Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe

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1 Institut für Maschinenelemente Direktor: o. Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas UNI STUTTGART Lehre und Forschung: Antriebstechnik CAD Dichtungstechnik Zuverlässigkeitstechnik Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe Kurzfassung Das Forschungsvorhaben Betriebsgerecht gestaltet Hydraulikdichtringe wurde vom Institut für Maschinenelemente gemeinsam mit dem Forschungsfonds Fluidtechnik des VDMA durchgeführt. Inhalt: Seite 1 Kurzübersicht Wissenschaftlich-technische Problemstellung Dichtmechanismus einer Hydraulik-Stangendichtung Vorgehensweise der Untersuchungen Experimentelle Untersuchungen Rechnerische Untersuchungen Messtechnische Untersuchungen Ergebnisse Versuche Nutringe Stufendichtungen Zusammenfassung und Ausblick...14 AiF-Vorhaben-Nr.: N/1 Beginn des Vorhabens: Ende des Vorhabens: Das Forschungsvorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi) gefördert.

2 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 2 1 Kurzübersicht Ziel des Forschungsvorhabens war, in Langzeitversuchen die Veränderung an Hydraulikstangendichtungen und deren Auswirkungen auf die Dichtwirkung zu ermitteln. Daraus sollte eine Geometrie für Hydraulikdichtungen entwickelt werden, die trotz Verschleiß und Alterung über lange Zeit gleich bleibend gute Dichtheit gewährleistet. Langzeitversuche mit PU-Nutringen zeigten Veränderungen an der Form der Dichtkante. Die Luftseite der Dichtlippe flachte leicht ab, der Radius an der Dichtkante vergrößerte sich. Diese Veränderungen spielten sich in einem Bereich von wenigen Hundertstelmillimetern ab. Leckage und Förderwertmessungen ergaben eine während der Langzeitversuche zunehmende Dichtwirkung. Die Versuche mit PTFE-Stufendichtungen zeigten keinen Zusammenhang zwischen Dichtwirkung und geometrischen Veränderungen. Trotz deutlicher Veränderungen im Betrieb an den Dichtungen war die Leckage der einzelnen Dichtungen praktisch konstant, jedoch deutlich höher als bei PU-Nutringen. Dadurch ergab sich kein Ansatzpunkt, um eine geeignete Dichtungsform mit guten Dicht- und Verschleißeigenschaften zu finden. Die bei PU-Nutringen ermittelten Veränderungen an der Dichtkante (flacherer Winkel auf der Luftseite, größerer Radius an der Dichtkante) wurden mittels der FEM untersucht. Dabei zeigte sich, dass sehr kleine Dichtkantenradien zu hohen Absolutwerten des maximalen Pressungsanstiegs und damit zu sehr dünnen Schmierfilmen führen. Ein größerer Radius an der Dichtkante führt beim Aus- und beim Einfahren zu größeren Schmierfilmhöhen. Bei den untersuchten Betriebsbedingungen führt dies zu einer größeren Schmierfilmdickendifferenz. Bei Differentialbetrieb kann zudem durch einen Winkelunterschied auf der Luftseite der Dichtkante eine größere Schmierfilmdickendifferenz erreicht werden. Für eine gute Dichtwirkung ist also eine gute Abstreifwirkung beim Ausfahren allein nicht ausreichend. Vielmehr muss die Bilanz zwischen der Schmierfilmdicke beim Ausfahren und der Schmierfilmdicke beim Einfahren gezogen werden. Werden diese Veränderungen (größerer Dichtkantenradius, flacherer Winkel auf der Luftseite der Dichtlippe) an PU-Nutringen bereits im Neuzustand realisiert, kann von Beginn an eine bessere Dichtwirkung erzielt werden. Die dabei entstehenden dickeren Schmierfilme verringern zudem die Reibung und den Verschleiß. Die Dichtungen verändern sich im Betrieb weniger. Wird die Luftseite der Dichtlippe abgewinkelt gestaltet, kann eine druckabhängige Änderung des Pressungsverlaufs erreicht werden. Im Differentialbetrieb kann damit die Rückförderung stark verbessert werden. Werden diese Gestaltungsmerkmale umgesetzt, könnte über einen langen Zeitraum zuverlässig abgedichtet werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Beginn der Arbeiten: Ende der Arbeiten: Zuschussgeber: BMWi / AiF Nr N/1 Forschungsstelle: Institut für Maschinenelemente Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil Werner Haas / Dipl.-Ing. Lothar Hörl Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. Ulrich Nißler

