Die ideal gestaltete Dichtung

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Institut f. Maschinenelement Universität Stuttgart

Nur durch „Mitschleppen“ kann eine aktive Dichtung erzeugt werden

Da die abzudichtende Druckdifferenz und die schwachen Kapillarkräfte meist vorgegeben sind, steht zur Beeinflussung (Lenkung) des abzudichtenden Fluides im und direkt am Dichtspalt einer Einzeldichtung nur das „Mitschleppen“ zur Verfügung. Nur durch „Mitschleppen“ kann eine aktive Dichtung erzeugt werden.

Das mitgeschleppte Fluid wird an im und am Dichtspalt befindlichen "Strukturen" abgelenkt und/oder aufgestaut (Schleppdruck) und unterliegt bei drehenden Systemen zusätzlich der Fliehkraft. Diese fluidstrombeeinflussenden Strukturen können: erwünscht oder unerwünscht, aktiv gefertigt oder selbstentstehend, nur wenige nm tief oder einige 10tel mm hoch sein, und millionenfach oder nur einzeln vorkommen. Wirken tun sie immer – graduell unterschiedlich.

Für übliche Reibungsberechnungen gilt, dass die Reibfläche A und damit die Breite b der Dichtflächen die entscheidende Größe für die Reibkraft F_R ist. Schmale Dichtflächen = geringe Reibung. Dies gilt sowohl für trockene Reibung, für Mischreibung wie auch für vollständige Flüssigkeitsreibung F_F = F_R = τ x A und für jede Reibzahl µ.

Die Reibzahl µ ist keine feste Größe für einen Werkstoff oder eine Werkstoffkombination wie oft angenommen wird. Die Reibzahl µ ist stets eine Systemfunktion und insbesondere bei Dichtungen aus Elastomer oder Kunststoff von vielem abhängig. Sie verändert sich stark und zeigt und extreme Wechselwirkungen. Wichtige Systemparameter sind beispielsweise die Gleitgeschwindigkeit v, die Temperatur T, der Druck p, die Zeit t, die Viskoelastizität des Dichtungsmaterials, die Dichtflächenstruktur (Rauheit), das abzudichtende Fluid und vieles mehr.

Eine „ideale“ Dichtung, ideal hinsichtlich sehr guter Dichtheit und geringer Reibung bei nur kleinen Verformungskräften auf die Bauteilstruktur – eine effiziente Dichtung also – hat folgende Eigenschaften: Sie besitzt eine schmale Dichtfläche, wenn möglich eine Dichtkante. Die Dichtflächen werden gerade so stark angepresst, wie entsprechend den momentanen Betriebsbedingungen notwendig. Sie fördert potenzielle Leckage zurück. Und sie behält diese Eigenschaften lange über einen großen Betriebsparameterbereich. Für viele Fälle ist eine berührungsfreie Dichtung ideal: Keine Anpressung, keine Reibung, absolut zuverlässig und ein unendliches Leben.

Tief gehendes Wissen, wie Dichtungen funktionieren, trägt entscheidend dazu bei, geeignete Dichtsysteme zu entwerfen, gegebenenfalls das richtige auszuwählen, kritisch gestaltete Dichtungen zu erkennen und vor allem keine unerfüllbaren Erwartungen zu hegen. (jv)

* Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas lehrt am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart.

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