Neue Radialwellendichtringe für Turboanwendungen

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1 Neue Radialwellendichtringe für Turboanwendungen ElringKlinger Kunststofftechnik AUTOREN Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Mehmet Cankar ist Key Account Automotive bei der ElringKlinger Kunststoff technik GmbH in Bietigheim-Bissingen. Dip.-Ing (FH) Uwe Koch ist Produktverantwortlicher für Radialwellendichtungen bei der ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH in Bietigheim-Bissingen. Heutige Aufladungssysteme für Otto- und Dieselmotoren stellen hohe Anforderungen an das Dichtsystem des Turboladers. ElringKlinger Kunststofftechnik hat ein neues, patentiertes Konzept für Radialwel len dicht ringe entwickelt, bei dem Konstruktion und Werkstoff gleichermaßen auf die spezifischen Herausforderungen schnelldrehender Anwendungen wie Turbolader und elektrische Kompressoren angestimmt worden sind. 60

2 AUFLADESYSTEME STELLEN HOHE ANFORDERUNGEN BILD 1 Füllstoffe sind in der Lage, den Abrieb von PTFE-Compounds, verglichen mit ungefülltem Matrixwerkstoff, signifikant zu reduzieren Aufladungsysteme sind in modernen Verbrennungsmotoren nicht mehr wegzudenken. Erst recht nicht im Zusammenhang mit Downsizing und der darauf aufbauenden CO 2 -Reduzierung. Vielmehr geht der Trend zu mehreren parallelen Aufladungssystemen am Motor. Dies stellt die Entwicklung unter dem Gesichtspunkt komprimierter Baugrößen und höherer Ansprüche hinsichtlich Leckage vor große Herausforderungen. Die steigenden Anforderungen stellen insbesondere für Spaltdichtungen wie beispielsweise Kolbenringe immer größere Hürden dar. Kunden fordern in ihren Lastenheften einen nahezu öldichten Abgasturbolader (ATL). Mit den bekannten Spaltdichtungen kann diese Vorgabe jedoch nicht oder nur sehr schwierig realisiert werden. Sehr hohe Drehzahlen, Blow-by- Effekte, sehr gute Start-Stopp-Eigenschaften und eine einfache Montage sind Anforderungen an moderne Dichtungssysteme, speziell im ATL. Im Mittelpunkt steht hierbei oftmals der Radialwellendichtring, der als einbaufertiges und dabei kostengünstiges Dichtungsbauteil diese hohen Erwartungen erfüllen soll. Nicht selten sind neben einer geforderten absoluten Dichtheit unter anderem auch dem Wunsch nach einem sehr geringen Reibungsverhalten und wartungsfreiem Betrieb Rechnung zu tragen. Handelsübliche radiale Dichtungsbauteile, meist aus Elastomerwerkstoffen, sind diesen Anforderungen nicht gewachsen. Grund genug für die ElringKlinger Kunststofftechnik, ihr bestehendes Dichtungssortiment im Bereich der Radialwellendichtringe zu erweitern. Gemeinsam mit verschiedenen Kunden entwickeln die Spezialisten von ElringKlinger effiziente, neue Hochleistungswerkstoffe mit angepassten Eigenschaftsprofilen und reibungsarme Dichtungskonzepte für alternative Antriebssysteme. Für die Entwicklung von innovativen Dichtungen wird das Gesamtsystem mit allen Umgebungseinflüssen beleuchtet und bei der Auslegung berücksichtigt. Die Dichtung namens Speedflon ist die neueste Bauart aus der Reihe der Radialwellendichtungen. Das innovative und einzigartige radiale Dichtsystem stellt eine komplett neue Alternative zu den bekannten Spaltdichtungen auf der kalten Seite des ATLs dar. Hauptunterscheidungsmerkmal ist ein geschlossenes und gleichzeitig druckenlastetes Dichtsystem. DER WERKSTOFF Polytetrafluorethylen (PTFE) ist aufgrund seines niederen