Prüfungsfach: Dichtungstechnik – Abdichtung bewegter Maschinenteile

Prüfer: Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas

Prüfungsdatum: Übungsprüfung 3

Prüfungsdauer: 120 Minuten

Teilnehmer:

Name: …………………………………………………………

Matrikelnr.: …………………………………………………………

Aufgabe Punkteerreichte

Punktzahl

1 40

2 12

3 30

4 38

Gesamt

Aufgabe 1: Kurzfragen 40 Pkt.

1.1 Welches Dichtprinzip verwendet die Natur beim Menschen, um auch bewegte

Körperteile abzudichten?

Wie bezeichnet man die verwendeten Elemente?

Welchen Nachteil hat diese Art von Abdichtung?

Dichtprinzip: hermetisch

Bezeichnung Element: Membran

Nachteil: Eingeschränkte Beweglichkeit

1.2 Was versteht man unter dem Druckverformungsrest DVR?

DVR: Bleibende Verformung nach der Entlastung in %

Sollte der DVR eines statisch eingebauten Rechteck-Rings groß oder klein

sein?

Kreuzen Sie an an und begründen Sie Ihre Wahl.

groß X klein

Begründung: Der DVR hat ein Nachlassen der Vorspannung zur Folge,

welche sich negativ auf die Dichtwirkung auswirkt

3 

3 

1.3 Nennen Sie die zwei Bedingungen, die bei jedem statisch eingesetzten Dicht-

element erfüllt sein müssen, damit es unabhängig vom Druck dicht ist.

Bedingung 1: pm > p1 (mittlere Pressung größer als der Systemdruck)

Bedingung 2: geschlossene Linie auf dem gesamten Dichtungsum-

fang, auf der an jeder (mikroskopischen) Stelle die örtli-

che Pressung größer als der Systemdruck ist.

pörtlich > p1

1.4 Was versteht man unter einer „aktiven Abdichtung“?

Durch die Bewegung eines Teils des Dichtsystems wird ein Rückförder-

strom entgegen dem Leckagestrom erzeugt. Der Rückförderstrom kann

kontinuierlich (drehende Bewegung) oder diskontinuierlich (hin- und

hergehende Bewegung) sein.

1.5 Beschreiben Sie stichwortartig den Vorgang der Dampfblasen-Kavitation an

einer starren Wand.

In Flüssigkeiten – Unterschreiten des Dampfdrucks – Dampfblase –

Druckanstieg – Dampfblase implodiert – sehr schneller Flüssigkeits-

strahl trifft auf die Wand – Folge: Gefügezerrüttung (Lochfraß)

3 

1

3

1.6 Skizzieren Sie eine eingebaute Bürstendichtung für Heißluft und kennzeichnen

Sie die Seite mit dem höheren Druck mit p1.

Welchen Vorteil haben Bürstendichtungen gegenüber Drossel-Labyrinthen?

Skizze:

Vorteil: Bei geringerer Leckage viel kleinerer Bauraum

1.7 Dargestellt sind drei mögliche Einbau-Arten von O-Ringen?

1 2 3

1.7.1 Welche Art sollte man vermeiden?

Begründen Sie Ihre Antwort kurz.

2 wegen den Maßtoleranzen, Dreiecksnut und den 3 Dichtflächen

4 

4 

1.7.2 Welche Art ist die Günstigste?

Begründen Sie Ihre Antwort kurz.

1 oder 2 ohne nähere Angaben nicht zu entscheiden

1.7.3 Was ist bei Einbauart 1 unbedingt zu beachten?

15° Einfahrschräge an Teil A

1.8 Wie muss der Stoßspaltverschluss eines Kolbenrings für einen Hubkolbenmo-

tor gestaltet sein, damit er „gasdicht“ ist und trotzdem wandern kann?

Der Stoßspalt muss axial und radial verschlossen sein

1.9 Worin unterscheiden sich Pneumatik- von Hydraulikdichtungen?

Nennen Sie zwei wesentliche Unterscheidungsmerkmale.

