09 ME Dichtungen Stud - Hochschule Anhalt · Prof. Dr.-Ing. H. Gruss M A S C H I N E N E L E M E N T E 4 Dichtungen 2. Dichtungen, die Funktionsräume trennen, welche durch ein sich

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Prof. Dr.-Ing. H. Gruss

Dichtungen

M A S C H I N E N E L E M E N T EProf. Dr.-Ing. H. Gruss2

Dichtungen

9. Dichtungen

9.1 Aufgaben und Einteilung

• Die Aufgabe von Dichtungen besteht darin, den Stofftransport von flüssigen oder gasförmigen Medien durch Trennung verschiedener Räume zu verhindern bzw. in zulässigen Grenzen zu halten. Folgende Unterscheidungen gibt es:

1. Dichtungen, bei denen die Trennung der Funktionsräume nur für Montage oder Reparatur oder durch Stelleinrichtungen (Ventil) aufgehoben wird. Die Dichtungen unterliegen keiner Relativbewegungen der Dichtflächen und werden daher bezeichnet als …

ruhende oder statische Dichtungen


Dichtungen

Statische Dichtungen


Dichtungen

2. Dichtungen, die Funktionsräume trennen, welche durch ein sich translatorisch oder rotatorisch bewegendes Maschinenelement voneinander separiert sind. Infolge der Relativbewegung werden sie bezeichnet als …

Bewegte oder dynamische Dichtungen

… und werden unterschieden in:

berührende Dichtungen

berührungsfreie Dichtungen


Dichtungen

Dynamische Dichtungen


Dichtungen

• Die für die Wahl der Dichtung und deren Auslegung relevante Parameter sind:

- aus der Konstruktion

Bauraum, abzudichtende Teile, Bewegungsverhältnisse

- aus den chemischen und physikalischen Beanspruchungen

Druckdifferenz, Richtung der Dichtwirkung, Relativgeschwindigkeit, Reibung

chemische Zusammensetzung und Temperatur, des abzudichtenden Mediums

- aus Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Montage

Lösbarkeit, Demontage, Auswechseln, Verschleiß (Ausfallzeiten), zulässige Leckmengen


Dichtungen

9.2 Berührungsdichtungen für Dichtflächen ohne Relativbewegung

• Aus Form- und Lagetoleranzen sowie durch Oberflächenrauheit resultieren in der Regel zu Spaltbreiten, wodurch zusätzliche Maßnahmen zum Dichten von gasen und Flüssigkeiten notwendig wird. Durch ein verformbares Dichtungselement können die Spalte geschlossen werden.


Dichtungen

9.2.1 Unlösbare Dichtungen

• Die dichtesten Dichtungen werde durch stoffschlüssige Verbindungen erzielt. Jedoch sind diese ohne Zerstörung nicht lösbar.

• Am häufigsten verbreitet sind Klebverbindungen, Walzlötverbindungen und Schweißdichtungen. Wichtig dabei ist die Berücksichtigung der Aufgabentrennung:

Dichtung Dichtungsaufgabenabzudichtende Bauelemente Kraftleitung über Formschluss


Dichtungen

Entlastung der Lötverbindung durch Formschlussstrukturelle Entlastung einer geklebten Behälterwand

Schweißringdichtung mit hoher Lippe

Schweißringdichtung


Dichtungen

Behälterdichtung mit Funktionstrennung:a) Aufnahme der Deckelkraft, b) Dichtfunktion

a


Dichtungen

Schweißringdichtung mit Klammerverschluss(Fa. Zikesch)


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9.2.2 Lösbare Dichtungen

• Die lösbaren statischen Verbindungen stellen den weitaus größeren Anwendungsbereich dar. Die Dichtwirkung beruht auf einer Flächenpressung an den Dichtflächen mit einer Verformung des eingelegten Dichtelements.

• Die Erzeugung des Drucks kann dabei auf zwei Arten erfolgen:

- durch elastische Kräfte (z.B. Schrauben)

- durch Betriebsdruck


Dichtungen

• Die Dichtung kann dabei auf zwei Arten erfolgen:

- Weichstoffdichtungen:

- E-Modul der Dichtung ist kleiner Verformung Schließen der Dichtfläche

- Hauptauswahlkriterium: abzudichtende Medium (Temperatur, chem. Zusammensetzung, Durchlässigkeit bei Gasen)

- Hartstoffdichtungen:

- E-Modul der Dichtung größer Dichtung gräbt sich in Bauteildichtflächen ein

- beständiger gegenüber Temperatur und chem. Zersetzung


Dichtungen

• Die Wahl der Dichtungswerkstoffe richtetet sich nach den Beanspruchungen. Dabei kann auch Werkstoffkombinationen zum Einsatz kommen.

