Dichtring-Geometrie Bild: Trelleborg

Die Geometrie einer Dichtung hat großen Einfluss auf die Reibung. Bild: Trelleborg

Eine grundsätzliche Herausforderung bei der Abdichtung bewegter Maschinenteile stellt bekanntermaßen Dichtheit und Lebensdauer dar. Mehr und mehr kommt die Effizienzbetrachtung in den Fokus, da Dichtstellen in der Regel „Reibstellen“ sind, die den Gesamtwirkungsgrad einer Maschine und damit auch die Gesamtkosten beeinflussen. Die Bandbreite der Anforderungen an Dichtheit, Lebensdauer und Verlustleistung ist groß und variiert meist mit Werkstoff und Design der Dichtung oder der Dichtsysteme. Dabei geht es immer auch um Reibung.

In den Anwendungen kommen die Einflussgrößen der Dichtungen mit den Einflussgrößen der Hardware zusammen. Der Haupteinflussbereich auf Reibung, Verschleiß und damit Lebensdauer liegt bei den dynamischen Abdichtungen im Dichtspalt. In diesem Kontaktbereich zwischen Dichtung und Gegenlauffläche hängen die tribologischen Verhältnisse und damit das Reib- und Verschleißverhalten wesentlich von den Schmierbedingungen ab. Das Prinzip des Lubrication Managements passt die Schmierfilmbildung im Dichtsystem an die Belastung der Einzelelemente an.

Betrachtung des Gradienten

Betrachtet man die theoretischen Zusammenhänge für die Schmierfilmdicke zwischen Dichtung und Gegenlauffläche, zum Beispiel mit dem inversen hydrodynamischen Ansatz nach Blok, ist die Schmierfilmdicke direkt abhängig vom Gradienten der Kontaktpressung. Wird dieser Gradient beim Ausfahren der Kolbenstange reduziert, so beeinflusst dies den Verlauf und die Höhe des Schmierfilms im Dichtspalt und die Schmierung verbessert sich, wodurch die Dichtung weniger belastet wird.

Beim Einfahren der Kolbenstange werden die Schmierbedingungen für die Stangendichtung nicht einfacher. Daher muss das System auch hier einen flachen Gradienten der Kontaktpressung aufweisen. Dichtungssysteme mit hoher Eigenelastizität und demnach geringeren Modul neigen durch Ausformung bei der Druckbelastung zu einem steileren Gradienten, was ein ausreichendes Rückfördern des Schmierfilms verhindert und dadurch die Belastungen für die Stangendichtung erhöht.

Eine übliche Lösung nach Stand der Technik ist die Kombination mit einem Stützelement aus einem Werkstoff mit höherem Modul. Da dieses Stützelement zum Beispiel bei PUR-Buffer-Ringen ebenfalls druckaktiviert wird, entstehen bei den im Kontakt befindlichen Profilkanten des Stützrings wieder Bereiche mit steilem Gradienten der Kontaktpressung und verhindern demnach eine optimale Förderung des Fluidfilms zur belastungsreduzierenden Schmierung.

Bei der Verwendung von Stützringen werden bei Lubrication Management die Kanten im Kontaktbereich zur Kolbenstange durch Radien ersetzt. Dadurch verlaufen die Gradienten im Kontakt mit der Gegenlauffläche flach und die Schmierung wird verbessert.

Dichtungen am hydraulischen Aktuator

Vergleich von Dicht-Geometrien, Bild: Trelleborg
Vergleich einer Dichtung mit herkömmlicher Kontaktpressungsverteilung und einer Dichtung mit Lubrication-Management-Konzept: Die abgerundete Kontaktfläche gewährleistet eine bessere Schmierung. Bild: Trelleborg

Im Verbund eines Stangendichtsystems, beispielsweise für einen hydraulischen Aktuator, wird eine Primärdichtung immer mit dem höchsten Druck beaufschlagt und erfährt somit auch die stärkste Belastung. Wenn gleichzeitig der Schmierfilm extrem dünn ist, kann dies das System an seine Leistungsgrenzen bringen. Ein besseres Schmierfilmangebot an der hochbelasteten Primärdichtung kann die Leistungsgrenze in Bezug auf Reibung und damit Verschleiß, Lebensdauer und Effizienz merklich verschieben. Lubrication Management soll darüber hinaus aber auch für ein besseres Schmierfilmangebot für die Sekundärdichtung sorgen. Somit reduziert es die Belastung des gesamten Dichtsystems.