Dynamik von PTFE-Wellendichtungen simulieren

Darstellung des Dichtsystems mit thermischen Randbedingungen (gepunktet: Konvektion Öl, gestrichelt: Konvektion Luft, durchgezogen: Kontaktbereich) nach [32] (Bild: HAW Hamburg)

30.10.2019 Dynamik von PTFE-Wellendichtungen simulieren

Transiente Mehrfeldsimulation unter der Berücksichtigung von Reibung, Wärmeentwicklung und Verschleiß

von Professor Dr. Thomas Kletschkowski (HAW Hamburg), Dr.-Ing. Florian Albrecht (HAW Hamburg)

Aktuelle Entwicklungen der Elektromobilität führen zu Antriebskonzepten, die eine reibungsminimierte Auslegung von Wellendichtringen für hohe Drehzahlen erfordern. Dies betrifft insbesondere die Abdichtung von Getrieben, in denen Drehzahlbereiche jenseits von 20.000 min-1 denkbar sind. Ein Verfahren zur transienten Mehrfeldsimulation im Zeitbereich soll helfen, die Dynamik von PTFE-Wellendichtungen auch im Bereich hoher Drehzahlen effizient zu simulieren. Es berücksichtigt nicht nur große Verformungen und temperaturabhängige materielle Nichtlinearitäten, sondern auch die Wärmeentstehung an der Dichtstelle, die Wärmeleitung in Dichtung und Welle sowie den durch Kontakt von Dichtung und Welle bedingten Verschleiß. Darüber hinaus dient es als Grundlage, um Dichtsysteme mit adaptiven Eigenschaften hinsichtlich der Kontaktpressung numerisch analysieren zu können.

Aktuelle Entwicklungen im Kontext zur Simulation von Wellendichtungen
Neuerungen in der Automobilindustrie führen, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, zu Antriebskonzepten, die eine reibungsminimierte Auslegung von Wellendichtringen für hohe Drehzahlen erfordern. Dies betrifft z.B. die Abdichtung von Getrieben. Hierbei sind Drehzahlen jenseits von 15.000 min-1 denkbar, welche derzeit mit Antriebstopologien handelsüblicher Elektrofahrzeuge erreicht werden können. Die Ergebnisse des BMBF-geförderten Verbundvorhabens „Speed2E – Innovatives Super-Hochdrehzahl-Mehrgang-Konzept für den elektrifizierten automobilen Antriebsstrang für höchste Effizienz und höchsten Komfort“ belegen, dass es möglich ist, Motordrehzahlen von bis zu 30.000 min-1 zu erreichen und so, bei gleichzeitiger Senkung der Motormasse um 30%, Leistungsdichte, Effizienz und Wirtschaftlichkeit elektrifizierter automobiler Antriebsstränge deutlich zu steigern [1].

Untersuchungen zu reibungsarmen Wellendichtringen aus PTFE, die für einen Wellendurchmesser von 7 mm zur drucklosen Abdichtung von Öl mit einer Temperatur von 100 °C auf einer elektrischen Antriebseinheit durchgeführt wurden, verdeutlichen, dass Dichtsysteme für schnell laufende  Anwendungen, wie z.B. Abgasturbolader, unter Laborbedingungen sogar für Drehzahlen von bis zu 150.000 min-1 getestet werden können [2].

Die Auslegung des Antriebsstranges für extreme Hochdrehzahl-Anwendungen erfordert es, gestiegene Anforderungen in den Bereichen Betriebsfestigkeit, Lagerung und Wirkungsgrad, aber auch im Gebiet der Schwingungstechnik und Akustik zu beherrschen [1]. Letzteres gewinnt nicht nur aufgrund des Durchfahrens biegekritischer Drehzahlen oder durch das Erreichen potenziell instabiler Drehzahlbereiche [3] sowie des Schwingungsverhaltens der Dichtung selbst, das bei Resonanzerscheinungen zum Kontaktverlust zwischen Dichtung und Welle führen kann [4], an Bedeutung.

Auch das Durchfahren von Resonanzen der Zahnradstufen ist in der Auslegung zu berücksichtigen, um die Schwingungsanregung durch den Zahneingriff im Getriebe infolge der elektromagnetischen Kräfte als Ursache für eine ungewünschte hochfrequente Abstrahlung von Luftschall auszuschließen [1]. Die in [5] veröffentlichten theoretischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass Wellendichtungen aus PTFE geeignet sein könnten, die Bedämpfung einer Luftschallanregung im Resonanzfall nahezu zu verdoppeln. Um Wellendichtungen, die aktuellen und zukünftigen Anforderungen entsprechen, effizient auslegen oder aber auch deren Zustand mithilfe virtueller Zwillinge im Betrieb beobachten zu können, ist die Weiterentwicklung effizienter und validierbarer Simulationsverfahren im Zeit- und Frequenzbereich unerlässlich. Hierbei stellt, neben zahlreichen nichtlinearen Effekten, die starke Kopplung thermo-mechanischer, fluid-dynamischer und reibungsbedingter Phänomene eine besondere Herausforderung dar.