Dichtungen mit erweiterten Eigenschaften durch die Kombination funktionsoptimierter Werkstoffe Freudenberg Sealing Technologies Lead Center Fluid Power Industry Martin Goerres Dr. Edgar Freitag Jürgen Jäckel
Inhalt
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Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
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Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
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Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
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Inhalt
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
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Funktionen und Werkstoffanforderungen Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedliche, z.T. gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Stangendichtungen 2
1 4
3
1
2
4
3
Fahne
Riss
6
4 dp dx
3
1. Haftsitz Verhindern von axialen Bewegungen der Dichtung im Einbauraum. Hohe Steifigkeit, geringe bleibende Verformung und hohe Reibung 2. Statische Dichtheit Verhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus. Gute Elastizität und hohe Anpresskraft 3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperaturen Verhindern von Leckage über die bewegte Stange. Sicherstellung des Druckaufbaus. Verhindern von Leckage bei seitlicher Auslenkung. Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation auch in der Kälte, niedrige Reibung, Verschleißfestigkeit 4. Extrusionsfestigkeit Verhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher Temperatur in den Spalt extrudiert. Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität
Funktionen und Werkstoffanforderungen Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedliche, z.T. gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Rotordichtungen
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2 4
5
3
1
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1 5
7
2 3
1. Haftsitz Verhindern von Mitrotieren der Dichtung im Einbauraum. Hohe Reibung, geringe bleibende Verformung 2. Statische Dichtheit Verhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus. Gute Elastizität und hohe Anpresskraft 3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperaturen Verhindern von Leckage über die rotierende Welle. Sicherstellung des Druckaufbaus. niedrige Reibung, gute dynamische Eigenschaften 4. Dynamische Aktivierung des Gleitelements Sicherstellung der Anpressung von statischer und dynamischer Dichtkante. Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation auch in der Kälte 5. Extrusions- und Verschleißfestigkeit Verhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher Temperatur in den Spalt extrudiert. Sicherstellung der Lebensdauer durch hohe Verschleißfestigkeit. Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität Hohe Verschleißfestigkeit, bzw. geringe Abrasionsneigung
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Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
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Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
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Beispiel HDR-2C
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Zusammenfassung
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Stand der Technik - Stangendichtungen: Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backringen
1. Verwendung eines Werkstoffs - Kompromiss bzgl. der gegenläufigen Anforderungen
2. Verwendung eines Backrings - Längerer Bauraum (selten bei Teilbackring) - schwierige Montage bei ungeschlitztem Ring - Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem Ring
LF 300 Syprim SM
NI 300
T 23
T 20 9
Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werkstoffe - zwei Polyurethane eine Dichtung: HDR-2C 92 AU 21100
sehr gute Bindung ohne Bindemittel
geringe bleibende Verformung hohe Dichtheit
sehr guter Haftsitz
