Table Of ContentISBN 978-3-662-23302-3 ISBN 978-3-662-25335-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-25335-9
Sonderabdruck aus "Konstruktion" 6. Jahrg. (I954), HeftiG, S. 384-389
Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg
Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringen
für rotierende Weilen*
Von Dr.-Ing. J. Lein, Karlsruhe
Ergehnisse aus langjährigen Laboratoriumsversuchen und aus cte; Pr~xis mit Simmerringen. werden gebracht. J?ie
mechanischen Vorgänge an der Laufilä.chc eines Simmerringes \.Verdcn nn emzelnen untersucht. DIC Versuchsanlage w1rd
beschrieben
Simmerringe dichten das Innere eines Gehäuses (Motor, Versuche mit Simmerringen
Getriebe usw.) am Wellendurchtritt gegen die Umgebung Znm Z\veck der Weiterentwicklung der Ringe werden
ah, anch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Wellen von der Firma Carl Freudenberg, \iVeinheim, und im
und Druckdifferenzen zwischen Gehäuseinnerem und der Laboratorium für Kraftwagen der Technischen Hochschule
Umgebung. Der Simmerring besteht aus einer Kunst Karlsruhc seit Jahren Versuche mit fertigen Ringen
gummimanschctte, die durch Tangentialspannungen in der und dem dazu venvendctcn Manschettenwerkstoff durch
Manschette selbst und durch eine kreisringförmige Schrau geführt. Der Aufbau eines Prüfstandes für Simmerringe
Wbeenlzleu ggfeeddreür ckint wriardd.i alDeri e MRiacnhstcuhnegt teg iesgte inn ediine Srtoahtilebrleencdhe hgäeuhst e aursa gBt iledi n2 e heWrveollre. mInit eeinin epmen dgeelnhdä rtgeetleang erutneds Ggee-
gehäuse gepreßt. Dieses wird vvegen der erforderljchen schliffenen Zapfen von So mm Durchmesser hinein. Das
Abclichtung und Zentrierung mit Preßsitz in das abzu Innere des Pendelgehäuses ist bis zur Höhe des Wellen
dichtende Gehäuse eingesetzt. Bild r stellt die Grund mittels mit Öl gefüllt und durch den zu untersuchenden
form des Simmerringes dar. Es gibt mehrere ähnliche Dichtungsring an der Lauffläche des Zapfens gegen dic
Bauarten mit geringen Abweichungen in den Einzel Umgebung abgedichtet. Das Pendelgehäuse stützt sich
heiten.
auf einer Waage ab, die das an der Lauffläche des Ringes
*Erweiterter Auszug aus Dissertation TH Karlsruhe It)j2 entstehende Reibungsdrehmoment mißt. An dem im
ühcr: "Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringen für Pendelgehäuse eingebauten Thermometer kann die Öl
rotierende \Vcllcn". Hauptrcfcrcnt: Prof. H. Kluge, Kor temperatur in unmittelbarer Nähe der Zapfenoberfläche
referent: Prof. Dr.-Ing. K. Kollmann. abgelesen werden. Ferner gestattet ein im Zapfen einge-
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6, (1954) Heft IO
bautes und mitrotierendes Thermometer, die Zapfen
temperatur an der Laufstelle des Ringes zu ermitteln.
Diese Temperatur ist auch während des Laufes ablesbar.
Das Öl im Pendelgehäuse kann geheizt oder gekühlt
werden. Die Welle mit dem Zapfen wird durch einen
regelbaren Elektromotor angetrieben. Im folgenden seien
einige oft gebrauchte Begriffe erklärt:
Radialdruck R: Summe aller Einzelkräfte, die der
Ring infolge seiner Eigen- und der Federspannung längs
seiner Lauffläche in konzentrischer Richtung auf den
Zapfen ausübt. Der Radialdruck wird auf einer hier nicht
beschriebenen Meßeinrichtung jeweils vor und nach dem
Laufversuch auf dem Prüfstand gemessen. Bild I. Simmerring. Links: Dichtungslippe
Reibungskraft U: Summe aller Einzelkräfte, die der eines H.inges normaler Bauart.
Ring längs seiner Lauffläche in Umfangsrichtung auf den a Einspannflansch; b Steg; c Lippe;
d Lauffläche; e vordere Dichtkante;.
Zapfen ausübt. 1 hintere Dichtkante; o Sattel;
Reibungszahl p.: Verhältnis ReibungskraftjRadial h Feder.
druck = UjR.
