6 Arten von Zylinderdichtungen

Baumaschinen sind in hohem Maße von Hydraulikzylindern abhängig, die integrale Bestandteile bei der Übertragung von Kraft und Bewegung sind. Die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser Zylinder hängt entscheidend von Hochleistungsdichtungen ab.

Eine wichtige Art von Dichtung in Hydraulikzylindern ist der Dichtungsring, der auch als Öldichtung oder Hydraulikdichtung bezeichnet wird. Diese Komponenten spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Systemintegrität, indem sie Ölleckagen, das Eindringen von Verunreinigungen und Druckverluste verhindern. Richtig ausgewählte und installierte Dichtungsringe gewährleisten eine optimale Zylinderleistung, eine längere Lebensdauer und geringere Wartungskosten.

In diesem umfassenden Leitfaden haben wir eine ausführliche Liste der verschiedenen Typen und Konfigurationen von Dichtungsringen zusammengestellt, die üblicherweise in Hydraulikzylindern für Baumaschinen verwendet werden. 

Abb. 1 Dichtungsringe.

Der Hydraulikzylinder verwendet eine Vielzahl von speziellen Dichtungskomponenten, um optimale Leistung und Langlebigkeit zu gewährleisten. Zu diesen wesentlichen Dichtungselementen gehören:

1. Staubdichtungen (oder Abstreifer): Diese Dichtungen befinden sich an der Außenseite des Zylinders und verhindern das Eindringen von Verunreinigungen wie Staub, Schmutz und Feuchtigkeit in das System und schützen so die internen Komponenten.
2. Stangendichtungen: Diese um die Zylinderstange herum angeordneten Dichtungen halten die Hydraulikflüssigkeit im Zylinder, während die Stange aus- und eingefahren wird, und verhindern so Leckagen und halten den Systemdruck aufrecht.
3. Pufferdichtungen: Diese Dichtungen absorbieren Stöße und reduzieren die Geräusche am Ende des Zylinderhubs, verbessern die Laufruhe und minimieren den Verschleiß der internen Komponenten.
4. Führungsringe (oder Verschleißringe): Diese Komponenten sind zwar keine Dichtungen im eigentlichen Sinne, stützen aber den Kolben und die Stange, verringern den Kontakt von Metall zu Metall und gewährleisten die korrekte Ausrichtung über den gesamten Bewegungsbereich des Zylinders.
5. Statische Dichtungen: Dazu gehören Endkappendichtungen und andere feste Dichtungen, die Leckagen an ortsfesten Verbindungen verhindern, z. B. zwischen dem Zylinderrohr und den Endkappen.
6. Kolbendichtungen: Diese um den Kolben herum angebrachten bidirektionalen Dichtungen halten den Druckunterschied zwischen den Kammern des Zylinders aufrecht, ermöglichen die Kraftübertragung und gewährleisten einen effizienten Betrieb.

Abb. 2 Die Position der verschiedenen Dichtungsringe.

Grundlagen der Hydraulikzylinder-Dichtungen

Dichtungen von Hydraulikzylindern sind wichtige Komponenten in Hydrauliksystemen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Systemintegrität und -effizienz. Zu ihren Hauptfunktionen gehören das Verhindern von Flüssigkeitslecks, das Aufrechterhalten des Drucks und das Sicherstellen eines reibungslosen Betriebs der beweglichen Teile. Ein Verständnis der Eigenschaften und Anwendungen der verschiedenen Dichtungstypen ist für eine optimale Leistung des Hydrauliksystems unerlässlich. Dichtungen werden grob in zwei Haupttypen eingeteilt: statische Dichtungen und dynamische Dichtungen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben.