Merkmal 1: Schmierfilmerhaltung durch „ballige“ Dichtflächen mit fla-

chem Pressungsgradient

Merkmal 2: Geringe Anpressung wegen Reibung (Vorpressung)

1.10 Zu welcher gemeinsamen Dichtungsgattung zählen die Gewinde-

Wellendichtung und die Zentrifugal-Wellendichtung?

Gattung: Berührungsfreie Rückförderdichtungen (Sperrdruckdich-

tungen /Hydrodynamische Dichtungen)

1 

2 

1 

1.11 Welche Effekte kann man durch Strukturieren der Gleitflächen von flüssig-

keitsabdichtenden Gleitringdichtungen erreichen?

1.11.1 Nennen Sie 4 mögliche Effekte.

Effekt 1: geringere Leckage

Effekt 2: geringere Reibung

Effekt 3: dickerer Schmierfilm

Effekt 4: höhere Zuverlässigkeit

1.11.2 Für welche Betriebsbedingung sind Gleitringdichtungen prädestiniert?

Betriebsbedingung: hoher Druck und / oder hohe Gleitgeschwindigkeiten

1.12 Was versteht man unter dem sogenannten p·v-Wert?

p·v-Wert: Produkt aus abzudichtendem Druck p und der Gleitge-

schwindigkeit v als „Leistungskennwert“ (-Funktion) für

Dichtungen

Was ist bei seiner Verwendung unbedingt zu beachten?

zu beachten: Der p·v-Wert ist kein fester Wert, sondern Funktion in bar

oder MPa

3 

3 

1.13 Skizzieren Sie eine gängige Rotordichtung im eingebauten Zustand.

Für welche Betriebsbedingungen kommen Rotordichtungen zum Einsatz?

Betriebsbedingung: hoher Druck und geringe Gleitgeschwindigkeit bei

drehender Bewegung

1.14 Wie oder mit was dichten Sie Wasser mit einem Druck von 3 MPa ab?

nicht lösbar - Geschwindigkeit rotierend oder translatorisch?

- Zuverlässigkeit

- Lebensdauer usw.

1.15 Was versteht man bei Radial-Wellendichtringen unter „Hydrodynamischen

Dichthilfen“ (auch als „Drall“ bezeichnet)

Drall: Erhabende Strukturen auf der luftseitigen Dichtkantenflä-

che die mit der Dichtkante Keilspalte bilden und durchge-

drungene Flüssigkeit zurückfördern

4 

3 

2 

Aufgabe 2: Berührungsfreie Dichtung 12 Pkt.

Ein schnelllaufendes hydrostatisches Gleitlager mit erheblichem Lagerseitenfluss soll

zu Werbezwecken mittels handelsüblichen berührungsfreien Schutzdichtungen der

Firma XYZ vollkommen leckagefrei bei allen Drehzahlen abgedichtet werden. Die

Bilder zeigen die zur Verfügung stehenden Dichtelemente. In diesen Bildern sind sie

als Schutzdichtungen für fettgefüllte Wälzlager gegen Verschmutzung eingesetzt.

2.1 Konstruieren Sie das gewünschte Dichtsystem für das hydrostatische Gleitla-

ger. Saubere Freihandzeichnung genügt. Die Befestigungselemente sind mit

darzustellen.

2.2 Welche alternativen Dichtsysteme wären eigentlich für solche Abdichtaufga-ben prädestiniert? Nennen Sie 2 Alternativen

Alternative 1: Fanglabyrinthdichtung

Alternative 2: Sperrluftdichtung

2 

10 

Aufgabe 3: Hydraulikdichtungen 30 Pkt.

Um einen Hydraulikzylinder abzudichten stehen Ihnen folgende Maschinenelemente

zur Verfügung:

Element: 1 2 3 4 5

3x

3x 2x

10x 4x

Name: Stufen-dichtung

Nutring Rechteck-dichtring

O-Ring / Spannring

Führungsband

Werkstoff: PTFE/Bz PU PTFE z.B. NBR PTFE / Gewebe

3.1 Geben Sie für jedes Element einen gängige Bezeichnung (Namen) und einen

gängigen Werkstoff an.