- Weichstoffe: Pappe, Gummi, Leder, Filz, Kork, Kunststoffe (PTFE)

- Weichstoffe mit Metalleinlage oder -hülle: gelochte oder gesickte Trägerbleche

- Metallische Dichtungen: Al, Cu, Weicheisen höhere Drücke, Temperaturen


Dichtungen

Ausführungsformen von Flanschen

Flach- und Formdichtungen


Dichtungen

• Die Funktion und die Berechnungsgrundlagen sind angelehnt an die der Schraubenverbindungen. Die Dichtung stellt dabei ein zusätzliches elastisches Element im Kraftfluss dar.


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9.2.3 Vorverformungszustand

• Die Dichtung wird stark vorgepresst, bis die Oberflächenunebenheiten und –rauheitendurch plastisches Fließen gegeneinander angepasst sind. Bereits bei kleinen Belastungen auf die Dichtung sind verhältnismäßig hohe Vorspannkräfte notwendig. Von einer bestimmten Pressung an, liegt zwischen Belastung auf die Dichtung und Vorspannkraft lineares Verhalten vor. Bei darauf folgender Entlastung ist ebenso lineares Verhalten zwischen beiden Größen zu beobachten. Aufgrund der plastischen Verformung der Dichtung ist bei wiederholter Vorspannung die erforderliche Presskraft deutlich geringer.

• Vereinfachend gilt, dass der Dichtzustand bei etwa 10% plastischer Verformung erreicht ist. Hieraus leitet sich die Auslegungsgleichung für den Vorverformungszustand ab.


Dichtungen

… ist ein im Versuchermittelter Dichtungs-kennwert und stellt die„wirksame Breite“ derDichtung dar.

0k

… ist der Form-änderungswiderstandbei 10%iger Verfor-mung des Dichtungs-werkstoffs. Bei Weich-stoffdichtungen ist der Kennwert das Produkt

DK

DKk *0

Dichtungskennwerte für vorgeformte Festszoffdichtungen, Dichtungskennwerte nach AD 2000- Merkblatt B7


Dichtungen

Dichtungskennwerte für vorgeformte Feststoffdichtungen, Formänderungswiderstand metallischer Dichtungswerkstoffe bei Raumtemperatur


Dichtungen

• Weichstoffdichtungen zeigen gegenüber Hartstoffdichtungen ein anderes Verformungsverhalten, bei der ein Plastizieren beim Vorspannen nicht angebracht ist. Durch geeignete Werkstoffmischungen wird ein Ausgleichen der Oberflächenrauheiten bereits bei quasi elastischer Verformung erreicht. Hierfür ist zuvor eingeführte Berechnungsformel nicht anwendbar.

Gegenüberstellung der Verformungskennlinien für Weich- und Hartstoffdichtungen


Dichtungen

9.2.4 Betriebszustand

• Nach Aufbringung der erforderlichen Vorspannkraft liegt ein lineares Verhalten der Kräfte aus Beanspruchung und der Dichtwirkung vor. Wird die Beanspruchung durch Innendruck hervorgerufen, dass muss darauf geachtete werden, dass der Innendruck die Dichtung nicht nach außen drängt. Hieraus leitet sich folgende Beziehung ab:


Dichtungen

• Sicherheitsbeiwerte

- für Weichstoffdichtungen und Metallweichstoffdichtungen

gegen Gase und Dämpfe

gegen Flüssigkeiten

- für Metalldichtungen

gegen Gase und Dämpfe

gegen Flüssigkeiten

• Die Dichtkraft im Betriebszustand beträgt somit

1,1DS

2,1DS

2,1DS

3,1DS


Dichtungen

• Viele Dichtungswerkstoffe neigen zum Kriechen, insbesondere bei höheren Temperaturen. Infolgedessen entspannen sie und die Verbindung wird undicht. Aus diesem Grund muss die Dichtung über eine längere Zeit eine „Standkraft“ besitzen, unabhängig vom Betriebsdruck. Für metallische Dichtungen gilt somit:

Dichtungskennwerte für vorgeformte Feststoffdichtungen, temperaturabhängiger Formänderungswiderstandmetallischer Dichtungswerkstoffe