Statische Dichtungen

Statische Dichtungen werden dort eingesetzt, wo es keine Relativbewegung zwischen den zusammenpassenden Oberflächen gibt, wie z. B. bei Flanschverbindungen, Zugangsdeckeln oder Anschlüssen. Diese Dichtungen sind so konzipiert, dass sie eine dichte Barriere gegen Flüssigkeitslecks bilden und den Systemdruck aufrechterhalten. Gängige Arten von statischen Dichtungen sind:

1. O-Ringe: O-Ringe sind Elastomerdichtungen, die aufgrund ihrer Vielseitigkeit und einfachen Installation in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können. Ihr einfaches Design und ihre Wirksamkeit machen sie zu einer beliebten Wahl für viele statische Dichtungsanforderungen.
2. Dichtungen: Typischerweise flach und in verschiedenen Materialien erhältlich (z. B. Gummi, Metall oder Verbundwerkstoffe), werden Dichtungen zur Abdichtung von Flanschen und anderen statischen Schnittstellen verwendet. Die Materialauswahl hängt von Faktoren wie Temperatur, Druck und chemischer Verträglichkeit ab.
3. Metalldichtungen: Metalldichtungen, die in Hochtemperatur- oder Hochdruckanwendungen eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus Aluminium, Kupfer oder Stahl. Sie bieten eine hervorragende Haltbarkeit und Beständigkeit gegen extreme Bedingungen.

Dynamische Dichtungen

Dynamische Dichtungen werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen es zu einer relativen Bewegung zwischen zusammenpassenden Oberflächen kommt, wie z. B. bei Kolben oder Stangen. Diese Dichtungen müssen ständigen Bewegungen und Reibungen standhalten, was im Vergleich zu statischen Dichtungen eine höhere Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit erfordert. Zu den wichtigsten Arten von dynamischen Dichtungen gehören:

1. Kolbendichtungen: Kolbendichtungen sollen verhindern, dass Flüssigkeit zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung entweicht und sind für die Aufrechterhaltung des Hydraulikdrucks von entscheidender Bedeutung. Die Nutringdichtung mit ihrem U-förmigen Querschnitt ist eine gängige und wirksame Kolbendichtung.
2. Stangendichtungen: Diese Dichtungen verhindern Flüssigkeitsleckagen an der Schnittstelle zwischen Stange und Zylinder und lassen gleichzeitig die freie Bewegung der Stange zu. Stangendichtungen enthalten oft Abstreifdichtungen, die Schmutz und Verunreinigungen von der Stangenoberfläche entfernen und das System sauber halten.
3. Rotierende Dichtungen: Bei Anwendungen mit rotierenden Bauteilen (z. B. Motoren oder Pumpen) sorgen Rotationsdichtungen für die Unversehrtheit der Dichtung bei kontinuierlicher Rotation. Sie sind sowohl in radialer als auch in axialer Ausführung erhältlich, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Die Auswahl der Dichtungen und ihre Konstruktion sind entscheidend für eine optimale Leistung des Hydrauliksystems. Zu den Faktoren, die die Wahl der Dichtung beeinflussen, gehören:

• Betriebsdruck- und Temperaturbereiche
• Flüssigkeitsverträglichkeit und chemische Beständigkeit
• Geschwindigkeit der Bewegung (bei dynamischen Dichtungen)
• Umweltbedingungen und Schadstoffe
• Erforderliche Nutzungsdauer und Wartungsintervalle
• Materialeigenschaften (z. B. Härte, Elastizität, Verschleißfestigkeit)

Fortschritte in der Dichtungstechnologie haben zur Entwicklung spezieller Werkstoffe und Konstruktionen geführt, wie z. B. Dichtungen auf PTFE-Basis für Hochtemperaturanwendungen oder Polyurethandichtungen für verbesserte Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus bieten Innovationen wie energiegeladene Dichtungen und Verbundwerkstoffdichtungen eine verbesserte Leistung unter schwierigen Betriebsbedingungen.

Arten von Hydraulikzylinder-Dichtungen

1. Staubring

Die Staubdichtung befindet sich an der Außenseite der Endkappe des Hydraulikzylinders und dient dazu, das Eindringen von Fremdkörpern in den Zylinder zu verhindern.

Nach der Art der Installation lassen sich Staubdichtungen in zwei Typen einteilen: Snap-in und Press-in.

Abb. 3 Grundform des Staubrings zum Einrasten.

