Radialwellendichtringe: Meister der Rotation

Stefa® RWDRs von Trelleborg Sealing Solutions innerhalb einer rotierenden Anwendung, deren Dichtlippen auf die Welle presst und so die Grenze zwischen Öl- und Luftseite definiert. (Bildquelle: Trelleborg Sealing Solutions)

Der Verbrauch von Energie in Systemen mit rotierenden Komponenten ist erheblich. Trelleborg Sealing Solutions hat mit seiner neuesten Generation von Stefa® Radialwellendichtringen (RWDR) eine Reduzierung dieses Verbrauchs um mehr als 20% erreicht. Diese RWDRs widerstehen zudem den gestiegenen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, die durch moderne Elektromotoren entstehen. Trelleborg bietet innovative Dichtungsmaterialien und verschiedene Stefa® RWDR-Typen als Standardprodukte an, entwickelt aber auch maßgeschneiderte Lösungen für Getriebe, Pumpen, Roboter und landwirtschaftliche Maschinen durch enge Partnerschaften, um einen wartungsfreien Langzeitbetrieb zu ermöglichen.

Im Kern der rotierenden Komponenten von Getrieben, Hydraulikpumpen, Robotern und landwirtschaftlichen Maschinen steht der Radialwellendichtring (RWDR). Diese Dichtungen, die zwischen zwei rotierenden Maschinenteilen sitzen, bestehen typischerweise aus einer flexiblen Dichtlippe, die gegen eine Welle drückt, und einem von Elastomer umgebenen oder metallenen Gehäuse. Die Dichtlippe behält das Schmiermittel auf der Ölseite innerhalb des Systems und schützt auf der Luftseite vor Staub und anderen Verunreinigungen. Kürzlich hat Trelleborg Sealing Solutions seine neue Generation der Stefa® RWDRs eingeführt, die verbesserte Schmiermittel effektiv abdichten und den Energieverbrauch durch die Minimierung des Reibungsverlustes zwischen Welle und Dichtlippe verringern.

Systematische Darstellung eines Trelleborg Stefa® Radialwellendichtringes mit seinen einzelnen Komponenten. (Quelle: Trelleborg Sealing Solutions)

Minimale Elastomer-Wellen-Interferenz

Trelleborg setzt auf fortschrittliche Designstandards für seine Stefa® RWDRs, die auf langjähriger Erfahrung in unterschiedlichen Einsatzgebieten beruhen. Die Effektivität der Abdichtung eines RWDR hängt wesentlich von der Radialkraft ab, die von der Dichtlippe auf die Welle ausgeübt wird. Obwohl eine höhere Anpresskraft die Dichtwirkung verbessern kann, führt sie auch zu erhöhter Reibung und somit zu einem unnötigen Energieverbrauch. Andererseits kann eine zu schwache Radialkraft Undichtigkeiten verursachen, wodurch Schmierstoffe austreten und Staub sowie Schmutz eindringen können.

Durch den Einsatz computergestützter Finite-Element-Analysen (FEA) hat Trelleborg das optimale Gleichgewicht zwischen dem Kontakt auf der Öl- und Luftseite ermittelt, um die bestmögliche Abdichtung zu garantieren. Simulationen haben zudem gezeigt, dass viele Rotationsdichtungen eine erhebliche Interferenz zwischen Elastomer und Welle aufweisen, was bedeutet, dass ein bedeutender Teil der Kontaktkraft vom Elastomer selbst ausgeht. Da sich Elastomere jedoch im Laufe der Zeit unter verschiedenen Umwelteinflüssen wie Temperaturen, Flüssigkeiten oder mechanischen Belastungen verändern, schwankt auch die Kontaktkraft. Daher hat Trelleborg die Elastomer-Wellen-Interferenz minimiert, um eine konstante Leistung der RWDRs auch nach 10.000 Betriebsstunden zu sichern. Ein Schlüsselelement hierbei ist die Feder um die Dichtlippe, welche die Kontaktkraft definiert und weitgehend unabhängig von den Eigenschaften des Elastomers macht.

Verteilung der Kräfte innerhalb eines Trelleborg Stefa® RWDRs von dunkelblau bis rot. Am stärksten ist die Kontaktkraft an der Dichtlippe hin zur Ölseite (rot) sowie im unteren Bereich der Feder (grün). (Bildquelle: Trelleborg Sealing Solutions)

Konstante Kontaktkraft

Die Feder sorgt dafür, dass die Kontaktkraft der Dichtlippe auf die Welle konstant bleibt, da sich die Federkraft über die Zeit nicht ändert. Üblicherweise wird dafür klassischer Federstahl verwendet, wobei Trelleborg bei Bedarf nach Korrosionsbeständigkeit auf Edelstahl zurückgreift. Interne Tests haben ergeben, dass bei der neuen Generation der Stefa® RWDRs die Kontaktkraft für mehr als 1.008 Stunden gleichbleibend ist.

Das Design dieser neuen Stefa® RWDRs wurde für Wellendurchmesser von 20 bis 200 mm einheitlich gestaltet, wobei der positive Effekt der Federdefinition der Kontaktkraft bei kleineren Durchmessern besonders hervorsticht. Die Radialkraft wird als Funktion der Vorspannung des Elastomers und der Kraft der Zugfeder dargestellt. Während bei herkömmlichen RWDRs der Federkraftanteil typischerweise zwischen 50 und 60 Prozent liegt, erreicht er bei dem neuen Design von Trelleborg Werte von 80 bis 90 Prozent, wodurch die Vorspannung des Elastomers fast vollständig reduziert wird.