Reibungsdrehmoment Mn: Produkt Reibungs· Reihe von Kunststoffen mit speziellen Eigenschaften, z. B.
kraftX Zapfenradius auf Neoprene-, Vulkollan-, Thiokol- usw. Basis für die
Mn= U · r = R · p. · r. Herstellung der Ringmanschetten verwendet. Grund
Bei allen Versuchen beträgt die Drehzahl des Zapfens sätzlich wird jede beliebige Wellenumfangsgeschwindigkeit
3000 Ujmin, und es wird stets Mobilöl Arctic als Medium, beherrscht unter der Voraussetzung, daß die mittleren
dessen Durchtritt verhindert werden soll, verwendet. Temperaturen an der Laufstelle des Ringes !20° C, bei
Während der Erprobung der Ringe auf den Prüfständen Thiokol 8o°C, nicht übersteigen. DieseTemperaturen werden
werden die Öl- und Zapfentemperaturen, das Reibungs bei den üblichen Einbauverhältnissen etwa bei 12 bis
drehmoment und die Leckölmengen gemessen und jeweils rs mjsek Wellenumfangsgeschwindigkeit erreicht. Dabei
vor und nach dem Lauf der Radialdruck. Die Meßgenauig muß immer etwas Öl an den Simmerring gelangen, und
keit der gesamten Prüfstandsanlage ist eingehend unter~ die Laufstelle darf nicht durch andere Wärmequellen auf
sucht worden und genügt den Anforderungen. geheizt werden. Bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten
muß der Simmerring durch drucklos zugeführtes Öl oder
Allgemeine Erkenntnisse aus den Versuchen durch einen Luftölnebel gekühlt werden. Der wirtschaft
lich vertretbare Aufwand für eine Kühlung setzt der
Aus den bisher vorliegenden, unveröffentlichten Ver praktisch zu beherrschenden Umfangsgeschwindigkeit der
suchsergebnissen seien einige Erkenntnisse in qualitativer Welle bei etwa 20 bis 25 mfsek eine Grenze. Diese Grenze
Hinsicht genannt, die für die Allgemeinheit der Ringe ist ausschließlich durch die Temperatur an der Laufstelle
zutreffen: bestimmt. Bemerkenswert ist, daß Gleitlager, Wälzlager
I. Dichtungsmanschetten aus synthetischem Gummi und Sehrnieröt etwa dieselbe Temperaturgrenze wie Sim
sind denen aus Leder hinsichtlich der Wärme- und Tem~ merringe haben, und es ist leicht einzusehen, daß diese
peraturbeständigkeit, des Dichthaltens, der Rißbildung, Grenze sich nur für diese vier Elemente gemeinsam wirk
der Formbeständigkeit und der Höhe der Reibungsdreh sam voranschieben läßt.
momente erheblich überlegen. Zu 2. Da der Gummi der Manschette unter der Ein:
2. Man muß eine größere Anzahl Ringe untersuchen wirkung von Temperatur, Luftsauerstoff, Schmieröl usw.
und Mittelwerte aus den Einzelergebnissen bilden, wenn laufend verändert wird und mithin ein sehr lebendige5
man sichere Resultate erhalten will. Material ist, das schon von der Erzeugung her weder
3· Die Güte des Zapfenlaufes hat innerhalb gewisser homogen ist, noch immer gleiche Eigenschaften des Aus
Grenzen von Drehzahl und Schlag des Zapfens (bei gangsmaterials besitzt, so unterscheidet sich jeder einzelne
3000 Ujmin etwa o,r mm Schlag entsprechend einer Ex Ring vom anderen - abgesehen vom Einfluß der seh1
zentrizität des Zapfens von o,os mm) keinen Einfluß auf unterschiedlichen Einbauverhältnisse - in der Lebens
Dichthalten und Reibungsdrehmoment. dauer, in der Dichtwirkung ·und im Reibungsdrehmoment.
4· Die Güte der Zapfenoberfläche hat bei Oberflächen Für die drei genannten Größen kann man nur Mittelwerte
rauhigkeiten von etwa 2 bis 5 11 (r 11 = o,oor mm) keinen angeben. Ähnlich wie bei Kugellagern beträgt die Wahr
Einfluß auf Dichthalten und Reibungsdrehmoment. Da scheinlichkeit, daß die Mittelwerte vom einzelnen Ring
gegen ist es für die Lebensdauer eines Zapfens wichtig, auch tatsächlich erreicht werden, bestenfalls go%. Auch
daß seine Lauffläche gehärtet bzw. verschleißfest ist. für einen ersten Tastversuch sollte man deshalb nicht
5· Die Dichtwirkung der Ringe ist von der Art der weniger als 5 bis Io Ringe unter genau gleichen Bedin
verwendeten Öle abhängig. Auch die Reibungsdrehmo gungen untersuchen.
mente sind dabei verschieden.
6. Bei einigen Gummimischungen ist der Prozentsatz
der dichten Ringe bei kleinem Reibungsdrehmoment
größer als bei hohem Reibungsdrehmoment.
