Dichtungen mit erweiterten Eigenschaften durch die Kombination funktionsoptimierter

Werkstoffe

Freudenberg Sealing Technologies

Lead Center Fluid Power Industry

Martin Goerres

Dr. Edgar Freitag

Jürgen Jäckel

3

Inhalt

Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1

Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2

Beispiel HDR-2C3

Zusammenfassung4

5

Inhalt

Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1

Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2

Beispiel HDR-2C3

Zusammenfassung4

6

Funktionen und Werkstoffanforderungen

1. HaftsitzVerhindern von axialen Bewegungen der Dichtung im

Einbauraum.� Hohe Steifigkeit, geringe bleibende Verformung und hohe

Reibung2. Statische DichtheitVerhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus.� Gute Elastizität und hohe Anpresskraft3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperature nVerhindern von Leckage über die bewegte Stange.

Sicherstellung des Druckaufbaus. Verhindern von Leckage bei seitlicher Auslenkung.� Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation

auch in der Kälte, niedrige Reibung, Verschleißfestigkeit4. ExtrusionsfestigkeitVerhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher

Temperatur in den Spalt extrudiert. � Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität

1 2

1 2

3

3

3

4

4

4

1 2

1 2

3

3

3

4

4

4

Fahne

Riss

dxdp

Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedli che, z.T.gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Stangendichtun gen

7

Funktionen und Werkstoffanforderungen

1. HaftsitzVerhindern von Mitrotieren der Dichtung im Einbauraum.� Hohe Reibung, geringe bleibende Verformung2. Statische DichtheitVerhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus.� Gute Elastizität und hohe Anpresskraft3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperature nVerhindern von Leckage über die rotierende Welle.Sicherstellung des Druckaufbaus. � niedrige Reibung, gute dynamische Eigenschaften4. Dynamische Aktivierung des GleitelementsSicherstellung der Anpressung von statischer und dynamischer Dichtkante.� Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation auch in der

Kälte5. Extrusions- und VerschleißfestigkeitVerhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher Temperatur in

den Spalt extrudiert.Sicherstellung der Lebensdauer durch hohe Verschleißfestigkeit.� Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität� Hohe Verschleißfestigkeit, bzw. geringe Abrasionsneigung

1

35

2

1

35

2

1 2

4

4

Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedli che, z.T. gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Rotordichtunge n

8

Inhalt

Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1

Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2

Beispiel HDR-2C3

Zusammenfassung4

9

Stand der Technik - Stangendichtungen:Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backri ngen

2. Verwendung eines Backrings- Längerer Bauraum (selten bei Teilbackring)- schwierige Montage bei ungeschlitztem Ring- Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem Ring

LF 300

NI 300

T 20

1. Verwendung eines Werkstoffs- Kompromiss bzgl. der gegenläufigen Anforderungen

Syprim SM

T 23

10

Optimale Lösung:Einsatz funktionsgerechter Werkstoffe

- zwei Polyurethane eine Dichtung: HDR-2C -

hohe Kälteflexibilitäthohe Dichtheitniedrige Reibunghohe Verschleißfestigkeit

hohe ExtrusionsfestigkeitTemperaturbeständigkeit

92 AU 21100geringe bleibende Verformunghohe Dichtheit

sehr guter Haftsitz

98 AU 928

sehr gute Bindungohne Bindemittel

Eigenschaft Norm 92 AU 21100 98 AU 928 StandardHärte DIN 53505 Shore A 93 98 94 - 95Härte DIN 53505 Shore D 40 55 43 - 45Zugfestigkeit DIN 53504 MPa 56 53 62 - 65Bruchdehnung DIN 53504 % 680 360 450 - 500Spannwert bei 50% Dehnung DIN 53504 MPa 8,7 18,6 9 - 10Spannwert bei 300% Dehnung DIN 53504 MPa 15,7 38 20 - 23Rückprallelastizität DIN 53512 % 45 38 - 42Weiterreißfestigkeit Graves DIN 53515 N/mm 95 138 82 - 88DVR 24h/100° % 34 38 36 - 39

11

Rotomatic M 15

Stand der Technik - Rotordichtungen:Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backri ngen

1. Verwendung eines Werkstoffs- Kompromiss bzgl. der gegenläufigen

Anforderungen- vergleichsweise geringe Belastbarkeit

2. Verwendung mehrteiliger Dichtelemente- Gefahr von Relativdrehung der einzelnen

Dichtungselemente- teilweise komplexe oder filigrane Montage- Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem

Backring

Rotomatic M 19

Kompaktdichtsatz mitGewebearmierung undWinkelbackringen

Radial-Nutringe

Compact-Dichtungen

WasserabweiserTyp WA

12

Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werksto ffe- zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C -

