Eigenerwärmung in Dichtungen infolge dynamischer Beanspruchungen

Der Querschnitt des Dämpfungsrings wird angezeigt. Man erkennt eine ungleichförmige Verteilung der Deformationsgeschwindigkeit bei maximaler Kompression (Bild: Ingenieurbüro Achenbach)

31.10.2017 Eigenerwärmung in Dichtungen infolge dynamischer Beanspruchungen

Vermeidung, Berechnung und Simulation

von Dr.-Ing. Manfred Achenbach (Ingenieur- + Sachverständigenbüro Achenbach), Sina Achenbach (Ingenieur- + Sachverständigenbüro Achenbach)

Dynamisch beanspruchte Dichtungen verändern ihre Temperatur nicht nur aufgrund von Wärme-Zu- oder -Abflüssen, sondern diese können auch durch innere Reibung (Energie-Dissipation) Temperaturänderungen erfahren. Dabei wird ein Teil der durch äußere Kräfte zugeführten Verformungsarbeit in Wärme umgewandelt und damit eine Temperaturerhöhung in der Dichtung verursacht. Für diese Art der Erwärmung sind besonders Elastomere empfänglich. Ursache sind die speziellen thermo-viskoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffklasse und ihre Fähigkeit zu großen Verformungen. Nachfolgend wird gezeigt wie diese Vorgänge in den Kontext der allgemeinen Thermodynamik eingebunden werden können und mit welchen Methoden man zu expliziten Formeln und zur Vorhersage induzierter Erwärmung in dynamisch beanspruchten Elastomerbauteilen  kommen kann. Analytische Lösungen der grundlegenden Gleichungen sind allerdings nur in einfachen Fällen möglich. Für reale Bauteile  und komplexe Fragestellungen benötigt man i.d.R. die Finite Elemente Methode.

Um Dichtungen für dynamische Anwendungen auszulegen, muss man – wie beim Entwurf von elastomeren Bauteilen im Allgemeinen (z.B. Dämpfungselementen) – Energie-Dissipations-Mechanismen im Auge behalten. [1, 2] Die thermo-viskoelastischen Eigenschaften der Elastomere stellen sich als eine wichtige Verlustquelle heraus. Daher wird hier den eigentlichen Ursachen für diese Energie-Verluste im Detail nachgegangen. Das Ziel sind vereinfachte mathematische  Beziehungen, die für die Beurteilung von praktischen Fragestellungen genutzt werden können bzw. Grundgleichungen, die in FEA-Modellen verwendet werden, um komplexe anwendungstechnische Sachverhalte untersuchen zu können.

Physikalisch gesehen ist die thermo-viskoelastische Dämpfung ein Energieverlust aufgrund eines Entropieanstiegs, der durch eine Kopplung von Verformungsgeschwindigkeit (Dehnungsgeschwindigkeit) und Wärmeleitung hervorgerufen wird. Gut bekannt ist die Ausdehnung durch Temperaturerhöhung und das Schrumpfen durch Temperaturabnahme. Ganz analog führt eine Dehnung zu einer Temperaturabnahme und eine Kompression erhöht die Temperatur. Wenn ein thermo-viskoelastischer Körper verformt wird, gerät er aus dem Gleichgewicht, d.h. er besitzt dann einen Überschuss an kinetischer und potentieller Energie. Die Kopplung zwischen den Verzerrungs- und Temperaturfeldern bewirkt die Energiedissipation.

Ist z.B. die Frequenz einer harmonischen Verformungsanregung viel kleiner als die Relaxationsgeschwindigkeit, so bleibt das Bauteil im thermischen Gleichgewicht und befindet sich damit in einem isothermen Zustand. Andererseits, wenn die Schwingungsfrequenz viel größer ist als die Relaxationsgeschwindigkeit, hat das Bauteil keine Zeit zu relaxieren und es liegt dann ein adiabater Zustand vor. Folglich wird der Energieverlust nur dann nennenswert sein, wenn sich die Schwingungsfrequenz der Anregung in der Größenordnung der Relaxationsgeschwindigkeit bewegt.

Lösungspartner

Ingenieur- + Sachverständigenbüro Achenbach
Ingenieur- + Sachverständigenbüro Achenbach