O-RING Nuten | AUSLEGUNG EINFACH ERKLÄRT

Was macht eine optimale Nutauslegung aus?

Beim Dichtungselement selbst sind es Innendurchmesser und Schnurstärke, die die Form bestimmen. 

Zwar gibt es einige Faktoren in den Betriebsbedingungen, die für eine größere oder kleinere Schnurstärke sprechen können, doch am wichtigsten ist das Zusammenspiel des O-Rings mit dem Einbauraum

Darunter versteht man die Nuten, in die der O-Ring eingebaut wird. Form sowie Tiefe und Breite der Nut sind die wichtigsten Parameter. 

Sind O-Ring und Nut optimal aufeinander abgestimmt, lassen sich geringer Verschleiß, zuverlässige Verpressung und sichere Montage erreichen. Und das sind zentrale Faktoren für eine dauerhaft beständige Abdichtung.

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#1 Was sind O-Ring Nuten?

Nuten sind der Einbauraum von O-Ringen. Denken wir an eine Kolbendichtung: Hier gleitet ein Kolben über die Lauffläche im Zylinder. 

Abzudichten ist die seitliche Fläche des Kolbens gegen die Zylinderlauffläche. Das übernimmt der O-Ring, der in einer Nut im Kolben sitzt. 

Temperatur- und Druckunterschiede zwischen den beiden Bereichen im Zylinder müsse genauso aufrechterhalten werden, wie die Trennung unterschiedlicher Medien. Neben der Kolbendichtung gilt das auch für andere Einbauarten.

1. Flanschdichtung
Eine Flanschdichtung kommt für meist unbewegte Verbindungen wie Rohrstöße oder Revisionsöffnungen und -verschlüsse zum Einsatz. 

Daher wirkt die Verpressung in axialer Richtung. Dementsprechend ist die Nut angeordnet. Der notwendige Druck wird durch das Aufschrauben eines Deckels hergestellt.

O-Ring verbaut in einer Flanschabdichtung
O-Ring verbaut in einer Flanschabdichtung

2. Kolbendichtung

Bei dieser Einbauart sitzt der O-Ring in einer Nut, die sich über den Außendurchmesser des Kolbens zieht. Die Nut schafft einerseits Raum für das Dichtungselement und stellt andererseits über die korrekte elastische Verpressung zwischen den Anlageflächen die Dichtwirkung her.

Bestimmend dafür sind neben den Maßverhältnissen von innerer und äußerer Dichtungsfläche auch die Tiefe der Nut und die Schurstärke des O-Rings.

O-Ring verbaut als Kolbendichtung
O-Ring verbaut als Kolbendichtung

3. Stangendichtung
Bei der Stangendichtung ist die Nut wie bei der Kolbendichtung so ausgeführt, dass der O-Ring entlang des Radius verpresst wird. Die Nut befindet sich jedoch nicht im Innenteil der Nut (Kolbendichtung), sondern im Außenteil. 

O-Ring verbaut als Stangendichtung
O-Ring verbaut als Stangendichtung

#2 Diese Maße definieren die Nut

Am direktesten auf die Verpressung des O-Rings wirkt sich die Nuttiefe aus. Es gibt jedoch weitere Parameter, die die dauerhafte Haltbarkeit einer Abdichtung genauso stark beeinflussen können. 

Je nach dem Belastungsprofil der individuellen Betriebsbedingungen wirken sie sich mehr oder weniger stark aus.

1. Nuttiefe
Abstand zwischen Innen- und Außenfläche, Nuttiefe und Schnurstärke des O-Rings ergeben im Zusammenspiel die Verpressung des Dichtungselements. Sie muss in einem Sollbereich liegen, der davon abhängt, um welches Dichtungsmaterial es sich handelt. 

Das korrekte Maß für die Verpressung variiert auch in Abhängigkeit davon, ob es sich um eine statische oder dyamische Abdichtung handelt. 

Bei statischen Abdichtungen sollte die Verpressung zwischen 15 und 30 Prozent des Querschnitts liegen. Dagegen liegt der maximale Wert im dynamischen Einsatz bei 20 Prozent, was die Reibungsbeanspruchung begrenzen soll. 

Als absolutes Mindestmaß gelten 6 Prozent. Bei einer Kolbendichtung sollte die Nuttiefe so gewählt werden, dass der O-Ring ca. 1 bis 6 Prozent über den Nutgrunddurchmesser gedehnt wird. 

Bei einer Stangendichtung muss der O-Ring dagegen ein Übermaß von ca. 1 bis 3 Prozent gegenüber dem Außendurchmesser des Einbauraums aufweisen. Auch das ist bei der Bestimmung der Nuttiefe zu beachten.

2. Nutbreite
Die Breite des Nutkanals muss in erster Linie ausreichend bemessen sein, dass ein O-Ring mit entsprechender Schnurstärke Platz findet. 

Konstrukteure beachten dabei, dass sich der O-Ring durch die Verpressung elliptisch verformt und mehr Raum in der Nut einnimmt. Bei Druckanwendungen sollte außerdem über eine ausreichende Nutbreite sichergestellt sein, dass das druckbeaufschlagte Medium in den Einbauraum treten kann. 

So lässt sich eine gleichmäßige Druckbelastung des O-Rings sicherstellen. Eine zu breit dimensionierte Nut ist jedoch vor allem bei wechselnden Druckverhältnissen nachteilig. Dies führt dazu, dass der O-Ring immer wieder zur druckabgewandten Kante der Nut wandert und dabei mechanische Schäden nehmen kann.