3.2 Skizzieren Sie ein vollständiges Dichtsystem für den Kolben des Hydraulikzy-

linders unter Verwendung eines Teils der zur Verfügung stehenden Maschi-

nenelemente.

5

4

3.3 Skizzieren Sie ein Dichtsystem für die Kolbenstange, wenn bei sehr hohem

Druck (30MPa) beste Dichtheit bei geringer Reibung und sehr guter Führung

der Kolbenstange benötigt wird.

3.4 Angenommen, die Kolbenstange wäre nur mit einem Element 2 abgedichtet

und die Kolbenstange tauche außen in ein Wasserbecken ein. Mit wie viel

Wasser im Öl muss man nach 100 Hüben rechnen? Der Pressungsverlauf für

das Element 2 sei für Ein- und Ausfahren gleich. Nicht gegebene Werte bit-

te geeignet annehmen.

Daten:

Hublänge: H = 1 m

Kolbenstange: d = 100 mm

Ölviskosität: ηÖl = 10-2 Pa·s

Viskosität Wasser ηWasser = 10-3 Pa·s

Ausfahrgeschwindigkeit: ua = 10-2 m/s

Einfahrgeschwindigkeit: ue = 1 m/s

A (3.5)

10

7

Pressungsverlauf: Steigungswerte:

A wA = 100 MPa/mm

B wB = 200 MPa/mm

C wC = 0 MPa/mm

D wD = 50 MPa/mm

E wE = 25 MPa/mm

F wF = 10 MPa/mm

G wG = 40 MPa/mm

H wH = 5 MPa/mm

Berechnung:

ℎ𝑎 = �29

·𝜂 · 𝑢𝑎𝑤𝑎 𝑚𝑎𝑥

= �29

·10−2𝑃𝑎 · 𝑠 · 10−2 𝑚𝑠

200 𝑀𝑃𝑎𝑚𝑚 ·= 1,05 · 10−5𝑚𝑚 = 1,05 · 10−2µ𝑚

= 10,5 𝑛𝑚

ℎ𝑒 = �29

·𝜂 · 𝑢𝑒𝑤𝑒 𝑚𝑎𝑥

= �29

·10−3𝑃𝑎 · 𝑠 · 1 𝑚𝑠

50 𝑀𝑃𝑎𝑚𝑚 ·= 6,6 · 10−5𝑚𝑚 = 0,066 µ𝑚 = 66 𝑛𝑚

∆ℎ = (66 − 10,5) 𝑛𝑚 = 55,5 𝑛𝑚

𝑉 = 𝜋 · 𝑑 · 𝐻 · 𝑛 · ∆ℎ = 𝜋 · 100 𝑚𝑚 · 1 𝑚 · 100 · 55,5 𝑛𝑚 = 1743,6 𝑚𝑚³ = 1,74 𝑐𝑚³

Es befinden sich nach 100 Hüben etwa 1,74 ml Wasser im Öl.

3.5 Was für ein Element, das Ihnen nicht zur Verfügung steht bräuchten Sie um

den Wassereintrag zu mindern?

Skizzieren Sie das Element.

Bezeichnung des Elements: Abstreifer

Skizze des Elements:

Markieren Sie in der Skizze zu 3.2 bzw. 3.3 die Stelle an der das Element sit-

zen müsste mit einem A.

In 3.2 kein Abstreifer einbaubar, da es sich in dieser Anwendung um ei-nen Kolben handelt.

4

Aufgabe 4: Wellendichtungen 38 Pkt.

Es gibt Wellendichtungen die radial und solche die axial angepresst werden. Darüber

hinaus gibt es Wellendichtungen für sehr niedrigen Druck (drucklos) und solche für

höhere Drücke.

4.1 Skizzieren Sie halbwegs maßstäblich einen Radial-Wellendichtring aus

Elastomer für drucklosen Betrieb. Er soll einen rillierten statischen Dichtsitz

haben und eine berührende reibungsarme Schutzlippe.

4.2 Geben Sie die Größenordnung den Dichtkantenwinkel α und β an und tragen

Sie diese in Ihre Skizze ein.

