Darstellung des Dichtsystems mit den thermischen Randbedingungen (gelb: Konvektion Öl, blau: Konvektion Luft, rot: Kontaktbereich) (Bild: HAW Hamburg, Fakultät TI)
31.10.2017 Thermomechanische Simulation von PTFE-Wellendichtungen
Wellendichtungen sollen das Austreten von Öl und das Eindringen von Schmutzpartikeln verhindern. Wegen ihrer guten Schmiermittelverträglichkeit, Temperaturbeständigkeit sowie Reibungs- und Verschleißverhalten werden häufig Wellendichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Dies stellt aufgrund der ausgeprägten nichtlinearen Materialeigenschaften eine besondere Herausforderung für die zur Auslegung benötigte Simulation des Dichtsystems dar.
Insbesondere die starke Temperaturabhängigkeit des Materials ist hierbei zu erwähnen, die bei Erhöhung der Temperatur zu einem Abfall der Radialkraft führt. Weitere nicht vernachlässigbare Effekte, wie geometrische Nichtlinearität und Kontakt erhöhen die Komplexität der Simulation zusätzlich. Eine Möglichkeit die Komplexität und auch die Simulationszeit zu verringern besteht darin, die Dichtung mit einem Stabgitternetz aus eindimensionalen Zug-Druck-Stäben und Massepunkten zu diskretisieren [1]. Durch die lokal eindimensionale Betrachtung kann ein viskoplastisches rheologisches Materialmodell für PTFE [2] direkt implementiert werden. Nachfolgend wird die Kopplung aus strukturmechanischer Simulation mit der thermischen Analyse des Dichtsystems diskutiert.
Die thermomechanische Simulation
Die thermische Simulation beinhaltet den Wärmetransfer in Dichtung und Welle, den Wärmeübergang an Luft- und Ölseite und die reibungsinduzierte Wärmeentstehung im Dichtkontakt. Vereinfachend wird hier von einer gänzlich von Öl umströmten Dichtung ausgegangen. Das Dichtsystem, mit seinen thermischen Randbedingungen ist in Bild 1 gezeigt. Der Haltering wird in der Simulation aufgrund der geringen Materialdicke vernachlässigt. Stattdessen wird eine Konvektionsrandbedingung zu dem Öl angenommen. Es wird eine Welle mit einer Länge von 400 mm verwendet, wobei sich die Wellenmitte auf Höhe der Einspannung der PTFE Dichtung befindet.
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