Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Reibverhalten und Dichtfunktion von Radialwellendichtringen bei instationärer Wellendrehzahl

Als Vorhabensziel sind die Grenzen herauszuarbeiten, ab denen instationäre Betriebsbedingungen im System RWDR versagensbestimmend sind, maßgebliche Einflussgrößen zu bestimmen und mit kritischen Werten zu belegen. Für das Versagen unter instationären Bedingungen sind die ursächlichen physikalischen Wirkmechanismen zu erforschen. Darauf basierend wird ein Benutzerprogramm entwickelt, das die Überprüfung von Betriebsbedingungen im Hinblick auf kritische instationäre Zustände erlaubt und Abhilfemaßnahmen vorschlägt. Um diese Ziele zu erreichen werden Versuche auf einem Antriebselemente-Prüfstand bei hohen, praxisrelevanten Beschleunigungen durchgeführt. Die Prüfzyklen orientieren sich am Betrieb von Robotern z.B. in Handhabungs- und Montagetechnik. Die Versagensgrenzen werden gezielt angefahren und die Wirkungsweise unterschiedlicher Abhilfemaßnahmen geprüft. Zum Verständnis der Wirkmechanismen werden direkt im Kontakt und stirnseitig kontaktnah Verzerrungsmessungen mittels Grauwertkorrelation durchgeführt. Zusätzlich werden mit einem für instationäre Anwendungen erweiterten 3D FE-Modell Simulationen durchgeführt. In einem mikroskaligen Simulationsmodell werden die Verzerrungen relevanter Rauheitsstrukturen analysiert, um Einblicke in die lokale Materialbeanspruchung zu erhalten. Die instationären Versagensgrenzen und mögliche Abhilfemaßnahmen werden in einem Benutzerwerkzeug bereitgestellt. Nach Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse ist es den KMU erstmalig möglich ihre Dichtringanwendungen im Voraus dahingehend zu überprüfen, ob kritisches instationäres Betriebsverhalten vorliegt. Gegebenenfalls werden durch den Maßnahmenkatalog konkrete Abhilfemöglichkeiten vorgeschlagen, die zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit und Robustheit des Systems führen. Das Vorhaben unterstützt durch ein tieferes Verständnis der tribologischen Mechanismen im Kontakt von instationären RWDR-Anwendungen die gezielte Entwicklung von RWDR, die bei diesen Anwendungen geeignet sind.

Ergebniszusammenfassung:

In einer ausführlichen Parameterstudie wurde der Einfluss der Betriebsbedingungen auf den Leckageauftritt und das Potential von Abhilfemaßnahmen untersucht. Dabei konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

1) Leckage tritt nur bei RWDR mit berührender Schutzlippe auf. Ein Anbohren der Dichtlippe zum Druckausgleich hat die Leckage verhindert.

2) Die Fettmenge beeinflusst den Leckagezeitpunkt. Die Befettung des Zwischenraums zwischen HL und SL sollte möglichst gering ausfallen.

3) Hohe Radialkraft und Gehäusedruck verzögern bzw. verhindern den Leckageauftritt.

4) Leckage tritt nur bei Bewegungszyklen mit einer kritischen Beschleunigung auf.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wird es der Industrie ermöglicht, zu bewertet werden, ob ein Anwendungsszenarium kritisch ist und durch welche Änderungen Leckage vermieden werden kann.

Darüber hinaus wurden die Versagensursachen experimentell mit Hilfe von Verzerrungsanalysen des Dichtkontaktes sowie simulativ auf der Makro- (Verzerrung der Dichtlippe) und Mikroskala (Verzerrung der Rauheiten im Kontakt) untersucht. Dabei wurde im Rahmen der experimentellen Bestimmung von Eingangsdaten eine Asymmetrie der Stribeckkurve für die beiden Drehrichtungen festgestellt und es wurde simulativ nachvollzogen, dass die Verzerrungen in Folge dieser Asymmetrie drehrichtungsabhängig unterschiedlich stark ausfallen. Auch im Rahmen der Mikroskaligen Analyse konnten drehrichtungsabhängige Unterschiede im Kontakt festgestellt werden.

Mit den entwickelten Simulationsmethoden können die Leckageursache und Einflussgrößen darauf zukünftig noch besser untersucht werden.

Das Forschungsziel wurde erreicht.