Reibungskoeffizienten der ideale Basiswerkstoff für dynamische Dichtungen. Aufgrund der extrem stabilen Verbindung von Fluor- und Kohlenstoffatomen und der nahezu vollständigen Abschirmung der Kohlenstoffkette besitzt PTFE eine fast universelle Chemikalienbeständigkeit und ermöglicht den Einsatz auch bei extremen Betriebstemperaturen von -250 bis circa +250 C [1]. Abhängig von der speziellen Dichtungsanwendung sind jedoch die Anforderungsprofile sehr unterschiedlich. Bei dynamischen Dichtungen sind die tribologischen Eigenschaften, also minimaler Eigenabrieb und die schonende Behandlung des Gegenlaufpartners sowie der Reibungskoeffizient, die Elastizität des Dichtungswerkstoffs oder dessen Biegewechseleigenschaften wichtige Parameter. Dem Entwickler bieten sich verschiedene Möglichkeiten, PTFE-Dichtungen den jeweiligen Anforderungen entsprechend maßzuschneidern. Durch Zugabe von Füllstoffen, BILD 1, kann ein Werkstoff entwickelt werden, bei dem sich der Abrieb signifikant senken lässt. Die Funktion und Lebensdauer von Radialwellendichtringen wird neben der optimalen Materialauswahl auch wesentlich von der radialen Anpressung der Dichtlippe auf die Welle bestimmt [2]. Eine zu große Anpressung und das daraus resultierende hohe Reibmoment sind für die ATL-Anwendung inakzeptabel. Der neue Wellendichtung Speedflon wird vorzugsweise zur Abdichtung ext- BILD 2 Aufbau der Speedflon-Dichtung 11I Jahrgang 61

3 BILD 3 Entwicklung der Druckentlastungsfunktion mittels FEM rem schnelldrehender Wellen eingesetzt. Die Besonderheit ist eine Kom bination aus dem zuvor dargestellten Material und der Konstruktion, die eine zusätzlich integrierte Druckentlastungsfunktion realisiert. Diese sorgt über den gesamten Anwendungsbereich für eine sehr gute Dichtheit in Kombination mit sehr geringen Reib- und Verschleißwerten. DICHTUNGSAUFBAU Den Aufbau mit den einzelnen Bauteilen der neuen Dichtung zeigt BILD 2. Entscheidend für eine gute Dichtfunktion der Speedflon ist die radiale Anpressung der Dichtlippe (Position 7 in BILD 2) gegenüber der Wellenoberfläche. Die Anpressung muss einerseits so hoch sein, dass die Abdichtung gerade noch gewährleistet ist, beispielsweise zwischen einem Medium in Dichtraum 1 und einem Medium in Dichtraum BILD 4 Spezialprüfstand für die Speedflon-Dichtung Andererseits darf die radiale Anpressung nicht so groß sein, dass, insbesondere bei hohen Drehzahlen /min, Reibleistungen auftreten, die bei Abdichtung mit Öl zu Ölkohlebildung im Dichtspalt und schnellem Verschleiß der Dichtlippe führen können. Wesentlichen Einfluss auf die radiale Anpresskraft der Dichtlippe haben die Druckverhältnisse in Dichtraum 1 und 2. Bei einer Druckbelastung in Dichtraum 2 breitet sich der Druck im Dichtraum aus. Mit einem herkömmlichen Radialwellendichtring würde diese Druckbeaufschlagung sofort zu einem Abheben der Dicht lippe und somit zu einer schnellen Leckage führen. Zur Vermeidung dieses Effekts wird bei der neuen Dichtung der Druck in Dichtraum 2 gesplittet und über die Druckbohrungen (Position 4 in BILD 2) in das Innere (Position 3 in BILD 2) der Dichtung eingeleitet. Das für die Funktion zentrale Element, das elastische Formteil (Position 5 in BILD 2), wird durch die Druckbeaufschlagung aufgedehnt. Dadurch wird der Abhebekraft der Dichtlippe entgegenwirkt. Wäre Unterdruck in Dichtraum 1 vorhanden, so würde die Dichtlippe an die Welle angedrückt und damit für eine