Druckaktivierte Dichtkanten bringen mehr 1

Bei herkömmlichen Nutringen kommt es bereits bei niedrigen Systemdrücken zu starkem Kontakt der dynamischen Dichtfläche mit der Kolbenstangenoberfläche. Ganz anders arbeitet eine neuartige Dichtung: Deren Dichtkanten legen sich mit steigendem Druck nach und nach an.

Energieverluste, möglicher verschleißbedingter vorzeitiger Ausfall der Dichtung, insgesamt geringerer Wirkungsgrad des hydraulischen Systems: sämtlich Effekte an Kolben- und Stangendichtungen für hydraulische Zylinder, die aufgrund von Reibung zwischen Dichtung und Komponente auftreten können. Allerdings gilt auch: Ohne Reibung keine Abdichtung. Die entscheidende Frage lautet daher: Wie lässt sich bei minimierter Reibung dennoch gute Abdichtung erzielen?

Eine der möglichen Antworten darauf geben etwa die Entwickler von Parker Prädifa. Unter der Prämisse „reibungsoptimiert“ konzipierten sie die neue Ultrathan-Stangendichtung HL, bei der es gelang, die Reibkraftverluste im Vergleich zu einem Standard-Nutring je nach Belastung um rund 30 bis 70 Prozent zu reduzieren – ohne Einbußen bei der Abdichtung.

Dazu ließen sich die Entwickler einiges einfallen. Zum Beispiel ein neuartiges Funktionsprinzip. So weist die einfachwirkende Stangendichtung druckaktivierte, kaskadierende dynamische Dichtkanten auf. Als Werkstoff findet der gleichfalls neuentwickelte P6030 Verwendung. Der speziell für reibungsarme Anwendungen in der Fluidtechnik konzipierte Werkstoff  zeichnet sich durch erhöhte Temperatur-, Extrusions- und Verschleißbeständigkeit sowie niedrigen Druckverformungsrest aus. Er weist gute Medienresistenz auf und ist beständig gegen Hydraulik-öle auf Mineralölbasis sowie PAO-Flüssigkeiten. Für weitere Medien wie beispielsweise Bio-Flüssigkeiten (HEES und HETG) muss allerdings auf andere im Programm verfügbare Werkstoffe zurückgegriffen werden.

Gesamteffekt allemal: deutlich reduzierte Haft- und Gleitreibung in Hydraulikzylindern sowie höherer Wirkungsgrad hydraulischer Anlagen. Doch was bedeutet stufenweise Druckaktivierung?

Druckabhängige Dichtkantenfunktion
Zunächst etwas Grundsätzliches: Entscheidend für die Höhe der Reibkräfte bei Hydraulikdichtungen ist die Größe der Kontaktfläche zwischen Dichtung und Gleitpartner. Je größer die Anlagefläche der Dichtung, desto höher die Haft- und Gleitreibung. Insbesondere bei niedrigen Systemdrücken oder in Differentialzylindern mit geringen Druckdifferenzen spielt der Einfluss der Reibung eine nicht zu unterschätzende Rolle. Bei herkömmlichen Nutringen kommt es in der Regel bereits bei geringen Systemdrücken zu stärkerem Kontakt der dynamischen Dichtfläche mit der Kolbenstangenoberfläche.

Beim HL-Profils hingegen legen sich die Dichtkanten der dynamischen Dichtlippen mit steigendem Druck nach und nach an die Gegenlauffläche an. Das verringert deutlich die Reibung im drucklosen Zustand sowie bei niedrigen Drücken. Dabei nimmt die Dichtwirkung mit der Anzahl einwirkender Dichtkanten zu. Zwar bedingt das eine leichte Erhöhung der Gleitreibung, insgesamt bleibt diese aber dennoch auf  niedrigem Niveau.
Ein weiterer Vorteil: Da in drucklosem Zustand lediglich die primäre Dichtkante anliegt, bedeutet das geringere Losbrechreibung nach längerer Stillstandszeit. Wegen der geringeren Anlagefläche verringern sich zudem Wärmeentwicklung und Reibleistung.

Das wiederum erlaubt höhere Verfahrgeschwindigkeiten. Abhängig vom anliegenden Systemdruck werden dabei die einzelnen Dichtlippen aufgrund von Deformation des Dichtungsquerschnittes aktiviert. Das führt zu Verringerung der beim Zylinderhub entstehenden Schlepp-ölmenge und somit zur Erhöhung der Dichtfunktion. Bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten wird zudem das Risiko des Ruckgleitens (Stick-slip) nahezu ausgeschlossen.

Und für welche Einsatzfälle überhaupt bietet sich die HL an? Sie eignet sich für vielfältige Anwendungen in der Hydraulik, insbesondere jene, die minimale Reibung verlangen, wie beispielsweise Hebebühnen, Ladebordwände, Gabelstapler und Hubwagen. Auch Prüf- und Testzylinder, Automationszylinder, Zylinder in der Agrartechnik oder Türschließer und Gasfedern sind typische Anwendungsfelder für die neue Dichtung.

Die neue Stangendichtung kann dabei als Einzeldichtung mit Abstreifer oder auch als Sekundärdichtung hinter einer Primär- oder Bufferdichtung in einem Dichtsystem eingesetzt werden. Die Dichtungen sind ausgelegt für einen maximalen Betriebsdruck von 250 bar, die zulässigen Betriebstemperaturen reichen von minus 35 bis 110 Grad Celsius.

Finite-Elemente-Analyse des Dichtungsprofils HL: Darstellung der Spannungsverläufe und damit verbundener Funktion der
Dichtungslippen in Abhängigkeit vom Systemdruck.