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Eine dynamische O-Ring-Dichtung ist konstruktiv grundlegend anders als ein statischer Ring. Es handelt sich nicht um dasselbe Bauteil mit einer anderen Nut, sondern um einen anderen Kompromiss: weniger Pressung zur Beherrschung der Reibung, eine höhere Oberflächenqualität zur Begrenzung des Verschleißes und ein engerer Spalt, um Extrusion bei pulsierendem Druck zu verhindern. Dieser Artikel behandelt beide dynamischen radialen Einbautypen, die gemeinsamen Anforderungen, die für beide gelten, sowie die Wahl zwischen Hydraulik und Pneumatik.
Bei der dynamischen Abdichtung bewegen sich die abzudichtenden Maschinenteile relativ zueinander. Die häufigste Bewegungsform ist hin- und hergehend, wie bei hydraulischen und pneumatischen Zylindern. Manchmal gibt es auch eine kombinierte Dreh- und Linearbewegung, wie bei bestimmten hydraulischen Antrieben. Der O-Ring bewegt sich dann bei jedem Hub mit: Er wird gedehnt, verschoben und wieder zurückgeformt. Reibung ist damit ein Konstruktionsparameter und keine Nebenerscheinung.
Die Pressung eines dynamischen O-Rings ist bewusst geringer als bei statischen Anwendungen. Nicht weil eine geringere Dichtleistung akzeptabel wäre, sondern weil eine höhere Pressung bei jedem Hub mehr Kontaktkraft, mehr Reibung und mehr Verschleiß verursacht. Das Gleichgewicht zwischen ausreichender Dichtheit und vertretbarer Reibung bestimmt den Konstruktionsbereich für die Nut.
Geringere Pressung bei dynamisch bedeutet: bessere Oberflächenbearbeitung erforderlich, engere Toleranzen und bei Pneumatik: gezielt schmieren.
Die folgende Tabelle macht den Unterschied sichtbar. Die Pressung bei dynamischen Anwendungen ist grob gesagt halb so hoch wie bei statischen. Die Rauheitsanforderung an die Dichtfläche ist viermal strenger. Und bei der Pneumatik, bei der das Medium nicht schmiert, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich.
|
Parameter |
Statisch |
Dynamisch Hydraulik |
Dynamisch Pneumatik |
|
Pressung (% von d2) |
15 bis 30% |
9 bis 16% |
7 bis 13% |
|
Dichtfläche Ra |
max. 1,6 µm |
max. 0,4 µm |
max. 0,4 µm |
|
Spalt bis 30 bar |
0,20 mm |
0,20 mm |
0,20 mm |
|
Spalt bis 63 bar |
0,20 mm |
0,10 mm |
0,10 mm |
|
Schmierung |
Nicht erforderlich |
Hydraulikflüssigkeit |
Empfohlen (Fett/Nebel) |
|
Verschleiß |
Keiner |
Vorhanden |
Vorhanden |
O-Ringe werden in hydraulischen Anwendungen für hin- und hergehende Bewegungen von Kolben und Stangen verwendet. Sie eignen sich besonders dann, wenn der verfügbare Einbauraum gering ist und eine einfache, kosteneffiziente Abdichtung ausreicht. Das Medium, die Hydraulikflüssigkeit, bildet einen Schmierfilm auf der Dichtfläche, der die Reibung begrenzt und den Ring schützt.
Die Pressung bei Hydraulik liegt zwischen 9 und 16% des Schnurdurchmessers. Zum Vergleich: Bei statischer radialer Pressung sind es 15 bis 30%. Diese geringere Pressung verringert die Kontaktkraft und damit die Reibung pro Hub. Die Kehrseite ist, dass es weniger Spielraum für Abweichungen in der Nutgeometrie oder auf der Dichtfläche gibt. Kontrollieren Sie deshalb immer Nuttiefe, Breite und Oberflächenqualität vor der Montage.
Bei höheren Drücken, hohen Hubgeschwindigkeiten oder wenn die Lebensdauer über 1 Million Hübe liegen muss, sind spezielle Kolben- und Stangenabdichtungen technisch die bessere Wahl. Ein O-Ring kann dann zwar noch als Zusatzabdichtung oder in Kombination eingesetzt werden, aber nicht mehr als primäre Abdichtung.
Vollständige Nutparameter und Maßtabelle: O-Ring-Nutmaße für dynamische radiale Pressung: Hydraulik.