Darüber hinaus sind die Stefa® RWDRs mit Staublippen ausgestattet, die die Hauptdichtlippe vor Schmutz, Wasser und anderen Verunreinigungen schützen. Trelleborg empfiehlt Stefa® RWDRs mit Staublippen besonders für den Einsatz in stark verschmutzten Umgebungen. Früher führten Staublippen zu einem hohen Drehmomentverbrauch und damit zu einem erhöhten Reibungsverlust. Auch nutzten sich Staublippen schnell ab und verloren ihre Funktionalität. Durch den Einsatz geeigneter Schmiermittel zwischen Hauptdichtlippe und Staublippe minimiert der Hersteller den Verschleiß und verlängert die Lebensdauer der Staublippen.

Querschnitt eines Trelleborg Stefa® RWDRs mit Dichtlippe und umschließender Feder, die innerhalb des Elastomers die Kontaktkraft der Dichtlippe auf die Welle bestimmt. (Bildquelle: Trelleborg Sealing Solutions)

Geringerer Energieverbrauch, höhere Lebensdauer

Durch die Verbesserungen an der Hauptdichtlippe und der Staublippe konnte der Energieverbrauch der Dichtungen gesenkt werden, was wiederum den Verschleiß und die Wärmeentwicklung reduziert. Besonders die Wärmeentwicklung an der Dichtungsstelle kann den Verschleiß beschleunigen, chemische Reaktionen im Werkstoff fördern und die Effektivität der Schmierstoffe mindern. Daher führt eine geringere Energieaufnahme zu einer längeren Lebensdauer des gesamten tribologischen Systems, bestehend aus Dichtung, Gegenlauffläche und Schmiermittel.

Bei der Auswahl des passenden Dichtungsmaterials müssen sowohl die Umweltbedingungen als auch die spezifischen Anforderungen des RWDRs beachtet werden. Entscheidend ist die Wahl eines Materials, das chemisch beständig ist und gleichzeitig robust gegenüber Temperaturschwankungen, Ozon und anderen Umwelteinflüssen bleibt. Wichtig sind auch hohe Verschleißfestigkeit und Elastizität bei geringem Reibungsverlust und minimaler Druckverformung. Trelleborg bietet eine Vielzahl von Materialien an, darunter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polyacrylat-Kautschuk (ACM), Fluor-Kautschuk (FKM) und hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) sowie weitere PFAS-freie Materialien, die mit allen modernen Hydraulikflüssigkeiten kompatibel sind. Im Lebensmittelbereich beispielsweise stellt das Unternehmen Materialien für rotierende Anwendungen wie Getriebe und Mixer bereit, wobei stets eine strikte Trennung zwischen Schmierstoffen und Lebensmitteln oder externen Chemikalien gewährleistet wird. Die Eignung der Dichtungsmaterialien wird durch Analysen von Zugfestigkeit, Dehnung, Volumen- und Härteänderungen bewertet, die Trelleborg in seinen globalen Laboren durch sogenannte Quelltests standardisiert durchführt.

Anpassung auf Kundenwünsche

Trelleborg verwendet verschiedene Materialien für die unterschiedlichen Typen seiner Stefa® RWDRs. Diese Typen sind als Katalogprodukte verfügbar, können jedoch aus einem modularen Baukastensystem schnell und zuverlässig zu spezifischen Kundenlösungen weiterentwickelt werden. Um Kunden bereits in der frühen Phase der Produktentwicklung zu unterstützen, pflegt Trelleborg enge Entwicklungspartnerschaften, die es ermöglichen, passende Dichtungen bereits in der virtuellen CAD-CAM-Phase zu gestalten und computergestützt in Größe und Leistung zu simulieren.

Beispielsweise kennzeichnet der Typ TRP einen Stefa® RWDR, dessen Außenfläche vollständig mit Elastomer beschichtet ist. Diese Dichtung ist für Drücke bis zu 0,5 MPa, Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s und Temperaturen von -40 °C bis +200 °C ausgelegt. Eine zusätzliche Staublippe schützt die Hauptdichtlippe vor Staub und anderen Schmutzpartikeln, weshalb dieser Typ besonders für Hydraulikpumpen und -motoren in verschmutzten Umgebungen wie Landwirtschaft oder Bauwesen geeignet ist, die unter Druck arbeiten. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, sollte zwischen den beiden Lippen geeignetes Schmierfett verwendet werden. Der Typ TRP bietet eine zuverlässige statische Abdichtung und kompensiert effektiv thermische Ausdehnungen, wobei er bei Niederdruckbetrieb nur geringen Verschleiß zeigt.

Zukünftig wird das Standardangebot von Stefa® RWDRs alle Optionen nach ISO 6149/1 einschließlich der Metall-AD-Versionen mit verstärktem Gehäuse umfassen. Neben den Standardtypen TRA und TRE, die mit einem wellenförmigen elastomeren Außenmantel gefertigt werden, sind auch kundenspezifische Designs möglich. Kunden können beispielsweise einen glatten oder halbgummierten Außenmantel sowie zusätzliche Dichtlippen anfordern. Zudem lässt sich die Federkraft spezifisch für bestimmte Anwendungen optimieren.