Zu diesen 6 Punkten bestehen folgende Erfahrungen
der Praxis und Ratschläge der Herstel!erfirma, die für
Ringe aller Durchmesser bei beliebigen Drehzahlen und
für die üblichen Schmieröle gelten:
Zu r. Chromleder für die Manschetten wird bei kleinen
Wellenumfangsgeschwindigkeiten etwa bis 6 mjsek und
Temperaturen bis 8o° C, besonders auch unter 0°, heute
noch viel verwendet. Für höhere Temperaturen hat sich
synthetischer Gummi auf Perbunanbasis, dessen Tem~
peraturbeständigkeit bis zu 120° C beträgt, allgemein
durchgesetzt. Neueste Entwicklungen, z. B. Kunststoff
auf Silikonbasis, lassen Temperaturbeständigkeit bis zu Bild 2. Prüfstanrl für Simmerringe.
!Bo ° C und höher erwarten. Ferner wird noch eine ganze a Simms~\~fJl ~ ~~l~~~h~re~~~~~~~:r~~in~~~~~nz;fet~~ für
K6O. N(S19T5R4)U .HKeTfItO 1N0 J. Lein, Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringen für rotierende Wellen 386
Zu 3· Auch die Praxis bestätigt, daß ein unrunder Tabelle r. Bearbeitung der \Velle.
Lauf der Welle in den unter Punkt 3 genannten Grenzen
keinen erkennbaren Einfluß auf Dichthalten und Rei Umfangs Abzudichtendes Medium
geschwindig
bduaßng bsdeir ehhomhoenm eDnrte hhazta. hlDenab deii ek oWmemllet ,d emmit RRinügc kzsuiscthatt taeunf, kcWit evl ldee r unter Überdruck
Unwucht, Schwingungen, Geräusch usw., sehr gerrau in m/sek niedrig hoch
laufen muß. Der Simmerring kann dank seiner Elastizität
allen exzentrischen Wellenbewegungen folgen, deren Fre I
quenzen und Amplituden auch aus anderen Gründen nicht o goadnezr blankgezogen 'If ein:;cschlichtet feingeschliffen
überschritten werden dürfen. Eine Verlagerung des Wellen gering
mittels um etwa r 0/0 (bei kleinen Durchmessern bis 2 %) klein_e_r--~c--------,~'--------+,1-g-e-h-ä-rt_e_t- un_d_
gegenüber der Achse des Simmerringes ist ohne Einfluß als 4 feingeschlichtet feingeschliffen fcingeschlifffn,
anf Dichthalten und Reibungsdrehmoment. Wie weit darf I [ hartverchromt
die Welle vom Nennmqß abweichen? Das hängt vom --------~------ +-------~,---
Untermaß der vorderen Dichtkante des Ringes gegenüber größer als fc~~~::~~~~~~n,l
dweemge nN denern merafßo rddeerrl iWcheelnle Aanbp. reDssiuesnegs uUnndt emrmußa ßv oismt nHöetirg 4 bIiOs etwa i1 feingeschliffen hartverchr_oI_m _t+-------
steller reichlich bemessen werden, damit der Einfluß falsch f,~~!:~~~~~f~n.l
liegender Taleranzen ausgeglichen wird, d. h., hat die sehr hoch 1
Welle gerrau das Nennmaß, so ist der Radialdruck und 1 hartverchromt
damit das Reibungsdrehmoment im allgemeinen etwas
höher als notwendig. V/ellen, in die sich der Simmerring mischungcn und verbesserte Formen der Dichtlippe nach
etwas eingeschliffen hat, können daher bei Ersatz eines kommt.
alten Ringes gegen einen neuen ohne weiteres bis zu einer Zu 6. Man stellte sich früher vor, daß der Ring den
Durchmesserverkleinerung von etwa 0,3 mm nachge auf der Welle haftenden Ölfilm durchschneiden würde, und
schliffen werden, da die Tiefe der durch den Hing ge zwar um so besser, je größer der Radialdruck des Ringes
schliffenen Nut kaum mehr als 0,1 mm erreicht. wäre. Würde der Film abgeschnitten, so wäre aber z. B.