Der am häufigsten verwendete Staubring ist der Einschnapptyp. Wie der Name schon sagt, rastet er in die Nut an der Innenwand des Enddeckels ein und wird bei weniger rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt. Das für den Snap-in-Staubring verwendete Material ist in der Regel Polyurethan, und es gibt ihn in verschiedenen Strukturen, wie z. B. die Doppellippenstruktur Typ H und K-Profile. Trotz dieser Unterschiede bleibt die Grundkonstruktion gleich.

Abb. 4 Einige Varianten des Staubrings zum Einrasten.

Der Staubring zum Einpressen wird in rauen und stark beanspruchten Umgebungen eingesetzt. Im Gegensatz zum Einschnapptyp wird er nicht in die Nut eingesetzt, sondern mit einer Metallschicht verstärkt, um seine Festigkeit zu erhöhen, und dann in den Enddeckel des Hydraulikzylinders eingesetzt. Es gibt verschiedene Arten von Presse-in Staubringen, wie z. B. Einlippen- und Doppellippenringen.

Abb. 5 Einpressen des Staubrings und einige Varianten.

2. Dichtungsring für die Zylinderstange

Der Zylinderstangendichtring, der gemeinhin als U-Cup bezeichnet wird, dient als primäres Dichtungselement für die Kolbenstange. Er wird strategisch innerhalb des Enddeckels des Hydraulikzylinders installiert, um das Austreten von Hydrauliköl wirksam zu verhindern. Diese Dichtungsringe werden überwiegend aus Hochleistungsmaterialien wie Polyurethan oder Nitrilkautschuk hergestellt, die aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit, ihrer geringen Reibung und ihrer Kompatibilität mit Hydraulikflüssigkeiten ausgewählt werden.

Bei Hochdruckanwendungen oder bei größeren Zylinderbohrungen wird der Dichtring oft in Verbindung mit einem Stützring (auch Stützring oder Anti-Extrusionsring genannt) verwendet. Diese zusätzliche Komponente verhindert, dass sich der Dichtring unter starkem Druck verformt, wodurch die Lebensdauer der Dichtung verlängert und ihre Unversehrtheit erhalten wird. Der Stützring besteht in der Regel aus härteren Materialien wie PTFE oder hochdichtem Polyethylen.

Die Konstruktion von Zylinderstangendichtringen hat sich weiterentwickelt, um verschiedenen Betriebsanforderungen und Umweltbedingungen gerecht zu werden. Die Hersteller bieten eine breite Palette von Varianten an, darunter:

1. Einfachwirkende vs. doppeltwirkende Konstruktionen
2. Verschiedene Lippenkonfigurationen für optimale Abdichtung und Schmierung
3. Spezialisierte Materialien für extreme Temperaturen oder chemische Beständigkeit
4. Verstärkte Konstruktionen für Hochdrucksysteme
5. Reibungsarme Beschichtungen für mehr Effizienz und weniger Stick-Slip

Bei der Auswahl des geeigneten Zylinderstangendichtrings müssen Faktoren wie Betriebsdruck, Temperaturbereich, Flüssigkeitsverträglichkeit, Oberflächenbeschaffenheit der Stange und Hubgeschwindigkeit berücksichtigt werden, um eine optimale Leistung und Langlebigkeit des Hydrauliksystems zu gewährleisten.

Abb. 6 Gängige Typen von Zylinderstangendichtringen.

Abb. 7 Einige Varianten von Zylinderstangendichtringen.

3. Puffer-Dichtring

Der Pufferdichtring, eine wichtige Hilfskomponente in Kolbenstangendichtungssystemen, spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz der Kolbenstange vor plötzlichen Druckspitzen und -schwankungen. Diese dynamische Dichtung schützt nicht nur die primären Dichtungselemente, sondern trägt auch zur Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems bei. Es gibt drei Hauptkonfigurationen von Pufferdichtungen, die jeweils für spezifische Betriebsanforderungen ausgelegt sind:

Typ A: Eine einteilige, monolithische Dichtung, die aus Hochleistungs-Polyurethan hergestellt wird. Diese Konstruktion bietet eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, gute Elastizität und eine moderate Druckfähigkeit. Sie eignet sich besonders für Anwendungen mit mäßigen Druckschwankungen und wenn eine einfache Installation gewünscht ist.