Verschleiß- und temperaturfestes Polyurethan für die Kontaktfläche:

98 AU 928

Weiches Material mit geringem Druckverformungsrest zur Aktivierung: 92 AU 21100

Spezielle Gestaltung der Gleitfläche zur Förderung der Schmierung (Reduktion Mr, T)

13

Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werksto ffe- zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C -

Nuten zur Sicherstellung der Aktivierung bei Druckwechselbelastung

Chemische und mechanische Verbindung, um Relativdrehung der

beiden Elemente zu vermeiden

14

Inhalt

Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1

Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2

Beispiel HDR-2C3

Zusammenfassung4

16

WLF Transformation des dynamischen Speichermodul

Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5

log f

G' n

orm

T0T1

T2

T3

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5

log f

G' n

orm

T0T1

T2

T3

Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5

log f

G' n

orm

Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5

log f

G' n

orm

T0T1

T2

T3

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-16 -12 -8 -4 0 4

log a T f

G' n

orm

)(

)()lg(

02

01

TTc

TTcfaT −+

−⋅=⋅

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-16 -12 -8 -4 0 4

log a T f

G' n

orm

)(

)()lg(

02

01

TTc

TTcfaT −+

−⋅=⋅

Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-16 -12 -8 -4 0 4

log a T f

G' n

orm

Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A

-16 -12 -8 -4 0 4

log a T f

G' n

orm

)(

)()lg(

02

01

TTc

TTcfaT −+

−⋅=⋅

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

17

Vergleich der dynamischen Speichermodule als Funktion der Temperatur und Frequenz von Standard- und Tieftemperaturpolyurethan

1,E-16 1,E-08 1,E+00 1,E+08 1,E+16

Frequenz (Hz)

Standard / 20°C

Standard / -30°C

92AU21100 / 20°C

92AU21100 / -30°C

0

50

100

150

200

250

300

350

-50 0 50 100

Temperatur (°C)

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

92Au21100 / 63Hz

92AU21100 / 0,1Hz

Standard / 63Hz

Standard / 0,1Hz

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

1,E-16 1,E-08 1,E+00 1,E+08 1,E+16

Frequenz (Hz)

Standard / 20°C

Standard / -30°C

92AU21100 / 20°C

92AU21100 / -30°C

0

50

100

150

200

250

300

350

-50 0 50 100

Temperatur (°C)

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

92Au21100 / 63Hz

92AU21100 / 0,1Hz

Standard / 63Hz

Standard / 0,1Hz

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

Nor

mie

rter

Sch

ubm

odul

19

Vergleich der 3D-FEM Berechnungen des Öffnungsspalt es zwischen Dichtkante und Stange bei stufenförmiger Weg-Zeit-A nregung- HDR-2C bei T = -30°C, ohne Druck

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,001 0,01 0,1 1 10

Zeit (s)

Weg

(m

m)

Weg 21100 in mm

Spalthöhe 21100 in mm

Weg Welle in mm

Weg Standard in mm

Spalthöhe Standard in mm

1180° 0°

11180° 0°0°180° 0°180°

s(t)

21

HDR-2C 60-75-10: experimentelle Untersuchung der Extrusionsfestigkeit

Untersuchte Betriebsparameter

p = 250, 320, 400, 500 barT = 60, 80, 100, 120 °Cv = 0,3 m/sZ = 50 000 DHHLP Shell Tellus 46Einbauraum 60 – 75 – 11300 untersuchte Dichtungen

Variation: Spaltdurchmesser dSPSpalt = 0,25 …. 1,5 mmSpaltradius RSP = 0,10…. 0,5 mm

RSP = 0,3 mm

RSP

Spalt

Druck

2NSP dd

Spalt−= dNdSP

RSP

Spalt

Druck

2NSP dd

Spalt−= dNdSP

98 AU 928 92 AU 21100

61,4 R0,3

100 °C / 400 bar

+ Fahne- Riss

100 °C / 400 bar

60,5 R0,1 61,4 R0,3

100 °C / 400 bar

+ Fahne- Riss

100 °C / 400 bar

60,5 R0,1

22

Vergleich der Spaltextrusion von Nutringen aus Standardpolyurethan mit HDR-2C, radialer Spalt = 0, 3 mm .. 0,7 mm

Druck = 400 bar, Temperatur = 100°C, Zyklen = 50000 DH, v=0,3 m/s, Spaltradius 0,3 mm, Differentialbetrieb

Spaltmaß 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Ausfall bei DH Dichtung 150.000 DH

Dichtung 58.750 DH

Dichtung 716.200 DH

Dichtung 94.225 DH

Dichtung 350.000 DH

Nutringe aus Standard Polyurethan

HDR – 2Ckein Ausfall50.000 DH

Spaltmaß 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

26

Einfluss des Drucks und der Spaltweite auf die Extr usion- p = 250 bar .. 400 bar, T = 60°C, radialer Spalt 0 ,4 mm .. 1,5 mm

