Einsatzbeanspruchungen

Einer der wichtigsten Parameter bei der Beurteilung der O-Ringe ist ohne weiteres der "Compression Set" bzw. die infolge des Einsatzes feststellbare permanente Druckverformung. Der Compression Set ist als Prozentwert der permanenten Verformung hinsichtlich des ursprünglichen Ringdurchmessers definiert und wird durch die Betriebsbedingungen beeinflusst, denen der O-Ring ausgesetzt ist, insbesondere durch alle die Umstände, die dazu beitragen, auf dauerhafte Weise die Elastizität der Mischung zu ändern. Es existieren diverse nationale und internationale Bestimmungen für die Bewertung des Compression Sets der verschiedenen im Handel erhältlichen Mischungen. Das Prinzip, auf dem sie gründen, ist die Ausführung von Tests, bei denen die Proben vorbestimmten Verformungen und Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, um die Rückfederung nach dem Versuch zu bewerten. Den Prozentwert des Compression Sets erhält man mit folgender Formel:

Cs = (hi – hf) / (hi – hc) %

Wobei hi der Anfangswert der Probenhöhe ist, hc der Höhenwert der komprimierten Probe und hf die Endhöhe nach der Rückfederung (Abbildung 3.10).

Der Hauptfaktor, der das elastische Verhalten der Elastomere beeinflusst, ist die Alterung, da sie Änderungen der Molekularstruktur des Materials und daher einen Verfall der elastischen Eigenschaften mit sich bringt.

Der Compression Set - Wert ist von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig. Um präzise Informationen über die Güte einer bestimmten Mischung zu erhalten, muss diese daher direkt anhand von Tests überprüft werden, die soweit wie möglich die wirklichen Werte des Drucks, der Temperatur und der in Berührung stehenden Flüssigkeit wiedergeben.

Ein guter Compression Set - Wert, d.h. ein niedriger Prozentwert, ist bezeichnend für eine gute Haltbarkeit der statischen und dynamischen Dichtung.Bei statischen Anwendungen reduziert der Elastizitätsverlust die Kapazität des O-Rings, die Druckschwingungen des Systems ohne Verluste aufzunehmen. Bei dynamischen Anwendungen können die Reibung und die damit verbundene Temperatursteigerung der Mischung die Alterung beschleunigen und somit die Verschlechterung des Compression Sets (Steigerung des Prozentwertes).

In Abbildung 3.11 wird richtungsweisend das Verhalten des Compression Sets bei 4 unterschiedlichen O-Ring-Mischungen dargestellt. Bei den Druckversuchen wurde bei O-Ringen mit nominalem Durchmesser Qd = 5.30 mm der nominale Querschnittdurchmessers Qd um 25% über eine Zyklusdauer von 70 Stunden und bei unterschiedlichen Temperaturen geändert.

Die Graphik zeigt, wie die Temperatur die Alterung des Materials und demzufolge den Compression Set beeinflusst und wie die verschiedenen Mischungen sich mehr oder weniger für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen eignen.

Der Compression Set einer Mischung ist jedoch nicht nur von den Betriebsbedingungen abhängig. Bei einem Druckversuch, bei dem unter denselben Temperaturbedingungen O-Ringe aus derselben Mischung in unterschiedlichen Größen getestet wurden, ist hervorgegangen, dass einige Mischungen elastische Eigenschaften aufweisen, die nicht nur von den Betriebsbedingungen abhängig sind, sondern auch von ihrer geometrischen Form. In den folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse aufgeführt, die wir bei der Untersuchung von O-Ringen aus diversen Mischungen und mit unterschiedlichen Größen erzielt haben.

Der Versuch wurde an den O-Ringen durchgeführt, indem den diversen Proben unterschiedliche Anfangsquetschungen auferlegt wurden und die Temperatur über Versuchszyklen von 70 Stunden konstant aufrechterhalten wurde.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die O-Ringe mit MVQ-Mischung einen sehr hohen Compression Set aufweisen, dieser Wert jedoch nicht wesentlich von den unterschiedlichen Größen der getesteten Proben abhängig ist. Anders ist dagegen das Verhalten der O-Ringe mit NBR-Mischung, bei denen die Elastizität vom Wert des Querschnittdurchmessers abhängig ist.