3 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 3 2 Wissenschaftlich-technische Problemstellung Hydraulik-Dichtsysteme sollen immer besser dicht sein, diese Eigenschaft immer länger behalten und vor allem dies möglichst 100%ig zuverlässig erfüllen, bei in aller Regel verschärften Betriebsbedingungen und geringeren Kosten. Dabei ist die Veränderung der Dichtkantenform im Betrieb und damit des axialen Pressungsverlaufs weitgehend unbekannt. Für langzeitzuverlässige Dichtsysteme wäre es wichtig, diese nach ihrem Verschleißzustand auszulegen, d.h. ihre Neuform so zu gestalten, dass sie möglichst rasch in einen Zustand stabilen geringen Verschleißes bei akzeptablen und vor allem voraussagbaren Pressungsgradienten für die Dichtfunktion gelangen. Hierzu sind die genaue Kenntnis der Veränderungen und deren Gründe zwingend notwendig. 3 Dichtmechanismus einer Hydraulik-Stangendichtung Der dynamische Dichtmechanismus einer Hydraulik-Stangendichtung beruht auf den hydro-dynamischen Vorgängen im Dichtspalt zwischen der Dichtung und der bewegten Stange, der Gegenlauffläche. Eine Hydraulik-Stangendichtung verschließt den Spalt zwischen Druckraum und der Umwelt, beziehungsweise sie streift das an der Stange anhaftende Öl ab. Das Öl wird aber nie vollständig abgestreift, vielmehr gelangt stets ein mehr oder weniger dicker Ölfilm unter der Dichtung hindurch und bleibt als Schicht auf der Stange zurück. Kann der beim Ausfahren zurück gelassene Ölfilm beim Einfahren der Stange nicht mehr vollständig unter der Dichtung hindurch in den Druckraum gelangen, tropft die Differenz als Leckage ab. Dichtheit herrscht, wenn die Dichtung bei einfahrender Stange potentiell mehr Flüssigkeit in den Druckraum zurückfördern kann, als sie bei ausfahrender Stange durchlässt. Wesentlich ist also zunächst die Abstreifwirkung beim Ausfahren. Eine Stangendichtung hat dann eine gute Abstreifwirkung, wenn die Kontaktpressung der Dichtung auf der Seite des abzudichtenden Fluids möglichst steil ansteigt, (d.h. einen möglichst großen Pressungsgradienten besitzt). Die Dichtung hat ein gutes Rückfördervermögen, wenn die Kontaktpressung zur Luftseite möglichst flach abfällt. Ideal ist demnach eine Stangendichtung mit dreieckförmigem Pressungsverlauf, dessen Maximum möglichst nahe am druckseitigen Rand der Dichtfläche liegt. Gute dynamische Dichtheit wird dann erreicht, wenn der fluidseitige Pressungsgradient deutlich höher als der luftseitige ist. Dünne Schmierfilme allein sind jedoch keine Gewähr für Dichtheit. Von entscheidender Bedeutung für eine hochwertige Dichtung ist vielmehr die Fähigkeit die günstigen Pressungsgradienten trotz Verformung durch Druck, trotz Reibung und trotz Verschleiß möglichst lange beizubehalten. Das Leckageverhalten einer Dichtung kann jederzeit beurteilt werden, wenn die Pressungsverteilung unter der Dichtlippe bekannt ist oder mittels FE berechnet werden kann. 4 Vorgehensweise der Untersuchungen An derzeit eingesetzten Dichtsystemen wurden experimentelle, rechnerische und messtechnische Untersuchungen durchgeführt. Ein Standbein der Untersuchungen war die rechnerische Ermittlung der Pressungs-