Typ B und Typ C: Hierbei handelt es sich um fortschrittliche zweiteilige Dichtungsbaugruppen, die darauf ausgelegt sind, Extrusion zu verhindern und deutlich höheren Druckunterschieden standzuhalten. Die zweiteilige Konstruktion besteht in der Regel aus einem elastischen Dichtungselement in Kombination mit einem Anti-Extrusionsring:

• Bei Typ B wird häufig eine Kombination aus Polyurethan für das dynamische Dichtungselement und einem starren thermoplastischen oder faserverstärkten Verbundwerkstoff für die Anti-Extrusionskomponente verwendet.
• Bei Typ C kann ein Dichtungselement auf PTFE-Basis in Verbindung mit einem hochfesten Stützring verwendet werden, das eine hervorragende chemische Beständigkeit und geringe Reibungseigenschaften bietet.

Sowohl Typ B- als auch Typ C-Konfigurationen bieten eine erhöhte Druckbeständigkeit, eine verbesserte Stabilität unter dynamischen Bedingungen und einen besseren Schutz gegen Dichtungsversagen in Hochdruckumgebungen. Die Wahl zwischen diesen Typen hängt von Faktoren wie dem maximalen Systemdruck, dem Temperaturbereich, der Fluidkompatibilität und der Zyklenhäufigkeit ab.

Abb. 8 Gängige Typen des Pufferdichtrings.

4. Führungsstützring

Der Führungsstützring, ein entscheidendes Bauteil in Hydraulikzylindern, ist strategisch sowohl auf dem Deckel als auch auf dem Kolben positioniert. Dieses multifunktionale Element spielt eine zentrale Rolle bei der Gewährleistung der optimalen Leistung und Langlebigkeit des Zylinders. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

1. Stützt die Kolbenstange und den Kolben: Der Ring bietet eine wichtige strukturelle Unterstützung, verteilt die Lasten gleichmäßig und minimiert den Verschleiß.
2. Führung der linearen Bewegung des Kolbens: Sie sorgt für eine präzise, gleichmäßige und konsistente lineare Bewegung des Kolbens und erhöht so die Effizienz des gesamten Systems.
3. Verhinderung des Kontakts von Metall zu Metall: Da der Ring als Puffer zwischen den Metallteilen fungiert, werden Reibung, Verschleiß und mögliche Schäden erheblich reduziert.

Führungsstützringe werden in der Regel aus Hochleistungsmaterialien hergestellt, die sorgfältig nach ihren spezifischen Eigenschaften ausgewählt werden. Zu den gängigen Materialien gehören:

• Technische Kunststoffe: Wie PTFE-gefülltes Polyacetal (POM) oder Polyamid (PA), die eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und geringe Reibung bieten.
• Bronze mit PTFE-Beschichtung: Kombiniert die Festigkeit von Bronze mit den reibungsarmen Eigenschaften von Polytetrafluorethylen (PTFE).
• Faserverstärkte Verbundwerkstoffe: Für Anwendungen, die eine höhere Belastbarkeit und thermische Stabilität erfordern.

Die Wahl des Materials hängt von Faktoren wie Betriebsdruck, Temperatur, Flüssigkeitsverträglichkeit und erwartete Lebensdauer ab. Hochentwickelte Fertigungstechniken, wie z. B. CNC-Präzisionsbearbeitung oder Spritzguss, gewährleisten enge Toleranzen und eine hervorragende Oberflächengüte, die für die Leistung des Rings entscheidend ist.

Abb. 9 Führungsstützring, der am Enddeckel des Hydraulikzylinders und am Kolben verwendet wird.

5. Dichtungsring des Enddeckels

Der Deckeldichtring ist ein wichtiges Bauteil, das für eine hermetische Abdichtung an der Schnittstelle zwischen dem Zylinderdeckel und der Zylinderwand sorgt. Er fungiert als statische Dichtung und spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Systemintegrität, indem er das Austreten von Hydraulikflüssigkeit an der Schnittstelle dieser beiden Hauptkomponenten verhindert.