Wenn die Elastizität die Eigenschaft ist, die die Mischung für Dichtungsanwendungen geeignet macht, ist es ihr Härtewert (d.h. der Wert des Widerstands, der gegen das Eindringen von härteren Gegenständen geleistet wird), der festlegt, für welche Belastungssituationen sie sich eignet.
Der Einsatz von mehr oder weniger harten Mischungen ist eng mit den Druckwerten verbunden, die auf das Element ausgeübt werden. Welche Mischungen weisen eine gute statische Dichtheit auf und passen sich leicht an die Rauheit der Dichtungsfläche an, können jedoch bei erhöhten Druckwerten der Extrusion unterliegen. Ferner ist beim Vorhandensein einer relativen Bewegung zwischen dem O-Ring und der Dichtungsfläche (im Fall dynamischer Dichtheit) die von einer weichen Mischung erzeugte Reibung höher als die, die von einer härteren Mischung erzeugt wird, und folglich der damit verbundene Verfall der Dichtungseigenschaften schneller.

Wie bereits im Abschnitt über den Compression Set behandelt, hat der Alterungsprozess des Elastomers einen großen Einfluss auf die Dichtungskapazität der O-Ringe. Unter dem Begriff Alterung wird der Verlust der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elastomere verstanden, der von zahlreichen externen Faktoren beeinflusst wird, so z.B. von der Temperatur, den mechanischen Beanspruchungen oder der Atmosphäre, mit denen das Elastomer in Berührung kommt.

Im Laufe der Alterung werden die Molekularketten, aus denen sich die Mischung zusammensetzt, geändert, wobei sich die Bindungen und demzufolge auch das Verhalten des Materials ändert. Die Bindungsänderung beginnt bei der externen Oberfläche, die den externen Agenzien ausgesetzt ist, und breitet sich mit der Zeit in die Tiefe aus. Etwas ins Detail gehend können wir sagen, dass die Eigenschaften der Elastomere vom Bindungstyp abhängig sind, der sich zwischen seinen Molekülen bildet, und dass zur Erzielung besonderer Bindungen dem Grundmaterial chemische Elemente, sog. Füllstoffe, hinzugefügt werden, die in die Bildung der Molekularbindungen eingreifen und der Mischung die gewünschten Eigenschaften verleihen.

In den folgenden Abschnitten untersuchen wir einige Arbeitsbedingungen und ihre Wirkung auf die O-Ringe, wobei nochmals darauf hingewiesen wird, dass die Arbeitsbedingungen in vielen Situationen neben den direkten Beanspruchungen den Alterungsprozess der Mischungen beschleunigen. Auch darf nicht vergessen werden, dass bei den realen Anwendungen viele der Belastungen auf kombinierte Weise zusammenwirken und die negativen Einflüsse auf die Dichtungskapazität der O-Ringe steigern. Der Alterungsprozess des Materials setzt praktisch sofort ein, d.h. ab dem Herstellungsmoment des O-Rings, sobald dieser mit Luft und Licht in Berührung kommt. Um dem Alterungsprozess vorzubeugen, empfiehlt es sich, eine dünne Schmierschicht um den Ring aufrechtzuerhalten und ihn außer bei der Montage keinem Licht auszusetzen.

Ein sehr wichtiges Element bei der Wahl eines O-Rings ist die Temperatur, bei der er zum Einsatz kommt. Die Elastomere reagieren unterschiedlich auf Temperaturbelastungen, im Allgemeinen verändern sie jedoch ihre Elastizität. Insbesondere neigen die Mischungen bei niedrigen Temperaturen dazu, ihre Elastizität einzubüßen, was zu einer Herabsetzung der Dichtungskapazität führt, während bei hohen Temperaturen das Material dazu neigt, flüssiger zu werden und besser an den Flächen zu haften, was jedoch zur Folge hat, dass sie durch den Druck oder durch die Bewegung bei dynamischen Dichtungen auch leichter der Extrusion unterliegen.
Ein weiterer Grund für eine mangelhafte O-Ring-Dichtung kann mit dem Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Mischungen zusammenhängen, der sich gewöhnlich beträchtlich von dem des Materials unterscheidet, aus dem der Installationssitz des O-Rings ist. Dies führt dazu, dass die auf Temperaturschwankungen zurückzuführenden Ausdehnungen und Schrumpfungen sehr unterschiedlich ausfallen können. Bei hohen Temperaturen neigt die Mischung dazu, sich auszudehnen und ihren ganzen Sitz auszufüllen, was bei dynamischen Anwendungen zu einer unterwünschten Reibungssteigerung führt.
Bei niedrigen Temperaturen führt die Materialschrumpfung zu einer Minderung der Quetschung des Querschnittdurchmessers, der so klein werden kann, dass die Dichtheit beeinträchtigt wird. In der Abbildung 3.14 ist ein Beispiel für den Temperatureinfluss auf einen O-Ring aus NBR-Mischung mit einer Shorehärte von 80° aufgeführt, wobei bei der Mischung ein Versuch für die Bewertung des Compression Sets und der Härte bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt wurde.

