Dichtungen

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O-ring01.gif

Das Thema Dichtungen umfasst weit mehr als nur O-Ringe oder Silikondichtmasse!
Unter den folgenden Punkten findest Du umfangreiche Informationen rund um das Thema Dichtungen.

Allgemeines

Definition:
Dichtungen sind Elemente zum Trennen von zwei funktionsmäßig verschiedenen Räumen gleichen oder unterschiedlichen Druckes, damit kein Austausch fester, flüssiger oder gasförmiger Medien stattfinden kann.

Dichtungen findet man in nahezu allen Bereichen des Alltags, ob in der Freizeit (z.B. Lenzstopfen beim Boot), im Sanitärbereich (z.B. Toilettenspülung), im Kfz-Bereich (z.B. Ventildeckel), Luftfahrt (z.B. Kraftstoffsystem), Maschinen (z.B. Hydrauliksystem), oder in anderen Bereichen.
Genauso groß wie die Vielfältigkeit der Anwendungsbereiche, ist auch die Materialvielfalt der Dichtungswerkstoffe, worauf später noch eingegangen wird.

Wem die folgenden "Grundinformationen" als Gesamtes noch nicht ausreichen, möchte ich bitten, sich an eine der unten genannten externen Links von Herstellern zu wenden, oder die folgende Seite, auf der sehr detaillierte Informationen zum Thema Dichtungen und Dichtungstechnik zu finden sind, aufzurufen:
http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Hauptseiten/inhalt.html

Funktion und Wirkung

Grundsätzlich wird zwischen "statischen" und "dynamischen" Dichtungen unterschieden.
Die erstgenannten sind Dichtungen zwischen ruhenden Bauteilen. Die Abdichtung erfolgt stets durch Berührungsdichtungen. Hierbei sind beide Räume, durch die Dichtung, vollkommen voneinander getrennt.
Bei den dynamischen Dichtungen liegt eine Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen vor. Die Dichtung kann mittels einer Berührungsdichtung oder durch einen schmalen Spalt zwischen den Dichtflächen realisiert werden. Im Allgemeinen ist eine hundertprozentige Dichtheit bei dynamischen Dichtungen nicht möglich, weswegen hierbei von einer "technischen Dichtheit" die Rede ist. Um es sich besser vorstellen zu können, veranschaulicht folgende Grafik die Undichtheitswege einer Dichtung:
Undichtheitswege.jpg
Wie aus der Grafik zu entnehmen ist, sind drei Undichtheitswege möglich:

  1. Zwischen Gehäuse und Dichtung
  2. Zwischen Welle (s. auch Thema: Achsen, Wellen und Zapfen) und Dichtung und
  3. Durch die Dichtung selbst (Diffusionsverluste)

Eine gewisse Leckage (Leckmengenrate oder Lässigkeit) ist auch gewollt, da dies den Verschleiß der Dichtung und der anderen Bauteile verringert. Durch die Leckage entsteht ein hauchdünner Film des verwendeten Mediums (s. auch Thema: Tribologie) auf den Bauteilen, der eine schmierende und kühlende Funktion besitzt. Die Leckmengenrate darf aber nicht zu groß sein, um die Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und die Funktionssicherheit zu gewährleisten.

Um eine funktionierende Dichtung zu erhalten, müssen die Dichtflächen aneinander, auf mindestens einer Dichtlinie, angepasst sein. Um dies zu erreichen spielen eine Menge Faktoren eine große Rolle, wie z.B. Oberflächenrauhheit, Form- und Lagetole-ranzen sowie die Oberflächenhärte. Außerdem ist zu beachten, dass sich die Ausgangsparameter während des Betriebes, durch Temperaturanstieg, Biegung, Verschleiß und Verunreinigung, ändern.

Doch woher weiß ich, welche Dichtung die richtige ist???
Grundsätzlich gibt es drei zu beachtende Kriterien, die für die Wahl der richtigen Dichtung maßgeblich sind:
1. Konstruktive Vorgaben
Wie verhalten sich meine abzudichtenden Bauteile zueinander? Bewegen sie sich zueinander oder nicht?
Wie groß ist mein zur Verfügung stehender Einbauraum?
2. Chemische und physikalische Belastungen
Wie groß sind die möglicherweise vorherrschenden Druckverhältnisse? Und wie hoch die Temperaturen?
Wie hoch sind die Verfahrgeschwindigkeiten der bewegten Bauteile zueinander und wie groß ist die auftretende Reibung?
Welche Medien (ätzend, korrosiv, brennbar, umweltgefährdend...) werden im System geführt (s. auch Thema: Elemente zur Führung von Fluiden (Rohrleitungen))?
3. Wirtschaftlichkeit und Montage
Wie viele Dichtungen benötige ich und was kosten diese?
Wie groß ist der Aufwand für die Gestaltung der Dichtverbindung?
Wie groß ist der Wartungsaufwand, wenn die Dichtung ersetzt werden muss?


