Einfluss der Oberflächentopographie in Umfangsrichtung von Wellen auf die Tribologie und das Abdichtverhalten des Systems Radial-Welendichtung
Final Report Abstract
Zur Untersuchung des Einflusses der Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe wurden verschiedene Untersuchungen hinsichtlich tribologischer Vorgänge durchgeführt. Hierbei wurden sowohl verschieden gefertigte Gegenlaufflächen wie auch speziell strukturierte Versuchswellen verwendet. Als wesentlicher Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik liegen nun Kenntnisse darüber vor, wie sich unterschiedliche Topographien von Gegenlaufflächen auswirken und wie deren Einfluss beschreiben werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass es mit dem gewählten Lösungsweg einer kombinierten Betrachtung von Experiment und Simulation möglich ist, mittels Fluid-Struktur-Kopplung die Förderwirkung einer Gegenlauffläche zu berechnen. Das erstellte Simulationsmodell bietet ein großes Potential, vor allem im Hinblick auf die Ermittlung der Förderwirkung von Oberflächenstrukturen. Schließlich ist das Modell in der Lage, in weiten Teilen sehr aufwändige Versuche zu ersetzen. Dabei ist anzumerken, dass bei der Simulation keine Flussfaktoren oder anderen „Korrekturfaktoren“ verwendet wurden. Durch die kombinierte Betrachtung von Experiment und Simulation sowie den stetigen Abgleich konnte eine wichtige Grundlage geschaffen werden, um Gegenlaufflächen hinsichtlich der dichtungstechnischen Eignung zu bewerten. Weiterführende Forschungsarbeiten sollten sich nun auf praxisgerecht gefertigte Gegenlaufflächen konzentrieren. Langfristiges Ziel ist, die „Güte“ der Gegenlauffläche in weiten Teilen berechnen zu können. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Rauheit von Gegenlaufflächen entlang der Umfangsrichtung die Förderwirkung des Dichtrings beeinflusst. Dieser Zusammenhang gilt unabhängig vom Fertigungsverfahren und kann anhand von Rauheitskennwerten quantifiziert werden. Mit dieser Erkenntnis ist nun eine bessere Charakterisierung bzw. Optimierung beliebiger Gegenlaufflächen möglich. Desweiteren konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Oberflächentopographie zu einer Veränderung des tribologischen Zustandes, also einer Verschiebung von Mischund Flüssigkeitsreibung führt. Den Ergebnissen zufolge führen z.B. „glatte“ Gegenlaufflächen zu einem insgesamt höheren Reibungsniveau, dessen Ursache frühe Flüssigkeitsreibung ist. „Raue“ Oberflächen besitzen ein niedrigeres Reibungsniveau und befinden sich eher im Mischreibungsbereich. Eine Spezifizierung von „rau“ bzw. „glatt“ konnte anhand einer flächenhaften Auswertung des Traganteils bzw. der Abbott-Kurve erfolgen. Diese beschreibt die Materialverteilung einer Topographie als Funktion der Lage einer Schnittebene. Anhand der neuen 3D-Kennwerte (DIN EN ISO 25178) ist auch eine kennwertgestützte Auswertung möglich. Ein entsprechender Oberflächenkennwert der flächenhaften Abbott- Kurve ist Smr. Anhand des erweiterten Gümbel-Diagramms und einer Oberflächenauswertung anhand von Smr können nun Gegenlaufflächen unterschiedlicher Fertigungsverfahren hinsichtlich des zu erwartenden tribologischen Zustandes zielgerichtet bewertet werden.
Publications
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