Strategien und Modelle zur Simulation des Betriebsverhaltens von Radial-Wellendichtringen

Kurzfassung
Der Radial-Wellendichtring (kurz; RWDR] ist das am weitesten verbreitete Maschinenelement
zur Abdichtung olgeschmierter Aggregate am Wellenaustritt. Schon seit dem Beginn
des Automobilzeitalters ist die Weiterentwicklung des Radial-Wellendichtrings mit der Weiterentwicklung
des Automobils eng verkniipfL So sind auch heute die primaren Treiber bei
der Entwicklung neuer Dichtringbauformen oder -materialien die standig steigenden Anforderungen
aus der Automobilindustrie nach hoheren Geschwindigkeiten, Beschleunigungen
und Temperaturen bei gleichzeitiger Minimierung reibungsbedingter Verluste.
Im System Radial-Wellendichtring sind die Wechselbeziehungen zwischen Reibmoment,
Temperaturverteilung, Radialkraft und VerschleilJ stark ausgepragt. Mit einfachen analytischen
Ansatzen sind sie nicht beschreibbar. Deshalb konzentrieren sich die verfiigbaren Modelle
nur auf Teilaspekte. So existieren Modelle, mit denen speziell der VerschleiR bei einer
bestimmten Temperatur simuliert werden kann, oder Modelle, mit denen die Kontakttemperatur
und das Reibmoment eines Dichtrings im Neuzustand ermittelt werden kann. Fiir eine
breite Anwendbarkeit ist es notwendig, die mechanischen und thermischen Modelle miteinander
zu koppeln, um ein Gesamtwerkzeug zu entwickeln, das als Alternative zu Experimenten
verwendet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wird eine Simulationsstrategie erarbeitet,
die diese mechanisch-thermlschen Wechselbeziehungen beriicksichtigt. Das Simulationsmodell
wird in der Finite-Elemente Simulationsumgebung ABAQUS in Form eines parametnschen
PYTHON-Skripts entwickelt und umfasst Ansatze zur Simulation des verschleiRbedingten
Materialabtrags an Dichtlippe und Gegenlaufflache, zur Simulation von Reibleistung
und zur Bestimmung der reibungsbedingt entstehenden Obertemperatur im Kontakt. In diesem
Zusammenhang wird der Einfluss des konstruktiven Dichtringumfelds auf die thermische
Situation im Kontakt einbezogen. Die thermischen und mechanischen Simulationsschritte
sind iiber die temperaturabhangige Steifigkeit des Elastomermaterials gekoppelt.
Anhand von drei Anwendungsbeispielen wird demonstriert, dass die entwickelte Simulati
onsstrategie auf unterschiedliche RWDR-Systeme anwendbar ist. Im ersten Fall wird ein
Elastomer-RWDR in Kontakt mit einer langsgedrehten Welle untersucht. Im zweiten Fall
wird ein Elastomer-RWDR mit beriihrender Schutzlippe simuliert, um die Auswirkung der
Schutzlippe auf das Betriebsverhalten zu analysieren. In einem dritten Fall wird anhand ei
nes PTFE-Manschettendichtrings untersucht, inwieweit die entwickelte Simulationsstrategie
auch auf Dichtungen mit deutlich anderer Geometric und anderem Material angewendet
werden kann.