Um diese drei Kriterien zu erfüllen, sind wichtige Eigenschaften, wie Temperaturbeständigkeit, die Härte, Druckverformungsrest, Elastizität, chemische Widerstandsfähigkeit, Alterung, Gleitfähigkeit und Abriebverhalten von großer Bedeutung. Um sich einen Überblick über die verschiedenen Dichtungen und ihre Anwendungsbereiche zu bekommen, ist folgende Grafik eingefügt:
Einteilung von Dichtungen.jpg



Berührungsdichtungen zwischen ruhenden Bauteilen

Die statische Abdichtung kann mit oder ohne Dichtelement und als lösbare, bedingt lösbare oder unlösbare Verbindung ausgeführt sein.

Unlösbare Berührungsdichtungen

Als unlösbare Berührungsdichtungen, bezeichnet man Verbindungen, die nicht ohne den Werkstoff zu zerstören, lösbar sind. Zu den unlösbaren Berührungsdichtungen
zählen Dichtschweißungen, Lötungen, Pressdichtungen, Schneidendichtungen und Verklebungen.
(s. auch Themen: Schweißverbindungen, Klebverbindungen und Lötverbindungen)

Lösbare Dichtungen

Lösbare Berührungsdichtungen können konstruktiv so gestaltet werden, dass die volle Dichtpressung hauptsächlich durch äußere Kräfte erfolgt, was durch z.B. Schrauben (s. auch Thema: Schraubenverbindungen) realisiert werden kann. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Betriebsdruck die bei der Montage leicht vorzuspannende Dichtung gegen die Dichtfläche drückt und so die volle Dichtpressung erzeugt (selbsttätige Dichtung).
Lösbare Berührungsdichtungen ohne Dichtelement sind nur mit sehr hohen Anpresskräften und Oberflächengüten möglich. Hierfür müssen die Oberflächen geschliffen, geläppt oder tuschiert sein. Anwendungsbereiche sind Flanschverbindungen und Gehäuse, die hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind und geringe Dichtheitsanforderungen besitzen. Die Flansche müssen sehr verformungssteif mit vielen Schrauben (kleine Teilung s. Schraubenverbindungen) ausgeführt sein. Vorteilhaft aber sehr teuer sind Dichtleisten, die die Gegenfläche vor dem Anpressen nur linienförmig berühren. Vorteilhafte Bedingungen ergeben sich auch bei Hilfsdichtungen wie Öl oder Grafit, die die Mikrounebenheiten durch Adhäsion ausgleichen (Ventilsitze oder Armaturen).

Für Flächendichtungen wird ein "weiches" Dichtelement oder Dichtungsmaterial zwischen die abzudichtenden Flächen gebracht. Hierdurch können die erforderliche Anpresskraft und die erforderlichen Oberflächengüten wesentlich verringert werden. Als Dichtungstypen werden vorgeformte Dichtungen (z.B. aus Papier/Pappe, Kork, Gummi, Kunststoffe oder Faserstoffe), viskos aufgetragene Dichtungssysteme (z.B. Hylomar) oder integrierte elastomere Dichtungen verwendet. Die Auslegung der Dichtung ist in den Regelwerken DIN und AD 2000-Merkblättern meist ein Teil der Flanschauslegung und erfolgt mit Hilfe von Dichtungskennwerten. Diese Dichtungskennwerte beschreiben im Wesentlichen das Abdichtvermögen (Formänderungswiderstand und Stoffundurchlässigkeit), die Betriebsdruckbelastbarkeit und Rückfederung der Dichtung, die Kriechneigung, sowie die Temperatur- und chemische Beständigkeit.

