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antriebstechnik 6/2017

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GETRIEBE UND

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 07 06 06 Einfluss der Drehzahl auf die Übertemperatur im Dichtspalt eines handelsüblichen RWDR 07 Verlustleistungen verschiedener FKM-Dichtsysteme bei identischem Elastomer. Ein PSS hat einen deutlichen Effizienzvorteil gegenüber den bereits bestehenden RWDR 08 Prüfzyklus für höchste dynamische Belastungen gemäß SEW-Spezifikation 070040312. Die Versuche wurden über 2 016 h durchgeführt [3] 08 der Dichtung mit Schmutzpartikeln sowie noch weitere spielen dabei eine wesentliche Rolle. Die Übertemperatur im Dichtkontakt lässt sich z. B. über die Anpressung der Dichtlippe auf die Welle beeinflussen. Radialwellendichtringe mit Sonderfeder (reduzierte Anpresskraft der Dichtlippe) zeigen im Vergleich zu RWDR mit Standardfeder, eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer. Doch selbst diese Dichtringe können teilweise die Lebensdaueranforderungen nicht erfüllen. Kritische Umfangsgeschwindigkeiten Für die abtreibende (langsam laufende) Getriebewelle entwickelten Freudenberg Sealing Technologies und SEW-Eurodrive vor mehr als 20 Jahren das Dichtsystem MSS1 (Modular Sealing System). Es wird eingesetzt, wenn maximale Dichtsicherheit und Lebensdauer gefordert sind. Dieses Bauprinzip hat sich in der Praxis außerordentlich gut bewährt. Vom Hersteller ist diese Bauform jedoch nur bis zu einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit von 6 m/s zugelassen. Der Grund hierfür liegt in der Wärmeentwicklung an der Sekundärdichtung. Diese wird, solange die Primärdichtung intakt ist, über ein Schmierfettdepot geschmiert. Die Wärmeabfuhr über das Schmierfett funktioniert hier nur eingeschränkt. Auf der abtreibenden Getriebeseite werden kritische Umfangsgeschwindigkeiten jedoch nie erreicht, so dass es hier gut eingesetzt werden kann. Die Erfahrungen mit dem Dichtsystem MSS1 zeigen jedoch, dass die primäre Dichtung eine hervorragende Dichtsicherheit und Langlebigkeit bietet, sofern die Wellenexzentrizität einen gewissen Wert nicht übersteigt. Die Geometrie der primären Dichtlippe B1 weicht von einer klassischen Dichtlippengeometrie eines RWDR deutlich ab. Während die klassische Dichtlippe (sekundäre Dichtung – BA) eine geradlinige Berührlinie aufweist, hat die B1-Dichtung eine sinusförmige Berührlinie. Die Sinusform der Dichtlippe wirkt des Weiteren wie eine bidirektionale Förderstruktur. Auf der eintreibenden (schnelldrehenden) Getriebewelle wird jedoch die Grenzumfangsgeschwindigkeit von 6 m/s in vielen Fällen deutlich überschritten. Insofern lässt sich das Dichtsystem MSS1 nur eingeschränkt auf der Motorseite einsetzen. Durch Anpassung der Federkraft an der Sekundärdichtung sowie den Ver- zicht auf die Schutzlippe kann man die zulässige Umfangsgeschwindigkeit erweitern. Die entscheidende Frage lautet: Wozu benötigt man auf der schnelldrehenden Getriebeseite eine Sekundärdichtung, wenn die Primärdichtung (B1) ausgezeichnet funktioniert? Insbesondere wenn die schnelldrehende Getriebewelle bei einem Getriebemotor gleichzeitig die Rotorwelle ist und daher radiale Verlagerungen der Welle und Verschmutzungen aus der Umwelt hier vernachlässigbar sind. Vorteile durch Premium Sine Seal Die allgemeinen Funktionshypothesen eines klassischen Radialwellendichtrings sind hinreichend bekannt [2]. Beim Premium Sine Seal (PSS) kommen zwei weitere wichtige Funktionen hinzu. Zum einen wird durch den sinusförmigen Verlauf der Dichtlippe die effektive Berührbreite auf der Welle um den Faktor 3 