Gummiformteile in Hydraulik-Anwendungen

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30.09.2019

 

Hydrauliken sind elementarer Bestandteil unzähliger technischer Anwendungen. Grundsätzlich werden sie  immer dann eingesetzt, wenn durch eine Apparatur eine Kraft oder Energie mithilfe einer Flüssigkeit übertragen werden soll. Beispiele, in denen Hydraulik zur Kraftübertragung zum Einsatz kommt, sind Kraftfahrzeuge, Landmaschinen, Bremsanlagen, Werkzeugmaschinen, Pressen, Spritzgussmaschinen oder Hebebühnen.

Eine wichtige Rolle für das Funktionieren von hydraulischen Systemen spielen dabei Gummiteile. Ohne entsprechende Formteile wie Dichtungen, Abstreifer oder O-Ringe wären hydraulische Anwendungen nicht vorstellbar.

Wegen der unterschiedlichen Anwendungsbereiche und den damit verbundenen verschiedenen Belastungen werden hohe Anforderungen an die Gummiteile und Kautschuk-Werkstoffe gestellt. Jede Hydraulik arbeitet mit eigenen Medien bzw. Flüssigkeiten, Temperaturen und Drücken, an die die Gummiteile angepasst werden müssen. Dabei müssen bei der Auswahl des Elastomers unter anderem die mechanischen Eigenschaften, die Chemikalien- und Medienbeständigkeit sowie die Temperaturbeständigkeit berücksichtigt werden.

In diesem Blogpost gehen wir auf wichtige Gummiformteile in hydraulischen Anwendungen ein, beschreiben dabei die besonderen Anforderungen, die an Elastomere gestellt werden und stellen vor, welche Werkstoffe hauptsächlich für den Einsatz in Hydrauliken geeignet sind.

Wichtige Gummiformteile in hydraulischen Anwendungen

Hydraulische Systeme sind ohne den Einsatz von Formteilen aus Gummi nicht denkbar. Sie sind von großer Bedeutung für die Wirksamkeit einer Hydraulik und erfüllen je nach Typ und Design verschiedene Funktionen.

Dichtungen in einem Hydraulik-System (Grundlagen)

Abbildung 1: Typische Gummiteile in einer Hydraulik. Quelle: Flow Control

In einer Hydraulik bewegt sich die Kolbenstange ständig in und aus dem Zylinder. Der Raum zwischen Kolbenstange und Hydraulikzylinder ist eine kritische Stelle, an der Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinderraum in die Umwelt entweichen kann. Stangendichtungen aus Gummi sollen genau an der Stelle Leckage verhindern und dienen in Hydrauliken dazu, die Kolbenstange zum Hydraulikzylinder abzudichten (Abbildung 2). Als Stangendichtungen werden in der Regel Nutringe oder Lippendichtungen verwendet. Am Außendurchmesser des Nutrings befindet sich dabei zumeist eine längere, äußere Dichtlippe, die statisch zum Zylinder abdichtet. Die innere Dichtlippe ist häufig verkürzt. Sie dichtet gegenüber der beweglichen Kolbenstange ab und ist somit einer dynamischen Belastung ausgesetzt.

Im Betrieb bewegt sich der Kolben innerhalb des Zylinderrohrs auf und ab. Er trennt so das Zylinderrohr in zwei Zylinderkammern. Um diese beiden durch den Kolben getrennten Zylinderkammern voneinander abzudichten, werden Kolbendichtungen verwendet (Abbildung 3). Die wichtigste Aufgabe von Kolbendichtungen ist demnach, den Kolben gegenüber dem Zylinderrohr abzudichten und so Leckage zu vermeiden. Zudem haben Kolbendichtungen stabilisierende Wirkung auf den Kolben und sollen für effiziente, reibungsarme Bewegungen sorgen. 

Beispiel einer typischen Stangendichtung

Abbildung 2: Beispiel einer typischen Stangendichtung. Quelle: Simrit Catalogue, Edition 2004, S. 4.2 (Freudenberg Simrit KG)

Beispiel einer typischen Kolbendichtung

Abbildung 3: Beispiel einer typischen Kolbendichtung. Quelle: Simrit Catalogue, Edition 2004, S. 4.3 (Freudenberg Simrit KG)

 

Dabei wird in Abhängigkeit des Hydraulikzylinders zwischen einfach wirkenden und doppelt wirkenden Kolbendichtungen unterschieden.

Bei einfach wirkenden Kolbendichtungen muss lediglich in eine Bewegungsrichtung abgedichtet werden. Dies ist in einfach wirkenden Hydraulikzylindern der Fall. Diese besitzen nur eine Kolbenseite, die mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Die Arbeit des Kolbens findet somit nur in eine Richtung statt. Es wird also Druck gegenüber einer Seite des Kolbens erzeugt, wo die einfach wirkende Kolbendichtung abdichten muss. Sie soll den Austritt von Flüssigkeit am Kolben bei einer aktiven Bewegungsrichtung verhindern. Nutringe werden häufig als einfach wirkende Kolbendichtungen verwendet. Die innere Dichtlippe ist dabei statisch, wohingegen die äußere, verkürzte Dichtlippe für die dynamische Abdichtung sorgt.

Bei doppelt wirkenden Hydraulikzylindern dagegen wird finden zwei aktive Bewegungsrichtungen statt. Diese Zylinder haben an jedem Ende eine Öffnung, sodass in beide Zylinderkammern Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird. Beispiele hierfür sind Differentialzylinder, Gleichlaufzylinder oder Tandemzylinder. Die Kolbenflächen werden in diesen Fällen also von beiden Seiten belastet, in zwei Richtungen aktiv bewegt und müssen somit in zwei Richtungen abgedichtet werden. Diese Aufgabe übernehmen doppelt wirkende Kolbendichtungen, die Drücke von zwei Seiten aufnehmen können. In manchen Anwendungen werden doppelt wirkende Kolbendichtungen auch durch zwei einfach wirkende Kolbendichtungen, wobei hier für die zweite Dichtung dann eine zusätzliche Nut im Kolben eingearbeitet werden muss.   

Bei der regelmäßigen Bewegung der Kolbenstange aus und in den Hydraulikzylinder können Fremdpartikel in das Hydrauliksystem transportiert werden. Daher werden Abstreifer aus Gummi verwendet, um das Eindringen von Schmutz oder Spänen und damit eine Verunreinigung der Hydraulikflüssigkeit zu verhindern, die zu einer Schädigung des hydraulischen Systems führen könnte. Dabei können entweder Einfach- oder Zweifachabstreifer verwendet werden. Abstreifer mit einer Abstreifkante sollen insbesondere dafür sorgen, dass keine Schmutzpartikel von außerhalb in die Hydraulik eindringen. Die Abstreifkante ist dabei entsprechend nach außen gerichtet. Zweifach wirkende Abstreifer haben zusätzlich zum Schutz vor Schmutzeinzug noch eine zusätzliche, innenliegende Dichtkante und somit die Funktion, das Dichtsystem zu verstärken. Ob einfach oder zweifach wirkende Abstreifer verwendet werden, hängt von den Anforderungen der Hydraulikanwendung ab.   

Um durch Reibung entstehenden Verschleiß der Hydraulik vorzubeugen, ist stets ein Öl- beziehungsweise Schmierfilm am Zylinderrohr bzw. dem Kolben vorhanden. Bei der Gestaltung der Dichtungen und Abstreifer ist darauf zu achten, dass dieser Film bei jedem Hub des Hydraulikkolbens vollständig zurück in das Hydrauliksystem gezogen wird.    

Bei Betrieb einer Hydraulik können darüber hinaus Querkräfte entstehen, die dazu führen, dass der bewegliche Kolben mit anderen Gehäuseteilen in Berührung kommt. Führungen beziehungsweise Führungselemente führen die Kolbenstange und dienen somit dazu, diese Querkräfte aufzunehmen und nicht beabsichtigte metallische Kontakte verhindern. Ziel ist, möglichst wenig Reibung und somit geringen Verschleiß im Ablauf der Hydraulik zuzulassen.

Je nach Art der Anwendung und Anforderungen an die jeweilige Hydraulik werden unterschiedliche Materialien und Designs von Führungselementen verwendet. Hierzu zählen sowohl metallische wie nichtmetallische Führungen. Im Bereich von nichtmetallischen Führungen kommen dabei mehr und mehr Elastomere zum Einsatz. 

 

Hydraulik: Besondere Anforderungen an Gummiteile

Gummiteile sind in hydraulischen Systemen in der Regel extremen Bedingungen ausgesetzt. Das Kautschuk-Material muss daher so gewählt werden, dass es gleichzeitig einer Reihe verschiedener Faktoren standhält, um nicht ein Versagen der Hydraulik zu verursachen.

Wärme: Wenn die in der Hydraulik verbauten Gummiteile wie Stangen- oder Kolbendichtungen zu lange einer hohen Temperatur ausgesetzt sind, können sie spröde werden, sich schneller abnutzen und somit ihre Funktion wie zum Beispiel ihre Dichtwirkung verlieren. Im Hydraulikzylinder liegt die Öltemperatur normalerweise bei etwa 80° C. Diese kann aber in manchen Fällen durchaus auf 110° C ansteigen und somit das Gummiteil enorm belasten. Gerade bei Dichtungen wie Nutringen liegt die Temperatur häufig deutlich über der Öltemperatur, da sie ständiger Reibung in der Hydraulik ausgesetzt sind.

Zudem besteht die Gefahr, dass sich die montierten Gummiformteile zersetzen und ins Hydrauliksystem gelangen. Die dadurch entstehenden Verunreinigungen können zum Ausfall der Hydraulik führen.

Es gibt hinsichtlich der verschiedenen Elastomer-Materialien große Unterschiede in deren Temperaturbeständigkeit (siehe auch: Verschiedene Gummi-Werkstoffe). So gibt es Materialien, die eine Temperaturbeständigkeit von über 200° C aufweisen (die dann aber möglicherweise aus anderen Gründen für Hydraulik-Anwendungen nicht in Frage kommen). Es ist also wichtig, sich bei der Auswahl des Werkstoffs über dessen Grenzen bei erhöhten Temperaturen bewusst zu sein. Dabei ist daran zu denken, dass sich generell die Eigenschaften eines Elastomers stark verändern, sobald die Temperatur steigt oder fällt (siehe auch: Die Aussagekraft Technischer Datenblätter).

Medien/Chemikalien: Bei der Auswahl des passenden Werkstoffs ist ebenfalls darauf zu achten, mit welchen Medien das Gummiteil in Kontakt kommt. Besteht zum Beispiel keine Beständigkeit des Werkstoffs gegenüber der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit, kann es zu Quellungen oder Zersetzungen und in der Folge zu schwächerer Leistung bis hin zum Ausfall der Hydraulik kommen.  

Typischerweise werden Hydraulikflüssigkeiten auf Basis von Mineralölen verwendet, sodass Elastomere mit guter Beständigkeit gegenüber Mineralöl auszuwählen sind. Jedoch gibt es kritische Anwendungen, in denen auf Mineralöl verzichtet werden muss, da deren Entflammbarkeit und somit das Brandrisiko zu hoch ist. So dürfen zum Beispiel in der zivilen Luftfahrt oder im Bergbau keine Flüssigkeiten auf Mineralölbasis verwendet werden, da die Feuergefahr und die damit verbundenen Auswirkungen zu groß sind. Auch besteht in manchen Anwendungen wie beispielsweise in Druckgießereien, Kraftwerksturbinen oder Walzwerken die Gefahr, dass bei Versagen der Dichtungen Hydraulikflüssigkeit mit heißen Metallen oder anderen Komponenten in Berührung kommt es so Brände entstehen.  In solchen Fällen wird deshalb auf schwer entflammbare Druckflüssigkeiten zurückgegriffen. Diese sind in verschiedene Gruppen eingeteilt (HFA, HFB, HFC, HFC), die alle unterschiedlich aggressiv gegenüber Gummi-Materialien wirken. NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, oder kurz: Nitrilkautschuk) beispielsweise ist gut beständig gegenüber schwer entflammbaren Hydraulikflüssigkeiten der Gruppe HFC, jedoch nur mittelmäßig beständig gegenüber der Gruppe HFA. Gegenüber der Gruppe HFD liegt für NBR gar keine Beständigkeit vor (siehe hierzu auch: NBR: Acrylnitril-Butadien-Kautschuk).

Druckbelastung: Bei hydraulischen Anwendungen können Gummiteile wie Dichtungen, Abstreifer oder Führungen einem hohen Druck und einer ständigen Druckwechselbeanspruchung ausgesetzt sein. Hinzu kommen Seitenkräfte und Auslenkungen. Wichtige Faktoren bei der Kalkulation der Beanspruchung der Gummiteile sind der Systemdruck, die Größe des Hydraulikzylinders und somit seine Hubkraft, die Kolbengeschwindigkeit sowie die entstehende Reibung.  

Ohne ordnungsgemäße Auslegung und Konstruktion können die Gummiteile überbeansprucht werden, was zu Beschädigungen wie Rissen und letztlich zum vollständigen Versagen führen kann. Ein Ausfall einer Gummidichtung oder eines anderen Elastomerteils kann in der Folge dazu führen, dass das gesamte Hydrauliksystem Schaden nimmt. Bei der Auswahl des zu verwendenden Werkstoffs müssen daher auch verschiedene mechanische Größen berücksichtigt werden. Bei niedrigen Drücken bis 10 MPa ist der Einsatz von Elastomerteilen dabei in der Regel unproblematisch. Bei höheren Drücken muss geprüft werden, ob Verstärkungen zum Beispiel durch Gewerbeeinlagen notwendig sind.

Verschmutzung: Die Dichtungsfunktionalität in der Hydraulik kann durch Schmutz und Ablagerungen im Hydrauliköl oder anderen Druckflüssigkeiten stark beeinträchtigt werden. Durch metallischen Abrieb können Metallspäne in das System eindringen. Auch andere Fremdpartikel wie Sand, Gummi-Reste oder durch Alterung des Öls entstehende Oxidationsstoffe stellen ein Risiko für die Dichtfunktion dar, wenn Sie sich unter die Dichtkante schieben oder das Gummiteil beschädigen. Die Folge sind Leckagen, wodurch die Wirksamkeit von Hydraulikpumpe, -motor und –zylinder negativ beeinflusst werden. Steuerungsventil zur Regelung von Durchfluss und Druck können durch Verunreinigungen ebenfalls beschädigt werden. Im schlimmsten Fall kann es zu einem kompletten Versagen der Hydraulik kommen. 

Elastomere für hydraulische Anwendungen

Die beschriebenen Herausforderungen machen deutlich, welche besonderen Anforderungen in Hydrauliken an Elastomere gestellt werden. Diese sollten Anwender und Konstrukteure bei der Auswahl der geeigneten Materialien der Gummiteile kennen, um entscheiden zu können, welche Werkstoffe für ihren Einsatz die richtigen sind. Hierbei sind insbesondere der Temperaturbereich der Anwendung, die Art der verwendeten Hydraulikflüssigkeit, der Flüssigkeitsdruckbereich, die Gleitgeschwindigkeiten sowie die Abmessungen der Hydraulikmaschine zu berücksichtigen.

Da eine Hydraulik oft ein komplexes System darstellt und Ausfall- und Wartungszeiten entsprechende Kosten nach sich ziehen, sollen die benötigten Gummiteile und die zugrunde liegenden Kautschuk-Mischungen verschiedene Eigenschaften vereinen. Zum einen wird eine hohe Lebensdauer der Dichtungen oder Abstreifer erwartet, um Wartungszeiten optimieren zu können. Gleichzeitig müssen die Gummiteile so gestaltet sein, dass sie eine hohe Funktionssicherheit aufweisen. Das eingesetzte Material muss beständig gegenüber der Hydraulikflüssigkeit und unabhängig von hohen oder tiefen Temperaturen widerstandsfähig gegenüber mechanischer Belastung sein. So sind die Abstreifer und Kolben- sowie Stangendichtungen ständiger Reibung und enormen Drücken ausgesetzt. Auch kann es bei Betrieb der Hydraulik zu einer Unwucht oder Exzentrizität zwischen Kolbenstange und Hydraulikzylinder kommen, die entsprechend auf die Gummiformteile wirken.

Als geeignete Werkstoffe für die in hydraulischen Systemen eingesetzten Gummiteile haben sich dabei in vielen Fällen NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) und FKM (Fluor-Kautschuk) erwiesen.

So werden Kolben- und Stangendichtungen, Abstreifer oder Führungselemente häufig aus NBR oder FKM hergestellt. Ebenfalls verwendet werden in manchen Fällen jedoch auch EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), HNBR (Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) oder FFKM (Perfluor-Kautschuk). 

Nitrilkautschuk (NBR) hat eine gute Beständigkeit gegen Mineralöl, verschiedenen Fetten, Wasser und Hydraulikflüssigkeiten. Diese kombiniert NBR mit mechanischen Eigenschaften wie einer hohen Zugfestigkeit und einem guten Abriebwiderstand, die für den Einsatz in hydraulischen Anwendungen wertvoll sind. Zudem ist NBR sehr gut geeignet für den Einsatz im Tieftemperaturbereich bis –40°C. Auch bei den im Hydraulikzylinder in der Regel vorherrschenden Öltemperatur von etwa 80° C kann der Werkstoff verwendet werden. In einem früheren Blogeintrag sind wir übrigens bereits näher auf die Stärken und Schwächen von Nitrilkautschuk eingegangen (siehe hier).

Erfordert die Hydraulik ein besser Hochtemperaturverhalten des Gummiwerkstoffs oder ein noch stärkeres Verschleißverhalten, kann beispielsweise für Stangen- oder Kolbendichtungen der teurere HNBR (Hydrierter Nitrilkautschuk) eingesetzt werden. Noch häufiger wird bei Temperaturen über 110° C jedoch FKM (Fluor-Kautschuk) eingesetzt, der vielen auch unter dem Handelsnamen Viton™ bekannt sein dürfte. FKM eignet sich hervorragend für den Einsatz in einer Vielzahl hydraulischer Anwendungen wie Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder der chemischen Verarbeitung.      

Dichtelemente für hydraulische Systeme können auch mehrteilig ausgelegt werden, um die Einsatzzeiten und Funktionalitäten zu erhöhen und den Verschleiß zu reduzieren. Bei Stangendichtungen im Hydraulikzylinder kann so beispielsweise der Gleitring aus PTFE bestehen, während der O-Ring aus einem Elastomer wie NBR oder FKM ist. Erfahrung bei der Herstellung von Teilen mit Gummi-Metall-Verbindung oder Gummi-Kunststoff-Verbindung ist dabei für Produzenten von Formteilen für hydraulische Anwendungen von Vorteil.

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