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O+P Fluidtechnik 11-12/2017

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DICHTUNGEN FORSCHUNG UND

DICHTUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG MERKE: „JE BESSER EINE FLÜSSIGKEIT EINE DICHTUNG BENETZT, DESTO GERINGER IST DIE VERSCHLEISSRATE.“ Die Reibung geschmierter Kontakte folgt hydrodynamischen Gesetzmäßigkeiten. Flüssigkeit wird durch Relativbewegung in den Kontakt geschleppt und baut einen Schmierfilm auf. Die Einflussgrößen Viskosität, Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit sind dazu in der dimensionslosen hydrodynamischen Kennzahl zusammengefasst. Eine größere hydrodynamische Kennzahl bedeutet prinzipiell einen höheren Schmierfilm. Die Reibzahl ist dabei nicht konstant, sondern hängt von der (meist unbekannten) Schmierfilmhöhe ab. Dieser Zusammenhang ist aus der Stribeck-Kurve von Gleitlagern bekannt. Der Einfluss der Benetzung auf die Reibung von Dichtungen ist rein hydrodynamischer Natur. Eine gut benetzende Flüssigkeit führt zu einem höheren Schmierfilm. Das ist gleichbedeutend mit einer höheren hydrodynamischen Kennzahl. In Bild 2 sind exemplarisch drei Reibzahlverläufe von Radial- Wellendichtungen dargestellt. Bei schlechter Benetzung und permanentem Verschleiß (Kurve I) verläuft die Reibzahlkurve flach auf hohem Niveau. Der Betrag der Reibzahl wird hier vorrangig durch die Werkstoffkombination bestimmt. Bei guter Benetzung (Kurve II) verläuft die Reibzahlkurve typisch für geschmierte Kontakte: Steiler Abfall bis zum Ausklinkpunkt, danach stetiger steiler Anstieg. Der steile Abfall der Reibzahl, zusammen mit einem geringen Betrag der Reibzahl, begünstigt Ruckgleiten. Damit erklärt sich z. B. das typische Quietschen von Schuhsohlen, wenn versehentlich Silikonöl auf den Boden getropft ist. Bei Werkstoffen geringer Wärmeleitfähigkeit (im Beispiel: Glas) treten hohe Temperaturgradienten von der heißen Dichtzone zur kühleren Umgebung auf; d. h.: die Temperatur fällt sehr schnell ab. Dadurch entstehen hohe Energiegradienten in der Flüssigkeit. Die 01 Verschleißrate (µm / 1000 km) 5 4 3 2 1 0 Verschleiß von Radial-Wellendichtungen – 20 0 Spreitungskoeffizient (mN/m) 20 Flüssigkeit reagiert darauf mit dem Marangonieffekt und fließt von heiß nach kalt. Die Folge kann Flüssigkeitsmangel in der Dichtzone sein. Die Reibzahl stagniert dabei oder sinkt ab einer kritischen hydrodynamischen Kennzahl (Kurve III). MERKE: „BENETZUNG BEEINFLUSST DIE REIBUNG VON DICHTUNGEN NUR ÜBER DIE HYDRODYNAMIK.“ Axial-Gleitringdichtungen mit glatten Gleitflächen wirken ausschließlich drosselnd. Damit tritt bei solchen Dichtungen ständig Leckage aus. Aus der Leckrate kann, bei bekanntem Betriebspunkt, die Schmierfilmhöhe berechnet werden. Im Beispiel wurde dafür der bisherige hydrodynamische Ansatz als gültig betrachtet. Für unterschiedlich gut benetzende Flüssigkeiten ergibt sich das erwartete Ergebnis: Gut benetzende Flüssigkeiten (Bild 3, Schar I) ergeben wesentlich höhere Schmierfilmhöhen als schlechter benetzende Flüssigkeiten (Schar II und III). Durch den kubischen (3. Potenz) Zusammenhang zwischen Schmierfilmhöhe und Leckage, treten bei gut benetzenden Flüssigkeiten wesentlich höhere Leckraten auf. MERKE: „JE BESSER EINE FLÜSSIGKEIT EINE DICHTUNG BENETZT, DESTO HÖHER IST DIE LECKRATE.“ SEKUNDÄRE EFFEKTE Die Oberflächenenergie ist keine feste Größe. Maßgeblichen Einfluss haben die Temperatur, der Alterungszustand des Stoffes sowie die Rauheit und Vorbehandlung von Oberflächen. Die Oberflächenenergie von Flüssigkeiten sinkt mit zunehmender Temperatur. Festkörper haben hingegen, bei dichtungstechnisch relevanten Temperaturen, eine annähernd konstante Oberflächenenergie. Für die Anwendung bedeutet das: Mit zunehmender Temperatur wird der Spreitungskoeffizient größer, die Flüssigkeit benetzt besser. Ein alltägliches Beispiel ist Händewaschen, das mit warmem Wasser wirksamer ist, als mit kaltem; wird die Oberflächenenergie zusätzlich durch Seife herabgesetzt, steigert sich die Wirkung nochmals erheblich. Alle Stoffe, die nicht völlig inert sind, altern. Chemische Verbindungen degradieren, Oberflächen korrodieren, Elastomere vernetzen nach. In Versuchen mit Elastomeren zeigte sich für thermische Alterung, Oxidation und Hydrolyse eine Zunahme der Oberflächenenergie, insbesondere für ungesättigte Elastomere, wie z. B. Nitrilkautschuk. Eine Abnahme der Oberflächenenergie ergab sich für Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Ein Dichtring kann also mit zunehmendem Alter seine urspünglich günstigen Benetzungseigenschaften verlieren, sofern er nicht ausreichend inert (z. B. fluorierte Kautschuke) oder passiviert (z. B. Wachsschicht) ist. Die Oberflächenenergie von Festkörpern hängt stark von ihrer Rauheit und ihrer Vorbehandlung ab. Eine Vergrößerung der tatsächlichen Oberfläche durch Rauheit bedeutet für den flächenspezifischen Spreitungskoeffizient eine Vergrößerung der Energiemenge, die gebunden wird bzw. die frei wird. Flüssigkeiten mit positivem Spreitungskoeffizient benetzen Oberflächen stärker, je 72 O+P Fluidtechnik 11-12/2017

