O-Ring Auslegung: Nut und Einbaumaße

Funktionsprinzip: die Verpressung

Bei der Funktionsfähigkeit einer O-Ring Abdichtung dreht sich alles um die Verpressung des Dichtungselements zwischen den Anlageflächen. Damit gleicht der O-Ring Unebenheiten in den Oberflächen und exzentrische Positionierungen aus.

Im Allgemeinen liegt der Sollwert für die Verformung des O-Rings zwischen den Dichtflächen bei 20 Prozent der Schnurstärke. Durch die passende Tiefe und Breite der Nut ist sichergestellt, dass der O-Ring die Dichtstelle auch dann sicher verschließt, wenn er durch Medieneinwirkung schrumpft oder sich die Werkstücktoleranzen an bestimmten Stellen ungünstig ergänzen.

Gleichzeitig bleibt die Abdichtung robust gegenüber einem druckbedingten Wandern des O-Rings.

O-Ring Tabellen als Leitlinie für die Abmessung

Schnurstärke und Durchmesser sind die beiden bestimmenden Eigenschaften für die Abmessung eines O-Rings. Zusammen mit der Tiefe der Einbaunut ergibt sich daraus die Verpressung im eingebauten Zustand. Die Nutzung normgerechter O-Ringe hat dabei entscheidende Vorteile:

• Normierte O-Ringe haben die beste Verfügbarkeit.
• Besteller können sich auf normierte Toleranzen der Fertigteile beziehen.
• Tabellen geben die Einbauräume für normgerechte O-Ringe vor.

Die Normliste aus ISO 3601 hat sich zum weltweiten und industrieübergreifenden Standard für O-Ringe entwickelt. Sie verknüpft Tabellen für die Abmessungen von O-Ringen mit den geeigneten Einbauräumen für verschiedene Anwendungen.

So können Konstrukteure für einen gegebenen Einbauraum die optimale O-Ring Abmessung ermitteln, genauso aber auch umgekehrt vom O-Ring auf den benötigten Einbauraum schließen. Immer mit dem Ziel, die Verpressung des Dichtungselements im Sollbereich zu halten. Die passenden Werte finden Sie in unserer O-Ring Tabelle und in der O-Ring Nutberechnung.

Temperatur und Medien bestimmen die Werkstoffauswahl

Jedes Elastomer hat seinen idealen Temperaturbereich. Innerhalb dieses Bereichs ist die Lebensdauer auf hohem Niveau, weil die dichtungsrelevanten Werkstoffeigenschaften stabil bleiben. Besonders hohe oder niedrige Temperaturen müssen bei der O-Ring Auslegung beachtet werden, denn sie können sich negativ auf die Dichtwirkung auswirken. Deshalb müssen die untere und die obere Temperatureinsatzgrenze bei der Auslegung Berücksichtigung finden.

Zu hohe Temperatur

Zu große Hitze führt dazu, dass O-Ringe ihre Elastizität dauerhaft verlieren. Der Alterungsprozess beginnt meist mit einer starken Ausdehnung des Dichtungselements. Aus der gesteigerten Verpressung ergibt sich vor allem bei dynamischen Anwendungen eine deutlich größere Reibung. Diese mechanische Belastung kann dazu führen, dass der O-Ring an Material verliert.

Im kalten Zustand fehlt dieses Material dann, um das notwendige Mindestmaß der Verpressung zu gewährleisten. Beim Abkühlen nach zu großer Hitze kehren die O-Ringe zudem nicht mehr vollständig in ihre ursprüngliche Form zurück. Dazu kommt der Effekt der Nachvulkanisation unter hohen Temperaturen: Es entstehen zusätzliche Bindungen zwischen den Molekülen, die das flexible Verhalten des O-Rings dauerhaft stören.

Zu niedrige Temperatur

Unterhalb der werkstoffspezifischen Glasübergangstemperatur verlieren O-Ringe ihre Elastizität und ihre mechanische Belastbarkeit. Dieser Vorgang ist jedoch reversibel, sodass die Eigenschaften zurückkehren, wenn die Temperaturbelastung nachlässt.

Trotzdem besteht ein Risiko, dass die Dichtung bei niedrigen Temperaturen versagt. Kommt es während der Temperatureinwirkung beispielsweise zu besonders hohen Druckspitzen oder zu Stößen von außen auf das Dichtungssystem, kann der O-Ring den veränderten Dichtspalt nicht ausreichend überbrücken.

Temperatur immer im Zusammenhang mit dem Medium

Die Temperaturbeständigkeit von O-Ringen lässt sich nur im Zusammenhang mit den relevanten Medien beurteilen. So liegt der allgemeine Temperaturbereich von FKM zwischen −25 und +200 °C. Maßgeblich für diese Angabe ist jedoch Luft als Umgebungsmedium. Ist ein O-Ring aus EPDM stattdessen heißem Wasser ausgesetzt, fällt die Dauerhaltbarkeit bereits ab 120 °C deutlich ab.

