Dichtungen Druckbeaufschlagbare Radialwellendichtringe für extreme Anforderungen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Thomas Papatheodorou* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Dichtsysteme für Hydraulikpumpen und –motoren müssen dem Trend zu höherer Leistungsdichte bei gleichzeitig kleiner werdenden Dichtungs-Einbauräumen folgen. Dichtungshersteller stehen damit vor die Aufgabe, neue Dichtungen auf Basis von Hochleistungswerkstoffen mit neuen Bauformen zu entwickeln, bei denen bei höchstmöglichster Belastung eine geringstmögliche Verlustreibung auftritt.

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Die beiden neuen RWDR-Bauformen VU (oben) und VT (unten): Der Unterschied liegt in der Lage des metallischen Stützkörpers im Dichtprofil. Bilder: Parker Hannifin
Die beiden neuen RWDR-Bauformen VU (oben) und VT (unten): Der Unterschied liegt in der Lage des metallischen Stützkörpers im Dichtprofil. Bilder: Parker Hannifin
( Archiv: Vogel Business Media )

Hydraulikpumpen, sowohl Zahnrad- oder auch Kolbenpumpen, haben sich aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus bei der Druckerzeugung in ölhydraulischen Anlagen bewährt. Die Pumpenhersteller bieten eine Vielzahl von Varianten für die unterschiedlichsten Anwendungen an. Allen ist jedoch gemeinsam, dass die durch den vorderen Gehäusedeckel führende Antriebswelle durch Radialwellendichtringe (RWDR) abgedichtet wird. Die zumeist nur mit Niederdruck belasteten RWDR können bei entsprechenden Betriebsbedingungen bzw. konstruktiv gegebenen Randbedingungen durchaus deutlich höhere Druckspitzen erfahren, die ein Vielfaches des auf den Wellendichtring wirkenden Nominaldrucks betragen. Diese hohen Drücke können mit Standard-Wellendichtringen nach DIN 3760 bzw. ISO 6194 nicht mehr sicher abgedichtet werden. Auf Basis dieser Anforderungen hat Parker-Prädifa neue RWDR-Bauformen für den Einsatz in druckbeaufschlagten Anwendungen entwickelt.

Entwicklung der Druck-Dichtungs-Bauformen Typ VT und Typ VU

Nach vorgegebenem Pflichtenheft wurden verschiedene Dichtungsdesigns unter Einsatz der rechnergestützten Simulation entwickelt, die den Forderungen nach hoher Druckbelastbarkeit bei gleichzeitig möglichst geringer thermischer Belastung der Dichtkante standhalten. In mehreren Iterationsschleifen wurde die Dichtungsgeometrie von zwei Bauformen optimiert. Bei den Berechnungen wurde in Abhängigkeit von der Druckbelastung die Spannungsverteilung im Dichtprofil bestimmt (Bild 1). Anschließend wurde die Drehzahl der Welle variiert, um die entstehende kinetische Energie unter der Dichtkante der Dichtung zu ermitteln. Auf Basis dieser Berechnungsergebnisse wurde ein erstes Musterwerkzeug für die Produktion der Dichtungen erstellt.

Bildergalerie

Die beiden neu entwickelten RWDR-Bauformen Typ VT und Typ VU basieren im Wesentlichen auf dem gleichen Funktionsprinzip. Beide Bauformen besitzen gegenüber einem Standard-RWDR nach DIN 3760 eine steifer ausgeführte Dichtlippengeometrie, sowie eine verkürzte Elastomermembran. Der Unterschied in den beiden Varianten liegt in der Lage des metallischen Stützkörpers im Dichtungsprofil. Die Bauform VT weist zusätzlich zwei mit Elastomerwerkstoff verschlossene, axiale Bohrungen auf, die eine leichtere Demontage der Dichtung ermöglichen sollen.

Beide Bauformen können in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Temperatur bis zu einem Dauerdruck von 30 bar, bei Druckspitzen bis zu 60 bar, eingesetzt werden. Um diese Druckbelastbarkeit zu realisieren, weist der metallische Stützkörper im Innendurchmesser einen Radius auf, um die Verformung der Dichtlippe bei hoher Druckbeaufschlagung möglichst gering zu halten.

Als Variante sind RWDR vom Typ VU auch mit einer zusätzlichen PTFE-Lippe im Bereich der Dichtkante verfügbar. Die PTFE-Lippe hat die Aufgabe, bei hohen thermischen Belastungen den eigentlichen Dichtringwerkstoff vor Überbeanspruchung zu schützen. Beide Bauformen sind in den Werkstoffklassen NBR, HNBR und FKM verfügbar. Bei speziellen Einsatzbedingungen können die RWDR auch in Sonderwerkstoffen bereitgestellt werden.

Validierung der neuen Dichtungs-Baureihen

Die neuen Druck-RWDR-Bauformen wurden anhand verschiedener Prüfprogramme auf ihre Funktionsfähigkeit und Lebensdauer in Kurz- und Langzeituntersuchungen validiert:

  • Statische Druckpulsationsprüfungen
  • Dynamische Dauerlaufversuche bei Konstantdruck oder unter Druckpulsation
  • Tieftemperaturprüfungen (Bestimmung des Anfahrverhaltens)
  • Radialkraftmessungen.

Bei den Druckpulsationsprüfungen wird der Druck in Stufen so lange gesteigert, bis es zum Versagen der Dichtung durch Umstülpen oder Einreißen der Dichtlippe kommt. Die Versuche werden im Temperaturbereich zwischen 23 °C und 120 °C (bei FKM bis 180 °C) durchgeführt.

