Fachartikel

Robuste Kolbendichtung für leichte Installation

Unter Druck dauerhaft stärker

SKF hat eine neue Generation von Kolbendichtungen für Hydraulikzylinder entwickelt, die besonders langlebig und leicht zu installieren sind. Umfangreiche Entwicklungsarbeit zu Werkstoffen und Geometrie ging der Markteinführung voraus.
Von Wolfgang Swete*

In vielen Off-Highway-Anwendungen sind Hydraulikzylinder und deren Dichtungen enormen Belastungen ausgesetzt.
In vielen Off-Highway-Anwendungen sind Hydraulikzylinder und deren Dichtungen enormen Belastungen ausgesetzt.
Hydraulikzylinder kommen in vielen Off-Highway-Anwendungen zum Einsatz; so unter anderem in Maschinen für die Land- und Forstwirtschaft, für den Bau beziehungsweise Bergbau oder auch in der Fördertechnik. All diesen Bereichen ist eines gemein: Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Zylinder sind enorm hoch. Beispielsweise ernten Mähmaschinen Quadratkilometer große Getreideflächen ab, während Kipplaster tonnenweise Gestein befördern und Großbagger riesige Erdbewegungen durchführen.

Dabei sind die Maschinen in aller Regel äußerst harten Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, Schlamm oder Steinschlag ausgesetzt. Folglich stehen auch die Hydraulikzylinder und Dichtungen unter extremen Belastungen.

Für Anwendungen mit moderater bis hoher Beanspruchung: Die neuen Kolbendichtungen: für Hydraulikzylinder mit metrischen Abmessungen (MPV) Bild: SKF
Für Anwendungen mit moderater bis hoher Beanspruchung: Die neuen Kolbendichtungen: für Hydraulikzylinder mit metrischen Abmessungen (MPV) Bild: SKF
Zugleich nehmen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Hydraulikzylinder kontinuierlich zu. Dabei spielen die Dichtungen eine bedeutende Rolle: Sie verhindern, dass Hydraulikflüssigkeiten auslaufen und Verunreinigungen eindringen. Außerdem helfen sie, den Flüssigkeitsdruck aufrechtzuerhalten. Aus derartigen Gründen hat SKF in den zurückliegenden Jahren bereits ein breites Spektrum maßgeschneiderter Hydraulikdichtungen entwickelt.

Knackpunkt Kolbendichtung
Innerhalb des gesamten Dichtungssystems hängt die Funktionalität eines Hydraulikzylinders vor allem von der Kolbendichtung ab: Diese Dichtung befindet sich in einer Nut an der Außenseite des Kolbens. Ihre Hauptaufgabe ist es, die beiden angrenzenden Druckräume im Zylinder voneinander zu separieren beziehungsweise den Druck im einen Raum aufrechtzuerhalten, damit er nicht in den anderen entweicht. Da die meisten Hydraulikzylinder bidirektional arbeiten, muss die Dichtung den Druck von beiden Seiten aufnehmen können.

Diese Anwendung verlangt von den Ingenieuren – wie üblich bei der Entwicklung neuer Dichtungen – eine Gratwanderung zwischen Dichtwirkung und Reibung: Wenn die Dichtung zu viel Flüssigkeit von der Hochdruckseite des Zylinders zur Niederdruckseite austreten lässt, verliert der Zylinder an Leistung.

Andererseits führt übermäßige Reibung an der Zylinder-Innenwand zu beschleunigtem Verschleiß und reduzierter Lebensdauer. Der völlige Ausfall einer Kolbendichtung kann sogar erhebliche Sicherheitsrisiken bergen, weil die Kontrolle über die gerade bewegten Lasten verloren geht. Ein Beispiel dafür ist der sogenannten Blow-by, bei dem das Medium bei Druckaktivierung schlagartig von der Hochdruckseite des Zylinders zur Niederdruckseite strömt. Um Dichtungen gegen hohe Drücke und Temperaturen der Hydraulikflüssigkeiten zu wappnen, braucht es den richtigen Werkstoff. Diese Faktoren belasten nebenbei bemerkt nicht nur die Dichtungsmaterialien, sondern führen auch dazu, dass sich die anderen Komponenten des Zylinders ausdehnen beziehungsweise zusammenziehen.