4 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 4 verteilung unter der Dichtlippe aus der Schmierfilmdicken bestimmt wurden. Diese wurden mit aus Förderwertversuchen ermittelten Werten überprüft. Durch eine messtechnische Erfassung der Veränderungen von Dichtung und Gegenlauffläche in regelmäßigen Abständen wurde die Alterung des Dichtsystems bestimmt was in die rechnerische Auslegung der Dichtungsgeometrie einfloss. 4.1 Experimentelle Untersuchungen Die experimentellen Untersuchungen wurden am Dichtheitsprüfstand (Bild 1) für Hydraulikdichtungen durchgeführt. Damit wurden das Förderverhalten und die Leckage gemessen. Bild 1: Dichtheitsprüfstand (50 mm Stangendurchmesser, 0-30 MPa, mm/s, 800 mm Hub, bis zu 10 Dichtungen gleichzeitig prüfbar, temperierbar C) 4.2 Rechnerische Untersuchungen Wie in Kapitel 3 erläutert, ist die Pressungsverteilung unter der Dichtlippe von entscheidender Bedeutung für das Leckageverhalten einer Hydraulik-Dichtung. Mit der Methode der Finiten Elemente kann aus der Dichtringgeometrie der Pressungsverlauf unter der Dichtlippe bestimmt werden. Zur Verifikation der FE-Simulationen wurden Profilschnitte von unter Druck mittels Gießharz eingefrorene Dichtsysteme angefertigt. Dies erlaubt die Verformung einer Dichtung unter Druck zu bestimmen und mit der Simulation zu vergleichen, Bild 2. Bild 2: FE-Simulation eines PU-Nutrings bei 20 MPa und Schnitt eines Druckeinguss Mit der FE-Simulation wurde auf Grund der außerhalb der Dichtungsaufnahme gemessenen Form und des Werkstoffs der Dichtung der Pressungsverlauf in der Dichtfläche ermittelt und daraus die Schmierfilmdicke bzw. das Förderverhalten berechnet.

5 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe Messtechnische Untersuchungen Neben den Messgrößen am Prüfstand wie Leckage, Förderwert, Druck, Temperatur, und Verfahrgeschwindigkeit wurden auch bei den regelmäßigen Unterbrechungen der Versuchsstaffeln die Maß- und Formänderungen sowie die Änderung der Radialkraft des Dichtrings erfasst. Hierzu wurden eine Koordinatenmessmaschine, das in Bild 3 dargestellte Topographie-/Formmessgerät und ein durchmesserkompensiertes Radialkraftmessgerät verwendet. Bild 3: Oberflächen-Messgerät Hommel T 8000, links Prinzipdarstellung der Profilerfassung (siehe auch Bild 5) 5 Ergebnisse Im Folgenden wird ein Überblick der durchgeführten Versuchsstaffeln gegeben und es werden die bei Nutringen und Stufendichtungen erzielten Ergebnisse dargestellt. 5.1 Versuche Es wurden die nachfolgend beschriebenen Versuchsstaffeln mit Hydraulikstangendichtungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen durchgeführt. Es wurden bei allen Versuchsstaffeln 6 Dichtungen dynamisch (bewegte Hydraulikstange) untersucht. Ab Versuchsstaffel V wurden zusätzlich 4 Dichtringe statisch (eingebaut in eine Prüfzelle, stehende Hydraulikstange) unter Druck und bei der angegebenen Temperatur und 2 Dichtungen statisch bei Umgebungsbedingungen untersucht.

