Dichtungsmechanismen Beurteilungsmaßstäbe für Dichtungen zwischen nicht bewegten Teilen und für Kolbendichtungen und Stangendichtungen der Ölhydraulik zu zeigen.

Zusammenfassung

Nachdem der prinzipielle Aufbau von Gewinde-Wellendichtungen beschrieben ist, werden die wesentlichen Ziele der Arbeit abgeleitet: - Der Konstrukteur soll Unterlagen erhalten, die über einen weiten Bereich der geometrischen Parameteidie abdichtbare Druckdifferenz bei konzentrischer Lage angeben. Der Einfluß der Exzentrizität auf Druckverlauf und abdichtbare Druckdifferenz ist zu ermitteln Die für die Berechnung notwendigen Vereinfachungen der Grundgleichungen und die erforderlichen Annahrrien werden angegeben. Dadurch wird es möglich, ein Variationsfunktional aufzustellen, das nach Einführung eines Näherungsverfahrens minimalisiert werden kann. Als Näherungsverfahren wird die Finite-Elemente-Methode gewählt, ihre Besonderheiten werden erläutert. Bei exzentrischer Lage muß der Wellenumlauf gedanklich in einzelne Schritte segmentiert werden, um eine quasistationäre Strömung zu erhalten. Das Rechenprogramm stellt besondere Apforderungen (z. B. Verwendung einer Blockmethode zur Auflösung des großen Gleichungssystems) . Die Versuche und die Versuchseinrichtullg werden beschrieben, Ziele und Absichten erläutert. Die Ergebnisse aus Rechnung und Versuchen bestätigen einander. Gezeigt wird, wie bei konzentrischer Lage die ermittelten Diagramme eine einfache Auslegung der GWD ermöglichen und wie Toleranzüberlegungen mit diesen Diagrammen angestellt werden können. Für die exzentrisch betriebene GWD ergibt sich ein komplexer Druckverlauf im Dichtspalt, der in Form eines momentanen und eines zeitabhängigen Druckverlaufs darzustellen ist. Der starke Einfluß der Exzentrizität auf Druckverlauf und abdichtbare Druckdifferenz wird aus den Diagrammen ersichtlich. Dabei wird auf die großen Unterdrücke im divergenten Spalt hingewiesen, die als Zugspannungen in der Flüssigkeit definiert werden. Eine Näherungsformel ermöglicht es, die abdichtbare Druckdifferenz direkt zu berechnen. Zum Schluss werden die für die Konstruktion wichtigsten Ergebnisse stichwortartig zusammengefaßt. Ein Konstruktionsbeispiel einer GWD mit selbsttätig wirkender Stillstandsdichtung schließt zusammen mit Berechnungsbeispielen diesen Aufsatz ab.

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In the first part of the paper a numerical calculation for the pressure distribution of the screw seal is given using the Finite Element Method (FEM). Inertial forces areneglected. The threads are considered rectangular and completely filled with a Newtonian liquid. Contrary to the stationary flow of the concentric seal the flow in the eccentric running seal is non-stationary. It is described how to treat it is a quasi-stationary problem which is computable. Sealing coefficient and pressure distribution of the concentric running screw seal is computed for a wide range of geometrie parameters. The resulting forces in the seal, due to the pressure distribution, are also calculated using the FEM. In the second part the pressure distribution of the eccentric running screw seal is determined. Because high pressure gradients appear in the eccentric case it is necessary to idealise the integration area with a great number of finite elements and therefore a large system of linear equations has to be solved. A computer program has been developed to solve these equations. It is shown that the sealing coefficient is decreasing exponentially with increasing eccentricity. At the beginning of the threads in the diverging gap the pressure becomes partially negative and is defined as “tensile stress” in the liquid. The experiments are described in the third part. The experimental results are in good correspondence with the calculated values. The tensile stresses have been proved in the experiments and it is shown that these are responsible for the degassing of the liquid which may result in a seal-break-down.