4.3 Was passiert wahrscheinlich, wenn die Größenordnung der Dichtkantenwinkel

umgekehrt ist?

Skizze:

Dichtkantenwinkel: Dichtkantenwinkel umgekehrt:

α = 40-60° Folge:

Dichtring ist wahrscheinlich undicht β = 20-30°

4 

2 

2 

4.4 Skizzieren Sie in ähnlicher Größe einen Radial-Wellendichtring aus Elastomer

mit dem Flüssigkeiten unter Druck abgedichtet werden können.

(ohne Schutzlippe und ohne Rillierung)

Skizze:

4.5 Wo verschleißt dieser Dichtring bei höherem Druck (außer die Dichtkante

selbst). Kennzeichnen Sie den Bereich in Ihrer Skizze.

4.6 Welche 2 Maßnahmen „bringen“ die Druckbelastbarkeit. Welcher Nachteil ent-

steht?

Maßnahme 1: kürzere Membran………………………………………

Maßnahme 2: dickere Membran………………………………………

Nachteil: viel geringere Radialbeweglichkeit...…………………

4.7 Skizzieren Sie ein axial dichtendes Element mit Welle und Gegenlauffläche,

dessen Dichtlippe bei höherer Umfangsgeschwindigkeit von der Gegenlaufflä-

che abhebt.

Sichern Sie das Element gegen Verrutschen auf und Abheben von der glatten

Welle.

Skizze:

3 

3 

3 

1 

4.8 Die Gegenflächen der Dichtelemente dürfen bestimmte Rauheitswerte nicht

überschreiten. Ordnen Sie den 3 Elementen die Oberflächengüten: fein 1 ;

mittel 2 ; grob 3 zu.

drucklos: mit Druck: axial:

Nr: 2 1 3

4.9 Bei 500 1/min liegt das Dichtelement mit einer Axialkraft von Fa = 10 N auf ei-

nem Durchmesser von d = 100 mm an der Gegenlauffläche an. Die experi-

mentell für diese Bedingungen ermittelte Reibzahl beträgt µ = 0,3.

4.9.1 Berechnen Sie die Verlustleistung P1 bei diesen Betriebsbedingungen.

260

10 N 0,3 50 mm2 500

601s

7853 Nmm

s

7,853 Nm

s7,853 W

4.9.2 Die Drehzahl wird auf 2000 1/min erhöht. Steigt oder fällt das Reibmoment? Begründen Sie Ihre Entscheidung.

fällt X

Reibmoment:

steigt

Begründung: Dichtlippe wird durch die Fliehkraft entlastet

Fa wird geringer

4.9.3 Wie verhält es sich unter den Bedingungen von Punkt 4.9.2 mit der Reibleis-tung. Begründen Sie Ihre Entscheidung.

fällt

Reibleistung:

steigt

Begründung: M fällt n steigt Aussage nicht möglich

2 

8 

4.10 Skizzieren Sie eine Manschettendichtung aus PTFE-Compound mit breiter Anlage an der Welle.

Skizze:

4.11 Nennen Sie 2 gängige Füllstoffe für PTFE-Compounds bei Wellendichtungen.

Füllstoff 1: Glasfaser

Füllstoff 2: Kohlenstoff

3 

1 

4.12 Schätzen Sie das Reibmoment der Dichtstelle unter den folgenden Randbe-dingungen ab:

Randbedingungen:

Pressung der Manschette auf der Welle: p = 1 MPa

Vollschmierung mit Schmierfilmdicke: h = 1 µm

Berührbreite: b = 3,18 mm

Wellendurchmesser: d = 0,1 m

Drehzahl: n = 3000 1/min

Fluidviskosität: η = 100 mPa·s

Dichte. ρ = 900 kg/m³

Manschettendicke: l = 1 mm

Reibmoment: 2 2

60 2² ³

2 60

100 mPa s ² 0,1³ m³ 3000 1min 3,18 mm

2 60 s 1 μm

0,1 N π² 10 m 3 10 3,18 10 m120 m² 10 m

78,46 Nm

6