400 bar

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 350.000 DH

0,7mm 0,8mm 0,9mm 0,4mm 0,5mm 0,6mm

D 650.000 DH

D 850.000 DH

D 1050.000 DH

0,8mm 0,9mm 1,0mm

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 750.000 DH

D 350.000 DH

1,25mm 0,6mm 0,7mm

D 850.000 DH

D 1050.000 DH

320 bar

Spalt

Spalt

Spalt

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 750.000 DH

D 950.000 DH

D 350.000 DH

1,0mm 1,25mm 1,5mm 1,0mm 1,25mm

D 1050.000 DH

0,8mm

250 bar

400 bar

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 350.000 DH

0,7mm 0,8mm 0,9mm 0,4mm 0,5mm 0,6mm

D 650.000 DH

D 850.000 DH

D 1050.000 DH

0,8mm 0,9mm 1,0mm

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 750.000 DH

D 350.000 DH

1,25mm 0,6mm 0,7mm

D 850.000 DH

D 1050.000 DH

320 bar

Spalt

Spalt

Spalt

D 150.000 DH

D 550.000 DH

D 750.000 DH

D 950.000 DH

D 350.000 DH

1,0mm 1,25mm 1,5mm 1,0mm 1,25mm

D 1050.000 DH

0,8mm

250 bar

27

Radiale Grenzspaltweiten für HDR-2C, Profil S = 7,5 mm

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

200 250 300 350 400 450 500 550

Druck (bar)

Spa

lt (m

m)

7,5 / 100°C HDR-2C

7,5 / 80°C

7,5 / 60°C

28

Vergleich der zulässigen Spaltweite von Nutringen a us Standard-werkstoff mit HDR-2C und Nutringen mit Backringen be i T = 100 °C

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

150 200 250 300 350 400 450 500

Druck (bar)

Spa

lt (m

m)

Standard Nutring

Nutring mit Backring

HDR-2C

Kritischer Bereich für metallisches Anlaufen

Spaltradius 0,2 – 0,3mm

29

Inhalt

Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1

Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2

Beispiel HDR-2C3

Zusammenfassung4

30

Zusammenfassung

Die unterschiedlichen Funktionen einer Dichtung stellen unterschiedliche, z.T. gegenläufige Anforderungen an den Dichtungswerkstoff.

Durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe können diese gegenläufigen Anforderungen erfüllt werden.

Erst mit dem festen Verbund der Werkstoffe kann eine optimale Lösung erzielt werden, bei der die Vorteile der Werkstoffkombination voll zum Tragen kommen.

Merkel Freudenberg bietet die Kombination des Prozess- und Werkstoff-Know-Hows.

Dies ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen nicht nur „vom Lager“ sondern auch kundenspezifische Produkte.

31

Zusammenfassung - Kundennutzen

Die Kombination funktionsgerechter Werkstoffe bietet dem Kunden zahlreiche Vorteile – z. B.:

� Einsatz von „High-Performance“-Dichtungen in Standard-Einbauräumen zur Leistungssteigerung des Endprodukts

� Gesteigerte Leistungsdichte durch höhere Drücke oder Maximaltemperaturen bei gleichen Spaltmaßen

� Kostensenkung in der Fertigung durch Erweiterung der Fertigungstoleranzen

� Erweiterung des Einsatzspektrums zu niedrigeren Minimaltemperaturen bei gleicher Belastungsfrequenz

� Steigerung der Belastungsfrequenz bei gleichbleibenden Temperaturen

� Erhöhte Zuverlässigkeit

32

Danksagung

Vielen Dank an

Dr. Edgar Freitag,Jürgen Jäckel (LC Fluid Power Industry) undGuido Hohmann (Freudenberg Forschungsdienste KG),

die dazu beigetragen haben, dass dieser Vortrag entstand.

33

Literaturquellen

(1) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido HohmannHDR-2C Two-Component Polyurethane Seal for Extreme Loads,15th ISC, Stuttgart, October 7th – 8th 2008

(2) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido HohmannDichtung mit System - HDR-2C – Eine Dichtung für extremeBelastung , O+P 5/2009, Vereinigte Fachverlage GmbH, Mainz,2009

34

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:Dipl.-Ing. M. GoerresLeiter ProduktentwicklungLead Center Fluid Power IndustryMerkel Freudenberg Fluidtechnic GmbHAscheröder Str. 5734613 SchwalmstadtEmail: martin.goerres@freudenberg-ds.comTelefon: +49 6691 / 208 - 184