Zu 4· In Tabelle r ist die Bearbeitung der Welle in die Förderwirkung des Bearbeitungsvorschubes an der
Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit und dEm Welle oder am Ring gleich Null. Da sie jedoch sehr be
Druckverhältnissen angegeben. Je größer die Umfangs trächtlich ist, muß man annehmen, daß sich stets ein
geschwindigkeit der Welle ist, um so feiner muß die Ober Ölfilm zwischen Dichtlippe und Zapfen befindet. Diesen
fläche bearbeitet werden. Die Bearbeitungstoleranzen kann man auch durch großen Radialdruck nicht ab
können jedoch, wie schon aus den Versuchsergebnissen schneiden, vielmehr entsteht dadurch nur ein großes
lw.rvorgeht, ziemlich weit gehalten werden. Der Ring Reibungsdrehmoment mit entsprechendem Wellenver
schafft sich in ganz kurzer Laufzeit, z. B. in einer Stunde, schleiß und hoher Temperatur, die den Ring vorzeitig
anch auf einer gehärteten Welle eine spiegelnde Lauffläche, zerstört und undicht werden läßt. Die Reibungszahl ft
aduercehn bOebi ehrfolhäcehne nUramufhainggksegiet sucnhtweirn dr ifg.t kleieitgetn. Enisc histt ndöathiger, zhwälitsncihsesenn Retiwnga zuwnids chWenel l0e, 2 libeigs t0 ,b3e i( vodre n1 0 übbilsi c1h5e nJ ahVreern
nach dem normalen Feinschliff, der eine Rauhigkeit von lag sie noch bei etwa 0,3 bis o,6), sie ließ sich bisher nur
etwa 2-3 p, ergibt, etwa noch zu polieren oder sonstwie mit Mühe langsam nach unten drücken. Der Radialdruck
zu glätten. Dabei ist es aber wichtig, daß die Oberflächen wird von der Herstellerfirma so bemessen, daß das Op
gehärtet (Re= 6o), bei Umfangsgeschwindigkeiten über timum von Dichtwirkung und Reibungsdrehmoment er
r 5 mjsek evtl. feingeschliffen und hartverchromt sind. Der reicht wird. Keinesfalls darf die Anpreßfeder aus dem
Hing wirkt ähnlich wie eine Schleifscheibe, wobei sich Ring genommen werden.
kleinste Stahlsplitter in die Lauffläche des Ringes ein
betten und von der Wellenoberfläche weitere Spitzen ab Ursachen der Reibung und der Leckverluste
schmirgeln. Bemerkenswert ist, daß die Dichtlippe selbst Die Ursachen für die Heibung und den Leckverlust
um allgemeinen keinen Verschleiß aufweist. Wellen aus kann man ganz allgemein
ungchärtetem Stahl, Aluminium und seinen Legierungen, a) in chemisch-physikalischen Vorgängen, wie z. B.
Gußeisen und sonstigen, gegen reibenden Verschleiß wenig Adsorption, Oberflächenspannung, Benetzbarkeit, kurz, in
widerstandsfähigen Materialien können nur bei kleinen Grenzflächenerschcinungen, die an der Laufstelle des
Umfangsgeschwindigkeiten angewendet werden. Vielfach Ringes zwischen dem Gummi der Manschette, dem Stahl
setzt man an die Laufstelle eine gehärtete Stahlbuchse, des Zapfens bzw. der Welle, dem Öl und der Luft der
die aber ölelicht auf der Welle sitzen muß. Der Vorschub Umgebung auftreten müssen,
beim Drehen oder Schleifen der Oberflächen muß so klein b) in den mit den chemisch-physikalischen teilweise
wie möglich sein, da er eine unerwünschte Förderwirkung eng verbundenen mechanischen Vorgängen an der Lauf
in axialer Richtung auf das Öl zwischen Dichtlippe und stelle wie z. B. Schwingungen, Dämpfung, veränderlichem
Zapfen haben kann. Liegt die Drehrichtung einer Welle Radialdruck usw.
von vornherein fest, z. B. bei einem Verbrennungsmotor, suchen. Die chemisch-physikalischen Vorgänge an den
so kann man diese Förderwirkung nutzen, indem man Grenzflächen im System Gummi-Stahl-Luft-Öl sind bis
den Vorscbub so wählt, daß das Öl stets in das Gehäuse jetzt in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht
innere zurückgefördert wird, wodurch u. U. absolute Ab worden; es wäre eine lohnende Aufgabe. Zweck der fol
dichtung erzielt wird. Gegenüber dem bekannten Rück genden Ausführungen ist, die eben genannten mechani
fördergewinde hat der Simmerring in diesem Fall noch den schen Vorgänge an der Laufstelle und ihren mehr oder
Vorteil, daß er auch im Stillstand absolut dicht ist. weniger großen Einfluß auf das Verhalten der Ringe, ins
Zu 5· Über die Dichtwirkung gegenüber verschiedenen besondere auf das Dichthalten und das Reibungsdreh
Ölen lassen sich keine allgemeingültigen Angaben machen, moment zu erklären.
insbesondere, da in den letzten Jahren die stürmische Der von einem neuen, nicht gebrauchten Ring auf die
Entwicklung auf dem Gebiet der Kunst- und Schmier· Welle konzentrisch ausgeübte Radialdruck setzt sich
stoffe Großzahlversuche mit sicheren Ergebnissen nicht additiv aus einem kleineren Anteil der Manschette und
zuließ. Es scheint, daß gefettete Öle oder solche mit einem größeren Anteil der Feder zusammen, die beide bei
höherer Druckfestigkeit an den Dichtring höhere Anfor Aufschieben auf die Welle elastisch gedehnt werden. Da
derungen stellen, denen man durch neue Gummi- die Lippe (13ild r) zunächst nicht mit der gesamten Lauf-
387 J. Lein, Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringen für rotierende \Vellen K6O. N(1S9T5R4)U HKTefItO tNo
fläche auf der Welle aufliegt, stützt sich ein Teil der von nung liefert einen indirekten Beweis dafür, daß der Radiaj
der Feder ausgeübten Hadialkraft nicht auf der Welle, druck nicht etwa wegen des unrunden Laufes der Wellen,
sondern über den Steg auf dem Einspannflansch des sondern nur wegen der Kapillar- und Grenzflächenkräfte
Ringes ab. Dadurch entstehen im Steg Spannungen, die die jn der Praxis ausgeführten Werte haben muß.
