O-Ringe unter Druck: Spaltextrusion vermeiden

O-Ringe unter Druck: so wirkt die Dichtung

Die Dichtwirkung eines O-Rings entsteht erst durch die elastische Verformung seines Querschnitts im Einbauraum. Ein Mindestmaß an Verpressung zwischen den Bauteiloberflächen ist notwendig, damit der O-Ring überhaupt abdichtet. Der dafür nötige Druck geht zum einen von den abzudichtenden Maschinenelementen aus, zum anderen vom druckbeaufschlagten Medium.

Denken Sie an eine Flanschdichtung: Der Monteur legt das Dichtungselement mit kreisförmigem Querschnitt in die Nut des Gehäuses ein. Beim Verschrauben der Deckplatte entsteht ein Druck, der den Querschnitt des O-Rings verformt. Die Verformung erfolgt hier in axialer Richtung zwischen Nutgrund und Dichtfläche. Der Querschnitt ist nun nicht mehr rund, sondern oval, und das Dichtungselement verschließt Unebenheiten in den Dichtflächen.

Bei einer radialen Abdichtung, also einer klassischen Kolben- oder Stangendichtung, ergibt sich ein radiales Spaltmaß zwischen innerem und äußerem Maschinenteil. Dieses Maß wird in der Dichtungstechnik als Dichtspalt bezeichnet. Es ist besonders entscheidend, wenn zwei Räume mit verschiedenen Druckniveaus abgedichtet werden, denn der höhere Druck bewegt den O-Ring gegen die druckabgewandte Seite der Nut.

Das muss sich nicht negativ auswirken. Innerhalb gewisser Grenzen kann die zusätzliche Flächenpressung die Dichtleistung sogar unterstützen. Besonders hohe Drücke werden jedoch zur Belastung: Sie pressen den O-Ring in den Dichtspalt und verursachen mechanische Schäden. Hohe Temperaturen und abrupte Druckstöße verstärken diesen Effekt.

Shorehärte: wie leicht sich der O-Ring verformt

Die Härte des O-Rings sagt aus, wie leicht er sich unter Druck verformen lässt. Wird er zwischen Dichtfläche und Einbaunut verpresst, passt er sich den Bauteilkonturen an und dichtet auch feine Kratzer oder andere Fehler in den Oberflächen ab. Je geringer die Härte des O-Rings ist, desto weniger Druck wird für die notwendige Verpressung benötigt.

Bei O-Ringen kommen zwei Verfahren für die Härtemessung zum Einsatz: Shorehärte und IRHD. Beide Methoden beruhen darauf, dass ein definierter Prüfkörper mit einem bestimmten Gewicht auf die Materialprobe einwirkt. Über die Eindringtiefe ergibt sich die Härte nach Shore oder IRHD. Beide Verfahren nutzen Skalen von 0 bis 100, wobei der Wert 100 bedeutet, dass der Prüfkörper überhaupt nicht in die Probe eingedrungen ist.

Die Shorehärte des Werkstoffes ist eine zentrale Angabe im technischen Datenblatt und oft ein entscheidendes Kriterium bei der Werkstoffauswahl. Entscheidend für die Praxis: Auf den Datenblättern findet sich in der Regel die an Materialproben ermittelte Shorehärte. Abweichungen zwischen der Härte einer Normprobe und der Härte des Endprodukts O-Ring lassen sich nicht vermeiden, denn die geometrischen Unterschiede zwischen Probe und Fertigteil sind zu groß. Die Verfahren sind zudem anfällig für Messfehler.

Bei Systemdruck die richtige Härte wählen

Entgegen verbreiteter Annahmen ist ein härterer O-Ring nicht automatisch besser als ein weniger harter. Wahr ist, dass härtere O-Ringe sich unter Druckeinwirkung weniger leicht verformen. Das hat Vorteile für die Haltbarkeit der Dichtung. Härtere O-Ringe passen sich dadurch aber auch weniger gut den feinsten Unebenheiten in den Dichtungsflächen an. Das richtige Maß für die Härte ergibt sich also immer aus der Gesamtheit der Betriebsbedingungen und der Gestaltung aller Bauteile des Dichtungssystems.

Die Shorehärte ist aber nicht allein verantwortlich für den Verformungswiderstand. Daneben spielt der Druckverformungsrest eine wichtige Rolle. O-Ringe nehmen unter Druckbelastung nicht nur eine elastische, sondern auch eine plastische Verformung an. Diese sollte möglichst gering ausfallen, damit sich der O-Ring über lange Zeit wechselnden Betriebsbedingungen anpassen kann. Je geringer der Druckverformungsrest, desto weniger bleibende Verformung behält ein O-Ring nach seiner Entlastung zurück.

Auslegungssache: der Dichtungsspalt

Zuerst die gängigen Richtwerte für die Gestaltung von Nuttiefe und Schnurdurchmesser: Wie stark die druckbedingte Verformung des O-Rings in der Einbaulage ausfällt, gibt die Verpressung an. Dabei handelt es sich um den prozentualen Anteil des Schnurdurchmessers, um den der Querschnitt zusammengepresst wird. Übliche Verpressungen für den statischen Einsatz bewegen sich zwischen 15 und 30 Prozent.

