Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT)

Simulation von dynamischen Dichtsystemen

Radialwellendichtringe (RWDR) werden meist als B- bzw. C-Teile eingekauft. Dabei kann ein Ausfall einer Dichtung durch die Stillstandszeiten großen finanziellen Schaden anrichten. Es kommt in der Praxis jedoch oft vor, dass bei hohen Anforderungen an die Dichtheit einfach die Radialkraft erhöht wird. Dies führt zu hohen Verlustleistungen und kann den Verschleiß erheblich verstärken. Daher kommt der korrekten Auslegung des Dichtsystems bestehend aus dem RWDR, der damit in Kontakt stehenden Wellenoberfläche und des Schmierstoffs eine große Bedeutung zu.

Aus diesem Grund werden am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik in verschiedenen Forschungsprojekten Simulationsmodelle zur Untersuchung von Radialwellendichtringen entwickelt.

Finite-Elemente Modelle:

Am MEGT stehen verschiedene FE-Modelle zur Untersuchung von Standard-RWDR, RWDR mit Schutzlippe und PTFE Manschettendichtungen bereit.

Die Modelle bieten die Möglichkeit, die Flächenpressung im Kontakt zu bestimmen. Darauf aufbauend können das Reibmoment, die dadurch enstehende Temperaturerhöhung im Kontakt, das thermische Gleichgewicht der Umgebung sowie der Verschleiß an Dichtring und Welle transient berechnet werden. Dabei ist es auch möglich, eine Oberflächenstruktur der Welle im Kontaktbereich zu berücksichtigen.

Neben der Untersuchung des Verschleißes werden in aktuellen Projekten auch die Folgefähigkeit der Dichtlippe bei dynamischen Wellenauslenkungen und die Verzerrung der Dichtlippe durch die Drehung der Welle untersucht.

 

EHD-Simulation des Kontaktes Dichtring-Welle:

Im Rahmen der Teilprojekte C01 und C02 des Sonderforschungsbereiches 926 an der Technischen Universität Kaiserslautern wird am Lehrstuhl ein Simulationsmodell für den Elastohydrodynamischen Kontakt zwischen Welle und Dichtkante (sowie Bolzen und Hülse bei Hülsenketten) entwickelt. Dabei sollen die Materialeigeschaften der Welle und der Dichtkante lokal und tiefenabhängig aufgelöst werden und die Plastizität des Wellenstahls wird berücksichtigt.

 

Modellierung und Simulation von Wellenoberflächen:

Die Gegenlauffläche von Radialwellendichtringen wird meist gehärtet und im Einstich geschliffen um Drallstrukturen, die bei einem etwaigen vorangegangenen Drehprozess enstanden sind zu entfernen. Um den Drall sicher zu entfernen sind lange Ausfunkzeiten nötig, die den Fertigungsprozess unwirtschaftlich machen. Gerade in Hinblick auf kostenoptimierte Fertigung wird nach alternativen Fertigungsverfahren gesucht, bei denen es u.a. auf Grund der Drallstrukturen zu Frühausfällen kommen kann. Untersuchungen am MEGT im Rahmen des Teilprojektes C01 des Sonderforschungsbereiches 926 haben gezeigt, dass gedrehte drallbehaftete Oberflächen unter bestimmten Bedingungen im Dichtsystem RWDR funktionieren können.

Neben experimentellen Untersuchungen sind in diesem Bereich auch simulative Betrachtungen des Dichtsystems notwendig. Um die Struktur gedrehter Wellenoberflächen für die Simulation abschätzen zu können, ohne Wellenoberflächen herzustellen und zu vermessen wurde am MEGT gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik und dem Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation ein kinematisches Modell des Drehprozesses erstellt. In diesem Modell wird aus der Relativbewegung von Werkzeug und Welle die erzeugte Oberflächenstruktur in Abhängigkeit der Fertigungsparameter und Werkzeuggeometrie für gängige Drehverfahren abgeschätzt.

 

Literatur:

  • Jennewein, B.; Sauer, B.: Integrierte Berechnung des dynamischen Betriebsverhaltens von Radialwellendichtringen. In: Konstruktion Nr. 11 (2015), S. 80 ff.
  • Jennewein, B.; Kaiser, C.; Sauer, B.: Effects of dynamic loads on the wear of rotary shaft seals. The 9th International Fluid Power Conference, 9. IFK, March 24-26, 2014, Aachen. ISBN: 978-3-9816480-3-4
  • Raid, I.; Seewig, J.; Frölich, D.; Sauer, B.; Mayer, P.; Schneider, F.; Aurich, J.: Kinematische Simulation gedrehter Wellenlaufflächen. wt-online, Ausgabe 5, 2014, Seiten 279-287.
  • Frölich, D.; Magyar, B.; Sauer, B.: Semi-Analytical Model for the Contact Temperature Calculation in Radial Shaft Seals. STLE Annual Meeting, Lake Buena Vista, Florida, 2014.
  • Thielen, S.; Magyar, B.; Piros, A.: Reconstruction of three-dimensional Turned Shaft Surfaces with Fractal Functions. Tribology International 95 (2016), S. 349–357. doi:10.1016/j.triboint.2015.11.028

 

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