Konstruktionselemente Kritische Elemente

Kolbenstangendichtungen für Hydraulikzylinder basieren auf Kompromissen aus Dichtheit und Reibung. Bei Hydraulikzylindern sind Leckagegefahr und Reibung zwischen zueinander bewegten...

Anbieter zum Thema

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

AXA Entwicklungs- und Maschinenbau GmbH

Franke GmbH

Bei Hydraulikzylindern sind Leckagegefahr und Reibung zwischen zueinander bewegten Funktionsteilen kritische Qualitätskriterien. Da die Kolbenstangendichtung dabei ein wichtiges Bauteil ist, scheint sich die Suche nach dem idealen Produkt zu lohnen.Bereits kleine Mengen Hydrauliköl verunreinigen die Umwelt. Leckagefreies Abdichten eines Hydraulikzylinders ist daher unbedingt nötig. Jedoch ist es praktisch unmöglich, das Öl beim Ausfahren der Kolbenstange vollständig abzustreifen. Zudem muss technisch zur Schmierung der Dichtung ein dünner Ölfilm auf der Stange verbleiben. Um leckagefrei abdichten zu können, ist dieser Film beim Einfahren der Stange wieder völlig in den Zylinder zu fördern. Mitte der 60er Jahre wurden erstmals mit der inversen Reynoldsgleichung die Vorgänge im Dichtspalt beschrieben [1]. Der unter der Dichtung durchgeschleppte Ölfilm ist umso kleiner, je größer der in Bewegungsrichtung maximale Pressungsanstieg w zwischen Dichtung und Stange ist. Um dynamisch sicher abzudichten, muss auf der Ölseite ein steiler Pressungsanstieg vorhanden sein. Somit wird nur ein dünner Ölfilm ausgeschleppt. Auf der Luftseite ist dagegen für eine gute Rückförderung der Pressungsanstieg möglichst flach zu halten. Der Pressungsverlauf zwischen Stange und Dichtung wird wesentlich von der Geometrie der Dichtkante bestimmt [2]. Ein steiler Kantenwinkel auf der Ölseite und ein flacher auf der Luftseite führt zu dem erwünschten Pressungsverlauf.Vorzüge von PUR und PTFE kommen meist zum TragenUm möglichst lange eine gute Dichtwirkung zu erzielen, muss der Dichtungswerkstoff abriebfest und formstabil sein - auch bei hohen Temperaturen und Drücken. Heute werden überwiegend Polyurethan (PUR) und gefüllte PTFE-Werkstoffe verwendet. PUR ist sehr abriebfest und formstabil. PTFE ist bei hohen Temperaturen und wegen der ausgezeichneten chemischen Werkstoffverträglichkeit vorteilhaft verwendbar. Den idealen Werkstoff gibt es nicht. So kann Bremsflüssigkeit außer mit PTFE auch mit dem kostengünstigeren Elastomer EPDM abgedichtet werden, nicht aber mit PUR.Um die Dichtungseigenschaften zu testen, sind verschiedene Prüf- und Messeinrichtungen notwendig. Am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart können die Reib- und Dichteigenschaften sowie der Verschleiß einer Dichtung bestimmt werden. Auch stehen Messeinrichtungen zur Verfügung, um das Dichtringprofil zu ermitteln und die Stangen- oder Dichtungsoberfläche zu beurteilen. So zeigt sich, dass verschiedene Werkstoffe und Dichtringprofile als Stangendichtung ihre Berechtigung haben.Nutringe aus Polyurethan sind kostengünstige und universell einsetzbare Dichtungen. Sie können bei Öldrücken bis 40 MPa, einer Kolbengeschwindigkeit bis 0,5 m/s und Gebrauchstemperaturen von ]30 bis 100 °C verwendet werden. Solche Angaben sind immer Maximalwerte, die nicht gleichzeitig auftreten dürfen. PUR-Nutringe haben eine sehr gute Dichtwirkung, allerdings