6 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 6 Nr. Betriebsbedingungen Bemerkung I II PU-Nutringe 6 Dichtungen, alle dynamisch 100 mm/s und 250 mm/s; 5 MPa, 20 MPa und 25 MPa; 60 C Öltemperatur; 0,56 m Hublänge 170 km Gesamtstrecke PU-Nutring 6 Dichtungen, alle dynamisch 100 mm/s; 5 MPa; 50 C Öltemperatur; 0,5 m Hublänge 122 km Gesamtstrecke Vergleich zwischen Hartchrom- und Keramikgegenlauffläche; testen geeigneter Betriebsbedingungen. Durch geringe Geschwindigkeit sollte Mischreibung und damit hoher Verschleiß erreicht werden. Geringe Geschwindigkeit ergab Probleme durch Ruckgleiten. Verschleißraffung durch raue Keramikgegenlaufflächen nicht möglich, da Verschleißbilder mit denen auf Hartchromstangen nicht vergleichbar. Alle weiteren Versuche wurden daher auf Hartchromgegenlaufflächen durchgeführt. III IV V VI VII PU-Nutring 6 Dichtungen, alle dynamisch 200 mm/s; 5 MPa; 60 C Öltemperatur; 0,63 m Hublänge; 596 km Gesamtstrecke PU-Nutring 6 Dichtungen, alle dynamisch 300 mm/s; 20 MPa; 60 C Öltemperatur; 0,8 m Hublänge; 285 km Gesamtstrecke PU-Nutring 6 Dichtung dynamisch, 4 Dichtungen statisch (Druck, Temperatur) 2 Dichtungen statisch (Umgebungsbedingungen) 300 mm/s; 20 MPa 60 C Öltemperatur; 0,3 m Hublänge 812 km Gesamtstrecke PTFE-Stufendichtung 6 Dichtung dynamisch, 4 Dichtungen statisch (Druck, Temperatur) 2 Dichtungen statisch (Umgebungsbedingungen) 300 mm/s; 20 MPa 60 C Öltemperatur 0,3 m Hublänge 811 km Gesamtstrecke PU-Nutring 6 Dichtung dynamisch, 4 Dichtungen statisch (Druck, Temperatur) 2 Dichtungen statisch (Umgebungsbedingungen) 300 mm/s; 20 MPa nur in einer Richtung 60 C Öltemperatur 0,3 m Hublänge 600 km Gesamtstrecke Geschwindigkeitserhöhung gegenüber Staffel II um stärkeren Verschleiß zu erreichen. Trotz höherer Geschwindigkeit und größerer Laufstrecke kaum Verschleiß. Geschwindigkeits- und Druckerhöhung gegenüber Staffel III um stärkeren Verschleiß zu erreichen. Trotz höherer Geschwindigkeit und größerem Druck kaum Verschleiß. Durch kürzeren Hub mehr Start- und Stoppvorgänge um stärkeren Verschleiß zu erreichen. Trotz größerer Gesamtstrecke und vermehrte Start-/ Stoppvorgänge kaum Verschleiß. Gleiche Bedingungen wie bei Staffel V. Veränderung und Verschleiß an der Dichtung feststellbar, über Versuchszeitraum nur geringfügige Veränderung der Leckage. Wechselnder Druck um tatsächliche Einsatzbedingungen besser zu simulieren. Es konnte keine Veränderung im Verschleiß gegenüber den Staffeln mit Permanentdruck festgestellt werden.

7 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe Nutringe Zu Beginn der Versuchsstaffeln ist die Veränderung des Dichtkantendurchmessers am größten. Beispielhaft ist in Bild 4 die Veränderung des Dichtkantendurchmessers der in Staffel V dynamisch untersuchten Dichtungen abgebildet. Bereits bei der ersten Messung bei 4 km ist der Dichtkantendurchmesser auf über 48,5 mm gestiegen was einer Vergrößerung von ca. 0,75 mm entspricht. Bis zum Versuchende bei über 800 km vergrößert sich der Dichtkantendurchmesser nur noch um weitere 0,5 mm. Bei statisch untersuchten Dichtringen ist die Aufweitung zu Beginn geringer. Nach der Anfangsaufweitung verändert sich der Dichtkantendurchmesser in gleichem Maße wie bei den dynamisch untersuchten Dichtringen, ist also zeitabhängig. 49,0 Dichtkantendurchmesser [mm] 48,5 48,0 47,5 0,75 mm ,5 0,5 mm mm Laufstrecke [km] Bild 4: Veränderung des Dichtkantendurchmessers über der Laufstrecke in Staffel V (300 mm/s, 20 MPa Permanentdruck, 60 C Öltemperatur, 0,3 m Hublänge) Das Dichtringprofil zeigt zu Beginn des Versuchs eine starke Aufweitung der Dichtlippe (Bild 5), ab 4 km sind nur noch geringe Veränderungen an der Dichtlippe feststellbar. Die Dichtlippe wird plastische verformt, was zu einem vergrößertem Dichtkantendurchmesser führt. Bild 5: Veränderung des Dichtringprofils NU-B-030 aus Staffel V (links Luftseite, rechts Ölseite); gemessen mit dem Oberflächenmessgerät T 8000 (Bild 3) Statisch bei gleicher Temperatur und gleichem Druck untersuchte Dichtungen zeigen ähnliche Veränderungen, die im Betrag etwas geringer ausfallen, statisch bei Umgebungsbedingungen untersuchte Dichtungen verändern sich noch etwas weniger. Diese Charakteristik (große Veränderung zu Beginn, danach auch über