0MB 0,1 1,1 2,1 5,1Profilabhängiger Beiwert BM0


Dichtungen

• Bei der Verwendung von Weich- und Metallweichstoffdichtungen müssen Firmenunterlagen hinzugezogen werden. Gründe sind Kriechen und Versprödung.Der Kriechvorgang setzt bereits beim Aufbringen der Vorspannkraft ein. Dabei ist die Verfestigung so groß, dass selbst bei Überschreitung der Vorspannung kein weiteres kriechen mehr einsetzt. Die Versprödung ist zeit- und strahlungsabhängig, weshalb sie bei einer späteren Inspektion durch neue Dichtungen ausgetauscht werden sollten.


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9.2.5 Konstruktive Hinweise

• Bei der Abdichtung bei Verwendung von Flachdichtungen sind die Wege zu berücksichtigen, wodurch das zu dichtende Medium außerhalb des Funktionsraums gelangen kann:

1.) Kontaktflächen mit den Flanschen

2.) Poren der Dichtung

Hieraus ergeben sich bestimmte Anforderungen an die Dicke in Abhängigkeit des Drucks und der Oberflächenrauheit. Zum Erreichen einer gleichmäßigen Anpressung gelten folgende Konstruktionsempfehlungen:


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• Hohe Flanschsteifigkeit (Plattenstärke größer als Schraubendurchmesser

• Optimale Dicke der Dichtung

• Ausreichende Anzahl, gleichmäßige Abstände und sinnvolle Anordnung der Schrauben zur Erhöhung der Steifigkeit

• Schmale Dichtungen haben höhere Flächenpressung bei gleicher Schraubenkraft.


Dichtungen

Erhöhung der Flächenpressung durch Verkleinerung der Dichtflächen

links) geringe Breitemitte) eine breite Ausnehmungrechts) zwei schmale Ausnehmungen


Dichtungen

Ungünstige Schraubenanordnung Günstige Schraubenanordnung


Dichtungen

• Dichtungen können im Haupt- oder im Nebenkraftfluss eingesetzt werden.

• Der Nebenschluss ist zwar konstruktiv aufwendiger, verhindert aber weitgehend die Belastung im Betrieb durch Druck und Temperatur.

• Dichtung im Kraftnebenschluss verhindert eine Biegebeanspruchung auf die Flansche, wodurch ein definiertes Anziehen der Schrauben ermöglicht wird.

Abdichten im Haupt- und Nebenschluss


Dichtungen

9.2.6 Metallische Dichtungen (Formdichtungen)

• Gegenüber Flachdichtungen gasen sie nicht aus und werden aus diesem Grund in der Hochvakuumtechnik eingesetzt. Kennzeichnend ist die Anwendung bei hohen Drücken und Temperaturen. Profilierte Dichtleisten, Kegeldichtungen oder mehrflankigeBerühungsdichtungen kommen zur Anwendung.

• Durch die konstruktive Ausbildung der Dichtung kann man eine Kraftverstärkung infolge der Betriebsdrücke selbst erreichen, um damit die Vorspannelemente wie Schrauben zu entlasten. Hierzu gehören die selbsttätig schließende Kegeldichtung,die Deltaringdichtung sowie der Uhde-Brettschneider-Verschluss.


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Deltaring als selbsttätige Dichtung

links) Einbaustandrechts oben) unbelastetrechts unten) bei Betriebsdruck


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Uhde-Brettschneider-Verschluss


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Kegeldichtung als selbsttätige Dichtung


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Mehrflankige Berühungsdichtringe


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Dichtring als zweiflankig wirkende Profilleiste


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• Der O-Ring ist ein einfaches und billiges Normteil und ebenfalls ein vorgespanntes selbstverstärkendes Dichtungselement (Überlagerung der Vorspannung und Systemdruck).

O-Ring-Dichtung

links) Geometrierechts oben) Einbauzustandrechts unten) druckbelastet

Radiale Anordnung

links) Innenzentrierung durch Außendruckrechts) Außenzentrierung durch Innendruck

9.2.7 O-Ring


Dichtungen

O-Ringe nach DIN 3771 (Auswahl)


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Richtwerte der Nutabmessung

• Nutbreite ca. 25% größer als der Durchmesser des O-Rings große Wirkfläche,und Nuttiefe kleiner als Durchmesser


Dichtungen

Zulässige Spaltbreiten für O-Ringe

• Bei einem Spalt zwischen den Fügepartnern muss darauf geachtet werden, dass der O-Richtung im Betrieb nicht in den Spalt drückt. Durch die Anordnung von Stützringen auf der Druckabgewandten Seite können die Belastungen auf die Dichtung erhöht werden.

