O-Ringe richtig messen

Die fünf wichtigsten O-Ring Eigenschaften

Eine zuverlässige Abdichtung ergibt sich aus der Summe von sorgfältiger Auslegung, stabilen Produkteigenschaften und fachgerechter Montage. Ob die gelieferten O-Ringe ihren Teil der Aufgabe erfüllen, lässt sich vor allem anhand dieser fünf Eigenschaften überprüfen:

Innendurchmesser d1

Der Innendurchmesser d1 bestimmt bei einer Kolbendichtung zusammen mit dem Nutgrunddurchmesser die Dehnung im eingebauten Zustand. Dass diese im Soll-Bereich liegt, ist entscheidend für die Dichtwirkung. Eine zu hohe Dehnung führt beispielsweise dazu, dass der Querschnitt des O-Rings abflacht. In der Folge kann es zu geringerer Verpressung an der Zylinderoberfläche kommen.

Zur Ermittlung von d1 stehen verschiedene Messverfahren zur Verfügung. Die Spanne reicht vom einfachen Messkegel bis zum Laser-Scan-Mikrometer.

Schnurstärke d2

Zusammen mit dem Innendurchmesser beschreibt die Schnurstärke d2 die grundlegenden Abmessungen eines O-Rings. Aus d1 und d2 ergibt sich gleichzeitig der Außendurchmesser des Dichtungselements. Dementsprechend gibt es bei einer Kolbendichtung einen direkten Einfluss auf die Verpressung. Schnurstärken lassen sich über Messtaster oder Laser-Scan-Mikrometer erfassen.

Shorehärte

Härtere O-Ringe eignen sich besser für den Einsatz unter hohem Druck. Gerade wenn eine größere Breite des Dichtspalts und ein hoher Betriebsdruck zusammentreffen, besteht die Gefahr, dass der O-Ring in den Dichtspalt gedrückt wird. Ein härterer O-Ring hält dieser Beanspruchung länger stand, ohne dass Material abgeschert wird.

Das gängige Messprinzip besteht aus einem Kegelstumpf, der auf den Werkstoff drückt. Seine Eindringtiefe gibt Aufschluss über die Härte. Die Verfahren Shore A und IRHD unterscheiden sich vor allem anhand von Gewicht und Form des Prüfkörpers. Während die Shorehärte für Normproben dient, eignet sich IRHD besser für die Messung von Fertigteilen.

Werkstoffzusammensetzung

Der Gehalt des Polymer-Werkstoffs im Verhältnis zu anderen Rezepturbestandteilen sagt aus, wie Medienbeständigkeit und Temperaturverhalten eines O-Rings ausfallen. Bei Dichtungselementen aus NBR variiert der Acrylnitril-Gehalt beispielsweise zwischen 18 und 50 Prozent. Ein höherer Mischungsanteil verbessert die Beständigkeit gegen Öl und Kraftstoffe. Sinkt der Gehalt von Acrylnitril, verbessert sich im Gegenzug die Elastizität.

Für eine zuverlässige Abdichtung ist es daher entscheidend, zu große Rezepturschwankungen auszuschließen. Eine Werkstoffprobe lässt sich mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) auf ihre Zusammensetzung untersuchen.

Druckverformungsrest

Was das Temperaturverhalten von O-Ring Werkstoffen angeht, lässt der Druckverformungsrest (DVR) die besten Rückschlüsse zu. Zur Ermittlung des Wertes wird der O-Ring in einem temperierten Medium im verformten Zustand eingelagert. Je besser der O-Ring nach seiner Entlastung wieder die Ausgangsform annimmt, desto geringer fällt der Druckverformungsrest aus.

Ein niedrigerer Wert steht dafür, dass ein O-Ring den Dichtspalt auch unter wechselnden Betriebsbedingungen sicher verschließt. Die Prüfung gibt zudem Aufschluss über den Vulkanisationsgrad und damit die Elastizität des O-Rings.

Die wichtigste O-Ring Norm: ISO 3601

Entsprechen die O-Ringe in ihren Eigenschaften den Anforderungen? Bei normgerechten O-Ringen entscheidet darüber der Abgleich der Messwerte mit der einschlägigen Norm. Die weltweit dominierende Norm ISO 3601 enthält in ihrer gültigen Fassung weitreichende Vorgaben für die geforderten Eigenschaften von O-Ringen. Einen Überblick über die relevanten Regelwerke geben unsere Abmessungsnormen für O-Ringe.

Teil 1: Fertigungstoleranzen

Teil 1 der Norm bezieht sich auf Innendurchmesser und Schnurstärken sowie die zugehörigen Toleranzen. Für jede Kombination aus Innendurchmesser und Schnurstärke werden in zwei Klassen die gültigen Toleranzen ausgewiesen.

Teil 3: Oberflächentoleranzen

Die zulässigen Abweichungen in Form und Oberflächenbeschaffenheit regelt Teil 3 von ISO 3601. Der Abschnitt teilt die gängigen Oberflächenabweichungen in verschiedene Kategorien ein. Die erlaubten Abweichungen in jeder Kategorie sind ausgehend von Intervallen der Schnurstärke angegeben. Auch hier deckt die Norm mit verschiedenen Klassen die Erfordernisse unterschiedlicher Anwendungsfälle ab.