8 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 8 weite Strecken nur kleine Veränderungen) zeigen auch die Messungen von Dichtlippenbreite (Bild 3) und Radialkraft. In Bild 6 ist die kumulierte Leckage der Versuchsstaffeln III bis V dargestellt. Leckage trat nur zwischen 50 km und 300 km auf. Die Betriebsbedingungen bei Staffel IV und V sind bis auf die Hublänge gleich. Die größere Hublänge führt bei Staffel IV zu deutlich höheren Leckagewerten. Bei Laufstrecken größer 300 km ist bei allen drei Versuchsstaffeln keine Leckage mehr feststellbar (waagrechter Verlauf im Schaubild). 50 kumulierte Leckage [g] Staffel III, 200 mm/s, 5 MPa, Hublänge 0,65 m Staffel IV, 300 mm/s, 20 MPa, Hublänge 0,8 m Staffel V, 300 mm/s, 20 MPa, Hublänge 0,3 m Laufstrecke [km] Bild 6: Kumulierte Leckage (Permanentdruck) Eine zunehmende Dichtwirkung konnte auch bei Förderwertuntersuchungen festgestellt werden. Hierfür werden beide Seiten der Dichtung mit Öl überflutet (Bild 7). Über die Veränderung der Ölmenge auf der Luftseite wird die Schmierfilmdickendifferenz zwischen einfahrendem und ausfahrendem Schmierfilm bestimmt. Bei Förderung von Außen nach Innen ergibt sich daher eine positive Schmierfilmdickendifferenz. Prüfdichtung Leckage Rückförderung Druck p u a u e Bild 7: Prinzipdarstellung der Förderwertmessung In Bild 8 ist die Form der Dichtkante stark vergrößert in verschiedenen Verschleiß Zuständen abgebildet. Bis 200 km ist die Dichtkante scharfkantig. Der steile druckseitige Dichtkantenwinkel im Neuzustand flacht bis 200 km deutlich ab. Im weiteren Verlauf bildet sich ein größer werdender Radius an der Dichtkante, der bei 800 km Werte um 0,1 mm erreicht. Die Form der Dichtkante spiegelt sich im Pressungsverlauf wieder. Je

9 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 9 größer der Radius an der Dichtkante, desto geringer ist die maximale Pressung an der Dichtkante und desto geringer sind die Pressungsradienten an der Dichtkante (fluid- und luftseitig). Dadurch ergeben sich größere Schmierfilmdicken, aber auch größere Schmierfilmdickendifferenzen und damit eine bessere dynamische Dichtwirkung. Bild 8: NU-B-032 (Versuchsstaffel V): Gemessene Form der Dichtkante bei verschiedenen Laufleistungen (untere Linie Neuzustand, nach oben mit zunehmender Laufleistung angeordnet) Mittels FE-Berechnungen wurden der Pressungsverlauf zwischen Dichtring und Stange und der maximale Pressungsanstieg auf der Fluid- und Luftseite ermittelt. Mit Hilfe der inversen Reynoldsgleichung wird damit die unter der Dichtung durchgeschleppte Schmierfilmdicke für einfahrende und ausfahrende Stange und damit auch die Schmierfilmdickendifferenz berechnet. In Bild 9 sind für einen neuen Dichtring und einen in Versuchsstaffel V gelaufenen Dichtring die maximalen, berechneten Pressungsanstiege auf der Fluid- und auf der Luftseite dargestellt. Für die FE-Simulation wurde die Kontur im nicht eingebauten Zustand einer neuen Dichtung und an einer über 300 km bei 20 MPa belasteten Dichtung gemessen. Für die Berechnung des Pressungsverlaufs wurde diese Kontur modelliert, mit dem so entstandenen Modell der Einbau und die Druckbeaufschlagung simuliert und die Pressung zwischen Dichtung und Stange berechnet. Die daraus berechneten Werte der Schmierfilmdickendifferenz sind im Vergleich zu den in Förderwertversuchen gemessenen Werten der Schmierfilmdickendifferenz aufgeführt. Dies zeigt die gute Übereinstimmung zwischen im Förderwertversuch ermittelten Schmierfilmdickendifferenzen (beide Seiten der Dichtung sind mit Fluid überflutet) und denen aus der FE-Simulation mit Hilfe des Ansatzes der elasto-hydrodynamischen Schmierspaltbildung berechneten. Der fluidseitige maximale Pressungsanstieg ist beim gelaufenen Dichtring deutlich kleiner als beim neuen Dichtring, die Abstreifwirkung der Dichtung lässt stark nach. Der beim Ausfahren auf der Stange haftende Ölfilm ist bei der gelaufenen Dichtung somit viel dicker als bei der neuen Dichtung. Der luftseitige maximale Pressungsanstieg ist beim gelaufenen Dichtring ebenfalls stark zurückgegangen. Dadurch verbessert sich auch stark die Rückförderwirkung. Bei gleicher Aus- und Einfahrgeschwindigkeit ergibt sich umgerechnet trotz dickeren Schmierfilmen eine im Vergleich zum neuen Dichtring größere Schmierfilmdickendifferenz, und eine bessere Abdichtwirkung.