Pneumatische O-Ring-Abdichtungen arbeiten mit niedrigeren Betriebsdrücken als die Hydraulik, typischerweise zwischen 4 und 16 bar in industriellen Systemen. Sie stellen jedoch höhere Anforderungen an die Reibung. Luft hat keine schmierende Wirkung: Auf der Dichtfläche bildet sich kein Schmierfilm. Jede zusätzliche Reibung kostet Zylinderkraft oder beeinträchtigt die Positioniergenauigkeit des Antriebs.
Die Pressung bei Pneumatik ist deshalb die niedrigste aller Einbauarten: 7 bis 13% des Schnurdurchmessers. Dieser Wert wurde bewusst so niedrig gewählt, um die Trockenlaufreibung zu begrenzen. Eine geringere Pressung erfordert jedoch eine präzisere Dichtfläche: Der Ring hat weniger Kontaktkraft, um kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten zu überbrücken. Die Rauheitsanforderung an die Dichtfläche beträgt Ra max. 0,4 µm, gleich wie bei der Hydraulik. Bei trockenlaufenden Systemen wird eine Schmierung mit Silikonfett oder Ölnebel dringend empfohlen.
Vollständige Nutparameter und Maßtabelle: O-Ring-Nutmaße für dynamische radiale Pressung: Pneumatik.
Twisting ist das Verdrehen des O-Rings in der Nut während linearer hin- und hergehender Bewegung. Es tritt auf, wenn die Nut zu breit ist, die Pressung zu gering ist oder die Oberflächenqualität über den Umfang hinweg ungleichmäßig ist. Der Ring rollt dann bei jedem Hub ein kleines Stück mit, anstatt zu gleiten. Nach einer bestimmten Anzahl von Hüben hat sich der Ring um eine Viertel- oder halbe Drehung verdreht. Bei asymmetrischer Belastung dehnt sich der Gummi anschließend ungleichmäßig und reißt.
Twisting ist bei der Inspektion schwer zu erkennen, weil ein verdrehter Ring außen intakt aussieht. Der Riss sitzt an der Innenseite des Rings. Vorbeugung ist einfacher als Erkennung: Halten Sie die Nutbreite b1 strikt innerhalb der Toleranzen, verwenden Sie niemals eine zu breite Nut und vermeiden Sie extrem geringe Pressung bei hohen Hubfrequenzen.
Anzeichen für Twisting: spiralförmiger Verschleiß auf der Dichtfläche, Risse an der Innenseite des Rings oder Leckage, die nach einer festen Anzahl von Hüben beginnt.
Sowohl hydraulische als auch pneumatische O-Ring-Abdichtungen teilen dieselben Normen für Oberflächenbearbeitung und Spaltbreite. Zusammen mit der Nutgeometrie sind dies die beiden Faktoren, die die Lebensdauer des Rings bestimmen.
Die Rauheitsanforderung an die Dichtfläche ist bei dynamischen Anwendungen viermal strenger als bei statischen. Eine zu raue Oberfläche verschleißt den Ring bei jedem Hub. Bei Pneumatik ohne Schmierung tritt Verschleiß bereits bei Werten auf, die bei Hydraulik noch akzeptabel sind.
|
Oberfläche |
Dynamisch Ra max. |
Dynamisch Rz max. |
Dynamisch Rmax |
|
Dichtfläche |
0,4 µm |
1,2 µm |
1,6 µm |
|
Nutboden |
1,6 µm |
3,2 µm |
6,3 µm |
|
Nutflanken |
3,2 µm |
6,3 µm |
10 µm |
Bei pulsierenden Drücken in dynamischen Anwendungen ist die Gefahr von Extrusion größer als bei statischen Anwendungen. Die maximale Spaltbreite ist deshalb geringer. Bei Silikonwerkstoffen müssen Sie die Werte in der Tabelle halbieren.
|
Druck (bar) |
70 Shore A (mm) |
80 Shore A (mm) |
90 Shore A (mm) |
|
bis 30 |
0,20 |
0,25 |
0,30 |
|
30 bis 63 |
0,10 |
0,15 |
0,20 |
|
63 bis 80 |
nicht anwendbar |
0,10 |
0,15 |
|
80 bis 100 |
nicht anwendbar |
nicht anwendbar |
0,10 |
Bei dynamischen Anwendungen wird der O-Ring häufiger montiert als bei statischen: Bei jeder Revision oder Wartung wird der Ring ersetzt und die Nut erneut inspiziert. Die Anfasung an der Einführseite ist bei jeder Montage wichtig. Ohne Anfasung wird der Ring beim Überschieben über die Kante beschädigt, auch wenn die Kraft gering ist und der Ring weich ist. Eine Anfasung von 15 bis 20 Grad mit der z-Länge aus der Maßtabelle verhindert dies vollständig. Kontrollieren Sie auch, ob die Anfasung nach der Bearbeitung gratfrei ist.
