Forschung an Hydraulik-Dichtsystemen – Die komplexen Zusammenhänge zwischen Reibung, Verschleiß und Leckage eines Dichtsystems und Parametern wie Dichtung, Stange, Fluid und Betriebsbedingungen untersucht ein Forschungsprojekt am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Uni Stuttgart.

In der Hydraulik steigen die Anforderungen an die Dichtsysteme stetig. Sie sollen besser dicht sein und diese Eigenschaft immer länger und möglichst 100 Prozent zuverlässig erfüllen, bei in aller Regel verschärften Betriebsbedingungen zu günstigeren Preisen.

Stand der Technik zur Auslegung von Hydraulikdichtsystemen ist die Inverse Reynoldsgleichung, die besagt, dass für das Leckageverhalten einer Hydraulikdichtung im Wesentlichen die Pressungsgradienten an der Dichtkante verantwortlich sind.

Diese Theorie vernachlässigt die Oberflächenrauheit der Stange und geht von einem vollständig ausgebildeten Schmierfilm zwischen Dichtung und Stange aus. Dadurch lässt sich die Leckage zwar relativ gut abschätzen, allerdings wird die Reibung falsch berechnet und Verschleiß-effekte komplett vernachlässigt. In der Praxis werden daher geeignete Stangen-oberflächen bis heute mit Parametern beschrieben, deren zulässige Werte über Jahrzehnte hinweg empirisch ermittelt wurden.

Meistens werden dafür 2D-Rauheitsparameter wie Ra, Rz und die Parameter der Traganteilskurve verwendet. Allerdings teilt dieses Verfahren die Stangen lediglich in geeignete und ungeeignete Stangen ein. Aussagen zum Dichtverhalten, also zum Beispiel eine Abschätzung von Reibung und Verschleiß sind nicht möglich. Dazu kommt, dass die Wertevorgaben nicht universell für sämtliche Hydraulikstangen gelten, sondern auf jeweils einen bestimmten Oberflächentyp beschränkt sind. So sind beispielsweise bei einer hartverchromten gehonten Stange andere Werte einzuhalten als bei Keramikstangen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Untersuchung des Einflusses von verschieden hergestellten Stangenoberflächen und Hydraulikölen auf Dichtheit, Reibung und Lebensdauer ausgewählter Hydraulikdichtungen“ an der Uni Stuttgart wird daher der Einfluss der Oberflächenrauheit auf das tribologische Verhalten von Hydraulikstangendichtungen untersucht. In Zukunft soll dadurch die Reibkraft besser abgeschätzt werden können und es sollen Aussagen zum Verschleiß möglich sein. Das Dichtsystem, insbesondere die Stangenoberfläche, lässt sich dann optimieren, Systeme mit höherer Lebensdauer sind realisierbar und die Zuverlässigkeit steigt.

Versuche mit verschiedenen Stangen
Dazu wird ein zweigleisiger Lösungsweg beschritten. Im praktischen Teil werden durch Versuche grundlegende Daten zum Zusammenhang zwischen Oberfläche und ihrem Einfluss auf das Dichtsystem erarbeitet. Anhand der Versuchsergebnisse werden im theoretischen Teil Methoden entwickelt, die den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Dichtsystem beschreiben. Kernstück der experimentellen Untersuchungen sind die Versuche am Hydraulikprüfstand. Hier wurde die Hydraulikstangenoberfläche variiert, sodass verschiedene hartverchromte und gehonte Stangen, verschiedene gehärtete und geschliffene Stangen sowie verschiedene Keramikbeschichtungen untersucht wurden.

Herkömmliche Standardstangen funktionieren mittlerweile so gut, dass der Dicht-ringverschleiß teilweise erst nach mehreren Wochen Dauerlauf deutlich messbar ist. Daher wurden einige Prüfstangen gezielt etwas rauer angefertigt als normale Standardstangen, sodass bereits nach relativ kurzer Zeit ein deutlich messbarer Verschleißeffekt auftritt und die Versuchsdauer reduziert wird. Die normal gefertigten Prüfstangen stellen den Bezug zur Praxis her.

Fokus zunächst auf Verschleiß
Für die Versuche wurde ein PU-Nutring und eine Stufendichtung aus kohlegefülltem PTFE verwendet, als Öl kam ein HLP32-Hydrauliköl zum Einsatz. Während der Versuche wurde die Leckage gemessen und die Reibkraft aufgezeichnet. Für die Verschleißmessungen wurden die Versuche in regelmäßigen Abständen unterbrochen, die Dichtringe ausgebaut und der Verschleiß an der Dichtkante bestimmt. Die Oberflächentopographie der Prüfstangen wurde sowohl zwei- als auch dreidimensional erfasst.

