Zusammenspiel von Vorschalt- und Stangendichtung erforscht

Die häufigste Bauform in der Schwerlast-Mobilhydraulik sind doppeltwirkende Hydraulikzylinder. Diese verfügen im Prinzip über zwei Hauptdichtsysteme: das Kolbendichtsystem (aus Führungsringen und Kolbendichtung) und das Stangendichtsystem aus Führungsring, Vorschaltdichtung, Stangendichtung und Abstreifer. Dabei dichtet das Kolbendichtungspaket die Druckräume links und rechts des Kolbens ab, während das Stangendichtungspaket den Druckraum gegenüber der Umgebung abdichtet beziehungsweise das Eindringen von Schmutz ins Hydrauliksystem verhindert.

Als wichtiger Teil des Stangendichtungspakets hat die Vorschaltdichtung in der Schwerlast-Mobilhydraulik drei Hauptaufgaben zu erfüllen:

• Absorption von möglichen Druckspitzen im Hydrauliksystem,
• Rückführung des zwischen Vorschaltdichtung und Stangendichtung aufgebauten Drucks ins Hydrauliksystem,
• Erhöhung der Lebensdauer des Stangendichtungssystems.

In Schwerlast-Hydraulikzylindern setzen Hersteller meist Vorschaltdichtungen mit Lippengeometrie und integriertem Stützring ein, da hier besonders hohe Drücke auftreten (samt massiven Druckstößen und sogar -spitzen von über 600 bar). Der Stützring steigert die Lebensdauer, indem er einer Spaltextrusion bei hohen Drücken entgegenwirkt. Andererseits verlangt er nach erhöhter Aufmerksamkeit beim Einbau und kann den Schmierfilm auf der Kolbenstange beeinflussen. Besonders abhängig ist dieser Schmierfilm indes von zwei grundverschiedenen Design-Ansätzen für die Vorschaltdichtungen.

Abdichtende Vorschaltdichtungen besitzen eine sehr gute Dichtfunktion und nehmen den gesamten Systemdruck sowie höhere Druckstöße aus dem System auf. Ergo wird die Stangendichtung nicht druckbeaufschlagt und kann durch Druck nicht beschädigt werden. Eine sehr gute Dichtheit bedeutet jedoch auch einen sehr dünnen Schmierfilm, welcher in weiterer Folge zur Mangelschmierung der Stangendichtung und des Abstreifers führen kann.

Reibungsoptimierende Vorschaltdichtungen lassen einen deutlich dickeren Schmierfilm zur Stangendichtung passieren. Durch den dickeren Schmierfilm kann es zum Teil zu einem Druckaufbau zwischen Stangendichtung und Vorschaltdichtung kommen. Der lässt sich durch ein gut abgestimmtes Design der Vorschaltdichtung jedoch in Grenzen halten, wodurch der Druck zwischen Stangen- und Vorschaltdichtung nicht den Systemdruck erreicht (was die „Pufferfunktion“ der Vorschaltdichtung beeinträchtigen würde). Der dickere Schmierfilm bietet der Stangendichtung jedenfalls eine deutlich bessere Schmierung und somit einen ruhigeren Lauf. Bei einer solchen Konfiguration fällt die Reibkraft des Stangendichtsystems viel geringer aus als bei einem System mit abdichtenden Vorschaltdichtungen.

Im Rahmen von Berechnungen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode hat SKF unter anderem die Verformung der Dichtung, die auf die Kolbenstange wirkenden Kontaktkräfte und den Kontaktkraftverlauf der dynamischen Dichtfläche auf die Kolbenstange untersucht. Darüber hinaus analysierte das Unternehmen mit einem hauseigenen Simulationsprogramm die Dichtungsperformance und mögliche Leckageprobleme in Abhängigkeit von der Schmierfilmdicke beim Ein- und Ausfahren der Kolbenstange.

Die Berechnungen aus den Simulationen wurden anschließend auf einem Kolbenstangen-Linearprüfstand überprüft. Dabei bewegt sich eine Prüfzelle mit zwei Dichtungspaketen auf einer feststehenden Hydraulikstange. Damit lassen sich typische Anwendungsbedingungen und Arbeitszyklen sehr praxisnah abbilden.

Die Prüfstandergebnisse bestätigten, dass Stangendichtsysteme mit reibungsoptimierenden Vorschaltdichtungen in Sachen Gesamtreibkraft signifikante Vorteile gegenüber den Systemen mit abdichtenden Vorschaltdichtungen aufweisen: Denn bei bestimmten Geschwindigkeits- und Druckkombinationen kam es mit abdichtenden Vorschaltdichtungen zu einer Mangelschmierung der Stangendichtung, samt erhöhter Reibung und thermischer Schädigung, und somit in weiterer Folge zu einem Ausfall der Stangendichtung.

Außerdem wurden die abdichtende Vorschaltdichtung und der Stützring durch die ständige Beaufschlagung mit Systemdruck in Kombination mit den geringen Schmierfilmdicken, welche die Dichtkante passieren, einer hohen Belastung ausgesetzt. Diese Belastung führte je nach Design und Materialauswahl zu Spaltextrusion und/oder erhöhtem Verschleiß.

Bei Stangendichtsystemen mit reibungsoptimierender Vorschaltdichtung hingegen wurden thermische Beschädigungen oder Verschleiß dank der erhöhten Schmierfilmdicke signifikant reduziert und somit die Lebensdauer maßgeblich verlängert.

Vor allem in der Schwerlast-Mobilhydraulik ist es ratsam, im Stangendichtsystem eine Vorschaltdichtung zu verwenden, die je nach Ausführung unterschiedliche Aufgaben übernimmt. Eine Vorschaltdichtung kann maßgeblich dazu beitragen, die Lebensdauer des gesamten Systems erheblich zu verlängern. Allerdings nimmt die Komplexität des Dichtsystems durch die Verwendung einer Stangen- und einer Vorschaltdichtung zu. Ergo ist es von entscheidender Bedeutung, die optimale Kombination dieser beiden Dichtungen zu eruieren, um durch ihr Zusammenspiel die gewünschten Performance-Steigerungen zu erreichen. Dazu bedarf es einer genauen Betrachtung der jeweiligen Anwendungsparameter.

Die Auswahl des Dichtungspaketes ist zudem davon abhängig, ob die Dichtungen in einem Erstausstattungszylinder oder im Reparaturfall Verwendung finden, da abgenutzte Metallkomponenten oder Führungen die Wirkungsweise der Dichtungen beeinflussen können: Die Abnutzung könnte zu große Schmierfilmdicken samt Druckaufbau zwischen Vorschalt- und Stangendichtung zur Folge haben. Dadurch könnte die Vorschaltdichtung auch mögliche Druckstöße aus dem System nicht mehr abfangen und somit der Stangendichtung keinen Schutz mehr bieten. do