MDA_Forum_Vortrag_Goerres

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
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
3
Inhalt
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
5
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
1
2
4
5
3
1
2
4
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
Inhalt
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
8
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)
12
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
Inhalt
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
14
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
1
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen
2
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung
3
Beispiel HDR-2C
4
Zusammenfassung
29
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.
30
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
34