Nutabmessungen


Dichtungen

9.3 Berührungsdichtungen an bewegten Maschinenteilen

• Gegenüber den statischen Dichtungen ist bei Dichtungen zwischen Dichtflächen mit Relativbewegung der mechanische Verschluss der Dichtkanäle durch plastische Umformung nicht möglich. Es lässt sich nur ein enger, aber vorhandener Dichtspalt herstellen, in dem die Dichtung durch Drosselung erfolgt. Somit ist eine vollkommene Dichtheit nicht möglich

• Infolge der Bewegung treten im KontaktbereichReibung und Verschleiß auf. Hieraus resultierenfolgende Anforderungen an die Dichtung:

- reibungs- und verschleißarme Werkstoffe

- Schmierschicht im Kontaktbereich

• Der Dichtspalt kann dabei fest vorgegebensein oder sich durch die Bewegung erst aus-bilden und muss größer sein als die Oberflächenrauheit Radierung


Dichtungen

• Die konstruktive Gestaltung hängt von der Bewegungsart, der Bewegungsrichtung und der Ausbildung der Funktionsflächen ab. Bei der konstruktiven Ausbildung der Funktionsflächen wird zwischen zylindrischen Dichtungsflächen und Planflächen unterschieden. Auf ihnen findet die Dichtwirkung und Relativbewegung statt.


Dichtungen

Bauarten

Stopfbüchsendichtungen

• Der erforderliche Duck zur Anpressung der Dichtflächen aufeinander wird durch die Umsetzung einer auf die Packung in einem Packungsraum aufgebrachten axialen Kraft bewirkt. Die Verdichtung der Packung behindert dann auch gleichzeitig einen Leckstrom durch die Dichtung hindurch.

1 Brille2 Schraube3 Packung4 Schmierlaterne aus PTFE

Stopfbuchsen


Dichtungen

• Stopfbuchsen bestehen aus Einzelringen, die zu Packungen zusammengesetzt werden.

• Zur Aufrechterhaltung der Brillenkraft zur Erhaltung der Verformung des Dichtungsmaterials werden Federvorspannungen verwendet.

• Als Ringe werden Weichstoffpackungen aus Natur- und Kunststofffasern wie Gesteins- und Baumwolle oder PTFE (1) sowie aus Metallweichstoffpackungen (2 und 3, Hohlringe aus Cu, Al, Pb, Füllung aus Fett oder Graphit) eingesetzt.

1


Dichtungen

Vorteile:

- einfacher Aufbau- Nachziehen der Schraube- Anpassung der Werkstoffe

Nachteile:

- nur bei kleinen Werkstoffen- hoher Verschleiß- häufiger Austausch- große Baulänge- Wärmeisolator- Verletzungsgefahr der Oberfläche

Neben der Stopfbuchsenlänge kommen etwa 20% der Brillenlänge zum nachspannen. Eine kürze Baulänge erfordert jedoch mehr Vorspannkraft und bewirkt damit auch höhere Reibung. Die Oberflächengüte sollte Ra < 0,8 sein.


Dichtungen

Konstruktionsempfehlung


Dichtungen

Wärmeabfuhr infolge optimierter Anordnung der Stopfbuchsendichtungen


Dichtungen

• Die Berechnung der Dichtwirkung von Weichstoffpackungsstoffbüchsen ist sehr unsicher. Die Auslegung basiert auf Erfahrungswerten bzw. Herstellerangaben. Der Druck auf die Ringe nimmt mit zunehmendem Abstand zur Brille ab. Somit ist der erste Ring ausschlaggebend für die Dichtungsgüte und verschleißt auch als erster.

• Für Wellendichtungen ist die Stopfbüchse gegenüber Gleitringdichtungen infolge hoher Reibung und Wärmeentwicklung weniger gut geeignet. Es besteht die Gefahr, dass beide Verbindungselemente sich berühren.

Mischreibung

• Bei Stopfbüchsenpackungen für Hochdruck-Kolbenpumpen werden die Dichtungen stark vorgespannt. Um die Extrusion der Ringe zu vermeiden, werden zur Verstärkung Stützringe eingesetzt.