3. Nutradius
Kanten, die vom O-Ring während der Montage und im eingebauten Zustand berührt werden, müssen unbedingt verrundet sein. Sonst stellen sie ein großes Risiko für mechanische Beschädigungen dar. 

Gerade wenn Druck auf den O-Ring wirkt, wird er gegen die Nutoberkante gedrückt. Ist sie scharf ausgeführt, kann sehr leicht Material abgeschert werden. 

Dieses Verhalten gehört zum Schadensbild der Spaltextrusion. Es beeinträchtigt direkt die Dichtwirkung, weil das verlorene Material die Verpressung mindert.

4. Dichtspalt
Ebenfalls vor allem im Zusammenhang mit dem Betriebsdruck ist der Dichtspalt entscheidend. Der Abstand zwischen den beiden Dichtflächen definiert dieses Spaltmaß. 

Allgemein gilt, dass bei steigendem Druck der Dichtspalt geringer ausgelegt werden sollte. Je nach Toleranzen kann das die Herstellbarkeit der Bauteile an ihre Grenzen bringen. 

Für besonders beanspruchte Dichtungen kommen daher auch Stützringe zum Einsatz. Wenn der Dichtspalt schon auf das technisch und wirtschaftlich machbare Minimum reduziert ist, geben sie zusätzliche Sicherheit. 

Sie sind aus härterem Material und verhindern, dass der O-Ring in den Dichtspalt gedrückt wir.

#3 Drei Nutformen bestimmen die Praxis

Die Anordnung der Nut hängt von der Einbauart ab. Im Detail gibt es zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bei der Form der Nut.

1. Rechtecknut
Rechtecknuten stellen den Standardfall für Einbauräume von O-Ringen dar. Die Herstellung erfolgt durch Drehen oder Fräsen in metallische Bauteile. Durch die einfache geometrische Form als Rechteck ist das eine besonders wirtschaftliche Option.

2. Trapeznut
Eine Trapeznut kommt aufgrund der aufwendigeren Herstellung nur dann zum Einsatz, wenn der Einbauraum besondere Eigenschaften aufweisen muss. 

Zum Beispiel kann die Form als Schwalbenschwanz den O-Ring in Position halten, wenn die Dichtflächen zur Instandhaltung voneinander getrennt werden. Wichtiges Detail: Die Nutbreite wird gemessen, bevor die Radien an den Kanten angebracht werden. 

Ausreichende Radien sind besonders wichtig, um Beschädigungen des O-Rings zu vermeiden. Es gibt auch die Ausführung als halbe Trapeznut.

3. Dreiecksnut
Die Dreiecksnut ist eine Option für Flansch- und Deckelabdichtungen. Durch die Form der Nut presst sich der O-Ring im verformten Zustand an drei Kontaktflächen an. 

Ein Nachteil dieser Nutform ist, dass sich daraus eine variierende Verpressung ergeben kann. Sie eignet sich jedoch für beengte Platzverhältnisse.

#4 Viele Einflussfaktoren: Darauf kommt es bei der Nutauslegung an

Der Einbauraum ist in vielen Fällen nur mit einigem Zusatzaufwand an geänderte Anforderungen anpassbar. Umso wichtiger ist es, bei der Nutauslegung möglichst alle Einflussfaktoren zu berücksichtigen.

1. Abdichtungsart
Bei der Kolbendichtung wird der O-Ring über den Nutgrunddurchmesser gedehnt. Andersherum bei der Stangendichtung: Hier sollte die Nut im Außenteil so hergestellt werden, dass der O-Ring ein Übermaß am Außendurchmesser hat.

2. Verpressung
Die Mindestverpressung sicherstellen und dem statischen oder dynamischen Einsatz Rechnung tragen: Das sind entscheidende Kriterien für die Berechnung der Nut. Das ideale Maß für die Verpressung ist auch vom O-Ring Werkstoff abhängig.

3. Nutfüllung
O-Ringe können im Kontakt mit bestimmten Medien quellen. Die Nut muss ausreichend Platz bieten, damit der O-Ring nicht herausquillt. Das würde die Verpressung erhöhen und damit die Reibung steigern.

4. Dehnung
Beispiel Kolbendichtung: O-Ringe müssen bei der Montage gedehnt werden, um in den Bauraum einzuschnappen. Wichtig ist, dass dabei die maximale Dehnbarkeit des O-Rings nicht überschritten wird. Geteilte Nuten können die übermäßige Dehnung verhindern und eignen sich vor allem für O-Ringe mit geringer Elastizität.

5. Einführschrägen
Ebenso wichtig wie die Begrenzung der maximalen Dehnung ist es, O-Ringe vor dem Kontakt mit scharfen Werkstückkanten zu schützen. Bei Kolben- und Stangendichtungen dienen dazu Einführschrägen. Wenn sie ausreichend lang sind, lassen sich Innen- und Außenteil bei der Montage sauber zueinander positionieren.

6. Systemdruck und Dichtspalt
Ein geringerer Dichtspalt erfordert engere Fertigungstoleranzen, zahlt sich aber unter hohem Systemdruck aus. Daher sollten Konstrukteure die Druckverhältnisse bei der Gestaltung des Einbauraums berücksichtigen und bei Bedarf zusätzliche Stützringe vorsehen.

7. Temperatur
Auf Dehnung belastete O-Ringe ziehen sich unter der Einwirkung von Hitze zusammen. Das passiert beispielsweise bei einer Kolbendichtung, wo der O-Ring über den Nutgrunddurchmesser gedehnt ist. Diese potenziell ansteigende Dehnung sollte bei der Dimensionierung der Nut beachtet werden.

„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.“

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Luke Williams

Herr der O-Ringe
Autor der Dichtungsakademie

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