Aus diesen Gründen ist bei der Wahl eines O-Rings wichtig, die Betriebstemperatur zu berücksichtigen und die Sitze unter sorgfältiger Bewertung der Volumenänderungen, die diese Temperaturen mit sich führen, zu planen.

Aufgrund ihrer einfachen Anwendung kommen O-Ringe in den diversesten Bereichen, in denen eine Dichtheit erforderlich ist, zum Einsatz. Daher kann der O-Ring mit Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen unterschiedlichster Natur in Kontakt treten und sein Verhalten wird in dem Maß davon beeinflusst, in dem diese Flüssigkeiten mit seiner Mischung interagieren. Die Mischung kann in Kontakt mit einer Flüssigkeit unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen.

Die Flüssigkeit kann in die Mischung eindringen und ihr Volumen steigern:

• das kann zu einer Änderung des elastischen Verhaltens führen, das durch die Anwesenheit von Einschlüssen im Inneren der Molekularstruktur beeinflusst wird;
• das kann zu einer Änderung der Molekularstruktur mit Bruch der alten Bindungen und Bildung neuer Bindungen mit den in die Mischung eingedrungenen Komponenten führen.

Die Flüssigkeit ruft eine Volumenminderung hervor:

• die Flüssigkeit agiert auf einige Komponenten der Mischung wie ein Lösungsmittel, zerstört die Bindungen und entfernt die gelösten Substanzen.

Die Flüssigkeit ruft keine bemerkenswerten Volumenänderungen hervor:

• einige Komponenten der Mischung werden gelöst und entfernt und mit derselben Menge an Flüssigkeit ersetzt, die sich an die Moleküle der Mischung binden kann. Die Flüssigkeit ändert die Mischung oder bleibt in Form von Einschlüssen in ihr.

Im zuletzt dargestellten Fall kann der O-Ring in seinem Aussehen nicht verändert sein und trotzdem elastische Eigenschaften aufweisen, die sich von den ursprünglichen Eigenschaften grundlegend unterscheiden. Die Änderung der chemischen – physikalischen Eigenschaften der O-Ring-Mischung durch die Einwirkung von Flüssigkeiten kann zum Verlust der Dichtungskapazität führen. Der Wert der Betriebstemperatur hat einen großen Einfluss auf das aggressive Verhalten der Flüssigkeiten. Es ist daher von absoluter Wichtigkeit, dass die mit dem O-Ring in Berührung kommenden Flüssigkeiten berücksichtigt werden, damit die Mischung gewählt werde kann, die am besten ihren Aggressionen standhält.

Die Norm ISO 6072 definiert den Kompatibilitätsindex (ECI), damit das Verhalten der diversen Moleküle in Verbindung mit den Flüssigkeiten verglichen werden kann. Der ECI-Parameter setzt eine Werteskala in Bezug auf die Volumenänderung eines Elastomers in Berührung mit einer Flüssigkeit fest. Unsere technische Abteilung ist in der Lage, Ihnen die beste Mischung in Funktion der zurückzuhaltenden Flüssigkeit zu empfehlen.

In diesem Abschnitt untersuchen wir einige mechanische Beanspruchungen, denen die O-Ringe während ihres Einsatzes unterliegen, und die möglichen Auswirkungen, die diese Beanspruchungen auf die Dichtungskapazität haben können.

Wie bereits mehrfach darauf hingewiesen, wird die O-Ring-Dichtung dank der Komprimierung des Rings in einem für diesen Zweck vorgesehenen Sitz erzielt. Zusammen mit anderen Faktoren, die die Mischung spröde machen, kann die Druckkraft den Bruch der Molekularbindungen mit damit verbundenen Auswirkungen auf die Eigenschaften des O-Rings hervorrufen. Vom Bruch der Bindungen kann eine Änderung der Elastizität des Elastomers ausgehen und aufgrund der veränderten Molekularstruktur kann auch ein unterschiedliches Verhalten in Berührung mit den im System vorhandenen Flüssigkeiten auftreten. Der Bruch der Molekularstruktur kann auch zu einer vorzeitigen Alterung der Mischung führen.

