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.