sich den schon durch die elastische Aufweitungvorhandenen
Spannungen überlagern. Der Ring hat demnach die Mechanische V ersuche am Gummi und an den
Tendenz, sich auch mit der Hinterkante der Lauffläche Ringen
auf die Welle zu legen, und es hängt nur vom Verformungs Allgemeine Gummieigenschaften
widerstand der Manschette ab, wie weit dies tatsächlich Die wichtigsten Eigenschaften der für die Ringman
geschieht. Da die elastischen Eigenschaften der . Man schetten oft verwendeten Perbunan-Mischungen sind von
schette sich während der Gebrauchsdauer stark, d1e der verschiedenen Autorcnl untersucht \YOrden. Vorangestellt
Feder weniger stark verändern, so ist der Radialdruck sei ein Bild über den Formänderungsverlauf von Weich
eine etwas instabile Größe. gummi (Bild 3). Bei statischer Belastung (Zug, Druck,
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Prüfstandsversuche bei stillstehendem Zapfen bewiesen, Fließen. Nach Entlastung bleibt ein Formänderungsrest,
daß die Ringe genügend Radialdruck besitzen, das mit Öl die bleibende Verformung, zurück.
gefüllte Pendelgehäuse auch bei höheren Temperaturen In Abhängigkeit von der Temperatur haben der
nach außen abzudichten. Dabei überzieht sich der Zapfen Elastizitätsmodul (E-Modul), das Fließen und die bleibende
teil außerhalb des Pendelgehäuses mit einer Ölhaut. Ist Formänderung etwa den in Dild 4 gezeigten Verlauf. Die
diese aber einmal gebildet, so dringt weiter kein Öl mehr statischen Messungen des E-Moduls, des Fließens und der
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noch dahingestellt -, läßt den Schluß zu, daß eine Öff einer Belastungszeit von I sek beginnt und nach einer
nung nur zeitlich begrenzt, nicht aber dauernd bestehen Belastungszeit von I h gemessen wird. Die hleibende
kann, denn die bestehenden Ring- und Federspannungen Formänderung wird eine Stunde nach Entlastung in Pro
bzw. der Radialdruck versuchen eine entstehende Öffnung zenten der Gesamtformänderung gemessen. Dynamische
schnellstmöglich wieder zu schließen. Das heißt aber, daß Messungen der Federkonstante und der Dämpfung an
Relativbewegungen oder Schwingungen zvvischen Dicht zylindrischen Proben unter konstanter Druckvorbelastung
lippe und Zapfen auftreten müssen. Dafür gibt es zwei und einer zusätzlich aufgebrachten Wechsellast haben ii;J.
Möglichkeiten: Abhängigkeit von der Temperatur etwa den in Bild 5 ge~
a) Die Reibung· zwischen Dichtlippe und Zapfen kann zeigten Verlauf. Die Federkonstante C = L1PjiJH ergibt
Schwingungen in Umfangsrichtung in der Dichtlippe sich nach 13ild 6 aus der Neigung der Belastungslinie. Die
hervorrufen. Diese Schwingungen seien Rcibungsschwin~ (prozentuale) Dämpfung D = F2JF1 • roo % ist nach
gungen genannt. Falls die damit verbundenen Zug- und Bild 6 definiert als das Verhältnis der Verlustarbeit zur
Druckschwankungen in der Dichtlippe dem Betrage nach tatsächlich aufgewendeten Arbeit während eines Last~
größer als die Vorspannung, d. h. Ring~ und Federspannung wechsels.
zusammen, sind, kann sich die Lippe zeitlich und örtlich Weitere, zusammengefaßte Versuchsergebnisse sind:
begrenzt vom Zapfen abheben. Diese Reibungsschwin Bei statischer Belastung erreicht die Dehnung erst nach
gungen sind ein ähnlicher Vorgang wie z. B. der, der das langer Zeit ihren End\vert. Umgekehrt nimmt bei gleich·
Knarren einer schlecht geschmierten Tür hervorruft. In bleibender Dehnung die Spannung im Gummi mit der
der Tat sind die Reibungsschwingungen am Simmerring Zeit ab, sie nähert sich asymptotisch einem Minimal wert.
auch oft von einem Pfeifton begleitet. Eine Berechnung Daraus folgt, daß der E-Modul von Gummi um so höher
dieser Schwingungen erscheint anssichtslos, dagegen lassen liegt, je kürzer die Belastungszeit ist, oder bei dynamischen
sie sich versuchsmäßig erfassen. Darüber wird später noch Beanspruchungen, je höher die Belastungsfrequenz ist.