In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde der Fokus der Hydraulikversuche zunächst auf den Verschleiß gelegt. Dazu wurden die Standard-2D-Oberflächenparameter und die neuen 3D-Oberflächenparameter ausgewertet. Eine Korrelation mit dem Verschleiß war für diese Parameter nicht erkennbar, sodass neue Parameter entwickelt und untersucht werden mussten. Im Verlauf des Projekts ergab sich schließlich, dass für die PU-Dichtringe hauptsächlich die Täler in der Oberflächenrauheit schädlich sind. Dem liegt die Vorstellung zugrunde, dass durch die Druckbeaufschlagung die PU-Dichtung nahezu komplett an der Gegenlauffläche anliegt und sich hauptsächlich an den Talrändern abreibt.

Um die Täler einer Oberfläche zu charakterisieren, wird zunächst eine Nullebene definiert und dann das Volumen unterhalb der Nullebene berechnet. Durch Normieren mit der Fläche des betrachteten Messausschnitts ergibt sich schließlich ein Maß für die durchschnittliche Taltiefe DTT.

Großen Einfluss hat hier das Niveau der Nullebene. Die besten Ergebnisse wurden mit der Nullebene bei zirka 50 Prozent Traganteil erzielt, sodass sich das Diagramm in Bild oben links ergibt. Die durchschnittliche Taltiefe DTT korreliert hier recht gut mit dem Verschleiß und zwar auch unabhängig vom konkreten Oberflächentyp. Bei den PTFE-Stufendichtungen funktioniert dieser Ansatz allerdings nicht. Da das Material deutlich steifer als PU ist, findet der Verschleiß eher an den Hügeln statt. Analog zu den PU-Dichtungen ist daher die durchschnittliche Hügelhöhe DHH relevant, für die das normierte Volumen oberhalb der Nullebene berechnet wird.

Auch hier beeinflusst die Position der Nullebene das Ergebnis sehr stark. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Nullniveau zwischen 10 und 20 Prozent Traganteil erzielt. Für das Diagramm oben rechts wurde sie auf 15 Prozent Traganteil gesetzt. Für die PTFE-Dichtungen ergibt sich ebenfalls eine relativ gute Korrelation zwischen Kennwert und Verschleiß. Allerdings weichen die gehonten Stangen ein wenig ab, sodass weitere Untersuchungen notwendig sind, um auch diese Stangen mit einzubinden.

Zusammenfassung und Ausblick
Das Verständnis des Abdichtmechanismus‘ von Hydraulikstangendichtungen beruht im Wesentlichen auf einem makroskopischen Ansatz, der den Einfluss der Oberflächenrauheit vernachlässigt. Dass aber gerade die Oberflächenrauheit Verschleiß verursacht und auch Reibung und Leckage signifikant beeinflussen kann, ist unumstritten. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden daher Versuche durchgeführt, um den Oberflächeneinfluss insbesondere auf den Verschleiß des Hydraulikdichtsystems zu untersuchen.

Dabei hat sich gezeigt, dass bei PU-Dichtungen eher die Rauheitstäler für den Verschleiß ausschlaggebend sind. Bei den PTFE-Dichtungen sind es vor allem die Rauheitshügel. Darauf basierend wurde für jeden Dichtungstyp ein Kennwert eingeführt, der gut mit dem Verschleiß an der Dichtung korreliert.

Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten sollen die Versuchsergebnisse auch bezüglich Reibung und Leckage weiter ausgewertet werden. Außerdem soll der Einblick in das Zusammenspiel zwischen Oberflächenrauheit und Reibung, Verschleiß und Leckage weiter vertieft werden. Dazu wird ein FE-Modell erstellt, das den Kontakt zwischen Dichtung und Stange abbildet. Das Ziel ist es, die Wirkprinzipien von PU- und PTFE-Dichtungen zu verknüpfen und dadurch das tribologische Verhalten für jede beliebige Kombination aus Dichtung und Stangenoberfläche vorherzusagen.

Die Arbeiten wurden aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die AiF unter der IGF-Nr. 15526 N/1 gefördert.

 

Veranstaltungshinweis
Internationale Dichtungstagung
Vom 12. bis 13. Oktober 2010 findet die 16th ISC – Internationale Dichtungstagung an der Universität Stuttgart statt. Wie in den vergangenen Jahren führen der Fachverband Fluidtechnik im VDMA und das Institut für Maschinenelemente die Veranstaltung unter der Leitung von Professor Werner Haas durch.
Unter dem Motto „Dichtungstechnik – Spitzentechnologie auf engstem Raum“ werden neue wissenschaftliche Arbeiten und Entwicklungsergebnisse präsentiert. Berücksichtigt werden insbesondere die Erfahrungen und Wünsche der Anwender, sodass neue Erkenntnisse schnell in die Praxis transferiert werden können. Weitere Informationen im Internet unter www.sealing-conference.com.