Bei dynamischen Dichtungsanwendungen ist ein sehr wichtiger Faktor, der die Dichtungsqualität beeinflusst, die Reibungskraft. Die exakte Bewertung des Phänomens ist äußerst komplex, da viele sich gegenseitig beeinflussende und schwer kontrollierbare Faktoren mit im Spiel sind. Eine niedrige Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen ermöglicht eine bessere Funktionstüchtigkeit der Anlage, kann jedoch auch eine Steigerung der Verluste darstellen, die durch die Minderung der Haftung des O-Rings an die Dichtfläche hervorgerufen werden. An erster Stelle können wir sagen, dass der Wert des Reibungskoeffizienten zwischen zwei Elementen wie der O-Ring und die Dichtfläche nicht konstant ist, sondern von der jeweiligen Geschwindigkeit abhängig ist.
In der Abbildung 3.15 ist der richtungsweisende Verlauf des Reibungskoeffizienten in Bezug auf die Bewegungsgeschwindigkeit dargestellt (dieser Verlauf ist in den meisten Fällen vorzufinden).

Die Reibung der ersten Loslösung ist die Kraft, die überwunden werden muss, um die Bewegung des Körpers zu ermöglichen. Diese Kraft ist stärker als die, die anschließend der Bewegung entgegengesetzt wird. Nach der Loslösung vermindert sich bei der Geschwindigkeitssteigerung der Wert des Reibungskoeffizienten ƒ, bis die Geschwindigkeit den Grenzwert der Gleitgeschwindigkeit erreicht hat, bei der der Wert ƒ am kleinsten ist.

Bei Geschwindigkeiten, die die Gleitgeschwindigkeit überschreiten, beginnt der Reibungskoeffizient zu steigen. Trotz Aufrechterhaltung des ungefähren Verlaufs von Abbildung 3.15 kann der Wert des Reibungskoeffizienten ƒ aufgrund der Betriebsbedingungen äußerst unterschiedlich ausfallen.Zu den beeinflussenden Bedingungen gehören vor allem die Härte der O-Ring-Mischung, der Vorspannungsdruck, der ihn gegen die Dichtwand drückt, und die Anwesenheit von Schmiermittel. Insbesondere kann die Schmierfunktion von der im Kreislauf vorhandenen Flüssigkeit durchgeführt werden, die einen dünnen Film zwischen der Wand und der Dichtung bildet und somit dazu beiträgt, den Reibungskoeffizienten zu senken.
Das Vorhandensein von Rauheit oder Unregelmäßigkeiten auf der Dichtfläche kann den Reibungseffekt verstärken, kann jedoch auch die Bildung von Flüssigkeitseinschlüssen zulassen und somit eine gute Schmierung aufrechterhalten. Das Vorherrschen einer dieser beiden Wirkungen ist vom Umfang der Unregelmäßigkeiten und der Mischungshärte abhängig.

Die dynamischen Anwendungen können je nachdem, ob es sich um eine Flüssigkeits- oder Gasdichtung handelt, in zwei Haupttypologien unterteilt werden.

Bei der Analyse dieser Anwendung können wir beobachten, dass der O-Ring mit einer gewissen Kraft an der Dichtfläche haftet und dass diese Kraft je nach den Abmessungen des Hohlraums und je nach dem von der Flüssigkeit ausgeübten Druck mit dem Ringvolumen in Zusammenhang steht. Der Bewegung zwischen den beiden Teilen setzt sich eine Reibungskraft entgegen, die von diesen Parametern abhängig ist. Wie wir bereits gesehen haben, kann die Flüssigkeit zum Schutz des O-Rings einen Schmierfilm bilden.
Das Vorhandensein von Reibungen erzeugt eine gewisse Wärme, die Systemänderungen hervorrufen kann:

• Die Wärme kann eine Änderung des O-Ring-Volumens und daher eine Änderung der Kraft zur Haftung an die Wände des Sitzes hervorrufen;
• Indem es sich erhitzt, kann die Flüssigkeit ihre Viskosität ändern und die Bildung des Schmierfilms verhindern, was zu einem schnellen Verschleiß des O-Rings führt;
• Die Elastizität des O-Ring-Bereichs, der mit der Dichtfläche in Berührung kommt, kann sich ändern und Extrusionserscheinungen begünstigen;
• Die Aggressivität der Flüssigkeit gegenüber der Mischung kann sich erhöhen und irreversible Ände rungen hervorrufen. Dies sind einige der Faktoren, die von einer Temperatursteigerung hervorgerufen werden und die Dichtungskapazität beeinflussen können.