Dichtungen

• Bei hohen Drücken, Gleitgeschwindigkeiten, Temperaturen und Dampf versagen die Weichstopfpackungen. Für diese Anwendungen müssen Formbeständige Packungen verwendet werden, z.B. Kegelpackungen, bestehend aus Zinnbasis-Legierungen unter Beimischung von Kupfer.


Dichtungen

• Alternativ zu den formbeständigen Packungen können auch Packungsringeeingesetzt werden. Diese gibt es in verschiedenen Ausführungen. Nach dem Einfahren der Dichtung vergleichmäßigt sich die ursprünglich ovale Bohrung.Es können mehrere Ringe nebeneinander angeordnet werden

Packungsringen in drei-, vier-und sechsteiliger Ausführung

Radialkräfte an vier- und sechsteiligenPackungsringen


Dichtungen

• Diese Dichtungen sind als Geteilte Stopfbuchsen ausgeführt. Die Dichtelemente selbst können als Normteile im Baukastensystem zusammengestellt werden. Dabei ist auf eine radiale Beweglichkeit zu achten. Durch einzelne federn wird eine konstante Anpressung erzielt.

Aus Kassetten bestückte Metallfederpackung mit kegeligen Kammerringen


Dichtungen

Kolbenring

• Diese Dichtungen sind für Axialbewegungen gedacht bestehen aus einem elastischen, aber formbeständigen Ring mit rechteckigem Querschnitt und werden in einer Nut gelagert.

• Nachdem der Kolbenring eingelaufen ist, stellt sich ein Dichtspalt ein. Weil damit eine Leckage verbunden ist, wird in der Praxis ein Ölabstreifring nachgeschaltet. Die Gegenfläche des Rings sollte mit H7 toleriert sein und eine Rauhigkeit bis12 μm aufweisen.


Dichtungen

Richtwerte für die Anwendung

Kolbenring mit gefangenem Stoß Kolbenring mit gasdichtem Stoß

Anordnung mehrerer Kolbenringe


Dichtungen

Stepseal-Dichtung

• Hierbei handelt es sich um Ringdichtungen, bestehend aus PTFE, kombiniert mit einem Elastomer O-Ring. Der O-Ring fungiert als Feder und drückt die eigentliche Ringdichtung an.

• Die Lippe ermöglicht einen hydrodyna-mischen Schmierfilm.

Stepseal-Ring


Dichtungen

Formdichtungen

• Formdichtungen sind selbsttätige Berührungsdichtungen, bei denen der Betriebsdruck die Dichtwirkung unterstützt. Sie werden vorwiegend in der Pneumatik und Hydraulik verwendet.

• Grundsätzlich bestehen sie aus:

- Formkörper mit Lippe

• Unabhängig vom Betriebsdruck schmiegen sie sich entweder durch ihre Eigenelastizität oder durch eine Ringfeder an der abzudichtenden Fläche an.

Vorspannung


Dichtungen

• Durch die Vorspannung kann die Dichtung selbst bei niedrigen Drücken sowie im drucklosen Zustand bei großen Geschwindigkeiten eine hohe Dichtwirkung gewährleisten.

• Bei niedrigen Geschwindigkeiten besteht die Gefahr des Stick-Slip-Effekts, da sich der Schmierfilm nur unzureichend ausbilden kann. In diesem Fall ist die Reibung und damit auch der Verschleiß recht groß.

• Folgende Werkstoffe werden eingesetzt:

- Leder gute Temperatur- und Alterungsbeständigkeit

- Kautschuk geeignet für Öle, Basen, Säuren, Heißwasser

- PTFE chemische Beständigkeit, -200 °C – 250 °Cniedriger Reibungswert, jedoch weich Stützringe

• Wichtig ist die Dichtungsoberfläche. Sie muss gut benetzbar sein.Rauhigkeit Ra < 0,4μm.


Dichtungen

• Es gibt verschiedene Ausführungs-formen von Formdichtungen.

Nutringe

• Sie dienen zur Abdichtung axialbewegter Maschinenteile mit Abdichtungsdrücken von 400 bar und Gleitgeschwindigkeiten bis0,5 m/s. Der Einbau erfolgt mit Spiel (H8/f8).

Nutringdichtungenmit Abstreiflippe

Nutringdichtungenals Rückschlagventil

Nutringdichtungenmit metallischer Spannfeder


Dichtungen

• Bei hohen Drücken besteht Gefahr der Extrusion, hier werden oft Stützringe(Backringe) eingesetzt oder mehrere Nutringe zu Kompaktdichtungen mit geschlossenem Profil geschaltet.