gute Abdichtung sorgen. Bei Druckbeaufschlagung in Dichtraum 1 herrscht keine direkte Druckentlastung, jedoch wird die Dichtlippe an der Unterseite mit einer metallischen Feder (Position 8 in BILD 2) flexibel gegen zum Beispiel aufkommende Druckstöße abgestützt. Eine zweite metallische Feder auf der Oberseite (Position 6 in BILD 2) der Dichtlippe sorgt bei hochdynamischen Anwendungen für ein sehr schnelles Rückstellverhalten der Dichtlippe. Bei vielen Anwendungen herrschen beidseitig zur Dichtlippe unterschiedliche Druckverhältnisse. Hinsichtlich der sehr geringen radialen Anpresskräfte der Dichtlippe besteht die Möglichkeit, hydrodynamische Dichthilfen in das Dichtungssystem zu integrieren, dadurch kann das Dichtverhalten insbesondere gegenüber Öl nochmals deutlich verbessert werden. Als hydrodynamische Dichthilfe kann drehrichtungsabhängig eine Drallförderstruktur auf der Welle oder der Dichtlippe aufgebracht werden. Entsprechend den Einbau- und Montagebedingungen von Standard-Radialwellendichtringen kann die Speedflon-Dichtung beispielsweise in eine H 8-Einbaubohrung eingepresst und somit einfach und bequem montiert werden. Gewöhnlich besteht das Gehäuse aus zwei metallischen Winkelringen (Positionen 1 und 2 in BILD 2), die je nach Anforderungsprofil in Stahl oder Aluminium ausgeführt werden können. Zur Erhöhung der statischen Abdichtwirkung zwischen Einbaubohrung und Dichtung kann der äußere Winkelring zusätzlich an der Außenseite mit einer elastischen Beschichtung ausgeführt werden. Einge-

4 presst in die Einbaubohrung wird nun durch Einfahren der Welle der Kontakt zwischen Wellenoberfläche und Dichtlippe hergestellt. DRUCKENTLASTUNG Das Funktionsprinzip der Druckentlastung der Speedflon-Dichtung wurde mithilfe von FEM-Simulationen entwickelt. BILD 3 (a) stellt den Zustand der Dichtung ohne äußere Druckeinwirkungen dar. Bei BILD 3 (b) erfolgt eine Druckbelastung von 1 bar in Dichtraum 2 und somit auch im inneren des elastischen Formteils. Eine weitere Drucksteigerung auf 3,5 bar ist in BILD 3 (c) zu erkennen. BILD 3 (d) stellt die Ausformung des elastischen Formteils und der Dichtlippe unter Vakuumbedingungen (-0,3 bar) dar. BILD 5 Vergleich des Reibverhaltens von Speedflon- und Standard-Radialwellendichtring (oben, schematisch) und Reibleistungsmessung mit der neuen Speedflon-Dichtung (unten) im drucklosen Betrieb PRÜFSTANDSUNTERSUCHUNG Die theoretischen Ergebnisse führten zum nächsten Entwicklungsschritt. SPRIN SP E URE ATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATUR RNATURE GERNATURE RINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNAT SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERN SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGE SPRIN SP E URE ATURE RNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATUR 11I Jahrgang 6 3 SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNATURE SPRINGERNAT

5 Dabei wurden die Dichtungen ausführlich auf eigens konzipierten Prüfständen umfangreich getestet. BILD 4 zeigt einen speziell für die Speedflon-Dichtung adaptierten Radialwellendichtungsprüfstand. Die Welle (Position 2 in BILD 4) wird mittels einer elektrischen Antriebseinheit (Position 1 in BILD 4), die Drehzahlen bis zu /min erreichen kann, in Rotation versetzt. Es können Parameter wie Druck, Mediumstand, Temperatur, Rundschlag oder Mittenversatz zwischen Welle und Dichtung simuliert werden. Die Reibleistung