Teil 5: Werkstoffeigenschaften

Bei dem Abschnitt zu den Werkstoffeigenschaften handelt es sich um eine jüngere Ergänzung der Norm. Teil 5 definiert Anforderungen an die Beschaffenheit vieler Standardmaterialien für O-Ringe. Darunter befinden sich NBR, HNBR, FKM und EPDM. Die Vorgaben zu Härte und Druckverformungsrest sind am Fertigteil spezifiziert.

So lassen sich die Eigenschaften der tatsächlich gelieferten O-Ringe mit den Normvorgaben abgleichen. In der Vergangenheit wurde ein solcher Abgleich häufig dadurch erschwert, dass Werte an Normproben spezifiziert wurden.

Auch wenn ISO 3601 weitgehende Vorgaben für Toleranzen enthält, bleibt die Qualitätskontrolle anspruchsvoll. Schließlich handelt es sich bei O-Ringen in aller Regel um elastische Produkte. Mit IRHD ist die Härteprüfung bei besonders kleinen Schnurstärken unter 1,6 mm beispielsweise wenig aussagekräftig. Daneben sind Elastomere meist nicht über den gesamten Umfang homogen aufgebaut, sodass lokale Messungen in ihrer Interpretierbarkeit beschränkt sind. Andererseits stehen mittlerweile auch außerhalb spezialisierter Labore wirtschaftliche Alternativen für Industrie und Gewerbe zur Verfügung.

Vier weitere relevante Eigenschaften

Die wichtigsten fünf Eigenschaften lassen bereits eine sehr gute Charakterisierung von fertigen O-Ringen zu. Für besonders anspruchsvolle Anwendungsfälle können aber weitere Parameter relevant sein.

Dichte

Bei der Dichte handelt es sich um eine Stoffkonstante, die unabhängig von der Form des Erzeugnisses ist. Das ist bei der Beurteilung von O-Ringen besonders günstig. Von der Dichte können Anwender auf das Basispolymer und die Zusammensetzung des jeweiligen O-Rings schließen. In der Praxis ist das ein wirkungsvoller Ansatz für die Wareneingangsprüfung, etwa um Falschlieferungen zuverlässig zu erkennen und Rezepturschwankungen aufzudecken.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit eines O-Rings spezifizieren die Hersteller ebenso wie die Dichte im Datenblatt. Sie gibt Aufschluss darüber, welche Kraft aufgewendet werden muss, um eine Probe zu zerreißen. Außer bei ungünstigen Montagevorgängen werden O-Ringe in der Praxis jedoch kaum auf Reißfestigkeit beansprucht.

Zugdehnung

Dieser Wert gibt an, wie groß die Dehnung im Moment des Zerreißens einer Probe ist. Diese Eigenschaft ist ähnlich wie die Zugfestigkeit vor allem für die Beurteilung kritischer Einbauvorgänge relevant.

TR10-Wert

Härte und Druckverformungsrest beschreiben das elastische Verhalten von O-Ringen. Daneben hat sich der TR10-Test etabliert. Dabei wird ein Probenstreifen im 100 Prozent gedehnten Zustand eingefroren. Nach dem Lösen aus der Prüfvorrichtung wird beobachtet, wie die Probe mit dem Temperaturausgleich wieder in die Ausgangsform zurückkehrt. Der TR10-Punkt markiert den Zeitpunkt, an dem die Dehnung um 10 Prozent zurückgegangen ist.

Messergebnisse richtig einordnen

Die Messung von O-Ring Eigenschaften stellt für sich genommen bereits eine Herausforderung dar. Handgeräte verfügen meist nicht über die notwendige Genauigkeit und geben daher nur eine Tendenz wieder. Dazu kommt die Manipulation der elastischen Erzeugnisse beim Messvorgang. Neben dem Equipment hat auch die Beachtung der jeweiligen Messnorm erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse.

Damit die Ergebnisse belastbar und beispielsweise im Kontakt mit Lieferanten verwertbar sind, müssen die Anforderungen an Anzahl der Wiederholungen, Temperaturen oder Beschaffenheit der Normproben Beachtung finden. In der Praxis erweist sich das oft als schwierig.

Daneben bleibt der Konflikt zwischen Spezifikationen an Normproben und Messungen am fertigen O-Ring bestehen. Viele relevante Eigenschaften unterliegen einer Formabhängigkeit, sodass sich gemessene Fertigteilwerte nicht ohne Weiteres mit Datenblattangaben zu Normproben vergleichen lassen.

Daher setzen immer mehr Anwender auf die Spezifizierung der Eigenschaften am Fertigteil. So sieht es ISO 3601 beispielsweise auch für Härte und Festigkeit vor. Darüber hinaus können Anwender eigene Messungen reduzieren, indem sie mit zuverlässigen Anbietern zusammenarbeiten, die ihrerseits eine stabile Produktqualität sicherstellen.

Häufige Fragen