ÜBER DIE AXIALEN ELASTISCHEN VERFORMUNGEN VON FLANSCH, SCHRAUBE UND DICHTUNG IN DER EN 1591

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1 Axiale elastische Verformung 1 ÜBER DIE AXIALEN ELASTISCHEN VERFORMUNEN VON FLANSCH, SCHRAUBE UND DICHTUN IN DER EN 1591 Zusammenfassung Hans Joachim Tückmantel TMT Technik Methode Training Mülheim an der Ruhr Dieser Beitrag zeigt an typischen Beispielen, dass eine einzige leichung für die axiale Nachgiebigkeit von Dichtungen repräsentiert durch den axialen Elastizitätsfaktor den sehr unterschiedlichen Bauformen und Einbausituationen der Dichtungen nicht gerecht werden kann. Die Norm sollte demnach auch in diesem Punkt überarbeitet werden. Eine differenziertere Betrachtung ist unbedingt erforderlich. Entsprechend wäre auch das Beiblatt 1 zu überarbeiten; denn gerade hier sucht der interessierte Anwender nach tiefergehenden Informationen. rundlagen Die axialen elastischen Verformungen sind als axiale Verschiebung U bzw.? U [mm] bezeichnet. Sie ergeben sich nach dem Hooke schen esetz mit den in der EN 1591 verwendeten Formelzeichen für Flansch und Dichtung zu e F U = [mm] (1) A E Bei der Schraube ist für die axiale Länge ein l statt des e im Zähler einzusetzen. Die axiale Nachgiebigkeit wird dann Y U e = = [mm/n] () F A E und es wird die nur noch aus geometrischen Einheiten bestehende röße U E e X = = [1/mm] (3) F A als axialer Elastizitätsfaktor bezeichnet. Dies wurde bei der Schraube in leichung [4] der EN 1591 auch richtig angeführt. Leider hat sich bei den übrigen Anwendungen die irreführende Bezeichnung anstelle von Elastizitätsfaktor Elastizitätsmodul eingeschlichen, was dem Young schen E-Modul vorbehalten sein sollte. Der Flansch Die direkten axialen elastischen Verformungen der Flansche können aufgrund der großen Querschnitte nach leichung 1 vernachlässigt werden, was die EN 1591 auch so handhabt. HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ

2 Axiale elastische Verformung Die im Schraubenteilkreis wirkenden indirekten axialen elastischen Verschiebungen haben ihre Ursache im Stülpen bzw. Drehen der Flansche unter den belastenden Momenten. Die Flansche verhalten sich wie große Tellerfedern. Die dadurch erreichten Federwege? U F sind um Zehnerpotenzen größer als die durch die direkte axiale Verformung. Sie werden durch den Elastizitätsfaktor bei Drehung des Flansches Z F [1/mm³] nach leichung [7] erfaßt. Die Schrauben Da die Schrauben siehe dazu auch Punkt k) der EN 1591 ohne Berücksichtigung der Biegung, die sich entsprechend der Flanschdrehung und ihrer Biegesteifigkeit einstellen würde, gerechnet werden, liegt ein symmetrischer axialer Spannungszustand vor und es ergibt sich ein Elastizitätsfaktor nach leichung [34] der EN 1591 zu 1) l X = S B dbs l + e dbe 0,8 4 + d B0 nb π [1/mm] [34] Die Verhältnisse bei Flansch und Schraube sind somit recht übersichtlich und klar, was man von den im folgenden Abschnitt zu besprechenden Dichtungen leider nicht behaupten kann. Die Dichtung Bei dem scheinbar einfachsten Element der Flanschverbindung tauchen dann aber Probleme auf. Die in der EN 1591 genannte leichung [4] für den axialen Elastizitätsfaktor der Dichtung bt = [1/mm] [4] At be stellt keinesfalls eine Verbesserung der leichung [4.5] des Beiblatt 1 zur EN 1591 dar. Diese nach Figure 5 des Beiblattes ) abgeleitete leichung für die mittlere aktive Dichtbreite b, die in etwa Bild 3b der EN 1591 entspricht, lautet b = be für b b t [4.5] Diese leichung für die mittlere aktive Dichtbreite gilt mit guter Näherung für Dichtungen nach Bild 3a und 3b der EN Kennzeichen der ültigkeit ist, dass sich auf beiden Seiten des tatsächlich gepressten Bereichs b e noch mittragender Dichtungswerkstoff befindet, in dem sich die Druckspannungskegel ausbilden können. Diese sind in Figure 5 des Beiblattes 1 wie folgt eingezeichnet. Je nach Beanspruchung trifft das auch noch auf Linsen-Dichtungen nach Bild 3c zu, nicht aber für Dichtungen nach Bild 3d bis 3f mit zweiflankiger Berührung der Dichtflächen. 1) Die in diesem Beitrag auftretenden leichungen sind in runde ( ) Klammern gesetzt, während die aus der EN 1591 zitierten leichungen zur besseren Unterscheidung in eckige [ ] Klammern gesetzt sind. ) Das Beiblatt 1 zur EN 1591 liegt nur in englischer Sprache vor. HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ

3 Axiale elastische Verformung 3 Figure 5 des Beiblatt 1 zur EN 1591 Das axiale elastische Verhalten von Dichtungen ohne mittragenden inneren und äußeren Materialüberstand nach Bild 3a wird weder von leichung [4.5] des Beiblattes noch von der modifizierten leichung [4.6], die zur leichung [4] der EN 1591 führt, richtig erfasst. Zu dieser großen nicht erfassten ruppe von Dichtungen gehören auch z.b. flache Metalldichtungen oder Kammprofil-Dichtungen mit Auflagen und ähnliche. Es geht also eigentlich nur um die Bestimmung der mittleren aktiven Dichtbreite, die von der Dichtungskraft durchflossen wird. Sie ist für die röße der axialen Verformung ebenso maßgebend, wie die axial beanspruchte Länge bzw. Höhe der Dichtung. Letztere ergibt sich recht eindeutig entsprechend den Bildern 3a bis 3f aus der effektiven Kontakthöhe e der unterschiedlichen Dichtungstypen. Die Kontakthöhe e ist bei den Flachdichtungen die Dichtungsdicke und bei den Profildichtungen der mittlere Abstand der Krafteinleitung in die Dichtung. Änderungsvorschlag Die zu sehr simplifizierte leichung [4] ist nach den obigen Ausführungen entsprechend einer differenzierteren Betrachtungsweise der mittleren aktiven Dichtungsbreite durch drei leichungen zu ersetzen: einmal für Flachdichtungen mit je einer Kontaktfläche sowie mit innerem und äußerem Materialüberstand, so dass sich Druckspannungskegel innerhalb der Dichtung ausbilden können. zum anderen für Flachdichtungen mit je einer Kontaktfläche ohne inneren und äußeren Materialüberstand, wie zum Beispiel bei Dichtungen aus Flachstahl oder Kammprofil-Dichtungen mit plastisch verformbaren Auflagen und zum dritten für die Verhältnisse bei Profildichtungen mit je zwei Kontaktflächen, wie oktogonale oder ovale Ring-Joint-Dichtungen. leichung 4 gilt allgemein für Flachdichtungen mit innerem und äußerem Materialüberstand über die Breite b t hinaus entsprechend Bild 3a, 3bsowie in bestimmten Fällen auch für Dichtlinsen nach Bild 3c. = dt π b, ( be b bt ) (4) HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ

4 Axiale elastische Verformung 4 leichung 5 gilt für Flachdichtungen ohne inneren und äußeren Materialüberstand, wie zum Beispiel beim Einsatz von Kammprofildichtungen mit äußerem Zentrierring, die auf der gesamten zur Verfügung stehenden Dichtbreite b e = b t gepresst werden. e = dt π be, (b e = b t ) (5) leichung 6 gilt für Profildichtungen mit je zwei Kontaktflächen, wie zum Beispiel eine Ring-Joint-Dichtung, bei der quasi das gesamte Querschnittsprofil von der Dichtungskraft durchflossen wird. = dt π bt, ( b e < bt ) (6) Welche Auswirkung haben die vorgeschlagenen leichungen auf den axialen Elastizitätsfaktor? In Tabelle 1 ist der mit dem Faktor (d t.??normierte Elastizitätsfaktor nach EN 1591 dem hier ermittelten gegenübergestellt. Die Abweichungen sind besonders groß im Bereich der metallischen Profildichtungen. Sie führen immer zu kleineren Nachgiebigkeiten Y, wenn man von Kammprofil-Dichtungen einmal absieht. Damit ist der Vorschlag eher konservativ. Die geschilderten Beispiele zeigen deutlich im Vergleich der Ergebnisse, die die hier vorgestellten leichungen 4, 5 und 6 gegenüber der leichung [4] der EN 1591 liefern, dass erhebliche Abweichungen bestehen. Die Norm sollte demnach auch in diesem Punkt überarbeitet werden. Eine differenziertere Betrachtung ist unbedingt erforderlich. Entsprechend wäre auch das Beiblatt 1 zu überarbeiten; denn hier sucht der interessierte Anwender nach tiefergehenden Informationen. Um so bedauerlicher ist es, dass nicht nur im Beiblatt 1 entsprechend Figure 5 die vielfältigen Dichtungsformen auf nur eine und die nach Bild 3b ist eine besonders untypische Variante Querschnittsform reduziert wurden, sondern dass außerdem die leichung [4.8] auf Page 14 falsch ist. Anstelle von X = e A t b b e t + e + e b t [mm/mm]! im Beiblatt 1 muss es richtig heißen bt = [1/mm] [4.8] wie [4] At be HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ

5 Axiale elastische Verformung 5 wie es in der EN 1591 in leichung [4] auch angeschrieben ist. Dass diese leichung gegenüber dem Beiblatt 1 richtiggestellt wurde, soll aber nicht heißen, dass leichung [4] nicht eingehend diskutiert und eventuell verändert werden sollte. Tabelle 1: Vergleich der Elastizitätsfaktoren nach EN 1591 und TMT Dichtung EN 1591 TMT Nach leichung [4].? = 0,80 Nach leichung 4.? = 0,61 b e = 10 mm; b t = 0 mm; e = 3 mm Nach leichung [4].? = 0,150 Nach leichung 4.? = 0,140 b e = 0 mm; b t = 0 mm; e = 3 mm Nach leichung [4].? = 0,50 Nach leichung 5.? = 0,50 b e = 0 mm; b t = 0 mm; e = 5 mm Nach leichung [4].? = 1,539 Nach leichung 6.? = 0,837 b e = 6,73 mm; b t = 19,05 mm; e = 15,95 mm Nach leichung [4].? =,111 Nach leichung 6.? = 0,74 b e = mm; b t = 19,05 mm; e = 13,79 mm HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ

6 Axiale elastische Verformung 6 Mit freundlicher enehmigung von Herrn Dipl.-Ing.(TH) Hans J. Tückmantel Fichtestr. 104, 4547 Mülheim an der Ruhr Tel.: Fax: Das "Ingenieurbüro TMT Technik - Methode Training" bietet Beratung zu speziellen Fragen im Zusammenhang mit Flanschen und Dichtungen Original Artikel erschienen in: 'Dichtungstechnik' ISSN X, Heft /003 Vulkan-Verlag Essen HANS J. TÜCKMANTEL TMT 003 TECHNIK. METHODE. TRAININ