Stochastische Strukturen

Auswirkung stochastischer Strukturen von Gegenlaufflächen auf die Funktion von Radialwellendichtringen   

Die Gegenlaufflächen von Radialwellendichtringen (RWDR) sollen laut Norm frei von jeglichen Fehlstellen wie Dellen, Kratzern, Rissen oder Rost sein. Dieser Forderung nach Fehlerfreiheit können industrielle Fertigungsverfahren oder Montageprozesse nicht immer gerecht werden. Im Regelfall werden auch minimale Störungen auf der Oberfläche als Ausschusskriterium verwendet, sodass unnötig Kosten entstehen. Um in Zukunft dynamische Dichtstellen wirtschaftlicher herstellen zu können, sind Informationen über Grenzwerte stochastisch auftretender Fehlstellen von hoher Bedeutung.

In diesem Forschungsvorhaben wurden die Erkenntnisse über kritische Fehlstellen in Form von Dellen und Kratzern erweitert. Als drallfrei identifizierte Gegenlaufflächen wurden sowohl Dellen- als auch Kratzerschäden definierter Geometrie und Ausrichtung eingebracht und in Leckageversuchen kritische Fehlstellen identifiziert. Der Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens lag auf der Untersuchung kritischer Kratzerschäden. Dazu wurden Kratzer unterschiedlicher Tiefe (3 µm-24 µm), Orientierung (10°-70°) und Anzahl (1-100 Stück) mittels Laser in die Gegenlaufflächen eingebracht und auf Dichtheit überprüft. Es wurden sowohl Standard-RWDR ohne Rückförderhilfen als auch alternative Dichtungsbauformen auf ihr Schadenskompensationsvermögen hin untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass sowohl die Tiefe, die Orientierung als auch die Anzahl von Kratzern innerhalb des Dichtkontakts einen erheblichen Einfluss auf die Dichtheit des Dichtsystems haben können.

Je nach Relativbewegung des Schadens gegenüber der Dichtkante wird Fluid von der Öl- zur Luftseite gefördert oder umgekehrt (vgl. Abbildung 1).

Mit steigendem Kratzerwinkel gegenüber der Wellenachse und größerer Tiefe nimmt bei entsprechender Drehrichtung die Tendenz zur Leckage stark zu. Ferner konnte bereits eine Erhöhung der Kratzeranzahl von eins auf drei (vgl. Abbildung 2) zu einem Ausfall des Dichtsystems führen, was den Einfluss der Kratzeranzahl unterstreicht. Eine weitere wichtige Erkenntnis stellt die Tatsache dar, dass bereits eine geringe Anzahl an Kratzern (50 Kratzer) mit Tiefen im Bereich der Oberflächenrauheit (3 µm), in Kombination mit einem Standard-RWDR, zu einer massiven Leckage und damit zum Ausfall des Dichtsystems führen kann. Der Einsatz alternativer Dichtungsbauformen stellte sich nur bedingt als zielführend heraus. So zeigten einige Bauformen mit zusätzlichen Rückförderstrukturen eine höhere Empfindlichkeit auf Kratzerschäden als der Standard-RWDR ohne Förderhilfen. Zur theoretischen Abschätzung der kratzerbedingten Leckage wurde eine CFD-Simulation der Fluidströmung durch den Kratzer im Dichtkontakt ausgeführt. Durch die Überlagerung (Superposition) der gemessenen RWDR-Rückförderrate auf ungeschädigten und der Leckagerate auf schadhaften Gegenlaufflächen wurde die Förderrate der Kratzer abgeschätzt und mit den Simulationsergebnissen verglichen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 17812 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Abbildung 1: Fluidförderung durch Kratzer führt zu Leckage

Abbildung 2: Beispiel für dreifach-Laserkratzer mit einer Tiefe von 11 µm