vergrößert. Zum anderen wird der Schmierstoffaustausch im Dichtkontakt aktiv gefördert. Weiterhin werden aufgrund dieses Effekts kleinste Verunreinigungen, z. B. Metallflitter, permanent aus dem Dichtkontaktbereich entfernt. Die radiale Anpressung der Dichtlippe erfolgt beim PSS ausschließlich über die Steifigkeit der Membran. Das Design der Membran wurde dabei so gestaltet, dass auch bei hohen Temperaturen eine minimale Anpressung der Dichtlippe auf die Welle noch sichergestellt wird. Die zulässige radiale Verlagerung der Welle muss – im Vergleich zu RWDR mit Radialkraftfeder – eingeschränkt werden. Für die Abdichtung eines Getriebes auf der Motorseite spielt jedoch eine Wellenexzentrizität nur eine untergeordnete Rolle. Zum einen sitzt das Dichtsystem in unmittelbarer Nähe zum Wälzlager und zum anderen weist das eingesetzte Wälzlager eine ausreichende Steifigkeit auf, um die radiale Kraftkomponente aus der Verzahnung ohne nennenswerte Nachgiebigkeit aufnehmen zu können. Erfahrungen aus der Praxis mit einem Dichtsystem MSS1 für schnelldrehende Wellen bestätigen das. Dichtsysteme mit einer wellenförmigen Dichtlippe sind auch von weiteren Herstellern auf dem Markt zu finden. Jedoch werden diese nach wie vor mit einer Feder ausgeführt, wie beim Standard-RWDR. Ebenfalls zeigt der Vergleich der effektiven Berührbreite, dass sie beim PSS um ein Vielfaches höher liegt. 28 antriebstechnik 6/2017

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 09 Unter identischen Bedingungen verschleißt ein PSS-Dichtsystem an der Dichtlippe um über 50 % weniger als ein vergleichbarer RWDR mit Sonderfeder und weist keinerlei Welleneinlauf auf Beanspruchung durch Wärmeentwicklung Vergleicht man die Verlustleistungen verschiedener Fluorkarbon- Kautschuk (FKM)-Dichtsysteme mit identischem Elastomer, so stellt der RWDR mit Standardfeder, wie er meist in der Anwendung zum Einsatz kommt, die typische Referenz dar. Durch den Einsatz einer Sonderfeder wird die Radialkraft an der Dichtlippe reduziert, was eine um etwa 25 % geringere Verlustleistung zur Folge hat. Mit dem neuen Dichtsystem PSS lassen sich die Verluste um bis zu 45 % reduzieren, verglichen mit dem Standardwellendichtring BA. Bei einer Motordrehzahl von 6 000 min -1 und einem Wellendurchmesser von 38 mm entsteht bei einem Radialwellendichtring BA eine Verlustleistung von 55 W in Form von Wärme. Betrachtet man die Fläche, auf der die Dichtlippe die Welle berührt, so wird an der Dichtlippe ein Wärmestrom von ca. 2,3 W/mm² abgeführt. Zum Vergleich: Eine 2 000-W-Heizplatte mit 18 cm Durchmesser strahlt etwa 0,08 W/mm² ab. Ein Standard-RWDR BA hat eine um den Faktor 30 höhere spezifische Heizleistung. Die gleiche Betrachtung mit dem Premium Sine Seal zeigt, dass hier aufgrund der größeren effektiven Berührbreite und der geringeren Verlustleistung nur noch ca. 0,4 W/mm² abgeführt werden müssen (um Faktor 5,5 geringer als bei einem Standard RWDR). Die thermische Belastung des Elastomers ist bei einem PSS-Dichtsystem um ein Vielfaches geringer, folglich finden deutlich geringere chemisch-physikalische Wechselwirkungen zwischen dem Schmierstoff und dem Elastomer statt. Bei einem RWDR mit Sonderfeder wurde nach Versuchsende ein chemischer Angriff in Form von Blasen auf der Luftseite der Dichtlippe festgestellt. Unter identischen Versuchsbedingungen (Tests nach SEW-Spezifikation 070040312) konnte bei einem PSS kein chemischer Angriff beobachtet werden. Die Blasenbildung bei dem Standard RWDR ist auf eine höhere Temperatur im Dichtkontakt zurückzuführen. Ein Modular Sealing System für schnelldrehende Wellen wird aus einem B1-Teil und einem BA mit