10 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 10 Maximaler Pressungsanstieg: neu gelaufen (300 km) Fluidseite: 9026 MPa/mm 395 MPa/mm Luftseite: 2626 MPa/mm 173 MPa/mm Schmierfilmdickendifferenz: neu gelaufen (300 km) berechnet: 7,7 nm 22 nm gemessen: 5 nm bis 15 nm 15 nm bis 30 nm Bild 9: Pressungsverlauf bei 20 MPa aus FE-Simulation, daraus ermittelter Pressungsanstieg und Vergleich mit Pressungsanstieg errechneter und durch Förderwertversuch bei 20 MPa gemessener Schmierfilmdickendifferenz (bei 300 mm/s). Davon ausgehend wurden Dichtringe mit verschiedenen Dichtkantenradien modelliert und mittels FEM deren maximalen Pressungsgradienten bestimmt. In Bild 10 sind die damit berechneten Schmierfilmdickendifferenzen bei konstanter Ausfahrgeschwindigkeit u a von 300 mm/s und verschiedenen Einfahrgeschwindigkeiten u e dargestellt. Bei ungünstigen Geschwindigkeitsverhältnissen (Ausfahrgeschwindigkeit größer als Einfahrgeschwindigkeit) ergeben sich Vorteile für Dichtkanten mit kleinen Radien, da sich dann das günstigere Verhältnis der maximalen Pressungsanstiege von Fluid- zu Luftseite stärker auswirkt. So wird eine Dichtung mit 0,05 mm Radius an der Dichtkante bei u a = 300 mm/s und Einfahrgeschwindigkeiten kleiner 150 mm/s undicht, während bei gleicher Ausfahrgeschwindigkeit Dichtungen mit Dichtkantenradien kleiner 0,01 mm erst bei Einfahrgeschwindigkeiten kleiner 100 mm/s lecken. Dichtungen mit einem Dichtkantenradius von 0,1 mm sind bis 60 mm/s dicht, erst bei Einfahrgeschwindigkeiten kleiner 60 mm/s tritt Leckage auf. Bild 10 zeigt, dass mit einem Radius von 0,1 mm an der Dichtkante über einen sehr großen Geschwindigkeitsbereich große Schmierfilmdickendifferenzen und somit sehr gute Dichtheit erreicht wird.

11 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 11 Schmierfilmdickendifferenz [nm] Permanentdruck 20 MPa, Ausfahrgeschwindigkeit 300 mm/s R0,1 R0,05 R0,01 R0, u e < u a u e = u a u e > u a Einfahrgeschwindigkeit [mm/s] Leckage Rückförderung Bild 10: Berechnete Schmierfilmdicken für unterschiedliche Dichtkantenradien, bei konstanter Ausfahrgeschwindigkeit u a und Einfahrgeschwindigkeiten u e zwischen 5 mm/s und 1000 mm/s. Im Zuge der FE-Berechnungen wurden auch Dichtringgeometrien mit einem Winkelunterschied auf der Luftseite der Dichtkante untersucht (Bild 11). Im Differentialbetrieb (Druck nur beim Ausfahren der Hydraulikstange) zeigte diese Variante sehr gute Ergebnisse. Bild 11: FE-Modell der Variante mit Winkelunterschied auf der Luftseite der Dichtkante, rechts im eingebauten Zustand Wie in Bild 12 dargestellt, werden damit noch größere Schmierfilmdickendifferenzen erreicht als bei der Variante mit einem Radius von 0,1 mm an der Dichtkante. Zudem tritt bei einer Ausfahrgeschwindigkeit von 300 mm/s erst bei Einfahrgeschwindigkeiten kleiner 25 mm/s Leckage auf. Die Dichtsicherheit wird bei Differentialbetrieb weiter erhöht.

