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Dynamische Dichtsysteme

Dynamische Dichtsysteme

Hier lesen Sie Fachartikel aus dem JAHRBUCH Dichten. Kleben. Polymer. 2020 >> Dynamische Dichtsysteme

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Aktuelle Entwicklungen der Elektromobilität führen zu Antriebskonzepten, die eine reibungsminimierte Auslegung von Wellendichtringen für hohe Drehzahlen erfordern. Dies betrifft insbesondere die Abdichtung von Getrieben, in denen Drehzahlbereiche jenseits von 20.000 min-1 denkbar sind. Ein Verfahren zur transienten Mehrfeldsimulation im Zeitbereich soll helfen, die Dynamik von PTFE-Wellendichtungen auch im Bereich hoher Drehzahlen effizient zu simulieren. Es berücksichtigt nicht nur große Verformungen und temperaturabhängige materielle Nichtlinearitäten, sondern auch die Wärmeentstehung an der Dichtstelle, die Wärmeleitung in Dichtung und Welle sowie den durch Kontakt von Dichtung und Welle bedingten Verschleiß. Darüber hinaus dient es als Grundlage, um Dichtsysteme mit adaptiven Eigenschaften hinsichtlich der Kontaktpressung numerisch analysieren zu können.

Neuerungen in der Automobilindustrie führen, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, zu Antriebskonzepten, die eine reibungsminimierte Auslegung von Wellendichtringen für hohe Drehzahlen erfordern. Dies betrifft z.B. die Abdichtung von Getrieben. Hierbei sind Drehzahlen jenseits von 15.000 min-1 denkbar, welche derzeit mit Antriebstopologien handelsüblicher Elektrofahrzeuge erreicht werden können. Die Ergebnisse des BMBF-geförderten Verbundvorhabens „Speed2E – Innovatives Super-Hochdrehzahl-Mehrgang-Konzept für den elektrifizierten automobilen Antriebsstrang für höchste Effizienz und höchsten Komfort“ belegen, dass es möglich ist, Motordrehzahlen von bis zu 30.000 min-1 zu erreichen und so, bei gleichzeitiger Senkung der Motormasse um 30%, Leistungsdichte, Effizienz und Wirtschaftlichkeit elektrifizierter automobiler Antriebsstränge deutlich zu steigern.

Untersuchungen zu reibungsarmen Wellendichtringen aus PTFE, die für einen Wellendurchmesser von 7 mm zur drucklosen Abdichtung von Öl mit einer Temperatur von 100 °C auf einer elektrischen Antriebseinheit durchgeführt wurden, verdeutlichen, dass Dichtsysteme für schnell laufende Anwendungen, wie z.B. Abgasturbolader, unter Laborbedingungen sogar für Drehzahlen von bis zu 150.000 min-1 getestet werden können. [...]

Professor Dr.-Ing. habil. Thomas Kletschkowski, Dr.-Ing. Florian Albrecht (HAW Hamburg, Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Ansteigende Energiekosten sowie die fortwährende Verschärfung gesetzlicher Rahmenbedingungen in Bezug auf CO2- und Schadstoffemissionen erfordern eine beständige Effizienzsteigerung technischer Systeme. Dies gilt auch für dynamische Elastomerdichtungen, die milliardenfach in technischen Systemen zum Einsatz kommen und schnell zu Reibungsverlusten in der Größenordnung von 100 W pro Dichtlippe (Kurbelwelle/Pkw) führen können. Deshalb wird hier eine Strategie zur Reduzierung der Verlustleistung dynamischer Elastomerdichtungen vorgestellt, die auf einer Mikrostrukturierung und Oberflächenbehandlung der Dichtungsgleitfläche beruht.

Dynamische Elastomerdichtungen können zu hohen Reibungsverlusten führen. Bedingt durch die geringe Kontaktfläche zwischen Dichtlippe und Welle (Berührbreite <200 μm) resultiert ein hoher flächenbezogener Wärmeeintrag von typischerweise 350 W/cm2. Hierdurch wird der Werkstoff bei höheren Gleitgeschwindigkeiten thermisch stark belastet. Dies kann zu Materialveränderungen, erhöhtem Verschleiß und letztendlich zum Funktionsverlust der Dichtung führen. Im Betrieb bildet sich durch die Rauheit der Oberflächen von Dichtlippe und Welle und ihrer Relativbewegung zueinander ein hydrodynamischer Spaltdruck aus, der eine (teilweise) Trennung der Oberflächen bewirkt. Bei den gegenwärtig eingesetzten Dichtungen liegt eine Schmierspalthöhe von im Mittel 1 μm vor. Die Reibung wird hierbei durch die hohe Scherwirkung des Öls dominiert.

