DE29909737U1 - Einrichtung zur Untersuchung des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Wellendichtungen - Google Patents

Description

- 1 Beschreibung

Einrichtung zur Untersuchung des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Wellendichtungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Untersuchung des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Wellendichtungen.

Mit der Einrichtung kann insbesondere das Dichtungs-, Gleit- und Verschleißverhalten von Radial- und Axialwellendichtungen in einem großen Temperatur- und Druckbereich in Abhängigkeit von Werkstoff, Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Dichtung und ihrer Gegenlauffläche untersucht werden. Die Einrichtung ermöglicht es, diese Untersuchungen für verschiedene Druck- und/oder Prüfmedien in einem weiten Temperaturbereich und insbesondere bei hohen Betriebsdrücken durchzuführen.

Prüfstände zur Reibungs- und Verschleißmessung an Werkstoffen sind seit langem bekannt. Gemäß US3939690 können derartige Messungen in einem Hochdruck-Autoklav erfolgen, in dem sich Halterungen und Antriebe für die Reibpartner, Einrichtungen zum Aufbringen des Kontaktdruckes zwischen den Reibpartnern sowie Meßwertaufnehmer für das Reibmoment befinden. Radial- und Axialwellendichtungen können jedoch auf diese Weise nur eingeschränkt untersucht werden, weil das Anlegen einer Druckdifferenz auf eine innerhalb des Autoklav angeordnete Dichtung sehr aufwendige Maßnahmen erfordern würde.

Für die Leckraten-Bestimmung ist z. B. aus dem US3188855 ein Prüfstand für Lippendichtungen bekannt, mit dem die Leckrate der zwischen einer Lippendichtung und einer Welle hindurchtretenden Druckflüssigkeit meßbar ist. Die Ermittlung des auf die Dichtung zurückzuführenden Reibmoments ist jedoch mit diesem Prüfstand nicht vorgesehen.

Beim Prüfstand gem. US3987663 wird die zu prüfende Radialwellendichtung in einer stationären Aufnahmevorrichtung gehaltert und liegt zugleich dichtend am Umfang eines rotierenden Wellenschaftes an. Aufnahmevorrichtung, Wellenschaft und Radialwellendichtung begrenzen einen Hohlraum. Der genannte Hohlraum wird über eine Zuleitung bis zum Erreichen des Prüfdrucks mit Luft beaufschlagt. Danach wird die Zuleitung geschlossen und der im genannten Hohlraum eintretende Druckverlust als Differenzdruckänderung gegen den Druck in einer Referenzkammer gemessen. Diese Messung wird bei rotierender Welle durchgeführt. Der Prüfstand gem. US3987663 ist für die schnelle Serienprüfung von Dichtungen bei Drücken bis zu ca. 10 bar konzipiert und arbeitet mit Luft als Druckmedium. Daher ist er ungeeignet für

die Langzeituntersuchung von Dichtungen, die bei tiefen und hohen Temperaturen einem Druckmedium wie Öl u. dgl. ausgesetzt sein sollen. Nachteilig ist auch, daß der Prüfstand nicht zur Messung des an den Dichtungen wirksamen Reibmomentes oder zur Erfassung des Dichtungsabriebs vorgesehen ist.

Beim Prüfstand für Wellendichtungen gem. SUl 506322 mündet die Welle, an deren Umfang die Dichtfläche der zu prüfenden Dichtung anliegt, als Wellenstumpf in einer mit dem flüssigem Druckmedium gefüllten Probenkammer. Dieser Wellenstumpf enthält Sensoren zur Messung von Leckrate, Temperatur sowie Dicke und Druck des sich im Dichtungsspalt aufbauenden Ölfilms. Im Betrieb wird die Probenkammer, die auch die Halterung für die zu prüfende Dichtung aufnimmt, zusammen mit der in der Halterung eingespannten Dichtung durch einen Antrieb in Drehbewegung versetzt, während der Wellenstumpf im wesentlichen unbewegt bleibt. Um das Reibmoment zu messen, das während der Drehbewegung der zu prüfenden Dichtung wirksam ist, wird auf den Wellenstumpf ein kompensierendes Gegenmoment aufgebracht. Mit dem Prüfstand können zahlreiche Meßwerte zur Charakterisierung einer Dichtung bestimmt werden. Die rotierende Probenkammer bedingt jedoch einen erhöhten Aufwand für die Nachspeisung des Druckmediums während des Prüfvorganges. Weiterhin ist es insbesondere bei Untersuchungen unter hohen Betriebsdrücken sehr nachteilig, daß der Wellenstumpf und die Probenkammer mit einer hohen Axiallast beaufschlagt sind. Daher sind aufwendige Lagerkonstruktionen notwendig, um dennoch das von der Dichtung erzeugte Reibmoment mit hinreichender Meßsicherheit erfassen zu können.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Prüfungeinrichtung für Radial- und Axialwellendichtungen zu schaffen, mit der das Dichtungs-, Gleit- und Verschleißverhalten dieser Wellendichtungen und insbesondere das von der Dichtung erzeugte Reibmoment auch unter hohen Betriebsdrücken mit hinreichender Meßsicherheit erfaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß auf einer Aufnahmeeinheit ein Paar der zu prüfenden Dichtelemente bzw. ein Dichtelement und ein Referenzdichtelement angeordnet sind und der Betriebsdruck bzw. Prüfdruck ausschließlich in dem Raum zwischen diesen Dichtungen aufgebracht wird. Damit besteht im Idealfall ein Kräftegleichgewicht zwischen den paarweise angeordneten Dichtelementen, so daß bei der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung zusätzliche

