Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen

Fur ein zuverlassig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberflache von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberflache direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenforderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringforderung fur die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Auspragung der Wellenoberflache in den gultigen Normen Rechnung getragen. Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren fur Wellenoberflachen harten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflachen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflachen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlaufflache fur Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden konnen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der beruhrungslos optisch vermessenen 3D-Oberflachentopografie werden dabei fur die vorliegende Wellenoberflache anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflachenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden. Im zweiten Schritt wird der Forderwert der Wellenoberflachen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberflache weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgefuhrt. Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalitat des Dichtsystems uber einen langeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemforderwerts in regelmasigen Abstanden, kann dessen Veranderung und somit die Veranderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberflache, aber auch alle ubrigen Systemkomponenten konnen so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind kunftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, moglich. Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien fur langsgedrehte Wellenoberflachen unter Verwendung von ungeharteten und geharteten Werkstoffen durchgefuhrt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleis. Zusatzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht. Grundsatzlich sind die langsgedrehten Wellenoberflachen, hart oder weich, als Gegenlaufflache fur Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die langs-hartgedrehten Wellenoberflachen zeigen kein drehrichtungsabhangiges Forderverhalten und geringe Forderwerte. Die langs-weichgedrehten Wellenoberflachen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhangiges Forderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte. Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflachen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflachen zu geringen Forderwerten der Wellenoberflache und des Dichtrings fuhren. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schrag zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind auserst forderintensiv. Sie konnen zu groser Leckage oder ungunstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem fuhren. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative. Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fordereigenschaft der Wellenoberflache, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fordereigenschaften der Wellenoberflache fast ausschlieslich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die grosenordnungsmasig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt. Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise konnen beliebige Wellenoberflachen dichtungstechnisch gepruft und beurteilt werden. Kunftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemoglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflachenstrukturen, Auspragungen (z.B. Breiten-Langenverhaltnis) etc. notig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemforderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmoglichkeiten. The shaft surface is of crucial importance for the reliable performance of a radial lip sealing system. As the tribological counter piece the shaft surface has both a direct and an indirect influence on the sealing system. The pumping ability may generate leakage. The tribological contact conditions caused by the shaft surface influence the shape and therefore the performance of the elastomer made lip seal. As a matter of fact, the shaft surfaces therefore are usually plunge ground. The grinding process causes high ma-chine and production costs. As a result, the industry carries on a significant effort to find alternative manufacturing methods to replace the plunge grinding process. The goal of this study was on the one hand the examination of alternative shaft surfaces and on the other hand the development of a proceeding for testing and evaluating ap-propriate shaft surfaces, regarding their suitability as counter face for radial shaft seals. For that purpose a four-level proceeding was developed during this work. Based on the optically measured 3D-surface topography, the characteristic curves of the shaft sur-face are computed. This procedure is based on image processing algorithms. The sur-face texture can be evaluated and classified by means of these characteristic curves. In the second step the pumping rate of the shaft surfaces is determined in both rotation directions. If the examined shaft surface is further considered as suitable, a functional test of the whole sealing system will be carried out in a third step. The fourth and last step contains the investigation of the sealing system functionality during an at least 1000 hour lasting period to secure the long-term characteristics. That is why the so called modified two-chamber method was developed. By the measure-ment of the system pumping rate in regular intervals, its change and thus the change of the sealing function in the whole sealing system can be measured. In this way, the as-signed shaft surface and the remaining system components can be judged, regarding their effect on the sealing performance and their long-term characteristics. Thus, ex-tensive investigations will be offered in future due to the possibility of directly “look-ing” into the sealing system. The emphasis of the examined manufacturing methods was on the turning process. Parameter studies for traversal turned shaft surfaces were accomplished using unhard-ened and hardened materials. Following parameters where varied: pitch, edge-radius, influence of machine and/or tool oscillations and tool-wear. Finishing procedures, pitch less turning methods, tangential turning methods and plunge-turning where ex-amined as well. In principle the turned shaft surfaces, made of hardened or non-hardened steel, are suitable counter faces for radial lip seals. Particularly the hardened lengthwise turned shaft surfaces show low pumping rates and no pumping ability depending on the rota-tion direction. The non-hardened lengthwise turned shaft surfaces show a partial pumping behaviour dependent on the direction of rotation, which however had no negative effects on the sealing performance. The pitch less turned hardened shaft sur-faces are also suitable for the use as counter face in radial lip sealing systems. The very smooth surface leads to low pumping rates and poor interaction with the lip seal. Finishing procedures or short-stroke hone cause small, diagonally orientated scoring structures that lead to high pumping activity. Strong leakage or unfavourable lubrica-tion conditions in the sealing system are the result. Therefore, these Procedures are not recommendable. The macroscopic turning spiral has obviously no influence on the pumping character-istic of the shaft surface. Brought in “micro-structures” however show a substantial influence. This leads to the conclusion, that the pumping characteristic of the shaft sur-face is determined almost exclusively through its "micro-structure", those can be de-rived order-of-magnitude-wise clearly underneath e.g. a turning spiral (pitch approx. 0.05 to 0.3 mm). Based on the proceeding presented here, arbitrary shaft surfaces can be examined and judged concerning their sealing suitability. In future, a characteristic value, based on the characteristic curves is conceivable. For the improvement of the statement possi-bilities further experiences, regarding the effects of certain surface textures or their shape (e.g. aspect ratio) etc. are necessary. Therefore the observation of the system pumping rate in the entire sealing system offers extensive examination possibilities.