01.11.2018 PTFE-Wellendichtungen effizient simulieren

Eine neues multiphysikalisches Simulationsmodell erleichtert die Auslegung von Dichtsystemen

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

Wellendichtungen sollen das Austreten von Öl und das Eindringen von Schmutzpartikeln an Gehäuseausgängen verhindern. Wegen der guten thermischen und chemischen Beständigkeit sowie der Trockenlaufeigenschaften werden häufig Wellendichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Andere Eigenschaften von PTFE legen allerdings eine Simulation eines Dichtsystems nahe. Hierzu wurde die letzten Jahre ein Modell entwickelt.

Die Dichtung (Bild 1) muss so auslegt werden, dass ihre Funktionalität für alle auftretenden Kombinationen aus Öl-, Wellen- und Lufttemperatur sowie Drehzahl, Koaxialitäts- und Rundlaufabweichungen der Welle gewährleistet ist. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Dichtung im Einsatzzeitraum keine gleichbleibenden Eigenschaften hat. Grund hierfür ist vorrangig der Abrieb der Dichtung im Dichtkontakt, der zu einer größeren Kontaktfläche mit der Welle und einer geringeren Flächenpressung führt. Dies wirkt sich weiterhin auf die reibungsinduzierte Wärmeentwicklung und auf die Temperaturverteilung in der Dichtung aus. Die Temperaturverteilung in der Dichtung ist entscheidend, da die mechanischen Eigenschaften von PTFE stark temperaturabhängig sind.

Die Simulation des Dichtsystems erfordert eine multiphysikalische Betrachtung unter Berücksichtigung der reibungsinduzierten Wärmeentwicklung, der Wärmeleitung und des Abriebs (Bild 2). Dazu kommen weitere Nichtlinearitäten wie die ausgeprägten elasto-viskoplastischen Eigenschaften von PTFE, die geometrische Nichtlinearität und der Kontakt. In den letzten drei Jahren wurde ein Simulationsmodell zur schnellen Berechnung des Dichtsystems entwickelt, welches nachfolgend in Kurzform dargestellt wird. Die Interaktion zwischen Welle und Dichtung bei einer unrund laufenden Welle wird hier nicht behandelt. Für diesbezügliche Details wird auf [1] und [2] verwiesen.