Axiallager, die insbesondere die Messung des Reibmoments der Dichtungen beeinflussen, nicht benötigt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmeeinheit für die zu prüfenden Dichtungen als Kolben ausgebildet, der mit einem Drehoder Oszillations-Antrieb verbunden ist. Der den Kolben konzentrisch umschließende Gegenkörper ist dagegen schwimmend gelagert, an eine Meßvorrichtung für das am Gegenkörper angreifende Drehmoment angeschlossen sowie mit Anschlüssen für das Druck- und/oder Prüfmedium, für die Ableitung der Leckflüssigkeit und/oder für das zur Temperierung der Prüfeinrichtung dienende Wärmeträgermedium versehen.

Mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung lassen sich insbesondere vergleichende Untersuchungen durch Verwendung unterschiedlicher Dichtwerkstoffe für das Dichtelement und das Referenzdichtelement unter gleichen Prüfbedingungen durchführen. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit zur getrennten volumetrischen Bestimmung der auftretenden Leckverluste, die eine Aussagemöglichkeit über das zeitliche Verschleißverhalten der Dichtwirkung der untersuchten Dichtungen gestattet.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung, Fig. la ein Detail zu Fig. 1 mit einer alternativen Antriebsvariante, Fig. 2 eine Schnittdarstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer als Kolben ausgebildeten 1. Variante

einer Aufnahmeeinheit für die zu prüfenden Dichtungen, Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer als Kolben ausgebildeten 2. Variante einer Aufnahmeeinheit für die zu prüfenden Dichtungen.

In der Ausführungsform der Erfindung gem. Fig. 1 ist auf einer antreibbaren Welle 1, die sich auf schematisiert dargestellten Lagern abstützt, drehfest eine Aufnahmeeinheit 2 für das zu prüfende Dichtungspaar angeordnet, das auf der Aufnahmeeinheit in axialem Abstand positioniert ist. Die Aufnahmeeinheit 2 ist als Kolben ausgebildet und wird von dem Gegenkörper 3 umschlossen, an dessen Innenwand Gleitflächen fur die zu prüfende Dichtung vorgesehen sind. Der Druckraum der Prüfeinrichtung besteht aus dem kreisringförmigen

-A-

Zwischenraum zwischen Aufnahmeeinheit 2 und Gegenkörper 3. In axialer Richtung wird der Druckraum von den zu prüfenden Dichtungen begrenzt.

Für vergleichende Verschleißuntersuchungen eignet sich die paarweise Anordnung der Dichtungen besonders gut. Wenn als zweite Paarung eine Referenzprobe benutzt wird, erfolgt der Vergleich unter den gleichen Betriebsbedingungen. Diese Herangehensweise ermöglicht eine rationelle Optimierung von Werkstoffpaarungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen vorzunehmen.

Die paarweise Anordnung der Dichtungen gestattet es, auch bei hohen Prüfdrücken ein Kräftegleichgewicht an der Aufnahmeeinheit 2 und dem Gegenkörper 3 herzustellen, so daß diese beiden Baugruppen kein Axiallager erfordern. Dieses ermöglicht die schwimmende Lagerung des abzudichtenden Zylinder, was eine Voraussetzung zur Registrierung des entstehenden Reibmomentes ist.