Der Dichtungsring für den Enddeckel besteht in der Regel aus zwei Schlüsselelementen: einem elastischen O-Ring aus NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) und einem starren Stützring, der oft auch als Stützring oder Anti-Extrusionsring bezeichnet wird. Diese Zweikomponentenkonstruktion bietet mehrere Vorteile:

1. Der NBR-O-Ring, der für seine hervorragende Ölbeständigkeit und Elastizität bekannt ist, übernimmt die primäre Dichtungsfunktion. Er verformt sich unter Druck und füllt mikroskopisch kleine Unebenheiten der Oberfläche aus, um eine wirksame Barriere gegen das Austreten von Flüssigkeit zu bilden.
2. Der Stützring, der in der Regel aus einem härteren Material wie PTFE (Polytetrafluorethylen) oder hochdichtem Polyethylen besteht, erfüllt mehrere Zwecke:

• Sie verhindert, dass der O-Ring unter hohem Druck in den Spalt extrudiert, und verlängert so die Lebensdauer der Dichtung.
• Es trägt dazu bei, die Form und Position des O-Rings beizubehalten und gewährleistet eine gleichbleibende Dichtungsleistung.
• Es bietet zusätzliche Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung und chemische Zersetzung, insbesondere in rauen Betriebsumgebungen.

Die genaue Materialauswahl und Abmessungsspezifikationen für beide Komponenten sind entscheidend und hängen von Faktoren wie Betriebsdruck, Temperaturbereich, Flüssigkeitsverträglichkeit und erwartete Lebensdauer des Hydrauliksystems ab. Der ordnungsgemäße Einbau und die regelmäßige Inspektion der Deckeldichtringbaugruppe sind für eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit des Hydraulikzylinders unerlässlich.

Abb. 10 Dichtungsring des Enddeckels.

6. Kolbendichtring

Der Kolbendichtring ist ein wichtiges Bauteil in Hydraulikzylindern. Er dient als primäres Dichtungselement, das die beiden Druckkammern im Zylinder effektiv voneinander trennt. Diese Trennung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer optimalen hydraulischen Leistung und Effizienz.

Der Kolbendichtring ist in der Regel zweiteilig und besteht aus einem Außenring und einem Innenring. Der Außenring wird in der Regel aus Hochleistungspolymeren wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Nylon hergestellt, die wegen ihrer geringen Reibung und hervorragenden Verschleißfestigkeit ausgewählt werden. Der Innenring, der oft als Energizer bezeichnet wird, besteht in der Regel aus Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), der die nötige Elastizität bietet, um den Druck gegen die Zylinderwand konstant zu halten.

Es gibt mehrere Varianten des Kolbendichtrings, die für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsbedingungen geeignet sind. Eine bemerkenswerte Variante besteht aus einer bronzegefüllten PTFE-Mischung, die die geringen Reibungseigenschaften von PTFE mit der verbesserten Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit von Bronze kombiniert. Diese Konstruktion ist besonders effektiv bei Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen.

In einfachwirkenden Hydraulikzylindern, bei denen der Druck nur in eine Richtung wirkt, kann ein Polyurethan-Nutringelement als alternativer Kolbendichtring eingesetzt werden. Polyurethan-Nutringe bieten eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, gute Elastizität und wirksame Dichtungseigenschaften, wodurch sie sich für Anwendungen mit mittlerem Druck eignen, bei denen die Kosteneffizienz eine Rolle spielt.

Die Auswahl des geeigneten Kolbendichtrings und Werkstoffs hängt von Faktoren wie Betriebsdruck, Temperatur, Flüssigkeitsverträglichkeit, Zylindergeschwindigkeit und erwartete Lebensdauer ab. Die richtige Auswahl und Installation des Kolbendichtrings ist entscheidend für die Gewährleistung einer optimalen Zylinderleistung, die Minimierung von Leckagen und die Maximierung der Gesamteffizienz des Hydrauliksystems.

Abb. 11 Gängige Typen von Kolbendichtringen.