Eine Hydraulikdichtung ist ein Dichtelement, das in hydraulischen Anlagen das Austreten der Druckflüssigkeit, die Vermischung getrennter Druckräume oder das Eindringen von Verunreinigungen begrenzt. Der Begriff bezeichnet sowohl statische Dichtungen an ruhenden Verbindungen als auch dynamische Dichtungen an gegeneinander bewegten Bauteilen. Besonders häufig sind Hydraulikdichtungen in Zylindern, Pumpen, Motoren und Ventilen. Ihre Auslegung beeinflusst Leckage, Reibung, Wirkungsgrad und Lebensdauer der jeweiligen Baugruppe.
Im Hydraulikzylinder arbeitet keine Dichtung für sich allein. Stangen- und Kolbendichtungen, Abstreifer, Führungselemente und statische Dichtungen bilden gemeinsam ein System, dessen Auslegung sich nach Druck, Temperatur, Bewegungsart, Geschwindigkeit, Hydraulikflüssigkeit, Spaltmaßen und Oberflächenbeschaffenheit richtet. Angaben zur Höchstbelastung eines einzelnen Profils sagen deshalb noch wenig darüber aus, wie zuverlässig das gesamte System in der konkreten Anwendung arbeitet.
Funktion und Wirkprinzip Die Dichtung überbrückt den schmalen Spalt zwischen zwei Bauteilen und hält so die Hydraulikflüssigkeit im vorgesehenen Druckraum. Im Zylinder bewegt sich der Kolben entlang des Zylinderrohrs; zugleich läuft die Kolbenstange durch den Zylinderkopf. An beiden Stellen muss die Abdichtung der Bewegung folgen, ohne einen unzulässigen Flüssigkeitsverlust zu verursachen.
Bereits nach dem Einbau liegt die Dichtkante mit leichter Vorspannung an der Gegenfläche an. Sie entsteht durch das Übermaß des Profils und die Elastizität des Werkstoffs und sorgt auch bei geringem Druck für eine Grundabdichtung. Bei vielen Bauformen verstärkt der anstehende Hydraulikdruck die Anpressung. Innerhalb der konstruktiven Grenzen nimmt die Dichtwirkung somit mit dem Betriebsdruck zu.
Zwischen einer bewegten Dichtung und ihrer Gegenfläche bleibt ein sehr dünner Film der Hydraulikflüssigkeit zurück. Dieser Film schmiert den Kontakt und vermindert Reibung und Verschleiß. Beim Rückhub soll ein möglichst großer Teil der Flüssigkeit wieder in den Zylinder gelangen. Wie gut dies gelingt, hängt unter anderem von der Form der Dichtkante, dem Werkstoff, der Geschwindigkeit, der Viskosität, dem Druck und der Beschaffenheit der Gleitfläche ab. Experimentelle Messungen an Stangendichtungen zeigen dabei Filmdicken im Submikrometer- bis Nanometerbereich. Eine dynamische Dichtung arbeitet deshalb nicht vollständig trocken.
Problematisch wird es, wenn der Druck den Dichtungswerkstoff in den Bauteilspalt drückt. Dort kann er eingeklemmt und bei der nächsten Bewegung abgeschert werden. Eng tolerierte Spaltmaße und eine zuverlässige Führung von Kolben und Stange wirken dem entgegen; bei hoher Belastung kommen zusätzlich Stützringe infrage.
Dichtungssystem im Hydraulikzylinder mini|Schnittdarstellung eines Hydraulikzylinders und dessen Dichtungsgruppe
Kolbendichtung Die Kolbendichtung sitzt zwischen Kolben und Zylinderrohr. In doppeltwirkenden Zylindern trennt sie die beiden abwechselnd beaufschlagten Druckkammern. Eine innere Leckage ist äußerlich nicht sichtbar, vermindert aber die übertragbare Kraft und kann dazu führen, dass ein belasteter Zylinder seine Position nicht hält. Einfachwirkende Kolbendichtungen dichten bevorzugt in einer Druckrichtung; doppeltwirkende Profile sind für wechselnde Druckrichtungen ausgelegt. Die Begriffe beziehen sich auf die Druckbeaufschlagung der Dichtung, nicht allein auf die Bauart des Zylinders.
Stangendichtung und Pufferdichtung Die Stangendichtung begrenzt den Austritt von Hydraulikflüssigkeit entlang der aus dem Zylinderkopf geführten Kolbenstange. Sie muss gleichzeitig einen Schmierfilm für den Rückhub zulassen. In hoch belasteten Zylindern kann vor der eigentlichen Stangendichtung eine Pufferdichtung angeordnet sein. Diese fängt Druckspitzen ab und vermindert die Druckbelastung der nachgeordneten Dichtung. Zwischen mehreren Dichtelementen muss eingeschlossene Flüssigkeit wieder in den Druckraum entlastet werden können; andernfalls kann sich ein unerwünschter Zwischendruck aufbauen.