Reicht die Beständigkeit der Dichtungen gegenüber den geführten Medien nicht aus, werden Mehrstoffdichtungen oder Metallweichstoffdichtungen verwendet, bei denen das elastische Dichtmaterial durch eine metallische Hülle geschützt wird oder metallische Einlagen ein stützende Funktion ausüben.
Bei Flächendichtungen ist es wichtig, dass die Fügepartner, über die größere Kräfte (s. auch Thema: Festigkeitsberechnung) geleitet werden und zwischen denen die Abdichtung stattfinden soll, steife Flansche, ebene Oberflächen und einen möglichst gleichmäßigen Pressungsverlauf entlang der Dichtungslinie besitzen (s. Grafik hinter dem Link oder Skript auf externem Link).
Media:Schraubenkraftwirklinie.doc
http://www.ima.uni-stuttgart.de/dichtungstechnik/download.php

O-Ringe

O-ring01.gif
O-Ring.png

O-Ringe, oder auch Rundringe genannt, sind die am häufigsten eingesetzten Dichtelemente, die wohl schon jeder einmal gesehen hat. Dies ist durch ihre Vielseitigkeit zu erklären. O-Ringe werden sowohl als statische, als auch als dynamische Dichtung (bei mäßigen Geschwindigkeiten und begrenzten Drücken) eingesetzt. Als statische Dichtung können sie sehr hohen Drücken, von 1.000 bar und mehr, ausgesetzt sein. Im dynamischen Betrieb, wird meist ein zusätzlicher "Stützring" verwendet, der die Extrusion des O-Ringes, also das Einquetschen, verhindern soll (s. Bild).

Für die Aufnahme des O-Rings werden meistens rechteckige Nuten vorgesehen (wie auch aus der Grafik ersichtlich), deren Flächeninhalt etwa 25% größer als der Querschnitt des O-Rings sein sollte, wobei die Nuttiefe kleiner als der Durchmesser sein muss. Das Material der O-Ringe ist ein Elastomer, dessen Zusammensetzung, nach herrschenden Betriebs-
anforderungen (Temperatur, Medium, Druck), variiert.

Hermetische Dichtungen

Hermetische Dichtungen sind Dichtungen mit einem hochelastischen Glied, meist ein Faltenbalg oder eine Membran, welche den Relativbewegungen der bewegten Maschinenteilen folgen kann. Sie werden zum abdichten von giftigen, explosiven oder sehr wertvollen Betriebsstoffen und als Vakuum- oder Schutzdichtung verwendet. Der Eine oder Andere kennt sie aus der Kfz-Technik als Gelenkmanschette am Achsgelenk.
Bitte anklicken!

Faltenbälge werden als Schutzdichtungen bei axialbeweglichen Schubstangen, Antriebs- oder Schaltgelenken, Spindeln usw. eingesetzt. Sie verhindern das Eindringen von Schmutz oder Wasser, sowie das Austreten von Schmiermitteln.

Berührungsdichtungen zwischen relativ bewegten Bauteilen (dynamische Dichtungen)

Dichtungen für Drehbewegungen

Die vorhandene Druckdifferenz während des Betriebes, ist die entscheidende Größe, wenn es um die Art der Dichtung geht. Bei sehr geringen Druckdifferenzen oder sogar Drucklosigkeit, werden Filzringe und Radialwellendichtringe verwendet. Bei radialen Dichtflächen kommen federnde Abdeckscheiben, V-Ringe oder axiale Laufringdichtungen zum Einsatz. Welche Dich-
tung für welchen Anwendungszweck verwendet werden kann/sollte, ist aus den Konstruktionsrichtlinien für Lagerdichtungen im RM TB19-9a zu entnehmen.
Bei Differenzdrücken, werden abgestützte Radialwellendichtringe mit verstärkter Dichtlippe, teure axiale Gleitringdichtungen oder Stopfbuchsen verwendet. Bei Abdichtungen gegen radiale Flächen, sind Radialwellendichtringe die am häufigsten verwendeten Dichtungen für öl- und fettgeschmierte Wälzlager. Die Querschnitte einiger Beispiele für Radial-Wellen-
dichtringe sind in der folgenden Grafik aufgeführt:

RWDR.jpg



Bei Abdichtungen gegen axiale Flächen, sind federnde Abdeckscheiben bei Fettschmierung eine platzsparende Variante. Sie werden mit einem Innen- oder Außenring (je nach Lagergestaltung) festgespannt und legen sich leicht federnd gegen den anderen Ring. In der folgenden Grafik ist dies ersichtlich: Federnde Abdeckscheibe.jpg

Dichtungen für Längsbewegung ohne oder mit Drehbewegung

Zu den Dichtungen für Längsbewegung mit oder ohne Drehbewegung zählen die Stopfbuchsen, Formdichtungen und Ringdichtungen.
Stopfbuchsen sind die ältesten Dichtungen für bewegte Maschinenteile. Sie bestehen aus Weichstoffpackungen oder einzelnen elastischen Packungsringen, die einfach in einen Ringraum gestopft werden. Hierzu ein Bild:
Stopfbuchse.jpg