berichtet. Temperaturen um und über 100° C bewirken mit fort
b) Eine Welle, hzw. hier der Zapfen, läuft niemals schreitender Einwirkungszeit eine Nachvulkanisation und
genau rund; die Achsen des Zapfens und des Pendel damit einen Anstieg des E-Modu1s. Gummi quillt in Öl
gehäuses machen Relativbewegungen zueinander. Diese insbesondere bei höheren Temperaturen. Er wird dadurch
Relativbewegungen muß die Dichtlippe eines Ringes mit
machen; es kann sein, daß sie diesen Bewegungen u. U. l Literaturverzeichnis in der Originalarbeit
nicht zu folgen vermag. In der Originalarbeit
wurde eine Schwingungsrechnung durchgeführt, die mor-.--r~--r----,---.~
nach dem notwendigen Radialdruck fragte, der %
bei einem Schlag des Zapfens von o,z mm, d. h.
bei einer Verlagerung seiner Achse um o,I mm
gegenüber der Drehachse bei einer Drehzahl von
3000 Ujmin gerade noch verhindert, daß die Dicht
lippe sich örtlich und zeitlich begrenzt vom Zapfen
abhebt. In der Rechnung \Vurden die Reibung zwi
schen Dichtlippe und Zapfen, die innere Dämpfung
des Gummis der Manschette und die seitliche Auf
hängung der Lippe am Steg berücksichtigt. Nicht
berücksichtigt wurden die unbekannten Kapillar
und sonstigen Grenzflächenkräfte zwischen Lippe
und Zapfen. Es ergab sich, daß weniger als I o/0 Bild 3 (links). Formänderungsverlauf von \Vcichgummi.
des praktisch ausgeführten Radialdruckes genügen Bild+ (rechts). Elastizitätsmodul, Fließen und bleibende Form~
würde, um die Dichtlippe unter den obigen Voraus änr:l.c1·ung von \,Vcichgummi in Abhängigkeit von df'r Tempc·
setzungen am Zapfen anliegen zu lassen. Die Rech- ratur (statisch gemessen).
K6O. N(I9SST4R) UHKeTftI OION J. Lein, Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringen für rotierende Wellen 388
Spannung verliert. Es zeigte sich aber, daß auch die
Feder durch Ermüdung im allgemeinen etwa ro% an
Spannung verliert. Das Hineindrücken der Feder in den
Gummi und der dadurch entstehende Spannungsabfall in
der Feder sind jedoch vernachlässigbar. Der Radialdruck
kann dadurch besonders gut konstant gehalten werden,
daß man einerseits den Anteil der Manschette - etwa
durch Schleifen auf einen etwas größeren Durchmesser -
verringert, andererseits die Feder direkt über der Dicht-
.__..__ ______~ kante wirken läßt und ihre Kennlinie möglichst flach
Bild 6. Arbeitsdiagramm l'lej hält.
0 P",}0;;---'-;c---;5'0"--~10;0;;-..,,,..C~ :;!~0 (Kraft-Weg-Diagramm),
Dämpfung.D=F2fF1• roo o/~. Drehmoment und Reibung
Für einen Simmerring von So mm 0 beträgt das
Bild 5f· = Ferd62e/r3k Honzs) tainn tAe buhnädn gDigäkmepitf uvnogn (ddeyrn Tamemispcehr agteumr.e ssen, RReaidbiualndgrsudcrke hemtwoam 6e nktg ibmet räMgitt.t eDl a6 d-e7r kRgacdmia,l dwruecnkn nadcehr
seiner Definition nur von der verhältnismäßigen Dehnung
weicher, und der Anstieg des E-Moduls infolge Nach der Lippe und Feder abhängt und somit für Ringe aller
vulkanisation wird gemildert. Die Quellung wird durch Größen etwa gleich ist - wobei bei kleinen Ringen der
Zugspannungen im Gummi gefördert, durch Druckspan Einfluß der verhältnismäßig größeren Dehnung durch
nungen gehemmt. So dient die Feder nicht nur zur Er den Einfluß der kleineren Querschnitte von Lippe und
höhung des Radialdruckes, sondern irrfolge des von ihr Feder wieder ausgeglichen wird -, so ist in erster
ausgeübten Druckes schützt sie auch die Dichtlippe vor Annäherung das Reibungsdrehmoment dem Wellen
übermäßiger Ölaufnahme. Öl hat auf die innere Dämpfung durchmesser proportional. Der zeitliche Verlauf des
des Gummis keinen Einfluß. Zu erwähnen bleibt schließ Reibungsdrehmomentes kann trotz konstant gehaltener
lich noch, daß die Lagerung von Gummi in heißer Luft Drehzahl und Temperatur sehr unterschiedlich sein, ins·
je nach Mischung mit der Zeit ein mehr oder weniger besondere bei hoher Reibung, wohingegen kleine Reibungs
Rtarkes Absinken der Festigkeitswerte bewirkt. drehmomente sich im allgemeinen nur wenig und langsam
ändern.