Pro und Contra PTFE

Für Hydraulikzylinder bietet der Hersteller zahlreiche Dichtungslösungen an. Bild: SKF
Für Hydraulikzylinder bietet der Hersteller zahlreiche Dichtungslösungen an. Bild: SKF
Häufig wird bei Kolbendichtungen mit Gleitring auf Polytetrafluorethylen (PTFE) als Dichtungsmaterial zurückgegriffen. Es verfügt über diverse vorteilhafte Eigenschaften wie etwa eine außergewöhnlich niedrige Haft- und Gleitreibung sowie eine gute chemische Beständigkeit. Allerdings gibt es auch Nachteile: Wegen ihrer begrenzten Elastizität sind PTFE-Dichtungen beispielsweise recht schwierig zu montieren. Um Beschädigungen zu vermeiden, müssen sie beim Einbau mit speziellen Montagewerkzeugen gedehnt werden. Dieser Vorgang ist nicht nur umständlich, sondern erhöht auch den Zeit- und Kostenaufwand für die Hersteller beziehungsweise Wartungsteams. Hinzu kommt, dass das eher plastische als elastische PTFE unter ständig wechselnden Belastungen dauerhaft so deformiert werden kann, das seine Dichtwirkung abnimmt.

In Anbetracht solcher Defizite hat sich ein Team von SKF-Ingenieuren auf die Suche nach einer alternativen Dichtungstechnologie begeben. Ziel war es, eine Lösung auf Basis des firmeneigenen Ecopur-Polyurethanwerkstoffs zu realisieren. Dabei entpuppte sich der große Extrusionsspalt zwischen Kolben und Zylinderwand schnell als besondere Herausforderung: Hier müsste die geplante Dichtung über einen ausreichenden Extrusionswiderstand verfügen, um ihre Form unter sämtlichen Betriebsbedingungen beizubehalten.

Polyurethan auf dem Prüfstand

X-Ecopur PS liefert eine höhere Extrusionsleistung über den gesamten Temperaturbereich. Bild: SKF
X-Ecopur PS liefert eine höhere Extrusionsleistung über den gesamten Temperaturbereich. Bild: SKF
Die ersten Versuche startete der Hersteller zunächst mit Prototypen aus seinem bis dato härtesten thermoplastischen Polyurethan. Allerdings wurde dieses Material den Ansprüchen einer Kolbendichtungsanwendung, speziell in Bezug auf die Extrusionsfestigkeit, nicht gerecht. Damit war klar, dass eine neue Ecopur-Qualität speziell für die Kolbendichtungsanwendung entwickelt werden musste.

Um sich den gewünschten Eigenschaften des neuen Dichtungsmaterials anzunähern, führten die Ingenieure mit verschiedenen Werkstoff-Varianten unter anderem statische Extrusionstests durch. Zu diesem Zweck wurden die Proben in einem Prüfstand mit einem Öldruck von 500 bar beaufschlagt, der sie durch unterschiedliche Spalte (zwischen 0,15 Millimeter und 0,7 Millimeter) zu extrudieren versuchte.

Die Prüfdauer wurde jeweils mit zwei Wochen bei konstanten Temperaturen festgesetzt, in einer Gesamt-Bandbreite von 60 Grad Celsius bis 100 Grad Celsius. Danach wurde die aus den Tests resultierende Permanent-Verformung der einzelnen Prüflinge erfasst und verglichen.

Am Ende hatten die Entwickler mit dem „X-Ecopur PS“ getauften Polyurethan den am besten geeigneten Werkstoff gefunden. Dabei handelt es sich um die nunmehr härteste Ecopur-Variante des Unternehmens. Zusätzlich schufen die Ingenieure mit dem Werkstoff PT 54D ein neues Material für weniger stark beanspruchte Zylinder.

Dichtungs-Design im Detail

Extrusionsspalt-Dimensionen als vergleichbare Lösungen. Bild: SKF
Extrusionsspalt-Dimensionen als vergleichbare Lösungen. Bild: SKF
Neben dem Werkstoff als solchem muss selbstverständlich auch die Geometrie der Dichtung stimmen, um eine optimale Funktion zu erzielen. Beim Design der Dichtung griff das Unternehmen auf seinen bewährten Produktentwicklungsprozess zurück. Dieser kombiniert Computersimulationen auf Basis der Finite Elemente-Methode (FEM) mit dem Rapid Prototype Development per Seal-Jet-Verfahren und anschließenden Prüfläufen in speziell konzipierten, statischen und dynamischen Prüfständen. Dieser iterative Prozess führte schließlich zum endgültigen Design der Außenkontur des Polyurethan-Gleitrings, der eine abgeflachte M-Form mit zwei sorgfältig angepassten Dichtlippen aufweist. Diese beiden Kontaktstellen liefern eine bessere Dichtwirkung als eine plane Fläche und minimieren zugleich den Reibungswiderstand. Außerdem wirkt die Verteilung der an der Dichtkante wirkenden Kontaktkräfte auf zwei Dichtlippen dem Umkippen oder Verdrehen entgegen, was bei einer einzelnen Dichtlippe leicht zu vorzeitigem Versagen führen könnte.

Eine weitere konstruktive Verbesserung hat der Hersteller beim Vorspannelement der Dichtung erzielt. Dabei handelt es sich um einen weicheren Gummiteil, der unterhalb des Polyurethan-Gleitrings fest im Einbauraum sitzt; hier also statisch abdichtet und zudem den Gleitring gegen die Innenwand des Hydraulikzylinders presst zur dortigen dynamischen Abdichtung. Bei Dichtungen für Leichtlast-Zylinder besteht diese Komponente meist aus einem simplen O-Ring, während Dichtungskonstruktionen für mittlere und schwere Beanspruchungen über speziell geformte Vorspannelemente (beide aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) verfügen.

Um den Druckaufbau zwischen Vorspannelement und Gleitring zu vereinfachen, hat das Unternehmen Druckausgleichsnuten in den Stirnseiten des Gleitrings vorgesehen. Diese Nuten ermöglichen zudem schnelle Druckwechsel, wodurch das Risiko von Blow-by-Effekten minimiert wird.

Vom Prototypen zur Produktreihe
Vor der Markteinführung hat der Hersteller die neuen Dichtungen umfangreichen Prüfungen unterzogen. Dazu gehörte auch ein Langzeitversuch mit einer Gesamtstrecke von 200 Kilometern hin- und hergehend bei Drücken von bis zu 250 bar und Temperaturen von 80 Grad Celisus. Während dieser Tests wurden Leckage und Reibung erfasst, bevor die Dichtungen selbst vermessen und untersucht wurden, um Oberflächenverschleiß und Extrusion zu ermitteln. Dabei stellte sich heraus, dass die neu entwickelte Lösung eine deutlich bessere Performance bietet als handelsübliche Alternativen: So manche – vermeintlich gleichwertige – Kolbendichtung ist an diesem „Langstrecken-Test“ gescheitert.

Angesichts der Leistung hält das Unternehmen diese Neuentwicklung auch schon für ein breiteres Spektrum von hydraulischen Anwendungen bereit: Die LPV-Baureihe mit einem O-Ring-Vorspannelement ist für vergleichsweise „leichte“ Lasten bei stationären Anwendungen in Innenräumen konzipiert, zum Beispiel in Produktionsmaschinen. Diese Dichtungen für metrische Abmessungen eignen sich für Drücke von bis zu 250 bar, Geschwindigkeiten bis maximal 0,5 Meter pro Sekunde und Temperaturen zwischen -20 Grad Celsius und 100 Grad Celsius.

Die MPV-Reihe ist für anspruchsvollere Anwendungen im moderaten und Schwerlastbetrieb bestimmt, wie sie etwa in mobilen Land- und Baumaschinen zu finden sind. Diese Dichtungen passen in metrische Gehäuse und sind für Drücke von bis zu 400 bar, Geschwindigkeiten bis maximal ein Meter pro Sekunde und Temperaturen zwischen -20 Grad Celsius und 110 Grad Celsius geeignet. Eine dritte Reihe aus dieser Dichtungsfamilie (DPV) bietet die gleichen Betriebsspezifikationen wie die MPV-Reihe, allerdings für Gehäuse mit Zoll-Abmessungen.

Fazit
Es lässt sich also zusammenfassen: Auf Basis des neuen Werkstoffs X-Ecopur PS hat SKF in Kombination mit einem verbesserten Design eine neue Kolbendichtung entwickelt. Gemessen an guten PTFE-Dichtungen zeigt die Komponente eine vergleichbare Performance, lässt sich in Hydraulikzylindern aber schneller und einfacher installieren. Außerdem ist die Kolbendichtung robust und langlebig.



*Wolfgang Swete ist Leiter der strategischen Produktentwicklung bei der SKF Sealing Solutions Austria GmbH.

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