Eine Strategie zur Reduzierung der Verlustleistung basiert auf der Vergrößerung der Schmierspalthöhe durch eine Funktionalisierung der Dichtungsgleitfläche mittels Mikrostrukturierung und Oberflächenbehandlung des elastomeren Werkstoffes. Durch die Mikrostrukturen ist es möglich, den hydrodynamischen Spaltdruck und damit die Schmierspalthöhe deutlich zu vergrößern. Eine größere Schmierspalthöhe führt jedoch prinzipbedingt auch zu einer Erhöhung der Leckage. Um die Dichtfunktion weiterhin aufrechtzuerhalten, können rückfördernde Mikrostrukturen eingesetzt werden. Aufgrund der Größe der Mikrostrukturen führt allerdings bereits geringer Verschleiß zu einem funktionsschädlichen Einfluss. Zur Verringerung des Strukturabtrages bieten sich verschleißarme Beschichtungen an. Plasmapolymere Beschichtungen scheinen hierfür besonders geeignet, da sie gleichzeitig zu einer Reibungsreduzierung im Bereich der Festkörperreibung führen. Durch die Beschichtung wird es sinnvoll möglich, auch auf verschleißanfälligen Werkstoffen wie Elastomeren, Mikrostrukturen zur Reibungsreduzierung einzusetzen. [...]

M.Sc. Dennis Keller, Univ.-Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs, M.Sc. Achim Kramer, M.Eng. Stephan Neumann (Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung, RWTH Aachen)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Die Entwicklung neuer Elastomerwerkstoffe für Dichtungsanwendungen ist sehr zeit- und kostenintensiv. Um eine Aussage treffen zu können, ob z.B. ein neu entwickeltes Elastomer für die Verwendung als Radialwellendichtring (RWDR) geeignet ist, müssen i.d.R. teure RWDR-Prototypen hergestellt und in aufwändigen Dauerlaufversuchen im Hinblick auf ihr Reibungs- und Verschleißverhalten und die Schmierstoffverträglichkeit analysiert werden. Um in Zukunft auf ein tribologisches Ersatzsystem zugreifen zu können, mit dem es möglich ist, die RWDR-spezifischen Kontaktbedingungen möglichst genau abbilden zu können, wurde ein Ringflächentribometer (RFT) entwickelt. Es erlaubt Aussagen über das Verhalten von Elastomeren zu treffen und die gezielten Änderungen im Ersatzsystem auf den Radialwellendichtring zu übertragen.

Mit dem RFT ist es möglich, unterschiedliche Materialien im Hinblick auf ihr Verschleißverhalten miteinander zu vergleichen. Weiterhin lassen sich Verträglichkeitsuntersuchungen von Schmierstoff und Elastomer durchführen. Zum aktuellen Zeitpunkt zeigen auf dem RFT generierte Ergebnisse im Vergleich zu Ergebnissen des RWDR-Systems eine vergleichbare Tendenz, es ist jedoch keine Absolutwertaussage möglich. Aus diesem Grund sollen an dem RFT im Verlauf der Entwicklung noch Veränderungen/ Optimierungen vorgenommen werden. Um diesen Optimierungsprozess zu beschleunigen und Kenngrößen analysieren zu können, welche rein über Experimente nicht zugänglich sind, wurde in der FE-Software ABAQUS ein integriertes Simulationsmodell des Ersatzsystems aufgebaut und validiert.

