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Dichtungsgeometrie und Kontaktdruckverteilung, Freudenberg
Dichtungsgeometrie und Kontaktdruckverteilung. Bild: Freudenberg

Stangendichtungen in Pneumatik- und Hydraulikzylindern haben die Aufgabe, ein- und ausfahrende Zylinderstangen abzudichten. Sie gehören mit zu den wichtigsten Komponenten in einem fluidischen System und wurden daher in den vergangenen Jahren ständig weiterentwickelt. Grundlegende Analysen von Dichtungsmechanismen tauchen in der wissenschaftlichen Literatur allerdings nur selten auf, was wahrscheinlich auf die flexiblen Materialien zurückzuführen ist, die sowohl Simulation als auch experimentelle Analyse erschweren. Während beispielsweise die Untersuchung der Mangelschmierung bei Stahl/Stahl-Reibkontakten bereits Stand der Technik ist, gibt es bislang kaum Versuche, diese bei Stangendichtungen zu simulieren. Der Schmierfilm einer Stangendichtung ist aber gerade beim Einfahren der Stange in den Zylinder häufig im Bereich der Mangelschmierung, da nach dem Ausfahren lediglich ein sehr dünner Ölfilm auf der Stange verbleibt.

Aus diesem Grund wurden bei Freudenberg Sealing Technologies neue Methoden zur Simulation von Mangelschmierungen und Leckagen bei Stangendichtungen entwickelt und validiert. Sie sind prinzipiell für Stangen-und Kolbendichtungen aller Art gültig.

In der ersten Stufe ging es zunächst um Berechnungen für Ventilschaftdichtungen aus Verbrennungsmotoren. Diese müssen eine möglichst genau definierte Leckage aufweisen, um die Schaftführung zu schmieren; es darf aber auch nicht zu viel Öl in den Ansaug-/Abgastrakt gelangen. Der genauen Leckageberechnung kommt somit eine besondere Bedeutung zu.

Der inverse hydrodynamische Ansatz

Dichtkontakte, Freudenberg
Simulation der einzelnen Dichtkontakte beim Ein- und Ausfahren. Bild: Freudenberg

In den vergangenen 15 Jahren bestand zunächst die Tendenz, immer komplexere Modelle zu entwickeln, um möglichst alle Effekte zu berücksichtigen, die das Verhalten der Stangendichtung beeinflussen. Dazu zählen unter anderem die Arbeiten von Nikas et al., die auch Modelle zur Beschreibung der Fluid-Struktur-Interaktion sowie Ansätze zur Berücksichtigung von Mischreibung beinhalten. Dabei haben sie bei ihrer Analyse festgestellt, dass die Oberflächenrauheit keinen großen Einfluss auf die mittlere Schmierfilmdicke hat und entwickelten auf der Basis des inversen hydrodynamischen Ansatzes (IHL, Inverse Hydrodynamic Lubrication) nach Blok für schnelle Parameteruntersuchungen ein deutlich einfacheres und schnelleres Modell. Es basiert darauf, dass sich der Kontaktdruck zwischen Stange und Dichtung aufgrund des bei der Bewegung entstehenden Schmierfilms nicht ändert.

Der Fluidfilm ist normalerweise höchstens wenige µm dick, während die Überdeckung zwischen Dichtung und Stange je nach Durchmesser im Millimeter- oder Zehntelmillimeterbereich liegt. Da die statische Anpressung der Dichtung an die Stange hauptsächlich durch die Überdeckung verursacht wird, sollte der Einfluss des relativ dünnen Schmierfilms auf die Druckverteilung in vielen Fällen vernachlässigbar sein.

Die Vorteile des IHL-Ansatzes sind die numerische Stabilität und die kurze Simulationszeit. Selbst wenn er in einigen Fällen im Ergebnis nicht die Qualität der komplexeren Modelle liefert, zeigt sich, dass die Übereinstimmung der inversen Berechnungen sowohl mit Messungen als auch mit komplexeren Ansätzen generell sehr gut ist.

Förderwertmessung, Freudenberg
Prinzip der Förderwertmessung. Bild: Freudenberg