Sonderfeder kombiniert. Die Verluste der beiden Dichtungen können direkt aufsummiert werden (ca. 70 W). Tendenziell wird die Dichtung mit Sonderfeder in einem MSS1-Dichtsystem noch höhere Verluste erzeugen, weil sie in dieser Bauform in einem Fettdepot läuft. Unter höchsten dynamischen Belastungen und 250 mbar Überdruck während 2 016 Stunden wurden Versuche zur Verschleißentwicklung an der Dichtlippe und dem Welleneinlaufverhalten durchgeführt (Tests nach SEW-Spezifikation 070040312). Unter identischen Bedingungen verschleißt ein PSS-Dichtsystem an der Dichtlippe um ca. 50 % weniger als ein vergleichbarer RWDR mit Sonderfeder. Aus der gleichen Versuchsreihe wurde ebenfalls der Welleneinlauf ermittelt. Die Versuchsreihe gibt das typische sporadische Welleneinlaufverhalten eines RWDR mit Sonderfeder aus 75FKM585, in Kombination mit CLP-PG-Schmierstoffen, wieder. Mit dem PSS aus dem identischen Elastomer konnte weder in der gezeigten Versuchsreihe, noch in zahlreichen weiteren Versuchen ein Welleneinlauf festgestellt werden. Höhere Effizienz durch Sinusform Die Versuchsergebnisse mit dem neuen PSS-Dichtsystem zeigen deutlich, dass die Effizienz sowie auch der funktionsbedingte Verschleiß eines Radialwellendichtrings durch eine sinusförmige Dichtlippenform positiv beeinflusst werden können. Die sinusförmige Dichtlippengeometrie ist bereits aus modularen Dichtungen seit mehreren Jahren bekannt. Die Versuchsergebnisse zeigen: Wenn man die radiale Verlagerung der Welle vernachlässigen kann (z. B. bei der Abdichtung der Motorwelle), lässt sich die Abdichtung auch zuverlässig durch die Bauform B1 sicher gewährleisten. Aktuell lassen sich noch keine aussagekräftigen Lebensdauerprognosen stellen, jedoch zeigen die gemessenen Verschleißwerte, dass die zu erwartende Lebensdauer deutlich höher sein wird, als bei den bisher nach SEW-Spezifikation getesteten RWDR. Auf Basis des Vergleichs zwischen einem RWDR aus 75FKM585 mit Sonderfeder und einem PSS aus 75FKM585 kann bei letzterem von einer Lebensdauererhöhung um den Faktor 2 ausgegangen werden. Antriebe aus der Praxis, die erst nach mehreren Tausend Betriebsstunden aufgrund von Undichtigkeit ausfallen, zeigen an der Dichtstelle (RWDR mit Standardfeder oder auch mit Sonderfeder) häufig deutlichen Welleneinlauf und große Laufspurbreiten am RWDR. Mit dem PSS-Dichtsystem wirkt man den Mechanismen, die Welleneinlauf und Verschleiß an der Dichtlippe erzeugen, effektiv entgegen. Um eine möglichst lange Lebensdauer mit dem Premium Sine Seal zu erzielen, werden zum jetzigen Zeitpunkt alle Schmierstoffe, die für SEW-Getriebe in Frage kommen, anhand dynamischer 2016-Stunden-Tests gemäß SEW-Spezifikation 070040313 bei maximaler Dynamik getestet. Dabei erhalten die Schmierstoffe, die besonders gut abschneiden, die Auszeichnung „SEW Longlife“ – ähnlich den Motorölen in der Automobilbranche. Die Versuchsergebnisse dienen des Weiteren als Erfahrungsaufbau sowie auch als Basis für zukünftige Lebensdauerprognosen im Vergleich zu bestehenden Dichtsystemen. Literaturverzeichnis: [1] Hüttinger, A., Hermes, J., Prem, E., „New approval process for dynamic tightness tests of gear units”, München, VDI International Conference on Gears 2015 [2] Müller, H. K., Haas, W., „Dichtungstechnik“, IMA Stuttgart, 8. Auflage 2012 [3] Hüttinger, A., Hermes, J., Wöppermann, M., Prem, E., „Neues Prüfverfahren für dynamische Dichtungen von Getriebemotoren”, in: Dichtungstechnik Jahrbuch 2016, ISGATEC, Berger/Kiefer (Hrsg.), ISBN 978-3981150995 Fotos: 05+07: FST www.sew-eurodrive.de www.fst.de antriebstechnik 6/2017 29

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