Durch verschiedene, voneinander unabhängige Ver
Radialdruck suche konnte bewiesen werden, daß die zwischen Zapfen
und Dichtlippe auftretende Reibung sich im allgemeinen
Denkt man sich die Dichtlippe und die Feder als aus einer geschwindigkeitsunabhängigen Grenzreibung
einen ringförmigen Körper von rechteckigem Querschnitt (z. T. auch Trockenreibung) und der geschwindigkeits
und greift am Teilchen r • drp · b · h (Bild 7) dieses Ringes abhängigen flüssigen Reibung zusammensetzt. Bei einer
eine Tangentialzugspannung G an, so ist der Radialdruck Drehzahl von 3000 Ufmin betragen Grenzreibung und
dieses Teilchens dR = a • 2 • sin d 'P • b · h = u • drp · b · h , flüssige Reibung je etwa die Hälfte der Gesamtreibung.
2 Im Stillstand oder bei langsamem Durchdrehen des
und der Gesamtradialdruck de.,s. Ringes über den Umfang Zapfens von Hand besteht nur Grenzreibung. Dieser
ist Zusammenhang ist in Bild 8 gezeigt. Z. B. haben Ringe
mit einem mittleren Reibungsdrehmoment von 8 kgcm
R =f dR = a · b · h • J drp = a · b · h · 2 ·"' während des Laufes ein solches von 4 kgcm im Stillstand.
0 Jeder Meßpunkt stellt einen Mittelwert aus etwa 200 Ein
Ist die wirksame Zugkraft a · b · h im Ring z. B. I kg, zelmessungen dar. Die Grenzreibung ist dadurch ge
so ist sein Radialdruck I • 2 n = 6,28 kg. Diese Definition kennzeichnet, daß Zapfen und Lippe noch von je einem
ist in Worten bereits auf Seite 385 ausgedrückt. Versuche zusammenhängenden, aber nur wenige Moleküllagen dicken
ergaben, daß der größte Teil aller Ringe mit einem Anfangs Schmierfilm bedeckt sind. Diese dünnen, unsichtbaren
radialdruck von z. B. 6 kg nach 100 Stunden ununter Schmierfilme werden von molekularen Oberflächenkräften
brochener Laufzeit in Mobilöl Arctic einen Endradialdruck fest an Lippe bzw. Zapfen gehalten, so daß keine flüssige
in etwa derselben Höhe hat. Nur wenige Ringe haben Reibung (Verschiebung der Ölmoleküle gegeneinander) in
einen stärker abweichenden Endradialdruck. Die Ver jeder Schmierschicht für sich auftreten kann. Da die
änderungen des Radialdruckes sind hauptsächlich von der mittleren Oberflächenrauhigkeiten am Zapfen etwa 3 I'
Temperatur und der Zeit abhängig. So und an der Dichtlippe etwa 3-5 I' betragen, so leuchtet
verhärten insbesondere Ringe mit hohem ein, daß zwischen solchen zerklüfteten Flächen (verglichen
Reibungsdrehmoment, d. h. hoher Tempe mit der Länge eines Ölmoleküls) wahrscheinlich eine Mi
ratur, und mit langer Laufzeit nicht nur schung von flüssiger, Grenz-und trockener Reibung (diese
durch Nachvulkanisation, deren Einfluß an den Spitzen der Rauhigkeiten) besteht. Es ist möglich,
durch Quellung etwas gemildert wird, son daß durch den unrunden Lauf des Zapfens und eine da
dern auch dadurch, daß der Gummi durch mit verbundene Pumpwirkung leinr schwmacher Schmi erfilm
die hohe Temperatur zunächst weich wird,
wodurch sich die Lippe mit ihrer ganzen
. . Breite auf den Zapfen legt. Dadurch wirkt
~J!dJ: ~~~.chen der Teilradialdruck der Feder nicht mehr
er Jc lppe. nur zur Hälfte - die andere Hälfte stützt
sich bei einem neuen Ring auf dem Einspannflansch ab -, ~gEJjj
sondern mit seinem vollen Betrag auf den Zapfen. Der
Gesamtradialdruck steigt dadurch, somit auch das Dreh
moment und die Temperatur, und die Ringe können durch ,._
Nachvulkanisation vollständig verhärten. Der Radial 0 1000 2000 JIJ(J{}
druck an Ringen, bei denen die Feder radial über der
Dichtkante liegt, kann sich nicht so stark ändern, da hier Bild 8 (links). Zusammenhang zwischen Reibungsdrehmoment
der Anteil der Feder von Anfang an mit seinem vollen im Stillstand und im Betrieb bei Simmerringen.
Betrag auf den Zapfen wirkt und während des Laufes Bild 9 (rechts). Gesamtreibungsdrehmoment von Simmerringen
unveränderlich bleibt, soweit die Feder nicht selbst an in Abhängigkeit von der Drehzahl.