Der Gegenkörper 3 weist Anschlüsse 12 und 13 (Fig. 2) für den Zu- und Ablauf der Prüfflüssigkeit zum Druckraum auf. Zur Abfuhrung der Verlustwärme, die durch das Reibmoment der zu prüfenden Dichtungen erzeugt wird, oder zur Temperierung auf eine vorgebbare Prüftemperatur ist am Gegenkörpers 3 ein Wärmetauscher 4 angeordnet. Der Wärmetauscher 4 weist einen Zulauf 14 und einen Rücklauf 16 für ein Wärmeträgermedium auf sowie eine Verbindungsleitung 15 zwischen den beiden Segmenten des Wärmetauschers 4. Zur Prüfung von Dichtungen bei tiefen Temperaturen kann die Prüfeinrichtung auch in einer Kältekammer installiert werden. Die Temperaturerfassung zur Steuerung, Regelung und Registrierung erfolgt über einen Temperatur-Sensor 20, welcher im Gegenkörper 3 in der Mitte einer Bohrung aufgenommen wird.

Der Gegenkörper weist auch (in der Zeichnung nicht dargestellte) Anschlüsse für den Ablauf der Leckflüssigkeit auf. Durch Bestimmung von Menge und Zustand der Leckflüssigkeit wie z. B. die Anzahldichte der Verschleißpartikel können Detailaussagen zum Verschleißverhalten getroffen werden.

Da der Gegenkörper 3 ist schwimmend auf der Aufnahmeeinheit 2 gelagert ist, sind für die Prüfflüssigkeit, das Wärmeträgermedium und die Leckflüssigkeit keine Drehdurchführungen erforderlich.

Zur Kompensation des am Gegenkörper 3 angreifenden Reibmoments der zu prüfenden Dichtungen dient eine Rückstellfeder 17 (Fig. 2). Die reibmomentabhängige Winkel-Auslenkung

des Gegenkörpers 3 aus der Nullage wird auf eine Anzeige 18 übertragen. Dies gestattet die Registrierung des sich einstellenden Reibmomentes als Funktion der vorgegebenen Prüfbedingungen und Parameter. Damit ist eine Messung des Reibmoments als Funktion von Druck, Temperatur, Umfangsgeschwindigkeit, Werkstoffpaarung, Oberflächenrauheit, zurückgelegtem Weg und Bewegungsart möglich.

Dieser Vorteil ist besonders hervorzuheben, da die Kenntnis über das Reibmoment für den Anwender wichtig ist, wenn eine große Anzahl von Dichtungen in einer Anlage eingesetzt ist. Mit Kenntnis der Verlustleistung der Dichtelemente kann der Wirkungsgrad der gesamten Anlage genauer bestimmt werden und mit ihr die erforderliche Antriebsleistung. Dieses ist besonders schwierig, wenn es sich um extreme Betriebsbedingungen wie den Winterbetrieb eines Kfz-Motors handelt.

Als Antrieb der Welle 1 ist ein drehzahlgeregelter Elektro- oder Hydromotor 11 vorgesehen. Dessen Drehmoment wird über die Riemenscheiben 6 und 10 sowie den Riemen 9 als Untersetzungsgetriebe auf die Antriebswelle mit der Kupplung 5 übertragen. Diese Art des Antriebs dient zur kontinuierlichen bzw. diskontinuierlichen Übertragung einer Drehbewegung. Für den schwingenden Eintrag einer Drehbewegung ist eine Kurbelschwinge 42 (Fig. la) vorgesehen, daher weisen die Riemenscheiben 6 und 10 die Kurbelzapfen 7 und 8 auf. In Abhängigkeit vom Prüfprogramm wird jeweils eine der beiden Antriebsmöglichkeiten verwendet.

Über den Drehzahlgeber 19 werden die Drehzahl, die Anzahl der Umdrehungen und deren Geschwindigkeit registriert, ausgewertet und falls erforderlich, zur Steuerung des Prüfablaufs herangezogen.

Details von zwei Varianten der Aufnahmeeinheit 2 für die zu prüfenden Dichtungen sind aus Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich.

Um die Montage der Dichtelemente sowie die Anpassung an unterschiedliche Durchmesser und Geometrien der zu untersuchenden Original-Dichtelemente zu erleichtern, besteht die Aufnahmeeinheit aus mehreren Baugruppen, die auf der Welle 1 aufgeschoben und verspannt sind. Dies ermöglicht es, diese Baugruppen an die unterschiedlichen Geometrien der Dichtelemente und gegebenenfalls auch an unterschiedliche Geometrien des Gegenkörpers anzupassen, der zum Prüfen der Dichtelemente über die Aufnahmeeinheit mit den Dichtelementen geschoben wird.

