Abdichtung beidseitig drehender Wellen durch PTFE-Manschettendichtungen mit eingeprägten drehrichtungsunabhängigen Rückförderelementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Radialwellendichtring aus Elastomer (RWDR) wird zur Abdichtung vieler Wellendurchtrittsstellen erfolgreich verwendet. Allerdings sind seinem Einsatz Grenzen gesetzt. Dies betrifft die Temperatur, die Gleitgeschwindigkeit, die Schmierung und die chemische Beständigkeit der Elastomere. Deshalb wurden Dichtringe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) entwickelt. PTFE Ist temperaturfest, trockenlauffähig und chemisch universell beständig. Da PTFE-Dichtringe nicht wie RWDR selbstständig einen Rückfördermechanismus entwickeln, werden mechanisch Spiralrillen eingebracht. Diese wirken jedoch nur in eine Drehrichtung und sind bei (Teil-) Überflutung undicht. Sie können deshalb nicht in Fahrzeuggetrieben und im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt werden. Ziel des Projekts war die Entwicklung und Analyse von drehrichtungsunabhängigen, zuverlässig funktionierenden Rückförderstrukturen für PTFE-Manschettendichtungen. Hierzu wurden Simulationen und dichtungstechnische Funktionsuntersuchungen wie statische und dynamische Dichtheit, Förderwertmessungen und Reibmomentuntersuchungen durchgeführt. Weiterhin wurden Strömungsvorgänge im Berührbereich von Dichtring und Welle visuell durch eine Glashohlwelle untersucht. In Finite Elemente Simulationen wurden 2D- und 3D-Simulationen zum Anlageverhalten und zur optimalen Positionierung des geschlossenen Rings und der Rückförderstrukturen und zur Auslegung der Pressungsverteilung auf der Welle durchgeführt. In Strömungssimulationen wurden die Grundlagen und die Anwendung der Umlenkwirkung und des Druckaufbaus zwischen den Rückförderstrukturen und einem luftseitigen geschlossenen erhabenen Ring untersucht. In mehreren experimentellen Iterationsschleifen wurden verschiedene Werkstoffe, Dichtringgehäuse, Manschettendurchmesser und -dicken und vor allem Grundgeometrien und Größen der Rückförderstrukturen hergestellt und untersucht. Die Funktion muss in statische Abdichtung bei Stillstand der Welle und dynamische Abdichtung bei Rotation der Welle unterschieden werden. Zur statischen Abdichtung muss ein erhabener geschlossener Ring mit steilen Flanken (statisch dicht durch Kohäsionskräfte) verwendet werden. Der Übergang der Rückförderstrukturen zum geschlossenen Ring muss zusätzlich zur makroskopischen Umlenkwirkung der Rückförderstrukturen (konvergenter Spalt zum geschlossenen Ring) eine Druckaufbauwirkung (konvergenter Spalt zur Welle), also einen doppelt konvergenten Spalt aufweisen, um umlenken und den Spalt erzeugen zu können. Das Öl wird durch den geschlossenen Ring auf die Ölseite zurückgepumpt. Öl welches bereits die Rückförderstrukturen benetzt hat, wird von einem zweiten luftseitigen geschlossenen Ring aufgefangen und von der nächsten Rückförderstruktur erfasst und zurückgepumpt. Optimale Rückförderstrukturen bestehen aus kleinen geraden Stegen die getrennt in den ölseitigen geschlossenen Ring eingehen. Die Rückförderstrukturen sind von einem zweiten luftseitigen geschlossenen Ring getrennt. Aus den Erkenntnissen wurden physikalisch begründete Funktionsmodelle aufgestellt und experimentell abgesichert. Aufbauend auf diesen abgesicherten Grundlagen können von der Industrie universell einsetzbare Radialwellendichtringe aus PTFE entwickelt werden. Diese sind chemisch universell beständig und dichten bei hohen Gleitgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen in beide Drehrichtungen auch bei Überflutung funktionssicher ab. Die Anwendungsperspektiven für den Dichtring sind hervorragend. Von einer erfolgreichen Verwertung der Ergebnisse kann ausgegangen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Uneingeschränkt dicht! Statisch und in beide Drehrichtungen - PTFE-Manschetten, Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung, Stuttgart, 2011, S. 105, ISBN:978-3-8396-0348-2
Gölz, J.; Bauer, F.; Haas, W.
- Numerical Analysis of PTFE Lip Seals with Sealing Aids for Bi-Directional Rotation, 67th STLE Annual Meeting, St Louis, USA, May 06-10, 2012; Tagungs-CD
Goujavin, W.; Bauer, F.; Haas, W.
- PTFE Lip-Seals with Bi-directional Sealing Aids, 17th ISC - International Sealing Conference, Stuttgart, 13.-14. September 2012, Tagungsband ISBN 978-3-00-039198-9
Golz, J.; Goujavin, W.; Bauer, F.; Haas, W.
- PTFE Lip-Seals with Bi-directional Sealing Aids, 18th International Colloquium Tribology, Ostfildern-Nellingen, 10.-12. January 2012, Book of Synopses 2012, W. J. Bartz (Hrsg.) - TAE Esslingen, S. 157, ISBN 3-924813-97-3
Gölz, J.; Bauer, F.; Haas, W.
