Dichtwirkung von Radial-Wellendichtringen

Zusammenfassung

Ziel der Arbeit war die Erweiterung des Verständnisses für die Vorgänge im Dichtspaltbereich von Radial-Wellendichtringen, die das Reibverhalten und die Dichtwirkung beeinflussen.

In experimentellen Untersuchungen wurde durch Variation von Drehzahl, Sumpftemperatur, Ölsorte, Schwingungen der Wellenoberfläche, Ölstand, Radialkraft und Spaltgeometrie in das tribologische System Dichtring-Öl-Welle eingegriffen.

Die Antwort des Systems drückte sich aus in den Messwerten Reibmoment und Leckage.

Zur Durchführung der Versuche diente ein speziell entwickelter Prüfstand, bei dem die Messwerterfassung sowie die Steuerung der Versuchsläufe mit Hilfe eines Prozessrechners erfolgen.

Die experimentellen Untersuchungen zeigten, daß das Reibverhalten von Radial-Wellendichtringen hydrodynamischen Gesetzmässigkeiten folgt, wobei je nach Betriebsbedingungen unterschiedliche Schmierungszustände zwischen Dichtlippe und Welle auftreten, die sich durch die hydrodynamische Kennzahl G (= η ⋅ ω) /p_m) charakterisieren lassen.

Bei hohen G-Werten (G > 10^-6) sind die Gleitflächen vollständig durch einen elasto-hydrodynamisch erzeugten Schmierfilm getrennt, wobei aufgrund der kleinen Schmierfilmhöhen (extreme Dünnfilmschmierung) sehr große Reibungszahlen auftreten. Zu niedrigeren G-Werten hin schließt sich das Gebiet der Mischreibung an, in dem bei G ≈ 2 ⋅ 10^-7 ein Reibungsminimum auftritt.

In Funktionsuntersuchungen zum dynamischen Leckageverhalten bestätigte sich der massgebliche Einfluss von radialen Wellenschwingungen, wobei bei genau rundlaufender Welle keine Leckage auftrat.

Zur Erzeugung von reproduzierbaren und genau definierten Schwingungsbewegungen der Wellenoberfläche wurden neben kreisförmig exzentrischen Wellen auch Wellen mit harmonischen Polygon-Profilquerschnitten verwendet. Mit ihnen lassen sich ähnliche Schwingungsformen simulieren wie sie z.B. bei Kurbelwellenabdichtungen von Mehrzylinder-Kolbenmaschinen auftreten, wo die Schwingfrequenz ein mehrfaches der Drehfrequenz ist.

Bei Verwendung von Polygonwellen zeigten die Radial-Wellendicht-ringe ein eigenartiges Leckageverhalten: während bei niedrigen Drehzahlen eine verhältnismässig große Leckage auftrat, ging sie im oberen Drehzahlbereich, trotz Schwingungsamplituden von 0,4 mm, teilweise bis auf Null zurück. Ein ähnliches Leckageverhalten wurde auch bei starren Dichtungen mit offenem Dichtspalt und einer dem Radial-Wellendichtring entsprechenden Spaltrandgeometrie beobachtet.

Diese Ergebnisse legten den Schluß nahe, daß in beiden Fällen ähnliche Strömungsvorgänge im Dichtspaltbereich das Dichtwerden bewirken.

In weiterführenden Versuchen mit offenen Spaltdichtungen zeigte sich, daß sekundäre Wirbelströmungen im Dichtspaltbereich den Leckageverlauf maßgeblich beeinflussen. Eine schraubenförmige Strömung der Randwirbel weist an der Stelle des Dichtspaltes eine nach innen zur Ölseite gerichtete Geschwindigkeitskomponente auf. Dadurch bewirkt die spaltnahe Ölströmung einen Saugeffekt (“Strahlpumpen-Effekt”), der bei (teil-) überfluteter Welle ab einer bestimmten Drehzahl dem auf den Dichtspalt wirkenden hydrostatischen Öldruck das Gleichgewicht hält.

Die Ergebnisse vermitteln dem bisher stagnierenden Verständnis für den Dichtmechanismus neue Impulse, indem sie die Dichtwirkung dynamisch erklären. Gleichzeitig weisen sie auf die Gefahr hin, daß Radial-Wellendichtringe in bestimmten Drehzahlbereichen, trotz überfluteter Welle, wegen der Saugwirkung der Öl-wirbel unter Schmierstoffmangel leiden können.

Da überflutete Dichtstellen aufgrund der Wirbelbildung ein prinzipiell anderes Leckageverhalten zeigen als bespritzte Dichtstellen, ist zu überlegen, ob der bisher ausschließlich angewandte Prüfmodus mit überfluteter Welle immer praxisnahe Ergebnisse liefern kann.