O-RING Auslegung | AUSLEGUNG EINFACH ERKLÄRT
Die optimale O-Ring Auslegung
In der Auslegungsphase werden die Weichen für eine dauerhaft zuverlässige Abdichtung mit O-Ringen gestellt.
Was hier versäumt wird, wirkt sich in der Betriebsphase der technischen Anlagen und Geräte durch einen hohen Wartungsaufwand oder schlimmstenfalls ungeplante Störungen aus.
Damit sind hohe Folgekosten vorprogrammiert. Konstrukteure können das vermeiden, indem sie bei der Auslegung die Gesamtheit der Betriebsbedingungen berücksichtigen.
So finden sie über die Definition der Abmessungen, die Werkstoffauswahl und die Nutgestaltung das optimale Verhältnis aus Kosten und Dichtleistung.
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#1 Funktionsprinzip Verpressung
Bei der Funktionsfähigkeit von O-Ring Abdichtungen dreht sich alles um die Verpressung des Dichtungselements zwischen den Anlageflächen.
Damit werden Unebenheiten in den Oberflächen und exzentrische Positionierungen ausgeglichen. Im Allgemeinen liegt der Sollwert für die Verformung des O-Rings zwischen den Dichtungsflächen bei 20 Prozent der Schnurstärke.
Durch die passende Tiefe und Breite der Nut ist sichergestellt, dass der O-Ring auch dann sicher die Dichtungsstelle verschließt, wenn er durch Medieneinwirkung schrumpft oder sich die Werkstücktoleranzen an bestimmten Stellen ungünstig ergänzen.
Gleichzeitig ist die Abdichtung robust gegenüber einem druckbedingten Wandern des O-Rings.
#2 O-Ring Tabellen als Leitpfaden für die Wahl der Abmessung
Schnurstärke und Durchmesser sind die beiden bestimmenden Eigenschaften für die Abmessungen von O-Ringen.
Zusammen mit der Tiefe der Einbaunut ergibt sich daraus die Verpressung im eingebauten Zustand. Die Nutzung von normgerechten O-Ringen 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 Nutzung der 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.
Alles mit dem Ziel, die Verpressung des Dichtungselements im Sollbereich zu halten.
#3 Temperaturen und Medien bestimmen die Werkstoffauswahl
Jedes Elastomer hat seinen idealen Temperaturbereich. Innerhalb dessen ist die Lebensdauer auf einem hohen Niveau, weil die dichtungsrelevanten Werkstoffeigenschaften stabil bleiben.
Besonders hohe oder niedrige Temperaturen müssen bei der O-Ring Auslegung beachtet werden, dann diese können sich negativ auf die Dichtwirkung eines O-Rings auswirken.
Um diese Effekte zu kontrollieren, 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 wiederum 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 permanent stören.
Zu niedrige Temperatur
Unterhalb der werkstoffspezifischen Glasübergangstemperatur verlieren die O-Ringe ihre Elastizität und die 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.
Die Temperaturbeständigkeit von O-Ringen kann nur im Zusammenhang mit den relevanten Medien beurteilt werden.
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 Mischungsbestanteile wie Weichmacher heraus. Diese Prozesse verändern das Volumen des O-Rings. Durch die 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 durch Medien bezieht sich auf die Bindungen der Polymere. Sie sind es, die dem O-Ring im Ausgangszustand seine guten Dichtungseigenschaften verleihen. Aggressive Medien spalten diese Polymerketten, sodass der O-Ring hart und spröde wird.
Werkstoff | Temperaturbeständigkeit | Chemiebeständigkeit | Elastizität |
|---|---|---|---|
FFKM | -40°C bis +340°C | Hoch | Hoch |
FEP ummantelt | -60°C bis +200°C | Hoch | Mittel |
FKM (VITON) | -25°C bis +200°C | Mittel | Hoch |
PTFE | -250°C bis +250°C | Hoch | Niedrig |
NBR | -30°C bis +120°C | Niedrig | Hoch |
HNBR | -30°C bis +150°C | Mittel | Hoch |
EPDM | -45°C bis +150°C | Mittel | Hoch |
SILIKON | -60°C bis +200°C | Niedrig | Hoch |
FVMQ | -60°C bis +200°C | Mittel | Hoch |
FEPM | -10°C bis +200°C | Mittel | Hoch |
CR | -40°C bis +100°C | Niedrig | Hoch |
ACM | -20°C bis +150°C | Mittel | Hoch |
#4 Die wichtigsten O-Ring Werkstoffe und ihr Anwendungsprofil
Unterschiedliche Betriebstemperaturen und Medien grenzen das Feld geeigneter Dichtungswerkstoffe während der Auslegung ein. Das sind die gängigsten O-Ring Werkstoffe mit ihren Eignungen für verschiedene Einsatzbereiche.
Neben den allgemeinen Eignungsprofilen lassen sich für die Praxis noch detailliertere Einsatzschwerpunkte ableiten:
FFKM: Lösungsmittel, starke Säuren und Laugen
FFKM bietet derzeit das beste Leistungsspektrum aller Dichtungswerkstoffe. Mit einem breiten Temperaturbereich mit +340 °C als obere Grenze und nahezu lückenloser chemischer Beständigkeit ist der hochwertige Werkstoff universell einsetzbar.
FKM: Säuren und Laugen
Die Bindungen von FKM sind im Gegensatz zu FFKM nicht voll mit Fluor gesättigt. Dennoch bietet das Fluorpolymer Temperatureigenschaften und Medienbeständigkeiten auf einem sehr hohen Niveau.
EPDM: Heißwasseranwendungen
Dieser O-Ring Werkstoff weist in Luft- und Heißwasseranwendungen eine besonders hohe Stabilität auf. Sowohl das Volumen als auch die mechanischen Eigenschaften verändern sich bis 200 °C (an Wasser) kaum.