an der Dichtung wird über die elektrische Verlustleistung der Antriebseinheit ermittelt. Es können auch Vergleichsmessungen mit anderen Dichtungssystemen wie Kolbenringen durchgeführt werden. Dank dieser Möglichkeiten wurde das dynamische Verhalten der neuen Dichtung bei Umgebungsparametern wie Wellendrehzahlen bis /min, Temperaturen bis 160 C und Drücken von -0,5 bis +4 bar getestet. Die Performance und Funktion wurde stets im Wettbewerb zu den bestehenden Spaltdichtungen geprüft. Aufgrund des geschlossenen radialen Dichtsystems konnten neue positive Eigenschaften aufgezeigt werden. Die Überprüfung der Druckentlastungsfunktion zeigte deutliche Vorteile hinsichtlich Reibungs- und Verschleißverhalten gegenüber herkömmlichen Radialwellendichtringen. BILD 5 zeigt einen Vergleich der Reibleistungswerte. Aufgrund des geschlossenen Dichtsystems konnten auch im unteren Drehzahlbereich bis hin zum Stillstand exzellente Dichteigenschaften erzielt werden. Daraus ergeben sich weitere Vorteile, wie neue Positionierungsmöglichkeiten der Lader im Motorraum. In BILD 6 wird der Ablauf eines Start- Stopp-Prüflaufs über 1,2 Millionen Zyklen dargestellt. Im Vergleich dazu haben offene Dichtsysteme wie Kolbenringe bei den Start-Stopp-Konditionen aufgrund Ihrer Konstruktion und Ihrer Funktion erhebliche Schwächen. Die Prüfläufe haben gezeigt, dass der speziell für die Speedflon-Dichtlippe entwickelte PTFE-Compound sehr gute Verschleiß- und Reibeigenschaften ausweist. Geringes Losbrechmoment und das Fehlen des Stick-Slip-Effekts sind weitere Vorteile der Dichtlippeneigenschaften. Eine weitere Besonderheit der neuen Dichtung ist die Einsatzmöglichkeit bei anderen schnelldrehenden Motoraufladesystemen wie sogenannten E-Boostern. Die patentierte Dichtungskonstruktion inklusive der Dichtlippe aus dem speziellen, verschleißbeständigen PTFE-Compound ermöglicht auch in Bereichen nahe dem sogenannten Trockenlauf immer noch sehr gute Dichteigenschaften, und dies ohne die Reibleistung negativ zu beeinflussen. Die Untersuchungen im Hause ElringKlinger dienten allerdings nicht als Freigabeprüfungen für Laderhersteller, da nur die Dichtung ohne die gesamten Einflüsse des ATLs berücksichtigt wurde. Verschiedenste Testaufbauten bei Kunden bestätigen jedoch die positiven Eigenschaften der neuen Dichtung. FAZIT UND AUSBLICK Zusammengefasst sorgt bei Speedflon die patentierte Dichtungskonstruktion inklusive Druckentlastung für eine gleichmäßige Radialkraft über den gesamten Druckbereich auch bei hoher Drehzahl, sodass sich ein druckunabhängiges Gleichgewicht der Dichtlippe einstellt. Mit der Speedflon-Dichtung ist es ElringKlinger Kunststofftechnik gelungen, ein einzigartiges, radial geschlossenes Dichtungssystem für den Einsatz in schnelldrehenden Anwendungen wie Abgasturboladern und elektrischen Kompressoren (E-Boostern) als neue, technisch und wirtschaftlich interessante Alternative zu den existierenden Lösungen wie Kolbenringen oder Gleitringdichtungen zu entwickeln. LITERATURHINWEISE [1] Widmann, K.; Schlipf, M.: Dichtheit ausgereift bis an das Limit. In: Dicht! (2009), Nr. 9, S [2] Schlipf, M.; Koch, U.: Maßgeschneiderte Dichtungen unter Verwendung von PTFE und PTFE- Compounds. 13. Internationale Dichtungstagung ISC, BILD 6 Start-Stopp-Prüflauf: Prüfbedingungen (oben) und Leckageverhalten im Start-Stopp-Versuch (unten) READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: