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Unter Druck dauerhaft stärker als konventionelle Lösungen: Innovative Kolbendichtungen von SKF

Unter Druck dauerhaft stärker als konventionelle Lösungen:
Innovative Kolbendichtungen von SKF

Abb. 1 : In vielen Off-Highway-Anwendungen sind Hydraulikzylinder und deren Dichtungen enormen Belastungen ausgesetzt. 
Abb. 1 : In vielen Off-Highway-Anwendungen sind Hydraulikzylinder und deren Dichtungen enormen Belastungen ausgesetzt. 
Hersteller und Anwender von Hydraulikzylindern wünschen sich maximale Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei minimalem Instandhaltungsaufwand. Aus derartigen Gründen hat SKF eine neue Generation von Kolbendichtungen entwickelt. Die extrem leistungsstarken Dichtungen sind das Ergebnis umfangreicher Anstrengungen in Sachen Werkstoffforschung und Analyseverfahren.
Von Wolfgang Swete* 


Hydraulikzylinder kommen in vielen Off-Highway-Anwendungen zum Einsatz; so u. a. in Maschinen für die Land- und Forstwirtschaft, für den Bau bzw. Bergbau oder auch in der Fördertechnik (vgl. Abb. 1). 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. 





Abb. 2 : Für Hydraulikzylinder hält SKF ein breites Spektrum maßgeschneiderter Dichtungslösungen bereit. 
Abb. 2 : Für Hydraulikzylinder hält SKF ein breites Spektrum maßgeschneiderter Dichtungslösungen bereit. 
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 (vgl. Abb. 2). 


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 bzw. 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. 

Abb. 3: X-ECOPUR PS von SKF (links) liefert eine deutlich höhere Extrusionsleistung über den gesamten Temperaturbereich und sämtliche Extrusionsspalt-Dimensionen als vergleichbare Lösungen (rechts).
Abb. 3: X-ECOPUR PS von SKF (links) liefert eine deutlich höhere Extrusionsleistung über den gesamten Temperaturbereich und sämtliche Extrusionsspalt-Dimensionen als vergleichbare Lösungen (rechts).


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 (bspw. in Form eines „Blow-by“, bei dem das Medium bei Druckaktivierung schlagartig von der Hochdruckseite des Zylinders zur Niederdruckseite strömt) kann sogar erhebliche Sicherheitsrisiken bergen, weil die Kontrolle über die gerade bewegten Lasten verloren geht. 



Rasante Prototypen-Produktion per SKF SEAL JET-Verfahren.
Rasante Prototypen-Produktion per SKF SEAL JET-Verfahren.
Umso mehr kommt es darauf an, die Dichtungen auch in Sachen „Werkstoff“ gegen die hohen Drücke und Temperaturen der Hydraulikflüssigkeiten zu wappnen. Diese Faktoren belasten im Übrigen nicht nur die Dichtungsmaterialien, sondern führen auch dazu, dass sich die anderen Komponenten des Zylinders ausdehnen bzw. zusammenziehen. 

Pro und Contra PTFE



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 bzw. Wartungsteams. Hinzu kommt, dass das eher plastische als elastische PTFE unter ständig wechselnden Belastungen dauerhaft so deformiert werden kann, das seine Dichtwirkung abnimmt. 





Abb. 4 : Die Außenkontur der neuartigen SKF Kolbendichtung aus X-ECOPUR PS weist eine abgeflachte „M“-Form mit zwei sorgfältig optimierten Dichtlippen auf. Links eine Version für metrische Gehäuse (MPV), rechts eine für Zoll-Abmessungen (DPV). 
Abb. 4 : Die Außenkontur der neuartigen SKF Kolbendichtung aus X-ECOPUR PS weist eine abgeflachte „M“-Form mit zwei sorgfältig optimierten Dichtlippen auf. Links eine Version für metrische Gehäuse (MPV), rechts eine für Zoll-Abmessungen (DPV). 
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



Die ersten Versuche startete SKF zunächst mit Prototypen aus ihrem 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 SKF Ingenieure mit verschiedenen Werkstoff-Varianten u. a. 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 mm und 0,7 mm) zu extrudieren versuchte. Die Prüfdauer wurde jeweils mit zwei Wochen bei konstanten Temperaturen (in einer Gesamt-Bandbreite von 60 °C bis 100 °C) festgesetzt. 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 (vgl. Abb. 3). Dabei handelt es sich um die nunmehr härteste ECOPUR-Variante des Unternehmens. Zusätzlich schufen die Ingenieure mit ECOPUR PT 54D ein neues Material für weniger stark beanspruchte Zylinder. 



Dichtungs-Design im Detail

Abb. 5 : In punkto „Leckage“ schneiden die SKF Kolbendichtungen aus X-ECOPUR PS (MPV: metrische Abmessungen / DPV: Zoll-Abmessungen) deutlich besser ab als ihre Konkurrenten aus handelsüblichem Polyurethan.
Abb. 5 : In punkto „Leckage“ schneiden die SKF Kolbendichtungen aus X-ECOPUR PS (MPV: metrische Abmessungen / DPV: Zoll-Abmessungen) deutlich besser ab als ihre Konkurrenten aus handelsüblichem Polyurethan.
Abb. 6 : Dank ihres ausgezeichneten „Schmierungsmanagements“ lassen die neuen SKF Kolbendichtungen vergleichbare Produkte auch in Sachen „Reibungswiderstand“ hinter sich.
Abb. 6 : Dank ihres ausgezeichneten „Schmierungsmanagements“ lassen die neuen SKF Kolbendichtungen vergleichbare Produkte auch in Sachen „Reibungswiderstand“ hinter sich. 
Abb. 7 : Die äußerst geringe Extrusionslänge von X-ECOPUR PS ist ein weiterer Indikator für die Leistungsstärke dieses SKF Werkstoffs. Bei der DPV-Version (für Zoll-Abmessungen) konnte keine Extrusion festgestellt werden.
Abb. 7 : Die äußerst geringe Extrusionslänge von X-ECOPUR PS ist ein weiterer Indikator für die Leistungsstärke dieses SKF Werkstoffs. Bei der DPV-Version (für Zoll-Abmessungen) konnte keine Extrusion festgestellt werden.


Neben dem Werkstoff als solchem muss selbstverständlich auch die Geometrie der Dichtung stimmen, um eine optimale Funktion zu erzielen. Beim Design der Dichtung konnte das Unternehmen auf seinen bewährten Produktentwicklungsprozess zurückgreifen. Dieser kombiniert Computersimulationen auf Basis der Finite Elemente-Methode (FEM) mit dem „Rapid Prototype Development“ per SKF SEAL JET-Verfahren (vgl. Abb.4) und anschließenden Prüfläufen in speziell konzipierten, statischen und dynamischen Prüfständen. Dieser iterative Prozesses führte schließlich zum endgültigen Design der Außenkontur des Polyurethan-Gleitrings, der eine abgeflachte „M“-Form mit zwei sorgfältig optimierten Dichtlippen aufweist (vgl. Abb. 5). 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 SKF 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 SKF 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 SKF die neuen Dichtungen weiteren umfangreichen Prüfungen unterzogen. Dazu gehörte auch ein Langzeitversuch mit einer Gesamtstrecke von 200 km hin- und hergehend bei Drücken von bis zu 250 bar und Temperaturen von 80 °C. Während dieser Tests wurden Leckage (vgl. Abb. 6) und Reibung (vgl. Abb. 7) erfasst, bevor die Dichtungen selbst vermessen und untersucht wurden, um Oberflächenverschleiß und Extrusion (vgl. Abb. 8) zu ermitteln. Dabei stellte sich heraus, dass die neu entwickelte Lösung von SKF eine deutlich bessere Performance bietet als handelsübliche Alternativen: So manche – vermeintlich gleichwertige – Kolbendichtung ist an diesem „Langstrecken-Test“ gescheitert. 



Angesichts der überlegenen Leistung der Neuentwicklung hält SKF diese Innovation 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 (wie z. B. in Produktionsmaschinen) in Innenräumen konzipiert. Diese Dichtungen für metrische Abmessungen eignen sich für Drücke von bis zu 250 bar, Geschwindigkeiten bis maximal 0,5 m/s und Temperaturen zwischen -20 °C und 100 °C. Die MPV-Reihe ist für anspruchsvollere Anwendungen im moderaten und Schwerlastbetrieb bestimmt, wie sie etwa in mobilen Land- und Baumaschinen zu finden sind. MPV-Dichtungen passen in metrische Gehäuse und sind für Drücke von bis zu 400 bar, Geschwindigkeiten bis maximal 1 m/s und Temperaturen zwischen -20 °C und 110 °C geeignet. Eine dritte Reihe aus dieser Dichtungsfamilie (DPV) bietet die gleichen Betriebsspezifikationen wie die MPV-Reihe, allerdings für Gehäuse mit Zoll-Abmessungen (vgl. Abb. 9). 



Fazit



Auf Basis des neuen Werkstoffs X-ECOPUR PS in Kombination mit einem optimierten Design hat SKF eine Kolbendichtung entwickelt, die vergleichbare Polyurethanlösungen outperformt. Gemessen an guten PTFE-Dichtungen zeigt die Innovation von SKF eine vergleichbare Performance, lässt sich in Hydraulikzylindern aber deutlich schneller und einfacher installieren als ihre „konventionellen“ Alternativen. Außerdem bietet die neue SKF Kolbendichtung eine außergewöhnlich hohe Robustheit und Langlebigkeit. Von derartigen Vorzügen profitieren OEMs und Instandhaltungsmitarbeiter gleichermaßen. 

Abb. 8 : Für moderat bis hoch beanspruchte Anwendungsfälle erste Wahl: Die neuen Kolbendichtungen aus X-ECOPUR PS von SKF; links für Hydraulikzylinder mit metrischen Abmessungen (MPV), rechts für solche mit Zoll-Abmessungen (DPV). 
Abb. 8 : Für moderat bis hoch beanspruchte Anwendungsfälle erste Wahl: Die neuen Kolbendichtungen aus X-ECOPUR PS von SKF; links für Hydraulikzylinder mit metrischen Abmessungen (MPV), rechts für solche mit Zoll-Abmessungen (DPV). 
Abb. 9 : Das breite Dichtungs-Sortiment für Hydraulikzylinder wird von SKF fortlaufend optimiert.
Abb. 9 : Das breite Dichtungs-Sortiment für Hydraulikzylinder wird von SKF fortlaufend optimiert.





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

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