Formdichtungen werden vorwiegend in der Pneumatik und Hydraulik angewendet und in Lippendichtungen und Kompaktdichtungen unterteilt. Ein paar Beispiele hierfür sind in folgender Grafik zu sehen:
Formdichtungen.jpg


Zu den Ringdichtungen gehören Kolbenringe und PTFE-Ringe.
Die Kolbenringe sind einfach geschlitzte Ringe aus normalerweise Sondergrauguss. Sie werden überwiegend in Verbrennungsmotoren und bei dynamisch hoch belasteten Kolben- und Stangendichtungen eingesetzt. Es gibt sie aber auch noch als Führungs- und Ölabstreifring.
PTFE-Ringe bestehen aus einem Laufring, der von einem innen liegenden O-Ring angepresst wird. Diese Art der Dichtung ersetzt immer mehr die Manschettendichtungen, da hier kein "Stick-Slip Effekt" auftreten kann. Um nochmal ein Eindruck über die Anwendung zu bekommen, vier Beispiele:
Beispiel1.jpg


Übungsaufgabe 1

Übung 1: Wahl der richtigen Dichtung
Für einen Winkelschleifer, mit einer maximalen Drehzahl von n = 7500 U*min-1,
wird zur Abdichtung des Getriebes gegen Verunreinigung und zur Beibehaltung des
Getriebefettes, eine passende, preiswerte Lagerdichtung für die Welle (d=10mm) benötigt.
Suche mittels RM Tabellenbuch eine passende heraus.
Winkelschleifer.jpg

Dichtungen: Lösungen

Berührungsfreie Dichtungen

Bei berührungsfreien Dichtungen macht man sich die Undurchlässigkeit enger Spalten zu nutze. Sie haben eine unbegrenzte Lebensdauer, aufgrund der Berührungslosigkeit. Allerdings ist bei dieser Dichtungsart mit höheren Leckverlusten, als bei Berührungsdichtungen, zu rechnen. Es gibt die berührungsfreien Schutzdichtungen und die Strömungsdichtungen.
Die berührungsfreien Schutzdichtungen werden vorwiegend bei fettgeschmierten Lagern verwendet. Beispiele hierfür sind die einfache Spaltdichtung, die Rillendichtung und die Labyrinthdichtung (Grafik).
Berührungsfreie Dichtungen.jpg


Strömungsdichtungen werden überwiegend bei Turboladern, Dampf- und Wasserturbinen, Gebläsen und Kreiselpumpen eingesetzt. Bei dieser Dichtungsart ist die Leckmengenrate am größten. Hierfür auch ein paar Beispiele:
Strömungsdichtungen.jpg


Sonstiges

Media:katalog6.pdf Katalog der Firma J. Mettler & Co. über verschiedene Dichtungsarten
Media:Metall_Ringe_D.pdf Katalog der Firma GFD über MetallO-Ringe und C-Ringe
http://www.gfd-dichtungen.de/de/produkte/produkte.html


Wer in seinem Leben wirklich einmal in die Lage kommen sollte eine Dichtung auslegen zu müssen, sollte sich nicht scheuen die entsprechenden Hersteller zu kontaktieren. Hersteller haben meistens eine Service-Abteilung, die spezifische Kundenforderungen bearbeiten. Sprich: Von der Dichtungswahl, über die Berechnungen, bis zur Auslieferung.

Literatur und Bildquellennachweis

Roloff/Matek Maschinenelemente 18. Auflage
Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung 8. Auflage
Roloff/Matek Maschinenelemente Tabellen 18. Auflage

Präsentationen

Präsentation im Fach "Entwicklung und Konstruktion" vom 11.12.2010 mit Berechnungsbeispielen für statische und dynamische Dichtungsauslegungen.

Media:Dichtungen.pptx

Media:Dimensionierung einer statischen Dichtung.docx

Media:FachDimensionierung einer dynamischen Dichtung.docx

Weblinks

http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Hauptseiten/inhalt.html
http://www.burgmann.com
http://www.busakshamban.de
http://www.elringklinger-kunststoff.de
http://www.federal-mogul.com
http://www.simrit.de
http://www.loctite.com
http://www.freudenberg.de
http://www.parker.com
http://www.ringfeder.de
http://www.skf.de
http://www.witzenmann.de