-6-

Gem. Fig. 3 wird die Aufnahmeeinheit 2 von der Welle 1, einem Sprengring 28, einer Spannmutter 29 und folgenden Baugruppen gebildet, die zwischen Sprengring und Spannmutter annähernd symmetrisch zu einem Distanzstück 24 angeordnet sind: mehrere O-Ringe 26, zwei Ablaufrillen 21 für die Aufnahme des Leckverlustes, die zu prüfende Dichtung 27 in paarweiser Anordnung in ihrer Halterung 22 sowie die Distanzstücke 23 und 25.

Die Aufnahmeeinheit 2 ist in der zylindrischen Bohrung eines in Fig. 3 nicht dargestellten Gegenkörpers 3 angeordnet, der insbesondere Anschlüsse für die Prüfflüssigkeit, das Wärmeträgermedium und die drucklose Abführung der Leckflüssigkeit aufweist.

Fig. 4 zeigt eine zweite Variante für die Ausbildung der Aufnahmeeinheit innerhalb der Bohrung des Gegenkörpers 3, der einen Zulauf 13 und zwei symmetrisch angeordnete Abläufe 12 für die Prüfflüssigkeit aufweist.

Claims (8)

Schutzansprüche

1. Einrichtung zur Untersuchung des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Wellendichtungen, insbesondere zur Ermittlung ihres Dichtungs-, Gleit- und Verschleißverhaltens in einem großen Temperaturbereich bei hohen Betriebsdrücken, mit einem ein Druck- und/oder Prüfmedium enthaltenden Druckraum, einer Aufnahmeeinheit (2) für die zu prüfende Dichtung und einem konzentrisch zur Aufnahmeeinheit (2) positionierten und mit Gleitflächen für die zu prüfende Dichtung versehenen Gegenkörper (3), wobei der Druckraum mittels der zu prüfenden Dichtung gegen die Umgebung abgedichtet ist und über Dichtungsspalte mit mindestens einem Lecksammeiraum verbunden ist, sowie mit einer Meßeinrichtung für das Reibmoment der Dichtung und einem Antrieb zur Erzeugung einer rotierenden oder oszillierenden Relativbewegung zwischen Aufnahmeeinheit und Gegenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß

• in axialem Abstand auf der Aufnahmeeinheit (2) zwei Exemplare der zu prüfenden Radial- oder Axialdichtung (27) oder ein Exemplar der zu prüfende Radial- oder Axialdichtung und zusätzlich eine als Referenz dienende zweite Dichtung angeordnet sind,

• der Gegenkörper (3) zu diesen Dichtungen geometrisch passende Gegenlaufflächen aufweist und

• der Druckraum in Axialrichtung von beiden Dichtungen sowie in Radi al richtung von Flächen der Aufnahmeeinheit und des Gegenkörpers begrenzt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kolben ausgebildete Aufnahmeeinheit (2) innerhalb des den Kolben umschließenden Gegenkörpers (3) angeordnet ist, Kolben und Aufnahmeeinheit relativ zueinander drehbar sind und daß die genannten Dichtungen mit axialem Abstand dichtend im Zwischenraum zwischen Kolben und Gegenkörper angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Kolben ausgebildete Gegenkörper (3) innerhalb der den Kolben umschließenden Aufnahmeeinheit (2) angeordnet ist, Kolben und Gegenkörper relativ zueinander drehbar sind und daß und die genannten Dichtungen mit axialem Abstand dichtend im Zwischenraum zwischen Kolben und Gegenkörper angeordnet sind.

-2-

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Baugruppen Aufnahmeeinheit (2) oder Gegenkörper (3) mit einem Dreh- oder Oszillations-Antrieb verbunden und die nicht mit dem Drehantrieb verbundene Baugruppe schwimmend gelagert ist sowie eine Meßvorrichtung für das Drehmoment vorgesehen ist, das während des Betriebs der Prüfeinrichtung an der schwimmend gelagerten Baugruppe angreift.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmend gelagerte Baugruppe Anschlüsse für die Zu- und/oder Ableitung des Druck- und/oder Prüfmediums (12;13) in den bzw. aus dem Zwischenraum zwischen Kolben und Gegenkörper aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmend gelagerte Baugruppe Anschlüsse für die Ableitung des als Leckage ausgetretenen Druck- und/oder Prüfmediums aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmend gelagerte Baugruppe temperierbar ausgebildet ist und insbesondere die zur Temperierung erforderlichen Anschlüsse, Wärmeübertragungsflächen u. dgl. aufweist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der Montage und Demontage der zu prüfenden Dichtungen die Aufnahmeeinheit (2) und/oder der Gegenkörper (3) mehrstückig ausgebildet sind.