Dichtung

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Dichtung

engl: gasket          Kategorie: Level 3 Maschinenbau

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Dichtung (Technik). Beispiele für Komponenten, die mit Dichtungen betrieben werden, sind zahlreich: Rohrleitungsflansche, Zylinderköpfe, ...

Grundlagen

Je nach Bauweise und Konstruktion der Dichtung sind unterschiedliche Anforderungen und Eigenschaften zu berücksichtigen.

Für eine Flachdichtung zum Beispiel sind die folgenden Anforderungen gegeben:

• die Dichtheit zwischen den benachbarten Bauteilen gewährleisten und
• mechanische Lasten zwischen den Bauteilen übertragen (für Dichtungen im Kraft-Hauptschluss)

und die folgenden typischen Eigenschaften zu nennen:

• sie bestehen oft aus mehreren Schichten: Metall, Elastomer, Gewebe, ..,
• dünne Struktur, wobei primär das Verhalten in Dickenrichtung für die Übertragung von mechanischen Lasten wichtig ist,
• Verformungen quer zur Dickenrichtung sind meistens vernachlässigbar,
• das Kompressionsverhalten ("Setzen" der Dichtung) ist stark nichtlinear und
• bei Entlastung und Wieder-Belastung ist zusätzlich nichtlineares Verhalten möglich (Hysterese).

In der Abbildung rechts ist beispielhaft das Kompressionsverhalten einer Flachdichtung bei Entlastung und Wieder-Belastung gezeigt. Im rechten Teilbild ist eine typische Dateneingabe für eine solche Kurve in einem FEM-Programm gezeigt.

Für eine O-Ring-Dichtung ist die Aufgabe

• der Dichtheit zwischen den Bauteilen

maßgebend, während meistens keine Übertragung von mechanischen Lasten erforderlich ist (Dichtung im Kraft-Nebenschluss).

Für O-Ring-Dichtungen werden meistens Gummi- oder Elastomer-Materialien verwendet, die hyperelastische Eigenschaften aufweisen. Sie können große elastische Verformungen und Dehnungen bis 100% (teilweise sogar bis zu 700%) ertragen. Im allgemeinen kann von Volumenkonstanz (also inkompressiblem Verhalten) ausgegangen werden. Übliche Stoffgesetze für solche nichtlinear elastischen Eigenschaften sind Neo Hooke, Mooney-Rivlin, Yeoh, Arruda-Boyce, Ogden. Bei hohen Dehnungen beobachtet man oft eine exponentiell zunehmende Versteifung.

Bei mehrfachen Lastzyklen kann eine Schädigung durch den Mullins-Effekt simuliert werden.

Simulation

Bei der Simulation ist die Materialnichtlinearität zu berücksichtigen.

Das Simulationsmodell wird mit den Abmessungen und der Position der Bauteile im Zustand vor der Montage der Dichtung erstellt. Die Kontakte, mit denen die Interaktion zwischen den Bauteilen und der Dichtung simuliert wird, können in diesem Zustand eine große Anfangsdurchdringung haben. Dies erfordert eine geeignete Steuerung der Abfolge der Lösungsschritte und der jeweils aufgebrachten Lasten. Zum Beispiel sollte eine solche Folge folgende Schritte enthalten:

• Schritt 1: Position der Bauteile im Zustand vor der Montage der Dichtung ohne äußere Lasten (dadurch sind die Bauteile unabhängig voneinander vorhanden),
• Schritt 2: Kontakte aktivieren und Anfangsdurchdringungen entfernen (dadurch verschieben sich die Bauteile so gegeneinander, dass es keine Durchdringungen mehr gibt, Eigenspannungen sind möglich),
• Schritt 3: Schraubenvorspannung aufbringen (die Dichtung liegt fest an),
• Schritt 4..: Betriebslasten (Druck, Zusatzkräfte) aufbringen

Reibung sollte erst ab Schritt 3 (also nach der Montage) hinzugefügt werden.

Bei der Auswertung kann die Anforderung der Dichtheit kontrolliert werden. Dazu wird die Verteilung der Flächenpressung an der Dichtung kontrolliert.