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