Nutring mit Backring bzw. mit vulkanisierten Verstärkungselement

Aus Nutringen bestehende Kompaktdichtung (Dachmanschettenseatz)


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Schleppströmung zwischen zwei Wirkflächen

• Zur Reduzierung der Reibung und damit auch des Verschleißes ist eine Gleitschmierung erforderlich. Diese wird durch die Schleppströmung erreicht.

• Die Schleppströmung resultiert aus der Relativbewegung, bei der die Molekühle an den Dichtflächen unterschiedliche Geschwindigkeiten annehmen. Hierbei stellt sich im Spalt eine lineare Druckverteilung ein.

• Vorwärtshub: Lippe wird von der Dichtfläche gedrückt.Rückwärtshub: Ein Teil des Schierfilms wird abgestreift. Der Rest ist Verlust (Leckage).


Dichtungen

• Da Pneumatikdichtungen nur einmalig bei der Montage geschmiert werden, muss das Abstreifen verhindert werden, während bei Hydraulikdichtungen der Schmierfilm möglichst gut abgestreift werden soll.

Form der Dichtlippe und Pressungsverteilunglinks) Hydraulik / rechts) Pneumatik


Dichtungen

• Um die Leckage zu reduzieren und das Eindringen von Schmutz zu verringern, wird ein Dichtsystem in die Konstruktion integriert.

Dichtsystem


Dichtungen

Manschetten

• Diese Dichtungen gibt es in vielfältiger Bauweise.

links) Hutmanschette mit und ohne Feder

rechts) Topfmanschette mit und ohne Feder

Hutmanschette mit freiaufliegender Feder


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O-Ring

• Sie können auch bei Relativbewegungen eingesetzt werden. Die Dichtwirkung beruht ebenfalls auf der Verformung und damit Vorspannung des Rings.

• Für translatorische Bewegung gilt: bei 10 bar – 0,3m/s und bei 5 bar – 0,5m/s.Bei rotatorischen Bewegungen kann die Umfangsgeschwindigkeit bis 4 m/s betragen.

Zulässige Spaltbreiten für O-Ringe


Dichtungen

Gleitringdichtungen

• Sie sind universell einsetzbar und gelten als die höchstbelastbaren Dichtungen für rotierende Maschinenteile zur Abdichtung von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen.

• Der Einsatzbereich erstreckt sich

für Drücke von 10-2 bar bis 300 bar

für Temperaturen von -200°C bis 450°C

für Geschwindigkeiten bis 150 m/s

• Diese Dichtung ist einsetzbar von 5 bis 500 mm und bis 1000 mm in Segmentbauweise auszuführen.


Dichtungen

• Die Abdichtung erfolgt auf axialen Flächen zwischen einem rotierenden Gleit-und einem feststehenden Gegenring. Der stationäre Teil sitzt in der Regel im Gehäuse, der rotierende Teil ist auf der Welle befestigt. Federkraft und Druck des Mediums können als Anpressdruck genutzt werden.

Gleitringdichtung

1 rotierender Dichtungsteil2 feststehender Dichtungsteil3 Sekundärdichtungen


Dichtungen

Gleitringdichtung


Dichtungen

• Die Dichteigenschaften hängen maßgeblich von der sich einstellenden Spaltbreite ab, die sich durch den Einlaufvorgang einstellt .

• Der Leckstrom errechnet sich unter Vernachlässigung der Schleppströmung und Fliegkraftwirkung wie folgt:

wobei: D … mittlere Gleitflächendurchmesserh … mittlere Spalthöheb … mittlere Spaltbreiteη … dynamische Viskosität des Mediums∆p … Druckdifferenz

pbhDQ *

**12³**

mRa 3,0...15,0min,


Dichtungen

• Die Wahl der Werkstoffe ist ausschlaggebend für die Funktion der Gleitringdichtung. Die Werkstoffe müssen folgende Eigenschaften aufweisen:

- kleine Reibung

- verschleißfest

- chemische und thermische Beständigkeit

Daher nimmt man für den drehenden Gleitring: synthetischer Harz, Kohle, Keramikund für den feststehenden Gegenring: GG, Bronze, synthetische Kohle, Keramik

• Gleitringdichtungen unterliegen infolge der Reibung der Gleitflächen hohen Wärmebelastungen, weshalb diese häufig durch Wärmespannungsrisse versagen. Um die zu vermeiden, müssen konstruktive Maßnahmen zur Wärmeabfuhr getroffen und bei Verschleiß die Dichtung ausgetauscht werden.


