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T1 - Dichtheit von Radial-Wellendichtringen auf Gegenlaufflächen mit mesoskopischen Strukturen

AU - Matus, Mark Philipp

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/14579

DO - 10.15488/14579

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -