Dichtung Getriebedichtung der nächsten Generation

Antriebe in Industrieanwendungen werden immer öfter rund um die Uhr mit hoher Dynamik in wechselnden Drehrichtungen betrieben. Unter diesen Belastungen ist ein Radialwellendichtring – in Bezug auf die Lebensdauer – oft das begrenzende Glied in einem Getriebemotor..

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Radialwellendichtringe (RWDR) aus Elastomer sind nach wie vor die erste Wahl, wenn es darum geht ein Getriebe in beide Drehrichtungen wirtschaftlich und zuverlässig gegen anstehendes Öl abzudichten. Typische Langzeitausfallursachen bei Dichtringen sind Elastomeralterung und -verschleiß sowie Welleneinlauf an der Dichtstelle – die Verträglichkeit von Elastomer und Schmierstoff vorausgesetzt. Die Möglichkeiten diesen Mechanismen entgegenzuwirken, sind sehr begrenzt. Grundsätzlich gilt jedoch: Je weniger Reibung und Temperatur, desto länger ist die zu erwartende Lebensdauer eines RWDR, insbesondere auf der schnelldrehenden, hochdynamischen Motorseite.

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Industrielle Antriebssysteme sind vor allem durch ihre Robustheit und Langlebigkeit gekennzeichnet. Die Notwendigkeit dieser Eigenschaften wird sehr deutlich, wenn man sich vor Augen führt, dass immer mehr Applikationen 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche, 365 Tage im Jahr betrieben werden. Unter diesen Bedingungen werden in einem Jahr etwa 8.700 Betriebsstunden erreicht.

Die Bewegungskinematik der Antriebe hat sich bei vielen Applikationen in den letzten Jahren deutlich verändert. Die Lebensdauer von Dichtsystemen in Antrieben, die im Dauerbetrieb betrieben werden, erwiesen sich bereits in der Vergangenheit oft als kritisch. Heute werden Antriebe immer öfter mit Frequenzumrichtern geregelt was zur Folge hat, dass die Lebensdauer der Dichtungen durch hohe Dynamik, variable Drehzahlen, wechselnde Drehrichtungen und häufige Anfahrvorgänge noch weiter reduziert wird. Aus der klassischen, mechanischen Sichtweise lassen sich diese Anforderungen mit modernen Berechnungs- und Simulationswerkzeugen berücksichtigen. Die Lebensdauer eines Dichtsystems hingegen lässt sich bis heute nicht berechnen.

Getriebemotor

Da geht noch was: Ein neuer Getriebemotor tritt den Beweis an

Die Robustheit des Gesamtsystems wird immer durch das schwächste Glied bestimmt, in diesem Fall durch das Dichtsystem. Klassische Dichtsysteme in der Antriebstechnik sind nach wie vor Radialwellendichtringe. Erfahrungswerte der Hersteller zu den Lebensdauern helfen, das geeignete Dichtsystem zu wählen. Jedoch sind auch hier Grenzen gesetzt. Applikationen, die unter den oben genannten Bedingungen betrieben werden, erreichen bereits in dem gesetzlichen Gewährleistungszeitraum von zwei Jahren oft bis zu 16.000 Betriebsstunden. Die Lebensdauererwartungen an Premium-Antriebssysteme gehen heute jedoch weit darüber hinaus.

Wechselwirkungen mit Schmierstoffen

Eine der grundlegenden Voraussetzungen für eine möglichst hohe Lebensdauer der RWDR ist die Schmierstoffverträglichkeit. Entscheidend ist die Frage, in welchem Maß und in welcher Geschwindigkeit die chemisch-physikalischen Interaktionen stattfinden. Die Geschwindigkeit der Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Elastomer wird vor allem durch die Öltemperatur und die Zeit beeinflusst. Die im Dichtkontakt entstehende Reibung führt zu einer zusätzlichen Temperaturüberhöhung, die entscheidend für die Lebensdauer einer Dichtung ist. Die Übertemperatur im Dichtkontakt lässt sich z. B. über die Anpressung der Dichtlippe auf die Welle beeinflussen. Radialwellendichtringe mit Sonderfeder (reduzierte Anpresskraft der Dichtlippe) zeigen im Vergleich zu RWDR mit Standardfeder, eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer. Doch selbst diese Dichtringe können teilweise die extremen Lebensdaueranforderungen nicht erfüllen.