hohe Kälteflexibilität hohe Dichtheit niedrige Reibung hohe Verschleißfestigkeit Eigenschaft Härte Härte Zugfestigkeit Bruchdehnung Spannwert bei 50% Dehnung Spannwert bei 300% Dehnung Rückprallelastizität Weiterreißfestigkeit Graves DVR 24h/100° 10
98 AU 928
Norm DIN 53505 DIN 53505 DIN 53504 DIN 53504 DIN 53504 DIN 53504 DIN 53512 DIN 53515
hohe Extrusionsfestigkeit Temperaturbeständigkeit
92 AU 21100 98 AU 928 Standard Shore A 93 98 94 - 95 Shore D 40 55 43 - 45 MPa 56 53 62 - 65 % 680 360 450 - 500 MPa 8,7 18,6 9 - 10 MPa 15,7 38 20 - 23 % 45 38 - 42 N/mm 95 138 82 - 88 % 34 38 36 - 39
Stand der Technik - Rotordichtungen: Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backringen
2. Verwendung mehrteiliger Dichtelemente - Gefahr von Relativdrehung der einzelnen Dichtungselemente - teilweise komplexe oder filigrane Montage - Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem Backring
1. Verwendung eines Werkstoffs - Kompromiss bzgl. der gegenläufigen Anforderungen - vergleichsweise geringe Belastbarkeit
Compact-Dichtungen Rotomatic M 15
Radial-Nutringe
Rotomatic M 19
Kompaktdichtsatz mit Gewebearmierung und Winkelbackringen 11
Wasserabweiser Typ WA
Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werkstoffe - zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C Weiches Material mit geringem Druckverformungsrest zur Aktivierung: 92 AU 21100
Verschleiß- und temperaturfestes Polyurethan für die Kontaktfläche: 98 AU 928
Spezielle Gestaltung der Gleitfläche zur Förderung der Schmierung (Reduktion Mr, T)
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Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werkstoffe - zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C -
Nuten zur Sicherstellung der Aktivierung bei Druckwechselbelastung
Chemische und mechanische Verbindung, um Relativdrehung der beiden Elemente zu vermeiden 13
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Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
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Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
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Beispiel HDR-2C
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Zusammenfassung
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WLF Transformation des dynamischen Speichermodul Speichermodul - G'
Masterkurve
vom TPU Typ A
des Speichermodul - G' vom TPU Typ A
T0
T1
T2 T3
-1,5
-0,5
0,5
log f 16
1,5
c1 ⋅ (T − T0 ) c2 + (T − T0 )
G' Schubmodul norm Normierter
G' norm Normierter Schubmodul
lg(aT ⋅ f ) =
2,5
-16
-12
-8
-4
log aT f
0
4
Vergleich der dynamischen Speichermodule als Funktion der Temperatur und Frequenz von Standard- und Tieftemperaturpolyurethan 350
Standard / 20°C 92Au21100 / 63Hz
Standard / -30°C
300
Standard / 63Hz
250 Standard / 0,1Hz
200
150
100
Normierter Schubmodul
Normierter Schubmodul
Normierter Schubmodul
92AU21100 / 0,1Hz
92AU21100 / 20°C 92AU21100 / -30°C
50
0 -50
0
50
Temperatur (°C) 17
100 1,E-16
1,E-08
1,E+00
Frequenz (Hz)
1,E+08
1,E+16
Vergleich der 3D-FEM Berechnungen des Öffnungsspaltes zwischen Dichtkante und Stange bei stufenförmiger Weg-Zeit-Anregung - HDR-2C bei T = -30°C, ohne Druck
0,2 Weg 21100 in mm Spalthöhe 21100 in mm
0,15
Weg Welle in mm Weg Standard in mm
0,1
Weg (mm)
Spalthöhe Standard in mm
0,05 0 -0,05
s(t) -0,1
180°
-0,15 -0,2 0,001
0,01
0,1
Zeit (s) 19
0° 180°
1
1
0°
10
HDR-2C 60-75-10: experimentelle Untersuchung der Extrusionsfestigkeit Untersuchte Betriebsparameter p = 250, 320, 400, 500 bar T = 60, 80, 100, 120 °C v = 0,3 m/s Z = 50 000 DH HLP Shell Tellus 46 Einbauraum 60 – 75 – 11 300 untersuchte Dichtungen Variation: Spaltdurchmesser dSP Spalt = 0,25 …. 1,5 mm Spaltradius RSP = 0,10…. 0,5 mm RSP = 0,3 mm 21
92 AU 21100
98 AU 928
RSP Druck
Spalt =
d SP − d N 2
Spalt
- Riss
100 °C / 400 bar
60,5 R0,1
dSP
+ Fahne
100 °C / 400 bar
61,4 R0,3
dN
Vergleich der Spaltextrusion von Nutringen aus Standardpolyurethan mit HDR-2C, radialer Spalt = 0,3 mm .. 0,7 mm
Ausfall bei DH
Dichtung 1 50.000 DH
Dichtung 3 50.000 DH
Dichtung 5 8.750 DH
Dichtung 7 16.200 DH