Die Breite der Nut sollte so ausgelegt sein, dass das Medium von der druckbelasteten Seite gleichmäßig eindringen kann. Ein häufig angesetzter Richtwert: Die rechteckige Querschnittsfläche der Nut sollte etwa das 1,25-fache der runden Querschnittsfläche des O-Rings betragen.

Der Mediendruck presst den O-Ring nicht nur gegen die Flanke der Nut, sondern auch an den Dichtspalt zwischen den Bauteilen. Dieser ergibt sich aus dem Durchmesserspiel zwischen den beiden abzudichtenden Bauteilen. Wirkt der Druck eine ausreichend hohe Kraft auf die Dichtung aus, kann der O-Ring in diesen Spalt hineingepresst werden. Ein größerer Dichtspalt begünstigt diesen Vorgang, vor allem bei radialen Abdichtungen.

O-Ringe mit geringerer Shorehärte lassen sich bereits mit geringerem Druck in den Dichtspalt pressen. Das kann zu einer bleibenden Verformung der Elastomerdichtung und damit zu ihrem Versagen führen. Dabei ergibt sich das Schadensbild der Spaltextrusion: Die Nutkante schert das Material in dünnen Schichten vom O-Ring ab. Solche mechanischen Schädigungen stellen noch vor Alterung und Medienangriff die häufigste Ursachenkategorie für das Versagen einer O-Ring-Dichtung dar. Mehr dazu lesen Sie im Beitrag zur Spaltextrusion bei O-Ringen.

Handlungsoptionen bei stark druckbelasteten O-Ringen

Bei Druckanwendungen ist die direkteste Lösung in der Regel keine Option: Der Systemdruck kann gewöhnlich nicht reduziert werden, um den Anforderungen der Abdichtung Rechnung zu tragen. Stattdessen sind Optimierungen am Dichtungssystem gefragt, und zwar zuerst beim Werkstoff.

Bei Anwendungen mit hoher Druckbelastung sollte der Konstrukteur O-Ringe mit höherer Shorehärte vorsehen. Mit den verbreiteten Basiselastomeren wie FKM oder NBR lassen sich durch die Wahl unterschiedlicher Compounds Shorehärten im üblichen Bereich von 70 bis 90 Shore A erzeugen. Wenig geeignet für Druckanwendungen sind Silikone wie VMQ oder FVMQ. Hier sollte der Dichtspalt besonders gering gewählt werden.

Polyurethanwerkstoffe halten einem hohen Systemdruck deutlich besser Stand. Sie haben einen sehr geringen Druckverformungsrest und nehmen nach der Entlastung ihre ursprüngliche Form zu einem hohen Maß wieder an. O-Ringe mit höherer Schnurstärke haben mehr Reserven und behalten so auch bei Spaltextrusion länger ihre Dichtwirkung. Zusätzlich können Gewebearmierungen oder extrusionsfeste Stützringe die Haltbarkeit der Dichtung steigern. Welche Werte beim Querschnitt und der Shorehärte sinnvoll sind, hängt vom konkreten Einbauraum ab.

Fazit zu druckbelasteten O-Ringen

Erst nachdem die Werkstoffauswahl ausgereizt ist, sollten konstruktive Maßnahmen folgen. Allgemeine Tabellen geben Anhaltspunkte zur Gestaltung des Dichtspalts in Abhängigkeit vom O-Ring. Für einen O-Ring mit einer Schnurstärke zwischen 2 und 3 Millimetern bei einer Druckbelastung bis 70 bar gelten zum Beispiel folgende Grenzwerte:

Ein härterer O-Ring verträgt also bei gleicher Druckbelastung einen größeren Spalt. Durch die Fertigung der Bauteile mit möglichst geringen Toleranzen lässt sich der Dichtspalt verkleinern, die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit begrenzen diesen Ansatz jedoch. Einbaunuten werden auf rotationssymmetrischen Bauteilen mit einem Drehmeißel eingestochen, bei Flanschdeckeln kommt ein Nutfräser zum Einsatz. Die Präzision dieser Verfahren zu verbessern oder das Ergebnis durch Schleifen zu steigern, treibt die Fertigungskosten in die Höhe.

Genauso wichtig ist, wie genau die beiden Bauteile im Einbauzustand zueinander positioniert sind. Führungen können die Exzentrizität der Werkstücke wirksam begrenzen. Die konstruktive und fertigungstechnische Optimierung der Nutgestaltung hat ihre Grenzen, denn enge Toleranzen und hohe Oberflächengüten sind ein erheblicher Kostenfaktor. Um den Aufwand für eine leistungsfähige Abdichtung wirtschaftlich zu halten, müssen auch die übrigen Komponenten des Dichtungssystems auf die Druckanwendung hin optimiert werden. Die Grundlagen zur Nutgestaltung finden Sie im Beitrag zu O-Ring-Nuten, die konkrete Auslegung übernimmt unsere O-Ring-Nutberechnung.

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