Zur Abbildung der RWDR-spezifischen Kontaktbedingungen kommt auf dem RFT eine Elastomer-Ringprobe aus Plattenmaterial zum Einsatz, welche auf einem nach DIN 3670 drallfrei geschliffenen Wellenkegel aus Stahl läuft. Bild 1 zeigt schematisch den Vergleich zwischen dem RWDR- und RFT-System mit den beiden Kontaktwinkeln αRWDR auf der Öl- und βRWDR auf der Luftseite. Diese Winkel liegen typischerweise zwischen βRWDR = 25° bis 30° und αRWDR = 40° bis 45°. Der Wellenkegel des RFT hat in der Standardkonfiguration einen Kegelwinkel von 30°, woraus in Kombination mit dem 90°- Winkel an der waagerecht stehenden Ringprobe für αRFT ein Winkel von 60° und für βRFT ein Winkel von 30° resultiert. [...]

Dipl.-Ing. Christoph Burkhart, M.Sc. Dominik Weyrich, Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer (Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Infolge von Grenzwerten für CO2-Emissionen und infolge zunehmender Elektromobilität ist die Energieeffizienz von Maschinen gegenwärtig von verstärktem allgemeinem Interesse. Bei sich bewegenden Teilen werden gerne Schmierstoffe eingesetzt. Die dazu wiederum benötigten Dichtungen verursachen Reibung und ungewollte Energieverluste. Mithilfe von Beschichtungen, die mittels Plasmatechnik auf dynamische Dichtungen aufgebracht werden, lassen sich im Antriebsstrang von Personenkraftwagen die CO2-Emissionen um 1,3 g CO2/km senken. Eine Mikrostrukturierung der Dichtlippe bietet noch einmal ein CO2-Einsparpotenzial von bis zu 1 g CO2/km.

Auch im Bereich der Windenergie können solche Beschichtungen helfen, einen Anlauf bei geringeren Windgeschwindigkeiten und einen leichteren Lauf bei allen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Der erweiterte Verschleißschutz äußert sich in längeren Wartungsintervallen. Allein schon die Notlaufeigenschaften bei trockenem oder nur geringfügig geschmiertem Lauf bieten einen großen Vorteil. Auch Pumpen sowie hydraulische und pneumatische Anwendungen können von einem verbesserten Verschleißschutz und einer reduzierten Reibung bei elastomeren Dichtungen profitieren. Grundvoraussetzung ist dazu eine beschichtungsgerechte Dichtkante. Um den Verschleißschutz durch plasmabasierte Beschichtungen noch weiter voranzutreiben, befasst sich diese Arbeit insbesondere mit einer Beschichtungsart mit höherer Härte bzw. höherem Elastizitätsmodul. Die bisher eingesetzten plasmapolymeren Beschichtungen basieren auf siloxan-artiger Zusammensetzung. Es wurde dazu Hexamethyldisiloxan (HMDSO) in einem Sauerstoff-Plasma (O2) per plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung als Monomer zur Schichtbildung verwendet. Der Elastizitätsmodul der plasmapolymeren Beschichtung liegt im Mittel bei ca. 40 GPa und kann maximal bis ca. 70 GPa gesteigert werden. Die weiterentwickelte Beschichtungsart setzt auf diamantartige Kohlenstoffbindungen (engl.: diamond-like carbon, DLC) und kann diesen Bereich des Elastizitätsmoduls nach oben hin, und damit den zu erwartenden Verschleißschutz, erweitern. Dazu wurden als schichtbildende Gase Toluol und Tetramethylsilan (TMS) eingesetzt. Der Elastizitätsmodul lässt sich elastomergerecht ohne Weiteres auf 97 GPa bringen. Darüber hinausgehende Werte gehen mit einer zu hohen Beschichtungstemperatur einher. Grund dafür ist der für die angesprochenen festen Bindungen notwendige Ionenbeschuss durch die schichtbildenden Ionen. Dies zieht darüber hinaus prozesstechnische Besonderheiten nach sich, die gelöst wurden. Diese werden neben Reibungs- und Verschleißergebnissen im Artikel beleuchtet.

DLC-Beschichtungen sind bekannt als Schutzbeschichtungen von metallenen Bauteilen. Gerade metallene Gleitringdichtungen an Hubkolben von Motoren, Kugellager, Werkzeuge sowie Messer sind dabei die gängigsten Anwendungsgebiete. Im Fall keramischer SiC-Gleitringdichtungen konnte eine besondere Diamantschicht entwickelt werden, um selbst solche verschleißbeständigen Gleitringe vor Verschleiß in nicht optimalen Betriebszuständen zu schützen. Die Diamantschicht wird mithilfe eines Heißdrahtfilamentes in der chemischen Gasphasenabscheidung (HF-CVD) bei 800 °C für 24 bis 36 h abgeschieden. Diese Beschichtungstechnik ist nur für Keramiken möglich, elastomere Dichtungen würden schwer geschädigt. [...]