Dichtung 9 4.225 DH
Nutringe aus Standard Polyurethan Spaltmaß
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
HDR – 2C kein Ausfall
50.000 DH
Spaltmaß
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Druck = 400 bar, Temperatur = 100°C, Zyklen = 50000 DH, v=0,3 m/s, Spaltradius 0,3 mm, Differentialbetrieb 22
Einfluss des Drucks und der Spaltweite auf die Extrusion - p = 250 bar .. 400 bar, T = 60°C, radialer Spalt 0 ,4 mm .. 1,5 mm
Spalt
0,4mm
0,5mm
0,6mm
0,7mm
0,8mm
0,9mm
400 bar
D6 50.000 DH
Spalt
0,6mm
D8 50.000 DH
D 10 50.000 DH
D1 50.000 DH
D3 50.000 DH
D5 50.000 DH
0,7mm
0,8mm
0,9mm
1,0mm
1,25mm
320 bar D8 50.000 DH
Spalt 250 bar
0,8mm
D 10 50.000 DH
26
D 10 50.000 DH
D1 50.000 DH
1,0mm
1,0mm
D1 50.000 DH
D3 50.000 DH
D3 50.000 DH
1,25mm
D5 50.000 DH
D5 50.000 DH
1,25mm
D7 50.000 DH
D7 50.000 DH
1,5mm
D9 50.000 DH
Radiale Grenzspaltweiten für HDR-2C, Profil S = 7,5 mm
1,60 1,40 7,5 / 100°C HDR-2C
Spalt (mm)
1,20
7,5 / 80°C
1,00
7,5 / 60°C
0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 200
250
300
350
400
Druck (bar) 27
450
500
550
Vergleich der zulässigen Spaltweite von Nutringen aus Standardwerkstoff mit HDR-2C und Nutringen mit Backringen bei T = 100 °C
1
Standard Nutring Nutring mit Backring
0,9
Spalt (mm)
0,8
HDR-2C
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
Kritischer Bereich für metallisches Anlaufen
0,2 0,1
Spaltradius 0,2 – 0,3mm
0 150
200
250
300
350
Druck (bar)
28
400
450
500
Inhalt
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Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
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Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
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Beispiel HDR-2C
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Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Die unterschiedlichen Funktionen einer Dichtung stellen unterschiedliche, z.T. gegenläufige Anforderungen an den Dichtungswerkstoff. Durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe können diese gegenläufigen Anforderungen erfüllt werden. Erst mit dem festen Verbund der Werkstoffe kann eine optimale Lösung erzielt werden, bei der die Vorteile der Werkstoffkombination voll zum Tragen kommen. Merkel Freudenberg bietet die Kombination des Prozess- und Werkstoff-Know-Hows. Dies ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen nicht nur „vom Lager“ sondern auch kundenspezifische Produkte.
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Zusammenfassung - Kundennutzen
Die Kombination funktionsgerechter Werkstoffe bietet dem Kunden zahlreiche Vorteile – z. B.: Einsatz von „High-Performance“-Dichtungen in Standard-Einbauräumen zur Leistungssteigerung des Endprodukts Gesteigerte Leistungsdichte durch höhere Drücke oder Maximaltemperaturen bei gleichen Spaltmaßen Kostensenkung in der Fertigung durch Erweiterung der Fertigungstoleranzen Erweiterung des Einsatzspektrums zu niedrigeren Minimaltemperaturen bei gleicher Belastungsfrequenz Steigerung der Belastungsfrequenz bei gleichbleibenden Temperaturen Erhöhte Zuverlässigkeit 31
Danksagung
Vielen Dank an Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel (LC Fluid Power Industry) und Guido Hohmann (Freudenberg Forschungsdienste KG), die dazu beigetragen haben, dass dieser Vortrag entstand. 32
Literaturquellen
(1) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido Hohmann HDR-2C Two-Component Polyurethane Seal for Extreme Loads, 15th ISC, Stuttgart, October 7th – 8th 2008 (2) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido Hohmann Dichtung mit System - HDR-2C – Eine Dichtung für extreme Belastung, O+P 5/2009, Vereinigte Fachverlage GmbH, Mainz, 2009 33
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. M. Goerres Leiter Produktentwicklung Lead Center Fluid Power Industry Merkel Freudenberg Fluidtechnic GmbH Ascheröder Str. 57 34613 Schwalmstadt Email:
[email protected] Telefon: +49 6691 / 208 - 184
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