12 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 12 Schmierfilmdickendifferenz [nm] Differentialbetrieb 20 MPa / 0 MPa, Ausfahrgeschwindigkeit 300 mm/s Winkelunterschied R0,1 R0,01 R0, Einfahrgeschwindigkeit [mm/s] Bild 12: Berechnete Schmierfilmdicken für unterschiedliche Dichtkantenradien und Luftseite der Dichtkante mit Winkelunterschied, bei konstanter Ausfahrgeschwindigkeit u a und Einfahrgeschwindigkeiten u e zwischen 5 mm/s und 1000 mm/s. Druck nur beim Ausfahren. Beim Vergleich von Leckagemessung und Förderwertbestimmung ergeben sich Differenzen. Die Förderwertbestimmung (punktuell u. a. bei 100 km, 200 km und 300 km durchgeführt, Bild 13) ergab bei allen Messungen eine positive Schmierfilmdickendifferenz, es wurde mehr Öl von Außen nach Innen gefördert als umgekehrt. Dem steht die zwischen 50 km und 300 km festgestellte Leckage gegenüber (Bild 6). Obwohl (bei ausreichendem Fluidangebot) die Dichtung einen stärkeren als den vorhandenen Schmierfilm unter der Dichtung durchfördern könnte, wurde der vorhandene, dünne Fluidfilm nicht vollständig zurück gefördert. Es trat Leckage auf, obwohl nach der Theorie der elasto-hydrodynamischen Schmierspaltbildung potentiell mehr Öl von Außen nach Innen als umgekehrt gefördert werden kann. Diese Beobachtung kann derzeit noch nicht erklärt werden. Schmierfilmdickendifferenz [nm] MPa Laufstrecke [km] Bild 13: Schmierfilmdickendifferenz, gemessen bei 300 mm/s, 20 MPa und 60 C (Versuchsstaffel V)

13 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe Stufendichtungen In Versuchsstaffel VI wurden Stufendichtungen aus PTFE-Compound (Bild 14) bei den gleichen Betriebsbedingungen wie die PU-Nutringe in Versuchsstaffel V untersucht. O-Ring Stufenring Bild 14: PTFE Stufendichtung, rechts schematische Darstellung Hydraulikfluid Hydraulikstange Die geometrischen Veränderungen an Stufendichtungen zeigen eine ähnliche Charakteristik wie die der Nutringe. Zu Beginn des Versuchs verändern sich die Dichtringe stark. Ab 5 km Laufstrecke gehen die Veränderungen pro Strecke deutlich zurück, ohne ganz zurück zugehen. Im Gegensatz zu den Nutringen aus Polyurethan zeigen Stufendichtungen aus PTFE eine deutliche Veränderung der Dichtringprofils (Bild 15). Die Dichtfläche verändert sich plastische, die luftseitige Fase wird ausgeformt, die Dichtkante wird platt gedrückt. Abrasiver Verschleiß trägt auf der ganzen Dichtfläche Material ab. Bild 15: Veränderung des Dichtringprofils SD-A-009 aus Staffel VI (links Luftseite, rechts Ölseite) Die untersuchten Stufendichtungen wiesen alle Leckage auf (Bild 16). Diese trat über den gesamten Versuchszeitraum sehr gleichmäßig auf, war aber zwischen den einzelnen Dichtungen zum Teil sehr unterschiedlich. Die am Ende des Versuchs aufsummierte Leckage unterschied sich zwischen der Dichtung mit der höchsten und der Dichtung mit der geringsten Leckage um den Faktor zehn. Trotz andauernder Veränderung des Dichtprofils blieb die Leckagerate annähernd konstant (Bild 16).

