Integrierter Berechnungsansatz zur Prognose des dynamischen Betriebsverhaltens von Radialwellendichtringen von Barbara Jennewein

Kurzfassung Radialwellendichtringe (RWDR) aus Elastomer werden zur Abdichtung rotierender Wellen in verschiedenen Anwendungen z. B. Industriegetrieben, Kurbelwellen und Radlagern eingesetzt. Die Prognose des Betriebsverhaltens von RWDR, insbesondere zur Abschätzung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer, ist von großem Interesse sowohl für Anwender als auch für Hersteller. Bisher wurden Prognosen zumeist auf Grundlage einer Vielzahl von zeit- und kostspieligen Versuchen gemacht, deshalb sind Berechnungsmethoden, die einen solchen Versuchsaufwand reduzieren können, sehr reizvoll. Im Gegensatz zu Metallen weisen Elastomerwerkstoffe ein nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten mit deutlicher Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Belastungsgeschwindigkeit auf. Weiterhin wird ein RWDR im Betrieb vielfältigen Belastungen ausgesetzt. So können neben thermischen und chemischen Belastungen durch Schmierstoffe mit Additiv-Paketen, zusätzlich mechanische Belastungen in Form von statischen und dynamischen Exzentrizitäten zwischen RWDR und Welle auftreten. Aber auch bei konstanter Wellendrehzahl liegt bei einem RWDR-System im Betrieb ein instationärer Zustand mit komplexen Wechselwirkungen der Systemparameter vor. Ist bei einem eingelaufenen Dichtring eine Reibleistung vorhanden, welche die Kontaktpressung bestimmt, so ändert sich der vorliegende Zustand durch Temperatureinfluss, Alterung, dynamische Belastungen und vor allem durch Verschleiß kontinuierlich. Neben dem Elastomerverhalten erfordert zusätzlich der Dichtspalt von geringer Breite (ca. 100 ?m im Neuzustand) und die asymmetrische Kontaktpressungsverteilung spezielle Berechnungsmethoden für RWDR. Zur realitätsnahen Vorhersage des Verhaltens von RWDR-Systemen müssen zum einen alle Einflussparameter und zum anderen ihre wechselseitigen Beziehungen in der Simulation berücksichtigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein FE-basierter, integrierter Berechnungsansatz entwickelt, der die transienten Dichtsystemparameter auf makroskopischer Ebene zugänglich macht und somit die Berechnung des dynamischen Betriebsverhaltens erstmals ermöglicht. Die integrierte Berechnung berücksichtigt die Wechselwirkungen von temperaturabhängigen hyperelastischen bzw. viskoelastischen Elastomereigenschaften, von Reibungs-, Verschleiß- und Temperaturverhalten sowie von zeitlich veränderlichen Lastkollektiven. Die Lastkollektive sind eine Kombination aus Wellendrehzahl, Öltemperatur und statischer bzw. dynamischer Wellenauslenkung in radialer Richtung. Zu den Berechnungsgrößen, die über der Betriebszeit ausgewertet werden können, zählen z. B. der Verschleiß bei Wellenauslenkungen, die Reibungsverluste, die Verzerrung der Dichtkante in Umfangsrichtung aufgrund der Wellenrotation und die Dichtlippenfolgefähigkeit bei Wellenschwingungen. Experimente zur Ermittlung der Eingangsparameter und zur Validierung des Berechnungsansatzes werden aufgezeigt und für eine exemplarische Elastomer-Öl-Welle-Paarung durchgeführt. Die für die Berechnung benötigten Eingangsparameter können in Parameter des RWDR-Systems, die abhängig von der Reibpaarung sind, sowie in mechanische und thermische Werkstoffeigenschaften unterteilt werden. Anhand der experimentellen Validierung werden die Berechnungsergebnisse der untersuchten Reibpaarung qualitativ bewertet und die Grenzen der Berechnung aufgezeigt. Abstract Radial shaft seals (RSS) made of elastomer are used for sealing rotating shafts in various applications such as industrial gears, crankshafts and wheel bearings. The prediction of the RSS operation behavior, especially to evaluate product reliability and life time, is of great interest for customers as well as for the manufacturer. Up to now, predictions are based on a variety of time and money consuming tests. Therefore calculation methods, which can help to reduce these experimental efforts, are very attractive. In contrast to metals, elastomers exhibit a nonlinear stress-strain behavior with a pronounced dependence on temperature, time and speed of load. Furthermore, a RSS is exposed to multiple loads in operation. Beside thermal and chemical loads due to additive containing lubricants, additional mechanical loads in terms of static and dynamic eccentricities may occur between RSS and shaft. But even at constant rotational speeds, a non-steady state of the RSS system is present with complex mutual interactions between the system parameters. If a run-in seal ring shows a certain contact pressure, which affects the friction loss, the initial state will be changed continuously by temperature, aging, dynamic loads and mainly by wear. In addition to the behavior of the elastomer, the narrow contact width (around 100 ?m in the new condition) and the asymmetric distribution of the contact pressure require sophisticated RSS calculation methods. For a realistic prediction of the behavior of RSS systems, all influencing factors as well as their mutual interactions have to be taken into account in the simulation. Within the scope of this work, a FE based, integrated calculation approach was developed, which makes the transient parameters of the sealing system accessible on a macroscopic scale and thus allows the calculation of the dynamic operation behavior for the first time. The integrated calculation takes into account the mutual interactions of temperature dependent hyperelastic and viscoelastic elastomer properties, of friction-, wear- and temperature behavior as well as of time dependent load spectra. The load spectra are a combination of shaft speed, oil temperature and static or dynamic shaft deflection in radial direction. The quantities which can be evaluated over operation time are e. g. the wear during shaft deflections, the friction losses, the distortion of the sealing edge in circumferential direction due to rotation of the shaft and the ability of the sealing lip to follow shaft vibrations. Experiments are presented to determine the input parameters and to validate the calculation approach and they are carried out for an exemplary friction couple of elastomer, oil and shaft. The input parameters which are necessary for the calculation can be divided into parameters of the RSS system, which depend on the friction couple and into mechanical and thermal material properties. By means of experimental validation, the calculation results of the investigated friction combination are evaluated qualitatively and the limitations of the calculation are discussed.