Diese Probleme können einen Kettenprozess auslösen, der bis zur Unbrauchbarkeit des O-Rings führen kann.
Den im Kreislauf vorhandenen Flüssigkeiten können Zusatzstoffe hinzugefügt werden, um die schädlichen Auswirkungen der Reibung einzuschränken.

Zuverlässige Angaben zum Betriebsverhalten können nur erzielt werden, indem der O-Ring Testversuchen unterzogen wird.

Die dynamische Dichtung bei unter Druck stehendem Gas präsentiert ähnliche Problematiken wie die, die wir bei den Anwendungen mit Flüssigkeiten gesehen haben. Sie unterscheiden sich insbesondere dadurch, dass keine Flüssigkeit vorhanden ist, die als Schmiermittel fungieren kann. Bei gewissen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Anwendungen in hydraulischen Kreisläufen, kann zur Behebung dieser Schwierigkeit Luft mit einem bestimmten Schmierölgehalt verwendet werden. In diesem Fall setzt sich das Schmieröl auf dem O-Ring ab und reduziert die Reibung. Auf jeden Fall können zur Herabsetzung des Reibungskoeffizienten selbstschmierende Mischungen verwendet werden. Das größte Problem dieses Anwendungstyps bleibt der durch Reibung erzeugte Ringverschleiß. Die Unregelmäßigkeiten der Dichtflächen haben wegen der geringen Menge an Schmiermittel, das sich zwischen den O-Ring und die Dichtfläche legen kann, eine schädlichere Wirkung. Ein weiterer Faktor, der die Reibung bei pneumatischen Anwendungen und im allgemeineren bei Gasanwendungen beeinflusst, ist die Gasdurchlässigkeit der Mischungen. In der Tat sind alle Elastomere mehr oder weniger gasdurchlässig, was die Bildung von Blasen innerhalb der Mischung hervorruft.

Das Vorhandensein dieser Blasen führt nicht nur zu Änderungen des Ringvolumens und daher zu einer Steigerung der Kraft, mit der der Ring auf die Dichtwände drückt, sondern schwächt auch den Widerstand gegen Oberflächenreibungen, wodurch die Zusammensetzung der Mischung ungleichförmig wird. Des Weitern kann eine mit der Reibung in Verbindung stehende übermäßige Erhitzung zur Explosion dieser Blasen und daher zur Beschädigung des O-Rings führen.
Im nächsten Abschnitt werden kurz der Ursprung und die Auswirkungen der Gasdurchlässigkeit zusammenge fasst.

Bei den Anwendungen mit Gasdichtheit bilden die O-Ringe eine Barriere zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Druckwerten.
Die elastomereigenen Eigenschaften machen die Elastomere gasdurchlässig. Die Gasdurchlässigkeit hängt von dem Gastyp, der Betriebstemperatur und dem vom Gas ausgeübten Druck ab. Die Durchlässigkeit kann einen Gasverlust erzeugen, wobei das Gas durch das Elastomer hindurch von dem unter größeren Druck stehenden Bereich zu dem unter weniger Druck stehenden Bereich hinübergeht. Eine gewisse Menge an Gas bleibt in der Mischung zurück und bildet Blasen, die das elastische Verhalten des Rings beeinflussen.
Des Weiteren kann der direkte Kontakt des Gases mit der Außenfläche des O-Rings den Alterungsprozess der Mischung beschleunigen. Es ist erprobt worden, dass eine Schmierölschicht auf der Oberfläche des O-Rings nicht nur die vorzeitige Alterung verhindert, sondern auch die Durchlässigkeit des Materials mindert und demzufolge die Verluste des Systems reduziert.
In der Tabelle 3.2 sind die Koeffizienten der Durchlässigkeit von einigen Gasen für die am häufigsten bei der Produktion von O-Ringen verwendeten Mischungen angegeben.

Für mehr Informationen über das Verhalten von O-Ringen in Anwesenheit verschiedener Gase wenden Sie sich bitte an unsere Tecnische Abteilung.