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In einer Reihe von Forschungsarbeiten wurde nachgewiesen, daß im Dichtspalt von Gleitringdichtungen hydrostatisch-hydrodynamische Druckprofile entstehen, die von der Feingeomet!ie, nämlich der Rauheit, der Welligkeit und der Konizitätder Dichtflächen, bestimmt werden. Geringe Verformungen der Dichtringe, die Art des Verschleißes sowie die Verdampfung des abzudichtenden Fluids beeinflussen die Stabilität des Dichtspalts entscheidend. Die Ergebnisse der im neueren Schrifttum wiedergegebenen Arbeiten werden zusammengefaßt dargestellt.

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Der Verschleiss und die Erwärmung bewegter Berührungsdichtungen nehmen mit steigendem Abdichtdruck zu. Bei der Abdichtung schnell pulsierender Drucke, beispielsweise in Kolbenpumpen, kann durch konstruktive Massnahmen erreicht werden, dass der mittlere Druck an der Berührungsdichtung niedriger ist als der Betriebsdruck der abzudichtenden Maschine. Wesentlich ist dabei, dass zwischen Druckraum und Berührungsdichtung ein enger Spalt angeordnet ist, dessen Höhe sich in Abhängigkeit vom Druck andert. Durch das Zusammenwirken von Dichtkörperverformung, Spalthöhenveränderung und Schleppströmung kann der Druck vor der Berührungsdichtung wesentlich gesenkt werden. Die Arbeit beschreibt die prinzipiellen Vorgänge, die erforderlichen technischen Massnahmen und die Ergebnisse von Versuchen an wassergefüllten Ringspalten bei Druckstössen bis 200 bar.

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The paper describes the design principles, theory and test results of a new concept of barrier seal, the sealing components of which also provide the pressure control mechanism for the buffer fluid. By applying a morphological method, a great number of possible design concepts are developed. One of Ihe most compact design variants was selected for testing and proved satisfactory in operalion up to 2,300 psi and 6,000 rpm.

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Bei langen Stopfbuchsen nimmt der Packungsdruck nach dem Nutgrund, also nach der Hochdruckseite hin, ab. Infolgedessen ist nur der Teil der Packungslänge wirksam, in dem der von der Brille erzeugte Radialdruck größer ist als oer abzudichtende Druck. Der Autor beschreibt Konstruktionen, die zum Ziel haben, die Packung auf ihrer ganzen Länge mit der Welle in Kontakt zu halten

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Balance, leakage and power loss of self aligning radial clearance seals are functions of the seal face geometry and of the by-pass flow into the clearance. The paper presents design data over a practical range of parameters. Working diagrams are given tor a rapid calculation of the seal characteristics. Experimental results with a buffer gas test seal are discussed.

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By sealing reciprocatirtg rods with soft flexible packings, esp. O-Rings, the hydrodynamic fluid film formation is dependent on several paramaters such ae viscosity, velocity, pressure, hardness and form of sealing rings. It can be shown theoretically and by experiment that the thickness of the fluid film between the mating surfaces is also essentially dependent on the direction of motion relative to the direction of pressure acting on the seal. Thereby the nonlinear increasing of leakage with higher pressures can be explained. Leakage and friction under fluid film conditions is determined by a characteristic nondimensional number. Transition from fluid film to boundary conditions can be evaluated by means of a dimensionless equation when for different types of packings several constants are experimentally determined.

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Die Schmierfilmbildung an elastischen Dichtungsringen aus Kunstgummi unterliegt ähnlichen Gesetzmäßigkeiten, wie sie aus der Gleitlagerforschung bekannt sind. Zweckmäßig arbeitet man auch bei der Berechnung von Leckverlust und Reibung elastischer Dichtungen mit dimensionslosen Kennzahlen, die aus den Bestimmungsgrößen der hydrodynamischen Schmiertheorie gebildet werden. Zur Abgrenzung des Anwendungsbereichs der. hydrodynamischen Schmiertheorie durch den übergang in die Mischreibung ist die Kenntnis der Schmierspalthöhen unter den verschiedenen Betriebsbedingungen notwendig. Beziehungen für die wesentlichen Kenngrößen werden theoretisch abgeleitet und durch Versuche nachgeprüft. Insbesondere werden die Verhältnisse bei O-Ringen und verwandten Dichtungsarten untersucht .