Silikon: Lebensmittelprodukte
Silikon O-Ringe bieten eine sehr gute Kälteflexibilität, eignen sich aufgrund der geringen Abriebfestigkeit aber nur für den statischen Einsatz. Aufgrund der geruchs- und geschmacklosen Eigenschaften ist der Werkstoff physiologisch optimal für Lebensmittelanwendungen.
NBR: Öle und Erdgase
Der Acrylnitril-Anteil bewirkt die hervorragende Beständigkeit von NBR gegenüber Erzeugnissen auf Basis von Erdöl wie Benzin, Diesel und Heizöl. Limitierend wirken die mangelnde Witterungsbeständigkeit sowie die Hitzebeständigkeit bis 100 °C.
#5 Optimale O-Ring 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 O-Ring Werkstoffe Rechnung tragen. So liegt der Sollbereich für die Verpressung bei FFKM ca. 10 Prozent unter dem sonst üblichen Maß.
Vor allem bei größeren Schnurstärken sollten bei der O-Ring Auslegung über die Nut eine geringere Verpressungen sichergestellt werden.
Wir haben Ihnen eine Tabelle zusammengestellt, um Ihnen die Auslegung der optimalen Nut zu erleichtern. Im Folgenden finden Sie alle Tabellenwerte, die Sie für die Auslegung einer Flansch-, Kolben- oder Stangendichtung benötigen.
#6 Optimale O-Ring Auslegung: Systemdruck
Bei der Auslegung einer druckbeaufschlagten Nut sind vier Dinge wichtig zu beachten:
1. Höhe des Drucks
2. Druckrichtung
3. Shorehärte des O-Rings
4. Größe des Dichtspalts
Aus diesen 4 Punkten ergeben sich drei Grundregeln:
1. Hoher Druck = Hohe Härte des O-Rings + Minimaler Dichtspalt
2. Druck von Innen = O-Ring mit Stauchung am Außendurchmesser auslegen
3. Druck von Außen = O-Ring mit Dehnung am Innendurchmesser auslegen
Hohe Systemdrücke und wechselnde Druckbedingungen erfordern ebenso besondere Sorgfalt bei der Konstruktion.
Über die Nutbreite kann die Konstruktion beeinflussen, inwieweit der O-Ring in der Nut wandern kann. Gerade bei wechselnden Verhältnissen kann die Bewegung zur druckabgewandten Seite für mechanischen Verschleiß am O-Ring sorgen.
Außerdem benötigt der Dichtspalt besondere Aufmerksamkeit. Wenn er geringer ausfällt, reduziert das Risiko der Spaltextrusion, bei dem Teile des O-Rings an der Nutkante abgeschert werden. Werkstoffe mit hoher Härte sind dafür weniger anfällig.
Um Ihnen die Wahl der optimalen Shorehärte bei Druck zu erleichtern, haben wir Ihnen eine Tabelle mit den wichtigsten Daten zusammengestellt.
Hinweis: Die Tabelle basiert auf einer Schnurstärke von 2 mm. Grundsätzlich gilt: Umso höher die Schnurstärke des O-Rings, desto größer darf der Dichtungsspalt ausfallen.
O-Ring Härte | Druckhöhe | Dichtungspalt |
|---|---|---|
70 Shore A | 0-50 bar | 0,06 mm |
50-100 bar | 0,03 mm | |
100-200 bar | Nicht verwenden | |
80 Shore A | 0-50 bar | 0,08 mm |
50-100 bar | 0,05 mm | |
100-200 bar | 0,02 mm | |
90 Shore A | 0-50 bar | 0,11 mm |
50-100 bar | 0,06 mm | |
100-200 bar | 0,03 mm |
#7 Optimale O-Ring Auslegung: Statische vs. dynamisch Anwendung
Stützringe eignen sich vor allem für statische Dichtungen.
Das ist aber nicht der einzige Unterschied zwischen statischen und dynamischen Anwendungen. So eignen sich einige Werkstoffe von vorneherein kaum für den dynamischen Einsatz, weil sie zu anfällig für Abrieb sind.
Andere Werkstoffe lassen sich problemlos einsetzen, wobei eine geringere Verpressung gewählt werden sollte.
Hinweis: Grundsätzlich sind FEP ummantelte, VMQ und FVMQ O-Ringe für dynamische Anwendungen nicht geeignet. Alle anderen O-Ring Werkstoffe können wir dynamische Anwendungen eingesetzt werden.
#8 Optimale Auslegung für eine höhere Wirtschaftlichkeit
Bei O-Ring Abdichtungen sind es nicht die Kosten für die Herstellung der Einbaunut oder die Beschaffung der O-Ringe, die über die Wirtschaftlichkeit entscheiden.
Langfristig wirkt sich eine zuverlässige Betriebsphase enorm positiv auf die Gesamtkosten aus. Die einmaligen Einsparungen beim Einkauf können schnell verpuffen.
Daher sollte die Konstruktion von vorneherein darauf ausgelegt sein, durch stimmige Materialauswahl, sorgfältige Nutgestaltung und die spezifische Betrachtung der Betriebsbedingungen optimale Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer zu schaffen.
„Ich bin überzeugt davon, dass wir unser Wissen mit der Welt teilen sollten. Ich hoffe, dass ich alle Ihre Fragen beantworten konnte. Sollten Sie noch Fragen haben, dann können Sie sich jederzeit gerne bei uns melden. Wir helfen Ihnen gerne weiter.“
Herr der O-Ringe
Autor der Dichtungsakademie
Haben Sie noch Fragen zu diesem Thema? Dann kontaktieren Sie uns gerne!