14 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 14 kumulierte Leckage [g] Staffel VI: Stufendichtungen 300 mm/s, 20 MPa, Hublänge 0,3 m Leckagegrenze: 1 mg pro m² überstrichener Laufstrecke [km] Bild 16: Kumulierte Leckage bei Permanentdruck 6 Zusammenfassung und Ausblick Polyurethan Nutringen und Stufendichtungen aus PTFE-Compound wurden mit unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf Langzeitdichtheit untersucht. Die einzelnen Versuchsstaffeln wurden in bestimmten Intervallen unterbrochen um die Veränderungen an den Dichtungen zu ermitteln. Die untersuchten PU-Nutringe verschlissen bei den gewählten Betriebsbedingungen kaum. Auf der Dichtfläche wurden Riefen festgestellt, zudem trat an der Luftseite der Dichtung Extrusion auf. Bei beiden Phänomenen konnte kein Zusammenhang zum Auftreten der Leckage zwischen 50 km und 300 km Laufstrecke festgestellt werden. Die Form der Dichtkante änderte sich im Bereich von Hundertstelmillimeter. An der anfänglich scharfen Dichtkante bildete sich ab 200 km Laufstrecke ein größer werdender Radius. Dies veränderte den Pressungsverlauf im Bereich der Dichtkante. Eine scharfe Dichtkante führte zu hohen Absolutwerten des maximalen Pressungsanstiegs und damit zu sehr dünnen Schmierfilmen. Trotz potentiellem höherem Rückfördervermögen wurden diese dünnen Schmierfilme beim Einfahren nicht vollständig unter der Dichtkante durchgeschleppt und tropften als Leckage ab. Ein größerer Radius an der Dichtkante führte beim Aus- und beim Einfahren zu größeren Schmierfilmhöhen, und zu einer größeren Schmierfilmdickendifferenz. Für eine gute Dichtwirkung ist daher eine gute Abstreifwirkung beim Ausfahren nicht ausreichend. Vielmehr muss die Bilanz zwischen Schmierfilmdicke beim Ausfahren und Schmierfilmdicke beim Einfahren gezogen werden. Auch dicke Schmierfilme können sicher abgedichtet werden und führen zudem zu geringem Verschleiß und geringer Reibung.

15 Betriebsgerecht gestaltete Hydraulikdichtringe 15 Das Dichtringprofil von Stufendichtungen aus PTFE-Compound veränderte sich stärker als das der PU- Nutringe. Die Dichtkante wurde plastisch abgeplattet und die luftseitige Fase wurde ausgeformt. Zudem wurde auf der Dichtfläche durch abrasiven Verschleiß Material abgetragen. Trotz deutlichen Veränderungen an den Dichtungen änderte sich das Leckageverhalten der einzelnen Dichtungen nur geringfügig. Die Leckageraten der einzelnen Stufendichtungen schwankten erheblich und waren um ein Vielfaches größer als bei Nutringen, blieben jedoch zeitlich konstant. Die Vergleiche zwischen Leckageversuch, Förderwertmessungen und mit FE-Methoden berechneten Schmierfilmdickendifferenzen zeigten, dass vor allem bei dünnen Schmierfilmen die Theorie des elastohydrodynamischen Ansatzes nicht zur Beschreibung der Verhältnisse genügt. Offen ist, warum PTFE-Stufendichtungen stärker lecken und verschleißen. Wie Versuche und FE-Berechnungen zeigten, wirken sich Veränderungen von wenigen Hundertstelmillimetern an der Dichtkante von PU-Nutringen auf die Schmierfilmbildung aus. Dichtungen mit einem größeren Radius an der Dichtkante zeigten keine Leckage und ein gutes Rückfördervermögen. Dies wurde durch begleitende FE-Berechnungen bestätigt. Bei Differentialbetrieb kann zudem mit einem Winkelunterschied auf der Luftseite der Dichtung die Dichtheit weiter verbessert werden. Ob mit einem größeren Radius an der Dichtkante und/oder einem Winkelunterschied auf der Luftseite der Dichtkante eine anhaltend gute Dichtwirkung erreicht werden kann, sollte überprüft werden. Hierfür könnten Dichtungen hergestellt werden, deren Neuform bereits eine modifizierte Dichtkante aufweisen. Damit ließe sich überprüfen, ob auch mit einer neuen Dichtung ein dauerhaft leckagefreier Betrieb, wie er bei den Versuchen erst ab 300 km Laufstrecke gemessen wurde, möglich ist.