O-Ring-Nut - Konstruktion - Spaltgröße

Was ist Spaltextrusion?

Spaltextrusion tritt auf, wenn der Betriebsdruck das Elastomermaterial des O-Rings in den Spalt zwischen den beiden Bauteilen presst. Der Ring wird dabei teilweise durch den Spalt gedrückt, an der Niederdruckseite der Nut. Das Elastomer, das in den Spalt gepresst wurde, kann nicht zurückfedern: Es wurde durch die mechanische Überdehnung beschädigt. Beim nächsten Druckstoß wird der herausstehende Teil weiter beschädigt, beim nächsten noch mehr. Schließlich reißt ein Stück Elastomer ab, oder der Ring verliert so viel Material, dass er nicht mehr genügend Dichtkraft hat.

Extrusion ist an der charakteristischen Nibbling-Schädigung zu erkennen: kleine ausgefranste Elastomerstücke an der Niederdruckseite des Rings. Bei statischen Anwendungen kann Extrusion auch unsichtbar bleiben, bis der Ring bei der Demontage inspiziert wird. Bei dynamischen Anwendungen ist Extrusion nahezu immer sichtbar, entweder als Elastomerfragmente im System oder als plötzlich beschleunigte Leckage nach einer gewissen Zahl von Betriebsstunden.

Spaltextrusion ist irreversibel. Der Ring muss ersetzt werden. Aber der Spalt, der die Extrusion verursacht hat, bleibt genauso groß wie zuvor: Ohne Änderung der Konstruktion tritt die Extrusion beim nächsten Ring erneut auf.

Der Einfluss von Druck und Härte

Die maximale Spaltbreite hängt von zwei Variablen ab: dem Betriebsdruck und der Shore-A-Härte des O-Rings. Höherer Druck erzeugt mehr Kraft, um das Elastomer durch den Spalt zu drücken: Dadurch wird der maximal zulässige Spalt kleiner. Höhere Härte macht das Elastomer steifer und weniger verformbar: Dadurch wird der maximal zulässige Spalt größer.

Das erklärt, warum bei höheren Betriebsdrücken oder bei Konstruktionen, bei denen der Spalt aus technischen Gründen nicht kleiner gemacht werden kann, höhere Härten gewählt werden. Ein Ring mit 90 Shore A toleriert bei gleichem Druck immer einen größeren Spalt als ein Ring mit 70 Shore A. Der Kompromiss ist, dass ein härterer Ring kleinen Unregelmäßigkeiten in der Dichtfläche weniger gut folgen kann und daher für eine gute Abdichtung bei niedrigen Drücken eine glattere Oberfläche benötigt.

Maximale Spaltbreite bei statischen Anwendungen

Die Werte in der folgenden Tabelle gelten für Temperaturen bis maximal 70 °C. Bei höheren Temperaturen wird Elastomer weicher und die Extrusionsbeständigkeit nimmt ab. Oberhalb von 70 °C müssen die Werte konservativer angesetzt oder ein härterer Ring gewählt werden.

Bei Silikonwerkstoffen müssen alle Werte halbiert werden. Silikon hat eine geringere Zugfestigkeit als NBR oder FKM und extrudiert daher bereits bei größeren Spalten, als die Tabelle angibt.

Maximale Spaltbreite bei dynamischen Anwendungen

Bei dynamischen Anwendungen liegen die maximalen Spaltwerte niedriger als bei statischen Anwendungen, bei gleichem Druck und gleicher Härte. Der pulsierende Druck bei jedem Hub erzeugt eine zyklische Belastung auf den Ring an der Spaltseite. Diese dynamische Belastung beschleunigt die Extrusion im Vergleich zu einem konstanten statischen Druck. Oberhalb von 63 bar sind bei dynamischem Einsatz 70-Shore-A-Ringe ohne Stützringe unabhängig von der Spaltbreite nicht mehr zulässig.

Druck von beiden Seiten führt zu einer anderen Spaltanforderung als Druck von einer Seite. Bei Druck von beiden Seiten werden die Ringe an beiden Nutflanken belastet und Stützringe auf beiden Seiten sollten in Betracht gezogen werden.

Stützringe: die Lösung bei zu großen Spalten

Wenn der Spalt zwischen den Bauteilen konstruktionsbedingt nicht kleiner gemacht werden kann, sind Stützringe die am häufigsten verwendete Lösung. Ein Stützring ist ein harter, nicht elastischer Ring, meist aus PTFE, PE oder NBR, der neben dem O-Ring in der Nut auf der Niederdruckseite platziert wird. Der Stützring füllt den Spalt aus und blockiert den Durchtritt des Elastomers.

Druck von einer Seite: Ein Stützring an der Niederdruckseite genügt.

Druck von beiden Seiten oder pulsierender Druck: Stützringe auf beiden Seiten des O-Rings.

Werkstoff des Stützrings: PTFE hat die niedrigste Reibung und die beste chemische Beständigkeit. PE ist günstiger. NBR (konkave Form) wird bei Anwendungen eingesetzt, bei denen eine leichte Federwirkung gewünscht ist.

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Spaltbreite messen und beherrschen

Die Spaltbreite ist in der Praxis nicht immer einfach zu messen, insbesondere bei zylindrischen Verbindungen, bei denen der Spalt von der Passung zwischen Bohrung und Stange abhängt. Der Spalt ist die Differenz zwischen dem Nenninnendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser der Stange, geteilt durch zwei. Bei einer Bohrung von 50,10 mm und einer Stange von 49,90 mm beträgt der einseitige Spalt 0,10 mm.

Berücksichtigen Sie bei der Auslegung den maximalen Spalt über das gesamte Toleranzband: Nicht die Nennpassung ist entscheidend, sondern die Worst-Case-Kombination aus maximaler Bohrung und minimaler Stange. Prüfen Sie bei Wartungsarbeiten, ob sich der Spalt durch Verschleiß von Stange oder Bohrung über den zulässigen Wert hinaus vergrößert hat.

Temperatureffekt: über 70 Grad Celsius

Die Spaltwerte in den Tabellen gelten bis maximal 70 °C. Darüber nimmt der Elastizitätsmodul von Elastomeren ab: Das Elastomer wird weicher und die Extrusionsbeständigkeit sinkt. Das bedeutet, dass bei höheren Temperaturen der gleiche Druck eine größere Extrusionskraft auf das Material ausübt. Als Richtwert gilt: Oberhalb von 70 °C wählen Sie eine Härteklasse höher, als die Tabelle für Ihren Druckbereich angibt, oder Sie verkleinern den Spalt weiter. Bei Anwendungen über 100 °C ist es sinnvoll, die Spaltwerte in Abstimmung mit einem technischen Spezialisten festzulegen.