Vorteile durch Premium Sine Seal

Das Funktionsprinzip des PSS basiert, wie auch bei einem klassischen RWDR, auf einer berührenden Elastomerdichtlippe. Im Gegensatz zum klassischen RWDR ist der Kontakt beim PSS jedoch nicht mehr geradlinig, sondern sinusförmig. Die im Dichtspalt entstehende Wärme, wird somit auf eine größere Wellenoberfläche übertragen, was zur Folge hat, dass das Elastomer thermisch deutlich weniger beansprucht wird, und somit langsamer altert!

Der sinusförmige Verlauf der Dichtlippe fördert weiterhin aktiv den Schmierstoffaustausch im Dichtkontakt, evtl. Schmutzpartikel werden aus dem Dichtkontakt heraus „gepumpt“, was den Verschleiß reduziert.

Dichtsysteme mit einer wellenförmigen Dichtlippe sind auch von weiteren Herstellern auf dem Markt zu finden. Jedoch werden diese nach wie vor mit einer Feder ausgeführt, wie beim Standard-RWDR. Ebenfalls zeigt der Vergleich der effektiven Berührbreite, dass sie beim PSS um ein Vielfaches höher liegt.

Beanspruchung durch Wärmeentwicklung

Vergleicht man die Verlustleistungen verschiedener FKM-Dichtsysteme mit identischem Elastomer, so stellt der RWDR mit Standardfeder, wie er meist in der Anwendung zum Einsatz kommt, die typische Referenz dar. Durch den Einsatz einer Sonderfeder wird die Radialkraft an der Dichtlippe reduziert, was eine um etwa 25 % geringere Verlustleistung zur Folge hat. Messungen bei FST zeigen, dass sich die Verluste mit dem neuen PSS-Dichtsystem, verglichen mit dem Standardwellendichtring, um bis zu 45 % reduzieren lassen.

Unter höchsten dynamischen Belastungen über 2.016 Stunden wurden Versuche zur Verschleißentwicklung an der Dichtlippe und am Welleneinlauf durchgeführt (Tests nach SEW-Spezifikation 070040312). Unter identischen Bedingungen verschleißt ein PSS-Dichtsystem an der Dichtlippe um ca. 50 % weniger als ein vergleichbarer RWDR mit Sonderfeder. Aus der gleichen Versuchsreihe wurde ebenfalls der Welleneinlauf ermittelt. Standard RWDR aus FKM führen immer wieder, je nach Schmierstoff, zu einem deutlichen Welleneinlauf. Mit dem PSS aus identischen Elastomer konnte in keinem der zahlreichen Versuchen ein Welleneinlauf festgestellt werden.

Höhere Effizienz durch Sinusform

Die Versuchsergebnisse mit dem neuen PSS-Dichtsystem zeigen sehr deutlich, dass die Effizienz sowie auch der funktionsbedingte Verschleiß eines Radialwellendichtrings durch eine sinusförmige Dichtlippenform sehr positiv beeinflusst werden können.

Wärmerückgewinnung

Abwärme ist kein Abfall

Aktuell lassen sich noch keine aussagekräftigen Lebensdauerprognosen stellen, jedoch zeigen die gemessenen Verschleißwerte, dass die zu erwartende Lebensdauer deutlich höher sein wird, als bei den bisher nach SEW-Spezifikation getesteten RWDR. Auf Basis des Vergleichs zwischen einem RWDR aus 75FKM585 mit Sonderfeder und einem PSS aus 75FKM585 kann bei letzterem von einer Lebensdauererhöhung um den Faktor 2 ausgegangen werden. Antriebe aus der Praxis, die erst nach mehreren Tausend Betriebsstunden aufgrund von Undichtigkeit ausfallen, zeigen an der Dichtstelle sehr häufig deutlichen Welleneinlauf und große Laufspurbreiten am RWDR. Mit dem PSS-Dichtsystem wirkt man den Mechanismen, die Welleneinlauf und Verschleiß an der Dichtlippe erzeugen, sehr effektiv entgegen. (br)

* Autoren: Dipl.-Ing. (BA) Alexander Hüttinger, Dr.-Ing. Markus Wöppermann und Dr.-Ing. Jörg Hermes, SEW-Eurodrive GmbH & Co KG, Bruchsal

* Koautoren: Erich Prem und Dipl.-Ing. Rolf Vogt, Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, Weinheim

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