DICHTUNGEN rauer sie sind. Für Flüssigkeiten mit negativem Spreitungskoeffizient ist hingegen die Abstoßung stärker, je rauer die Oberfläche ist. Oberflächen, auf denen ein Schmierstoff haften soll, werden deshalb rau ausgeführt, z. B. Zylinderlaufbahnen in Kolbenmotoren. Soll ein Schmierstoff vollständig abgestreift werden, wie z. B. bei Hydraulik- Kolbenstangen, wird die Oberfläche glatt ausgeführt. Durch physikalische oder chemische Vorbehandlung kann eine Oberfläche ebenfalls in ihrer Benetzbarkeit verändert werden. Eine Erhöhung der Oberflächenenergie wird beispielsweise bei Klebeverbindungen durch Plasmareinigen angewandt. Zur Verringerung der Oberflächenenergie werden Stoffe mit sehr geringer Oberflächenenergie auf Oberflächen abgeschieden. In mechanischen Uhrwerken wird damit zum Beispiel verhindert, dass Schmieröl aus Lagerstellen austritt. PRAKTISCHE ANWENDUNG Für die praktische Anwendung der Benetzung dient der Spreitungskoeffizient als Kenngröße. Er wird nach DIN 55660 über die Oberflächenenergie von Festkörper und Flüssigkeit ermittelt. Für die Anwendung ergeben sich zwei Aussagen: Erstens, ob die Flüssigkeit, bei der Betriebstemperatur, den Festkörper vollständig oder unvollständig benetzt. Zweitens, wie stark die Flüssigkeit zur Filmbildung bzw. Tropfenbildung neigt. Damit können unterschiedliche Kombinationen von Werkstoffen und Flüssigkeiten direkt verglichen und ihr Einfluss auf die Funktion der Dichtung abgeschätzt werden. Das ermöglicht, ungünstige Kombinationen bereits vor praktischen Versuchen zu erkennen und auszuschließen. Wird ein bestimmter Spreitungskoeffizient gefordert, kann dieser durch Variation von Oberflächenenergie oder Polarität von Flüssigkeit und Festkörper erreicht werden. Die Polarität beschreibt dabei das Verhältnis von polarem Anteil der Oberflächenenergie zu ihrem Gesamtbetrag. Bei einer festgelegten Komponente, lässt sich die zweite Komponente über ein Auswahldiagramm mit Grenzkurven leicht bestimmen. Die Benetzung beeinflusst die Hydrodynamik von Dichtungen. Sie sollte deshalb, neben den bereits bekannten hydrodynamischen Größen Viskosität, Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung, zur Auslegung von Dichtungen mit herangezogen werden. Durch Anpassung von Oberflächenenergie und Oberflächenrauheit von Dichtungskomponenten kann so die Schmierfilmhöhe in gewünschter Weise beeinflusst werden. Die Schmierfilmhöhe bestimmt die Leckrate bzw. die Verschleißrate der Dichtung. MERKE: „DICHTUNGEN KÖNNEN ÜBER DIE BENETZUNG ENTWEDER AUF GERINGEREN VERSCHLEISS ODER GERINGERE LECKAGE OPTIMIERT WERDEN.“ SCHLUSSWORT Überraschen nun diese Zusammenhänge? Nein – ganz und gar nicht! Der klassische Fall einer Welle aus Stahl, einem mineralischen Schmieröl und einem Dichtring aus Nitrilkautschuk hat seine guten Gründe: Das Mineralöl benetzt den Stahl sehr gut, was zu guter Schmierung führt. Davon profitiert, neben Verzahnungen und Lagern, auch der Dichtring durch geringen Verschleiß. Der Dichtring selbst wird nur moderat benetzt. Damit ist er in der Lage, das Öl wirksam zurückzuhalten bzw. abzustreifen. Diese empirisch ermittelte Kombination ist, aus Sicht der Benetzung, ausgereift. Für die heute geforderten Einsatzbedingungen sind jedoch oft andere Werk- und Schmierstoffe erforderlich. Biologisch abbaubare Polyglykol-Schmierstoffe mit ihren ungünstigen Benetzungseigenschaften (d. h. geringem Spreitungskoeffizient) gegenüber Elastomeren sind hierfür ein Beispiel. Unter gezielter Ausnutzung der Benetzung können auch diese neuen Kombinationen zu ausgereiften Dichtungen führen. Autoren: Dr.-Ing. P. Schuler und Prof. Dr.-Ing. habil. W. Haas, Institut für Maschinenelemente (IMA), Universität Stuttgart 02 Reibzahl (–) 03 Reibung von Radial-Wellendichtungen Schmierfilmhöhe von Gleitringdichtungen 1 1 I : „gut benetzt“ II : „moderat benetzt“ III: „schlecht benetzt“ 0,8 0,5 0,6 0,4 0,2 0,2 I : „schlecht benetzt“ II : „gut benetzt“ III: Marangonieffekt 0,1 0 10 –9 10 –8 10 –7 10 –6 10 –5 10 –7 10 –6 10 –5 hydrodynamische Kennzahl (–) hydrodynamische Kennzahl (–) Schmierfilmhöhe (μm) O+P Fluidtechnik 11-12/2017 73

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