Wie können Skelett-Öldichtungen für Roboterwellensysteme Lippeninterferenzen unter niedrigen Temperaturbedingungen kompensieren?

In Niedertemperaturanwendungen wie beispielsweise Roboterwellensystemen, skelett-Öldichtungen (Radialwellendichtung) häufig treten Ölleckagen, erhöhter Verschleiß beim Anfahren und Anhalten sowie instabile Dichtungsleistung auf. Die Praxiserfahrung zeigt, dass diese Ausfälle oft nicht auf eine unsachgemäße Installation, sondern auf den Verlust der effektiven Lippenkompensation bei niedrigen Temperaturen zurückzuführen sind.

Dieser Artikel analysiert, wie sich niedrige Temperaturen auf die Lippeninterferenz auswirken, und skizziert praktische Konstruktionsstrategien zur Verbesserung der Dichtungszuverlässigkeit bei kalten Betriebsbedingungen.

Einfluss niedriger Temperaturen auf die Lippeninterferenz

Skelett-Öldichtungen sind auf einen stabilen Anpressdruck zwischen Dichtlippe und Wellenoberfläche angewiesen, um Leckagen zu verhindern. Bei niedrigen Temperaturen führen mehrere gekoppelte Effekte zu einer systematischen Verschlechterung der Dichtungsleistung:

Gummiversteifung

Mit sinkender Temperatur steigt der Elastizitätsmodul von Elastomeren und die Nachgiebigkeit des Materials nimmt ab, wodurch die Fähigkeit der Lippe, sich der Wellenoberfläche anzupassen, abnimmt.

Thermisches Ausdehnungsunterschied

Elastomere, Metallgehäuse und Wellen weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten auf. Diese Diskrepanz verändert die tatsächliche Pressung und den Kontaktdruck bei niedrigen Temperaturen.

Verschlechterung der Schmierung

Eine erhöhte Schmierstoffviskosität verzögert die Ölfilmbildung beim Anfahren, drängt die Dichtungsfläche in den Bereich der Grenz- oder Mischreibung und beschleunigt den Verschleiß.

Das Kernproblem ist daher nicht einfach nur eine unzureichende Interferenz, sondern die Unfähigkeit der Lippe, bei niedrigen Temperaturen kontinuierlich einen effektiven Kontaktdruck zu erzeugen.

Rationale Bestimmung der Interferenz

Die Lippeninterferenz muss auf Basis der Betriebsbedingungen (Druck, Drehzahl), der Materialeigenschaften und des Wellendurchmessers optimiert werden.

Üblicherweise werden Werte zwischen 0,35 und 0,55 mm empfohlen, während für bestimmte Anwendungen mit hoher Belastung Werte bis zu 0,8 mm erforderlich sein können.

Eine unreflektierte Erhöhung der Interferenz wird jedoch nicht empfohlen. Eine übermäßige Interferenz kann das Reibungsmoment erhöhen, den Verschleiß beschleunigen und die Wärmeentwicklung steigern. Die endgültigen Werte sollten stets durch Simulationen und Validierungstests überprüft werden.

Materialauswahl: Schwerpunkt auf Kältebeständigkeit

Die Aufrechterhaltung der Dichtungskraft bei niedrigen Temperaturen hängt primär von der elastischen Rückstellkraft und Elastizität des Materials ab und weniger von der nominellen „Kältebeständigkeit“ allein:

FVMQ

Geeignet für extrem niedrige Temperaturen, bietet gute Flexibilität in Kombination mit Ölbeständigkeit. Wird häufig in kollaborativen Robotern und Systemen eingesetzt, die eine hohe Nachgiebigkeit erfordern.

Bei niedrigen Temperaturen formuliertes FKM

Bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Ölbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und verbesserter Rückfederung bei niedrigen Temperaturen und eignet sich daher für Dichtungssysteme im mittleren bis niedrigen Temperaturbereich.

HNBR

Bietet einen Kompromiss zwischen Tieftemperaturelastizität und mechanischer Festigkeit und wird häufig bei Außengeräten und Baumaschinen eingesetzt.

Das entscheidende Kriterium ist, ob das Material bei niedrigen Temperaturen eine effektive elastische Rückstellung beibehalten kann und nicht nur die Kälteeinwirkung übersteht.

Federsystem: Ein kritischer Kompensationsmechanismus

Da die Steifigkeit des Gummis bei niedrigen Temperaturen zunimmt, wird die Feder zur primären Quelle des Kontaktdruckausgleichs:

Ausreichender effektiver Hub und stabile Federkraft bei niedrigen Temperaturen

Koordinierte Lastverteilung zwischen Feder- und Lippengeometrie

Für extrem kalte Umgebungen werden Lippenkonstruktionen mit radialen Gummizugfedern dringend empfohlen.

Ein sachgemäß ausgelegtes Federsystem verbessert die Dichtungsstabilität deutlich, wenn die Nachgiebigkeit des Elastomers abnimmt.

Strukturoptimierung für Temperaturanpassungsfähigkeit

Anstatt die Interferenzen zu erhöhen, ist die Strukturoptimierung oft effektiver, um die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern:

Reduzierter Lippenquerschnitt zur Verbesserung der Flexibilität

Verlängerter elastischer Arm zur Verbesserung der Nachfolgefähigkeit

Optimierter Kontaktwinkel für eine gleichmäßigere Druckverteilung und reduzierten Kantenverschleiß

Das Konstruktionsziel besteht darin, der Dichtlippe ein dynamisches Ansprechen zu ermöglichen, anstatt Leistungsverluste passiv hinzunehmen.

Oberflächenbeschaffenheit der Welle: Ein entscheidender Faktor bei niedrigen Temperaturen

Da die Ölfilmbildung bei niedrigen Temperaturen schwieriger ist, wird die Oberflächenqualität der Welle besonders wichtig:

Die Oberflächenrauheit wurde im Bereich von Ra 0,2–0,4 μm kontrolliert, um ein Gleichgewicht zwischen Ölrückhaltung und Konformität zu erreichen.

Einführung von Mikrotexturen (z. B. Kreuzschraffuren) zur Verbesserung der Anlaufschmierung

Vermeidung von Oberflächenfehlern, die zu vorzeitigem Lippenverschleiß führen können.

Eine sachgemäße Wellenvorbereitung ist ein wesentlicher Bestandteil der Dichtheitszuverlässigkeit bei niedrigen Temperaturen.

Systemkoordination: Thermische Anpassung und Toleranzkontrolle

Für eine stabile Tieftemperaturabdichtung ist ein systemweiter Ansatz erforderlich:

Koordinierte thermische Kontraktion der Komponenten

Berücksichtigung von Montagetoleranzen unter Tieftemperaturbedingungen

Auswahl von Schmierstoffen mit geeigneten Tieftemperatur-Fließ- und Hafteigenschaften

Nur durch die Abstimmung des thermomechanischen Systems kann die Dichtlippe während des gesamten Betriebs einen gleichmäßigen Anpressdruck aufrechterhalten.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Tieftemperaturabdichtung liegt nicht in übermäßigen Eingriffen, sondern in der Schaffung eines Dichtungssystems mit inhärenter Temperaturanpassungsfähigkeit.

Durch die Integration optimierter Materialien, Lippengeometrie, Federsysteme, Wellenoberflächengestaltung und thermischer Anpassung auf Systemebene lassen sich auch unter anspruchsvollen Tieftemperaturbedingungen zuverlässige Dichtungsleistung und verlängerte Lebensdauer erzielen.