Abstreifer und Führungselemente Auf der Umgebungsseite des Zylinderkopfs sitzt der Abstreifer. Beim Einfahren entfernt er Schmutz, Wasser oder Eis von der Kolbenstange und schützt so die dahinterliegenden Gleitflächen sowie die Hydraulikflüssigkeit. Doppelwirkende Ausführungen können zudem einen nach außen gelangten Schmierfilm zurückführen. Abstreifer und Stangendichtung müssen aufeinander abgestimmt sein, damit sich im Zwischenraum kein Druck aufbaut.
Führungsringe oder Führungsbänder nehmen Querkräfte auf, halten Kolben und Stange zentrisch und verhindern metallischen Kontakt. Sie besitzen keine primäre Dichtfunktion, bestimmen aber das Spaltmaß und damit die Belastung der Dichtungen. Die Anordnung und Breite der Führung richten sich nach Belastung, Hebelarm, Werkstoff und zulässiger Flächenpressung.
Statische Dichtungen Ruhende Verbindungen, etwa zwischen Zylinderrohr und Deckel, werden häufig mit O-Ringen oder anderen Formdichtungen abgedichtet. Auch an statischen Dichtstellen kann hoher Druck den Werkstoff in einen Spalt treiben. Bei großen Spalten oder wechselndem Druck werden deshalb Stützringe eingesetzt. O-Ringe dienen außerdem als elastische Vorspannelemente für PTFE-Gleitringe. Innendurchmesser, Schnurstärken und Toleranzen von O-Ringen sind in ISO 3601-1 beschrieben.
Bauformen Hydraulikdichtungen werden nach Einbauort, Bewegungsart, Druckrichtung und Profil unterschieden. Die Bezeichnungen sind nicht in jedem Herstellerprogramm deckungsgleich. Häufige Konstruktionsprinzipien sind:
Lippen- und U-Ring-Dichtungen: besitzen eine oder mehrere elastische Dichtlippen. U-förmige Profile werden im Deutschen oft als Nutringe bezeichnet. Der Druck spreizt die Lippen und verstärkt die Anpressung.
Kompaktdichtungen: fassen Dicht-, Stütz- und teilweise Führungselemente in einem mehrteiligen Satz zusammen. Sie werden vor allem als Kolbendichtungen eingesetzt, wenn ein kurzer axialer Einbauraum oder hohe Extrusionssicherheit verlangt wird.
Vorgespannte Gleitringdichtungen: bestehen meist aus einem reibungsarmen PTFE- oder Thermoplast-Gleitring und einem elastomeren O-Ring oder Federelement. Sie eignen sich für geringe Losbrechkräfte, höhere Geschwindigkeiten oder chemisch anspruchsvolle Medien, benötigen aber sorgfältig ausgeführte Gegenflächen.
Dachmanschettensätze: bestehen aus mehreren V-förmigen Ringen, die axial verspannt werden. Sie sind nachstellbar und tolerant gegenüber Verschleiß, benötigen jedoch mehr Bauraum als moderne Einzelprofile und kommen heute vor allem in besonderen oder älteren Konstruktionen vor.
Rotierende Wellen werden ebenfalls hydraulisch abgedichtet, etwa in Pumpen und Motoren. Wegen der kontinuierlichen Gleitbewegung und der anderen Schmierbedingungen kommen dort eigene Bauformen wie Radial-Wellendichtringe, PTFE-Lippendichtungen oder Gleitringdichtungen zum Einsatz. Sie sind von den für Hubbewegungen ausgelegten Stangen- und Kolbendichtungen zu unterscheiden.
Anwendungsbereiche In der Mobilhydraulik werden Dichtungen unter anderem in Baumaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, Flurförderzeugen und kommunalen Fahrzeugen eingesetzt. Zylinder für Ausleger, Lenkungen oder Abstützungen sind dort wechselnden Lasten, Schmutz, Feuchtigkeit und großen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Neben der eigentlichen Dichtwirkung spielen widerstandsfähige Abstreifer, korrosionsbeständige Kolbenstangen und eine unempfindliche Führung eine entsprechend große Rolle. Stoßartige Belastungen können kurzzeitig Drücke erzeugen, die deutlich vom stationären Betriebszustand abweichen. mini|Anwendungsbeispiel Hydraulikbagger Stationäre Hydraulik findet sich unter anderem in Pressen, Spritzgießmaschinen, Walzwerken, Werkzeugmaschinen, Prüfständen und Hebeeinrichtungen. Zwar lassen sich die Umgebungsbedingungen dort meist besser kontrollieren, doch hohe Taktzahlen, lange Haltezeiten oder enge Anforderungen an die Positioniergenauigkeit setzen andere Schwerpunkte. Eine Presse verlangt vor allem Belastbarkeit; bei einer Werkzeugmaschine können dagegen gleichmäßige Reibung und geringe innere Leckage ausschlaggebend für die Bewegungsqualität sein.
Besondere Anforderungen gelten in der Lebensmitteltechnik, der chemischen Industrie, der Meerestechnik sowie bei biologisch schnell abbaubaren oder schwer entflammbaren Hydraulikflüssigkeiten. Hier schränkt die Medienverträglichkeit die Werkstoffauswahl ein. In hygienisch sensiblen Bereichen kommen zusätzliche Vorgaben für Werkstoffe, Schmierstoffe und Reinigbarkeit hinzu. Unter Wasser oder in korrosiver Atmosphäre müssen auch metallische Gegenflächen und Gehäuse geschützt werden. Solche Anwendungen werden deshalb meist als vollständiges Dichtungs- und Führungssystem ausgelegt und nicht durch den isolierten Austausch eines einzelnen Werkstoffs angepasst.
Werkstoffe Temperaturgrenze und Druckfestigkeit allein ergeben noch keine belastbare Werkstoffwahl. Hinzu kommen Medienverträglichkeit, Härte, Elastizität, Rückstellvermögen, Reibungs- und Verschleißverhalten sowie die Beständigkeit gegen Alterung und Hydrolyse. Da Handelsnamen meist konkrete Rezepturen bezeichnen, lassen sich Datenblattwerte nicht ohne Weiteres auf eine gesamte Werkstoffgruppe übertragen. WerkstoffgruppeTypische EigenschaftenHäufige Verwendung und GrenzenNBR / HNBRÖlbeständige Elastomere mit gutem Rückstellvermögen; HNBR ist wärme- und alterungsbeständiger.O-Ringe, Vorspannelemente und Standardprofile für viele mineralölbasierte Medien; Verträglichkeit stets prüfen.FKMHohe Wärme- und Chemikalienbeständigkeit, meist höhere Kosten und eingeschränkte Tieftemperaturelastizität.Thermisch oder chemisch belastete Anwendungen; nicht pauschal mit allen Flüssigkeiten verträglich.EPDMGute Beständigkeit gegen Wasser, Dampf, Ozon und Witterung.Bestimmte wasserbasierte oder schwer entflammbare Flüssigkeiten; für Mineralöle im Allgemeinen ungeeignet.PolyurethanHohe Abrieb- und Weiterreißfestigkeit, gute Belastbarkeit gegen Extrusion.Stangen-, Kolben- und Abstreiferdichtungen; Verhalten bei Wärme und Wasser hängt stark von der PU-Chemie ab. Abrasiver Verschleiß kann insbesondere bei degradierten oder partikelbelasteten Schmierstoffen zunehmen.PTFE-CompoundsSehr geringe Reibung, weiter chemischer und thermischer Einsatzbereich, geringe Eigenelastizität.Gleitringe mit separatem Vorspannelement; Füllstoffe verändern Verschleiß, Festigkeit und Gegenlaufverträglichkeit.POM / PA / PEEKSteife Thermoplaste mit je nach Typ hoher Festigkeit und Verschleißbeständigkeit.Vor allem Führungs- und Stützringe; Feuchteaufnahme, Temperatur und Medium sind zu berücksichtigen. Übersicht ohne konkrete Einsatzgrenzen; maßgeblich sind Werkstoffdaten, Medium und Betriebsbedingungen.
Normung und Prüfung Die ISO 5598 vereinheitlicht die Terminologie der Fluidtechnik. Für Hubdichtungen in Hydraulikzylindern legt ISO 5597 bevorzugte Einbaumaße und Toleranzen für Gehäuse einfachwirkender Stangen- und Kolbendichtungen fest; die Norm schreibt kein bestimmtes Dichtungsprofil vor. ISO 6195 behandelt Einbaumaße für Abstreifringe an hin- und hergehenden Stangen. ISO 3601-1 betrifft Abmessungen und Toleranzen von O-Ringen. Für vergleichende Leistungsprüfungen von Dichtungen in ölhydraulischen Hubanwendungen enthält ISO 7986 standardisierte Prüfbedingungen und -verfahren.
Normgerechte Einbauräume erleichtern Austauschbarkeit und Konstruktion, garantieren jedoch nicht die Eignung für einen bestimmten Einsatz. Profil, Werkstoff, Oberflächen, Flüssigkeit und Lastkollektiv müssen weiterhin gemeinsam bewertet werden.
Weblinks Hydraulikdichtungen für industrielle Anwendungen. In: HP-Dichtungen: Schnittdarstellung eines Hydraulikzylinders und dessen Dichtungsgruppe
Einzelnachweise
Kategorie:Hydraulik Kategorie:Dichtung (Bauteil)