auch eine hohe Reibung. So berührt die Dichtung etwa ab 6 MPa auf der ge-samten Länge L die Stange. Dies führt zu starker Reibung. Abhilfe kann in diesem Fall eine strukturierte Rückenfläche bringen [3]. Bei den am Institut für Maschinenelemente mitentwickelten Stufendichtungen werden die Vorteile von PTFE wie Temperaturfestigkeit und geringe Reibung für die Ölabdichtung genutzt. Mit entsprechendem Detailwissen sind Gebrauchstemperaturen von ]45 bis 200 °C, Drücke bis 80 MPa und eine Kolbengeschwindigkeit bis 15 m/s nach Herstellerangaben möglich. Die zu niedrige Elastizität des PTFE-Stufenrings gleicht ein Elastomer-O-Ring aus. Er ermöglicht unter anderem die notwendige Nachgiebigkeit der Dichtung. Die Reibung einer Stufendichtung aus gefüllten PTFE-Werkstoffen ist deutlich niedriger als die eines PUR-Nutrings [3]. Auch kommt es kaum zum Ruckgleiten. PTFE-Stufendichtungen eignen sich gut für Aufgaben, bei denen eine genaue Positionierung der Stange nötig ist. Nachteilig an der PTFE-Stufendichtung ist die im Vergleich zum PUR-Nutring deutlich höhere Leckage. Eine leckagefreie Abdichtung ist mit zwei hintereinander eingebauten Dichtungen möglich. Die Reibung ist bei höherem Druck auch mit zwei eingebauten Dichtungen niedriger als die eines PUR-Nutrings [3]. Mit zulässigen Drücken bis 25 MPa, einer Kolbengeschwindigkeit bis 5 m/s und Temperaturen von ]30 bis 100 °C erreichen Dichtungen mit PUR-Stufenring nicht die extremen Betriebsbedingungen wie solche aus PTFE. Sie sind aber besser dicht und eignen sich daher gut als zweite Dichtung bei Doppelanordnungen.Vorteilhafte Kombinationen aus mehreren ElementenVielfach sind die an die Abdichtung einer Hydraulikstange gestellten Anforderungen nur mit einem Dichtsystem ] einer Kombination aus mehreren Elementen (Dichtungen, Abstreifer, Führung) ] zu erreichen. Die Schwierigkeit beim Einsatz mehrerer Elemente besteht darin, diese richtig aufeinander abzustimmen. Werden an sich gute Dichtelemente ungünstig kombiniert, kann hohe Leckage, kurze Lebensdauer oder hohe Reibung die Folge sein.Einen wichtigen Einfluss auf die Dichtstelle hat die Stangenoberfläche. Sie darf nicht abrasiv wirken, zudem ist eine gewisse Rauheit nötig, um Schmierstoffdepots für günstige Reibungsverhältnisse zu bilden. Damit diese Eigenschaften erreicht werden, fordern Dichtungshersteller Oberflächen mit Rauheitswerten Ra von 0,05 bis 0,50 µm, Rmax und Rt von 0,80 bis 2,50 µm sowie einen bestimmten Traganteil Rmr. Beim Beschreiben und Festlegen geeigneter Oberflächen besteht noch ernormer Forschungsbedarf. So gibt es trotz Einhaltung der geforderten Oberflächenparameter noch viele Anwendungen mit Dichtungsverschleiß und -ausfall, bevor eine akzeptable Laufleistung erreicht wird.Die Abdichtung eines Hydraulikzylinders wird immer ein Kompromiss zwischen Reibung und Dichtheit sowie Aufwand und Kosten sein. Bei geschicktem Einsatz kann aber nahezu jedes Abdichtproblem mit handelsüblichen Dichtungen gelöst werden.Literatur[1]Müller, H. K.: Hydrodynamik elastischer Dichtungen. O+P 3/1965, S. 89-93.[2] Müller, H. K.: Abdichtung bewegter Maschinenteile. Waiblingen: Medienverlag Müller, 1990.[3] Frenzel, U.: Rückenstrukturierte Hydraulikstangendichtungen aus Polyurethan. Dissertation Universität Stuttgart 2000.