Dichtungen

9.4 Berührungsfreie dynamische Dichte

• Abgesehen von Strömung im (Dicht)Spalt, worauf die Dichtfunktion basiert, arbeiten diese reibungsfrei. Jedoch tritt auch bei ihnen ein Leckstrom. Die Aufgabe des Ingenieurs besteht darin, Spaltformen und –abmessungen so festzulegen, dass die Leckage bei vernünftigem technischen Aufwand möglichst gering wird.

Vorteile: keine Reibung keine Wärmeabfuhr notwendig kein Verschleiß

Nachteil: nicht dicht


Dichtungen

9.4.1 Spaltdichtungen

• Das Medium gelangt durch einen Spalt in dem Raum mit geringerem Druck. Der Leckstrom ist abhängig von der Viskosität des Mediums, dem Druckabfall sowie der Länge und Breite des Spaltes

• Grundsätzlich sollte der Spalt so dimensioniert werden, damit einerseits laminareStrömung gewährleistet wird und andererseits bei Biegung der Welle keine Klemmung auftritt. Ohne Berücksichtigung der Exzentrizität beträgt der Volumenstrom:

Sobald die Reynoldszahl größer2000 ist, kippt die laminare in eineturbulente Strömung.

223

*5,11***12***

L

phDVhe


Dichtungen

• Spaltdichtungen als Dichtungselement werden konstruktiv als Schwimmring-Spaltdichtungen ausgeführt, die mit der Welle einen axialen Spalt bilden. Die Spalthöhen liegen im Bereich von 10 bis 20 μm und die Spaltlängen betragen ca. 5bis 10 mm. Der Schwimmring kann der radialen Bewegung der Wellenachse infolge Biegung folgen. Die Zentrierung erfolgt über O-Ringe. Aufgrund ihres modularen Aufbaus können mehrere Schwimmringe in Reihe hintereinander geschaltet werden.

Schwimmring-Spaltdichtunghintereinandergeschaltete

Schwimmring-Spaltdichtungen


Dichtungen

9.4.2 Labyrinthdichtungen

• Bei Labyrinthdichtungen strömt das Medium aus einem Raum höheren Drucks durch eine Anzahl von Wirbelkammern bzw. Drosselstellen in den Raum niedrigeren Drucks. Durch die Drosselung wird die Geschwindigkeitsenergie der Spaltströmung fast vollständig in Verlust umgewandelt, so dass hinter jeder Drosselstelle die Energie auf ein kleineres potentielles Niveau abgebaut wird.

• Diese Dichtungen werden häufig bei Gas- oder Dampfströmen eingesetzt, da infolge thermischer Ausdehnungen ein enger Drosselspalt nicht realisierbar ist.

Labyrinthdichtungena) axiales Labyrinthb) radiales Labyrinth bei geteiltem Gehäusec) axiales Labyrinth bei pendelnder Achse

a) b) c)


Dichtungen

Weitere Ausführungen

Labyrinthdichtungen bei Dampfturbinen


Dichtungen

9.5 Dichtungen an rotierenden Wellen ohne Druckdifferenz

• Diese Dichtungen werden als Schutzdichtungen bezeichnet und verhindern das Eindringen von Verunreinigungen und den Austritt von Schmiermittel in einem Funktionsraum. Daher sind sie für untergeordnete Aufgaben geeignet. Konstruktiv können sie berührend oder berührungslos gestaltet werden.


Dichtungen

9.5.1 Berührende Schutzdichtungen

• Gemäß DIN 5419 können Filzringe für Gleitgeschwindigkeiten bis zu 4 m/s eingesetzt werden. Diese Dichtungen werden vor der Montage in Öl gedrängt. Die trapezförmigen Nuten bewirken die Anpressung.


Dichtungen

• Sogenannte Nilosringe werden als federndes Dichtelement bei lebensdauer-geschmierten Wälzlagern eingesetzt. Dabei schleift die scharfe Ringkante eine Nut in den Wälzlagerring ein.

Nilosringe zur Abdichtung von Wälzlagern


Dichtungen

• Weit verbreitet sind Radial-Wellendicht-ringe (DIN 3760) in den Formen A und AS. Das Grundprinzip basiert auf dem Gleiten einer scharfkantigen Dichtlippe aus elasto-meren Werkstoff auf einer glatten Wellen-oberfläche. Die Anpressung der Dichtlippe erfolgt sowohl durch die elastische Verfor-mung beim Einbau als auch durch eine Feder. Dadurch wird diese Dichtlippe im Ruhezustand zu einer statischen Dichtung.