Medien können Dichtungswerkstoffe auf zwei Arten beeinflussen und damit die ursprüngliche Funktionsweise stören:

• Physikalische Veränderung: Medien dringen in den Dichtungswerkstoff ein oder lösen Mischungsbestandteile wie Weichmacher heraus. Diese Prozesse verändern das Volumen des O-Rings. Durch Schrumpfung kann die Verpressung so weit abnehmen, dass es zu Undichtigkeiten kommt. Quillt der O-Ring, verändern sich mechanische Eigenschaften wie Härte oder Reißfestigkeit.
• Chemische Veränderung: Die chemische Beeinflussung bezieht sich auf die Bindungen der Polymere. Sie verleihen dem O-Ring im Ausgangszustand seine guten Dichtungseigenschaften. Aggressive Medien spalten diese Polymerketten, sodass der O-Ring hart und spröde wird.

Die wichtigsten Werkstoffe und ihr Anwendungsprofil

Unterschiedliche Betriebstemperaturen und Medien grenzen das Feld geeigneter Dichtungswerkstoffe während der Auslegung ein. Neben den allgemeinen Eignungsprofilen lassen sich für die Praxis detailliertere Einsatzschwerpunkte ableiten:

Optimale Auslegung: Nutgestaltung

Die optimale Breite und Tiefe der Nut lassen sich bei normgerechten O-Ringen aus den jeweiligen Tabellen ablesen. Konstrukteure sollten dabei auch den spezifischen Anforderungen bestimmter Werkstoffe Rechnung tragen. So liegt der Sollbereich für die Verpressung bei FFKM etwa 10 Prozent unter dem sonst üblichen Maß.

Vor allem bei größeren Schnurstärken sollte bei der Auslegung über die Nut eine geringere Verpressung sichergestellt werden. Die konkreten Tabellenwerte für Flansch-, Kolben- und Stangendichtungen finden Sie in der O-Ring Nut sowie in der O-Ring Nutberechnung. Welche Toleranzen für Einbauraum und O-Ring gelten, erläutert der Beitrag zu den O-Ring Toleranzen.

Optimale Auslegung: Systemdruck

Bei der Auslegung einer druckbeaufschlagten Nut sind vier Dinge wichtig:

1. Höhe des Drucks
2. Druckrichtung
3. Shorehärte des O-Rings
4. Größe des Dichtspalts

Daraus ergeben sich drei Grundregeln:

• Hoher Druck: hohe Härte des O-Rings und minimaler Dichtspalt.
• Druck von innen: O-Ring mit Stauchung am Außendurchmesser auslegen.
• Druck von außen: O-Ring mit Dehnung am Innendurchmesser auslegen.

Hohe Systemdrücke und wechselnde Druckbedingungen erfordern besondere Sorgfalt. Über die Nutbreite beeinflusst die Konstruktion, inwieweit der O-Ring in der Nut wandern kann. Gerade bei wechselnden Verhältnissen kann die Bewegung zur druckabgewandten Seite mechanischen Verschleiß verursachen.

Auch der Dichtspalt benötigt besondere Aufmerksamkeit. Fällt er geringer aus, reduziert das das Risiko der Spaltextrusion, bei der Teile des O-Rings an der Nutkante abgeschert werden. Werkstoffe mit hoher Härte sind dafür weniger anfällig. Mehr dazu im Beitrag O-Ringe unter Druck.

Die folgende Tabelle hilft bei der Wahl der optimalen Shorehärte unter Druck. Sie basiert auf einer Schnurstärke von 2 mm. Grundsätzlich gilt: Je höher die Schnurstärke, desto größer darf der Dichtspalt ausfallen.

Statische und dynamische Anwendungen

Stützringe eignen sich vor allem für statische Dichtungen. Das ist aber nicht der einzige Unterschied zwischen statischen und dynamischen Anwendungen. Einige Werkstoffe eignen sich von vornherein kaum für den dynamischen Einsatz, weil sie zu anfällig für Abrieb sind. Andere Werkstoffe lassen sich problemlos einsetzen, wobei dann eine geringere Verpressung gewählt werden sollte.

Grundsätzlich sind FEP ummantelte O-Ringe sowie VMQ und FVMQ für dynamische Anwendungen nicht geeignet. Alle anderen O-Ring Werkstoffe können in dynamischen Anwendungen eingesetzt werden.

Optimale Auslegung für höhere Wirtschaftlichkeit

Bei O-Ring Abdichtungen entscheiden nicht die Kosten für die Herstellung der Einbaunut oder die Beschaffung der O-Ringe über die Wirtschaftlichkeit. Langfristig wirkt sich eine zuverlässige Betriebsphase enorm positiv auf die Gesamtkosten aus. Einmalige Einsparungen beim Einkauf können dagegen schnell verpuffen.

Daher sollte die Konstruktion von vornherein darauf ausgelegt sein, durch stimmige Materialauswahl, sorgfältige Nutgestaltung und die spezifische Betrachtung der Betriebsbedingungen optimale Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer zu schaffen.

Häufige Fragen