Die dynamischen Untersuchungen wurden auf Dauerlaufprüfständen durchgeführt, die eine Druckbeaufschlagung bis zu 50 bar bei Drehzahlen von bis zu 4000 1/min ermöglichen. Das Öl in der Prüfkammer kann mit Hilfe von Heiz- und Kühlmänteln temperiert werden. An den Prüfständen können Wellenexzentrizitäten von bis zu 0,25 mm in Abhängigkeit vom realisierten Wellendurchmesser eingestellt werden.

Ergebnisse der statischen Druckpulsationsprüfungen

In Bild 2 und Bild 3 sind Ergebnisse statischer Druckpulsationsprüfungen für die Bauformen VT und VU dargestellt. Bei Erreichen einer Anzahl von 120.000 Pulsen ohne Ausfall der Testdichtung wurde die jeweilige Messstufe beendet. Da sich die beiden Bauformen im Design nur unwesentlich von einander unterscheiden, ergaben sich im Versuch erwartungsgemäß nur geringe Unterschiede im Hinblick auf die Anzahl der gefahrenen Druckpulse bis zum Ausfall der Dichtungen. Mit zunehmendem Druck oder Temperatur nimmt die Belastbarkeit eines Dichtringwerkstoffs ab.

Eine generelle Erkenntnis aus diesen Versuchen war, dass bei Druck-RWDR die Schraubenfederenden abgerundet sein müssen. Ein scharfkantiges Ende kann zu einer Perforation der Dichtlippe von innen heraus führen. Dies war am Anfang der Produktentwicklung die häufigste Ausfallursache in den durchgeführten Versuchen.

Ergebnisse der dynamischen Dauerlaufversuche

Die Dauerlaufversuche wurden nach hauseigenen Prüfnormen, sowie anhand von vorgegebenen kundenspezifischen Lastenheften durchgeführt. In den Versuchen wurde das Verschleiß- und Leckageverhalten der Dichtungen, sowie die Auswirkung der vorgegebenen Belastung auf die Wellenoberfläche bestimmt. Die Untersuchungen wurden sowohl mit Konstantdruck als auch mit Druckpulsation durchgeführt. Sie liefen jeweils über 1000 h, wobei alle 250 Stunden die Drehzahl in Stufen gesteigert wurde. In weiteren Untersuchungen wurde bei konstanter Drehzahl der Druck in Stufen gesteigert.

Bei den Bauformen VT und VU ergaben sich für die Werkstoffkategorien NBR, HNBR und FKM in Anhängigkeit vom vorgegebenen Wellendurchmesser die in Bild 4 dargestellten Druck-Geschwindigkeitskurven. Beim Einsatz dieser Dichtungsbauformen muss darauf geachtet werden, dass die Temperaturentwicklung im Dichtlippenbereich die Belastungsgrenze des eingesetzten Dichtungswerkstoffs nicht überschreitet, da dies zu einem frühzeitigen Versagen führen kann. Im Gegensatz zu Standard-RWDR nach DIN 3760 muss bei druckbelastbaren RWDR mit deutlich höheren Laufflächentemperaturen gerechnet werden.

Auswirkungen des Öldruckes auf die Beschaffenheit der Welle

In den durchgeführten Dauerversuchen hat sich gezeigt, dass mit zunehmender Druckbelastung auch eine höhere Härte für die Welle gewählt werden muss. Bei zu geringer Härte des Wellenwerkstoffs konnte innerhalb einer sehr kurzen Prüfzeit ein deutlicher Welleneinlauf festgestellt werden. Dies kann in der Praxis zu einem zum vorzeitigen Versagen der Dichtung durch Leckage führen.

Somit lassen sich folgende Empfehlungen im Hinblick auf die Wahl der Härte für die Wellenoberfläche ableiten: Bei Drücken oberhalb von 15 bar sollte die Härte der Welle mindestens 60 HRC betragen. Bei Drücken von 5 bis 15 bar sollte sie zwischen 52 HRC und 60 HRC liegen. Erfahrungsgemäß greifen FKM-Werkstoffe aufgrund ihrer Füllstoffe, die eine erhöhte Verschleißfestigkeit des Werkstoffs bewirken sollen, die Wellenoberfläche deutlich stärker an als vergleichbare harte NBR- oder HNBR-Werkstoffe.

In den Versuchen hat sich weiterhin gezeigt, dass die Oberflächenrauheiten gegenüber den Angaben in der DIN 3760/3761 verringert werden müssen. Bei den Druck-RWDR-Bauformen VT und VU sollte die Rauheit Rz der Welle, drallfrei geschliffen, einen Wert von 1,6 µm nicht übersteigen.

Einfluss der Montage auf den Verschleiß der Dichtung

Eine Initialschmierung der Dichtungen mit einem Hochtemperaturfett begünstigt das Einlaufverhalten der Wellendichtringe und hat somit auch positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der Dichtungen. Bei trockener Montage konnte unter vergleichbaren Versuchsbedingungen ein erhöhter Verschleiß bei den getesteten Dichtungen, sowie ein erhöhter Welleneinlauf festgestellt werden.

Bei Montage der Dichtungen in offene Einbauräume und Sicherung derselben mit einem Seegerring konnte in den Versuchen bei Aufbringen von sehr hohen Druckbelastungen (> 30 bar) festgestellt werden, dass sich die Dichtungen mit der Zeit partiell unter dem Seegerring hindurch verformen können, trotz des steifen metallischen Stützkörpers im Wellendichtring. Es wird daher empfohlen, die Dichtungen beim Einsatz in offenen Einbauräumen nicht nur mit einem Seegerring axial zu sichern, sondern zusätzlich noch eine ca. 3 bis 4 mm breite Sicherungsscheibe als Abstützung vor dem Wellendichtring zu verwenden.

*Dipl.-Ing. Thomas Papatheodorou, Parker Hannifin, Leiter des Physikalischen Labors

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