• Ein metallischer Versteifungsring gibt dem Elastomer Halt.

Radial-Wellendichtringe inden Formen A und AS (DIN 3760)


Dichtungen

• Infolge der Rotation der Welle schwimmt die Dichtlippe durch den hydrodynamischen Effekt auf. Aufgrund der ungleichen Winkel auf der Ölseite von 35° – 60° und auf der luftseitigen Seite von 12° – 30° entsteht eine asymmetrische Pressungverteilung , die einen Mikrodrall in der Kontaktfläche bewirkt Mikropumpwirkung.

Druckverteilung in der Kontaktzone der Duchtlippe

Mikropumpwirkungin der Dichtlippe


Dichtungen

Weitere Formen vonRadial-Wellendichtringen


Dichtungen

• Die Anforderungen an Radial-Wellendichtringe sind von dem abzudichtenden Medium, der Umfangsgeschwindigkeit und der verwendeten Werkstoffe abhängig. Der Temperaturbereich liegt zwischen – 40 °C und +100 °C. Die maximalen Umfangsgeschwindigkeiten betragen 35 m/s. Die Rundheitstoleranz muss nach IT8 ausgeführt werden. Die Oberfläche darf eine zulässige Mittenrauhigkeit von 0,8 μm nicht überschreiten.


Dichtungen

• Aufgrund der Komplexität werden Radial-Wellendichtringe durch falsche Rauhigkeiten der Welle, Kratzer, Poren und andere Beschädigung von Welle und Lippe sowie durch Verunreinigungen, Zersetzungsprodukte des Öls, Alterung und Trockenlauf undicht.

• Schon bei der Montage müssen die Dichtungen durch spezielle Montagehülsen gegen eventuell vorhandene scharkantige Wellenabsätze geschützt werden.

Verwendung von Montagehülsen zum Schutz der Lippe beim Einbau


Dichtungen

Abdichtung gegen Wasser mit Hilfe zweier Radialwellendichtringe und einer durch die beiden Ringe gebildeten Fettkammer

Trennung zwei flüssiger Medien durch zwei entgegen gerichtete Radial-Wellendichtringe


Dichtungen

oben) Abdichtung einer besonders schmutzbeaufschlagten Stelle

unten) Entlüftungsbohrungen zur Ver-hinderung von Luftpolstern

Radial-Welledichtringe an Wälzlagern:

oben) zwischen Innen- und Außenring

unten) an der Stirnseite


Dichtungen

• Der V-Ring als aktive Schutzdichtung schleudert von außen kommende Schmutzpartikel sowie Flüssigkeiten.

• Der V-Ring stellt eine Manschette dar,die im Stillstand axial abdichtet. Mit steigender Drehzahl hebt die Dichtlippe ab, wodurch die Reibung herabgesetzt wird.

• Durch einen Blechring (Gamma-Ring) können die Dichtungsringe verstärkt werden.

Kombination V-Rings mit einem Gamma-Ring

V-Ring


Dichtungen

9.5.2 Berührungsfreie Schutzdichtungen

• Nach dem Prinzip der Spalte und Labyrinthe werde auch Schutzdichtungen konstruiert, die als Besonderheit Räume beinhalten, in denen sich Fett ablagern kann (Fangrillen) oder Entlastungsbohrungen, aus denen die Flüssigkeit ablaufen kann.

Stauscheibe hinter LagerFettrillendichtung mit anschließendem Labyrinth

umlaufende Fangrillen


Dichtungen

Spritzrillen und –ringe zur Dichtung gegen Ölaustritt

Winkelförmige Stahl-Lamellen Lager mit Deckscheiben(integrierte Stauscheiben)


Dichtungen

Radial federnde Elemente als Schutzdichtungen

a b

c d

Labyrinthdichtungen

a) einbaufertigb) einbaufertig aus Kunststoff-Spritzteilenc) einbaufertig aus Stahlpressteilend) individulell


Dichtungen

Fanglabyrinth als steckbare Lagerdichtung


Notizen

Documents

09 ME Dichtungen Stud - Hochschule Anhalt · Prof. Dr.-Ing. H. Gruss M A S C H I N E N E L E M E N T E 4 Dichtungen 2. Dichtungen, die Funktionsräume trennen, welche durch ein sich