389 J. Lein, Mechanische Untersuchungen an Dichtungsringe_n_f_ür_ro_t_ie_r_en_d_e_W_e_n_e_n ______ _::~::_·0- "(~~.S'!:,~'!.f_;~_::~~;;_;::::_~N
mit flüssiger Reibung geschaffen wird, wahrscheinlicher bildete Kondensator änderte
ist aber, daß die Kapillarkräfte in dem engen Laufspalt seine Kapazität. Durch eine %
zwischen Lippe und Zapfen soviel Öl in diesen Spalt geeignete elektrische Schal
hineinziehen, daß ein Film mit flüssiger Reibung entsteht. tung konnte die Relativ
Dieser wird allerdings nicht tragfähig sein, weil die aus bewegung auf einem Oszillo
der Gleitlagerpraxis bekannte Schmierspaltverengung graphen sichtbar gemacht
fehlt. Der Radialdruck des Ringes wird deshalb an den werden. Zusammenfassend
Spitzen der Rauhigkeiten bei gleichzeitigem Auftreten von läßt sich über die Relativ-
Grenz- und Trockenreibung aufgenommen werden. schwingungen zwischen 351---+--1
Die flüssige Reibung konnte u. a. mit Hilfe eines Dreh Li ppe und Zapfen sagen:
momentschreibers festgestellt werden. Bei Drehzahl Die stets vorhandene, wenn
minderung des Zapfens um soo U jmin, z. B. von 3000 auf auch kleine Zapfenexzen
2500, sinkt nämlich das Reibungsdrehmoment um einen trizität bewirkt in der
gewissen Betrag, um dann bei der niedrigeren, nun kon Dichtlippe von Ringen nor Bild Io. Anteil der dichten bzw.
stant gehaltenen Drehzahl infolge der geringeren Wärme maler Bauart zwei ver undichten Ringeeiner rußhaltigen
entwicklung und der damit niedrigeren Ölfilmtemperatur schiedene Schwingungen: Perbunanmischung in Abhängig
keit von ihrem mittleren Rei-
wieder etwas anzusteigen. Der sinngemäß umgekehrte 1. Eine Nickschwingung bungsdrehmoment.
Vorgang ergibt sich bei Drehzahlsteigerung. Diese beiden um die auf dem Zapfen auf
Vorgänge sind ein klarer Beweis für das Bestehen einer liegende Vorderkante der Dichtlippe. Der Schwingungs
flüssigen Reibung. Das Gesamtreibungsdrehmoment in ausschlag gegenüber dem Zapfen ist um so kleiner, je
Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt Bild 9· stärker die Lippe von der Feder gegen den Zapfen ge
An 700 untersuchten Ringen einer rußhaltigen Per drückt wird. Die Vorderkante der Dichtlippe hebt sich
bunanmischung zeigte sich, daß der Anteil der dichten nicht vom Zapfen ab. Dies ging bereits aus der Schwin
Ringe ein scharf begrenztes Maximum erreicht, deren gungsrechnung hervor.
mittleres Reibungsdrehmoment etwa 4 bis 5 kgcm beträgt. 2. Eine Längsschwingung der Lippe in Umfangsrichtung,
Dagegen gibt es bei Ringen, deren mittleres Reibungs deren Amplitude im allgemeinen etwas kleiner als die
drehmoment über I2 kgcm beträgt, kaum noch dichte Zapfenexzentrizität ist.
Ringe (Bild IO). Beide Schwingungen haben stets die Frequenz der
Schwingungen Zapfenumdrehung. Ein Einfluß dieser Schwingungen auf
Infolge des unrunden Laufes des Zapfens treten Re das Dichthalten konnte nicht beobachtet werden. Außer
lativbewegungen zwischen Zapfen und Lippe auf. Diese dem konnten Eigenschwingungen von sehr hoher Frequenz
Bewegungen konnten mikroskopisch und durch ein elek in der Lippe festgestellt werden, allerdings nur bei sehr
trisches Meßverfahren festgestellt werden. In die Lauf hoher Reibung und bei Ölmangel. Im allgemeinen treten
fläche der Dichtlippe wurde ein Kupferplättchen von solche Schwingungen jedoch nicht auf. Die an stark
6X 2 mm eingebaut. Dieses bildete zusammen mit der strapazierten Ringen oft zu beobachtenden, axial ver
Zapfenoberfläche einen Kondensator. Sobald nun die Lauf laufenden Anrisse in der Lauffläche der Lippe, deren Ent
fläche in radialer Richtung sich gegenüber dem Zapfen be stehung durch hohe Reibung und hohe Temperaturen be
wegte, traten auch entsprechende Bewegungen zwischen günstigt wird, sind wesentlich auch durch diA Längs
der eingebauten Platte und dem Zapfen auf, d.h. der so ge- schwingungen in der Lippe bedingt.
