Dichtheit von Radial-Wellendichtringen auf Gegenlaufflächen mit mesoskopischen Strukturen

Abstract

In den für den Einsatz von Radial-Wellendichtringen (RWDR) aus Elastomer maßgeblichen Normen sind Strukturen auf der Gegenlauffläche, die eine Fluidförderung bewirken können, zu verhindern. In der industriellen Fertigung ist damit zu rechnen, dass die verwendeten Wellenoberflächen nicht immer der in den Normen geforderten Fehlerfreiheit entsprechen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von mesoskopischen Strukturen auf Gegenlaufflächen von RWDR im Hinblick auf deren Abdichtbarkeit untersucht. Die Strukturen wurden in die Dichtungsgegenlaufflächen eingebracht und repräsentieren Fehlstellen, wie sie zum Beispiel in Form von Dellen oder Kratzern auftreten können. Der Fokus lag auf Kratzern unterschiedlicher Tiefe, Orientierung, Anzahl und Anordnung. Als Dichtungsbauformen wurden Standard-RWDR ohne Rückförderhilfen sowie Einfachdrall-RWDR auf ihr Schadenskompensationsvermögen untersucht. In Leckageversuchen wurden kritische Fehlstellen identifiziert. Die Ergebnisse bestätigen, dass sowohl die Tiefe, die Orientierung und die Anzahl von Kratzern innerhalb des Dichtkontakts einen erheblichen Einfluss auf die Dichtheit des Dichtsystems haben können. Darüber hinaus zeigten sich bei Mehrfachkratzern Einflüsse des Kratzerabstands sowie deren gegenseitige Ausrichtung auf die Abdichtbarkeit. Bereits eine geringe Anzahl an Kratzern mit Tiefen im Bereich der tolerierbaren Oberflächenrauheit konnte in Kombination mit einem Standard-RWDR zu einer beachtlichen Leckage und damit zum Ausfall des Dichtsystems führen. Die Leckageversuche mit Einfachdrall-RWDR zeigten, dass die auftretende Leckagemenge im Vergleich zum Standard-RWDR deutlich geringer ausfällt. Die Förderwirkung der RWDR und Kratzerstrukturen wurden quantifiziert und mit den Ergebnissen der Leckageversuche korreliert. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurde ein empirisches Gesamt-Modell aufgestellt, mit dessen Hilfe Strukturförderwerte abgeschätzt werden können. Zur theoretischen Abschätzung der kratzerbedingten Leckage wurden Strömungssimulationen mit dem Open Source Programm ELMER ausgeführt. Berechnungen mit dem in ELMER implementierten Navier-Stokes- und Reynolds-Solver wurden ausgeführt und die Ergebnisse der Strukturförderwerte mit einander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung des Reynolds-Solvers insbesondere für geringe Strukturtiefen bis ca. 3 µm zielführend ist. Für tiefere Strukturen hat sich die Berechnung mittels Navier-Stokes-Solver als vorteilhaft herausgestellt. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die korrekte Abbildung des Dichtkontakts, insbesondere bei Strukturtiefen im Bereich der Oberflächenrauheit, weitere Herausforderungen darstellt.

In other projects the reasons for occurring leakage were investigated. However there is no satisfying method to identify critical surface structures such as lead on shafts on the market yet. Furthermore reliable limits are not known. Also in a properly executed grinding process or in the further handling process, scratches on the micro or meso scale can occur on shaft surfaces. In practice it can happen that surfaces, even those identified as good or lead-free, can be a cause of leakage. To promote the current state of research, in this thesis the investigations were carried out in reverse. Good seal counterfaces, which otherwise could be sealed properly, were micro-structured in order to investigate their effect on the performance of radial shaft seals. The focus was on investigating critical scratch failures. For this purpose laser scratches with a variation in depth, orientation, and number were created on the seal counterfaces, and leakage tests were carried out. Test results carried out with mechanically scratches support the comparability with laser-scratches. Different radial shaft seal types, such as plain lip seals or seals with unidirectional sealing aids were tested on the scratches with regard to their capability to compensate failures and to prevent leakage. The micro structures were precisely measured with a 3D-laserscanning microscope. The test results show that depth, orientation, and number of the scratches can have a massive impact on the seal performance. Also the distance and orientation between the structures can affect the leakage-free operation of the sealing system. One important result can be pointed out, namely that a small number of scratches with depths in the order of magnitude of the tolerable surface roughness can lead to a significant amount of leakage and consequently the loss of the sealing system function. By superimposing the reverse pumping rate measured on failure-free counterfaces and the pump rate influenced by the scratches, the net pump rate of the scratches was estimated. An empirical model to estimate the net pump rate of scratches was introduced. Beside the experimental investigations theoretical investigations using computational fluid dynamics were carried out with the open source multiphysics software ELMER. Thus the fluid flow through the scratches was estimated and compared with the experimental results. The results obtained with different solvers (Reynolds vs. Navier-Stokes) were compared and the application limits regarding the calculation of the considered structure parameter combinations could be identified.