Dr. Dominik Paulkowski, Suleyman Bayrak, M. Majd Bagdadi (Fraunhofer IFAM, Bremen)
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Gegenlaufflächen in dynamischen Anwendungen werden mit Rauheitskennwerten beschrieben. Ra als arithmetischer Mittenrauheitswert spielt heute noch eine große Rolle in der Definition von Anforderungen für die Gegenlauffläche für Dichtungen. Heutige Spezifikationen beziehen die Werte Rz und Rmax (Rz1max) mit dem Traganteil in die gewünschte Definition ein, um den steigenden Anforderungen in den Anwendungen gerecht werden zu können. Durch Variationen von Beschichtungstechnologien oder auch Varianten der Grundwerkstoffe wird „eine generelle Definition“ der Rauheit den Anforderungen heute nicht mehr gerecht.

Die Funktionalität tribologischer Systeme hängt bekanntermaßen von der geeigneten Abstimmung der Tribopartner ab. Bezogen auf hydraulische Dichtsysteme sind dies die Dichtung, das Hydraulikfluid und die Gegenlauffläche. Die Qualität der Oberfläche der Gegenlauffläche bestimmt dabei wesentlich den Zustand der Schmierung und den Verschleiß im Kontaktbereich. In der Literatur findet sich eine Vielzahl an Publikationen, die sich mit der Thematik der Gegenlaufflächen und einer geeigneten Beschreibung dieser befassen.

Grundsätzlich lässt sich unter dem Aspekt der notwendigen Substitution von Chrom (VI) in Europa ein Trend zu alternativen Beschichtungsverfahren feststellen, die hinsichtlich der Tribologie im Dichtsystem durch die üblicherweise verwendeten Werte Ra, Rz und Rmr(c) in ihrer Vielfalt mit den heutigen Katalogwerten der Dichtungshersteller nicht ausreichend gut beschrieben werden können. [...]

Dr.-Ing. Mandy Wilke, Holger Jordan (Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH)
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Starke radiale Auslenkungen von Rührwerkswellen können auch ohne die in der Dichtungstechnik üblichen Ausgleichselemente zuverlässig abgedichtet werden. Eine neue trocken laufende Lippendichtung zeichnet sich durch ein patentiertes Design aus, das die Komponenten PTFE-Dichtlippe und Gleitlager in einem Bauteil kombiniert. Die Abdichtung erfolgt durch das Lippendichtelement, welches gegen die rotierende Welle gedrückt wird. Die Produktentwicklung markiert einen neuen starken Trend im Bereich PTFE-basierter Werkstoffe für die Abdichtung von Wellendurchtritten.

Trockenlaufende Rührwerksdichtungen haben den Vorteil, dass sie ohne Schmierung und ohne die hierfür erforderlichen Versorgungssysteme auskommen. Ihr Einsatz in Rührwerken, Mischern und Reaktoren, insbesondere wenn deren Wellen  starke radiale Bewegungen entwickeln, beansprucht die Dichtungssysteme allerdings enorm. Dies kann zu erhöhter Leckage führen. Herkömmliche Wellendichtringe können die Bewegungen ohne zusätzliche Kompensationselemente wie O-Ringe, Dehnscheiben oder Metallfaltenbälge i.d.R. nicht ausgleichen.

Für die Betreiber von Anlagen in der Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie bedeuten die Kompensationselemente einen zusätzlichen Kostenfaktor. Zudem gibt es viele Anwendungen, für die ein kompaktes Dichtungsdesign von Vorteil ist und in denen Kompensationselemente schlicht mehr Bauhöhe beanspruchen – u.U. zu viel. Mit zunehmender Anzahl der Bauelemente erhöht sich außerdem das Risiko der Ausfallwahrscheinlichkeit. [...]

Markus Stefan Schmidt (EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG)
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