Die Werkstoffwahl für dynamische O-Ringe folgt weitgehend derselben Logik wie bei statischen, jedoch mit zwei zusätzlichen Abwägungen: Verschleißfestigkeit und Reibungsverhalten. Beides variiert je nach Werkstoff und beeinflusst die Lebensdauer und die Zylinderleistung direkt.
Ziehen Sie den Leitfaden zur Chemikalienbeständigkeit und den Leitfaden zur Materialtemperatur für Ihre spezifische Anwendung zu Rate.
Ein O-Ring ist eine einfache und kostengünstige Lösung für hin- und hergehende Abdichtung bei moderaten Drücken, Geschwindigkeiten und Lebensdaueranforderungen. Bei höheren Anforderungen sind spezielle Dichtprofile technisch besser geeignet. Beurteilen Sie dies je Anwendung anhand der drei folgenden Kriterien.
Hubgeschwindigkeit über 0,5 m/s: die Wärmeentwicklung durch Reibung nimmt schnell zu. Lippendichtungen und PTFE-Ringdichtungen haben einen geringeren Reibungskoeffizienten und sind bei höheren Geschwindigkeiten stabiler.
Lebensdauer über 1 Million Hübe: O-Ringe sind hierfür weniger geeignet, da es zu Ermüdungsrissen im Gummi kommt. U-Ringe, Manschetten oder profilierte Dichtungen sind für lange Lebensdauer bei hoher Zykluszahl ausgelegt.
Betriebsdruck über 250 bar: bei solchen Drücken sind selbst 90 Shore A-Ringe ohne Stützringe an ihrer Grenze. Spezielle Kolben- und Stangenabdichtungen sind bei hohem Druck besser gegen Extrusion beständig.
Die Nutgeometrie ist vergleichbar, aber die Pressung ist bei der Pneumatik etwas geringer (7 bis 13% gegenüber 9 bis 16% bei der Hydraulik). Der größte praktische Unterschied ist die Schmierung: Hydraulikflüssigkeit schmiert den Ring bei jedem Hub. Luft tut das nicht. Bei der Pneumatik wird bewusstes Schmieren deshalb dringend empfohlen.
Halten Sie die Nutbreite b1 strikt innerhalb der vorgegebenen Toleranzen. Eine zu breite Nut gibt dem Ring Raum zum Rollen. Vermeiden Sie außerdem eine extrem geringe Pressung bei hohen Hubfrequenzen. Kontrollieren Sie beim Austausch immer erneut die Nutbreite: Verschleiß an der Nut vergrößert b1 und erhöht das Risiko von Twisting.
Die Dichtfläche muss Ra max. 0,4 µm sein (Rz max. 1,2 µm). Das ist viermal strenger als bei statischen Anwendungen. Eine rauere Fläche verschleißt den Ring bei jedem Hub, besonders bei Pneumatik ohne Schmierung.
Bei dynamischer Verwendung liegen die Grenzen niedriger als bei statischer. Über 63 bar bei 70 Shore A werden Stützringe empfohlen. Stützringe werden immer auf der Niederdruckseite der Nut angebracht. Bei pulsierendem Druck sind Stützringe auf beiden Seiten wünschenswert.
Der Ring selbst ist derselbe, aber die Nut nicht. Statische Nuten haben für denselben Schnurdurchmesser ein tieferes t (höhere Pressung) als dynamische Nuten. Wenn eine statische Nut für dynamische Anwendungen verwendet wird, führt das zu zu viel Reibung und beschleunigtem Verschleiß. Verwenden Sie immer die Nut, die zum jeweiligen Einbautyp gehört.
NBR hat eine gute Verschleißfestigkeit für die meisten hydraulischen Medien. FKM ist etwas weniger verschleißfest als NBR, bietet aber eine bessere chemische Beständigkeit. Bei Pneumatik ohne Schmierung hat EPDM bessere Trockenlaufeigenschaften als NBR. PTFE-beschichtete Ringe haben die geringste Reibung, sind aber bei der Montage empfindlicher gegenüber Beschädigung.
Das hängt vom Druck, der Hubgeschwindigkeit, dem Medium, der Schmierung und der Oberflächenqualität der Dichtfläche ab. Unter günstigen Bedingungen sind Hunderttausende von Hüben erreichbar. Bei höheren Geschwindigkeiten, unzureichender Schmierung oder einer zu rauen Dichtfläche verschleißt der Ring deutlich schneller. Für Anwendungen mit einer geforderten Lebensdauer von mehr als 1 Million Hüben sind spezielle Dichtprofile die bessere Wahl.
