Ein neues Werkzeug für Entwickler

Weinheim. Entwicklungskompetenz ist das A und O für einen Technologiespezialisten wie Freudenberg Sealing Technologies (FST). Dazu gehören neben qualifizierten Mitarbeitern die richtigen Werkzeuge, beispielsweise moderne Prüfeinrichtungen. Oder Simulationsmodelle, die verlässlich, aber dennoch kostengünstig und schnell präzise Vorhersagen über das Dichtverhalten erlauben. Solche Berechnungsmethoden verkürzen Entwicklungszeiten, erhöhen die Qualität des Entwicklungsprozesses sowie des Produkts, zudem verdeutlichen sie die Leistungsfähigkeit und Innovationskraft des Unternehmens.

Fabian Kaiser, Mitarbeiter im Bereich Advanced Product Technology, hat im Rahmen seiner Promotion ein solches Simulationsmodell entwickelt. Die Praxistauglichkeit des Modells wurde durch Dichtungstests auf dem Prüfstand sowie Vergleiche mit bestehenden Berechnungsmethoden belegt. Die Promotion konnte aufgrund der guten Beziehungen zwischen FST und Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer, dem Leiter des Lehrstuhls für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern, dort betreut werden.
Im Online-Simulationsportal von Freudenberg, steht das neue Programm den FST-Entwicklern dank der guten Zusammenarbeit mit Freudenberg New Technologies zur Verfügung. Es haben bereits Schulungen stattgefunden, auf dichtungstechnischen Fachtagungen hat Kaiser seine dynamische Dichtspaltsimulation schon präsentiert. Für erste Prototypenentwicklungen wurde die „inverse Schmierspaltberechnung“, so der Fachbegriff, bei FST bereits genutzt.

Schmierung und Leckage

Um was geht es dabei? Bei den translatorischen Bewegungen – einfach ausgedrückt: dem Hin- und Her- beziehungsweise Ein- und Ausfahren –, denen Stangendichtungen zum Beispiel in Hydraulikzylindern ausgesetzt sind, ist für die Schmierung der Dichtlippe ein gewisser Schmierfilm zwischen Dichtung und Stange nötig. Zu dünne Schmierfilme verschlechtern Reibung und Verschleiß, was sich zum Beispiel bei Stoßdämpferdichtungen negativ auf den Fahrkomfort und die Lebensdauer der Dichtung auswirken kann. Zu dicke Schmierfilme können andererseits zu erhöhter Leckage führen, was Umweltverschmutzungen verursachen kann und im Fall der Stoßdämpfer die Lebensdauer durch den Ölverlust verkürzt.
Ähnliches gilt für Ventilschaftdichtungen. Sie benötigen einerseits eine gewisse Leckage zur Schmierung des Ventilschafts. Andererseits darf nicht zu viel Öl in den Abgastrakt gelangen. Dies würde sich negativ auf die Schadstoffemissionen und den Ölverbrauch auswirken.

„Die Leckage ist ein wichtiges Auslegungskriterium, das bisher weitgehend durch experimentelle Untersuchungen überprüft werden muss. Entwickler brauchen aber leistungsfähige Werkzeuge zur Vorhersage und systematischen Verbesserung des Dichtungsverhaltens im Betrieb“, erklärt Kaiser. Vorhandene Simulationsmodelle waren bisher entweder zu einfach gehalten und deshalb zu ungenau. Oder sie waren viel zu komplex, zeitaufwendig und teuer und konnten nur von absoluten Experten bedient werden.

Das von Kaiser entwickelte Berechnungsmodell vereint jetzt Schnelligkeit mit Qualität. Und es ist für einmal geschulte Entwickler einfach zu bedienen. „Schmierfilmdicken und die Leckage von translatorischen Dichtungen lassen sich damit in den allermeisten Fällen zuverlässig berechnen. Die Simulation von mehreren Ventilschaftdichtungen belegt zudem die Anwendbarkeit der Methode zum Vergleich von Dichtungsgeometrievarianten. Neue Dichtungsentwürfe lassen sich jetzt einfacher und schneller analysieren. Zur besseren Abbildung der tatsächlichen Randbedingungen wird der Berechnungsansatz künftig noch weiterentwickelt“, fasst Kaiser zusammen.