O-Ringe: Von den Basics bis zu fortgeschrittenen Anwendungen

Die bidirektionalen, kreisförmigen O-Ringe sind vielseitige Dichtungen, die meist aus Elastomer, PTFE oder Metall hergestellt werden. Sie funktionieren durch Materialverformung unter Installations- und Mediendruck und bieten eine effektive Dichtung bei Zwischenräumen von Gegenstücken.

Jedoch sind diese Dichtungen nicht ganz unempfindlich. Hoher Systemdruck kann Extrusion hervorrufen. Dabei kann sich das Dichtungsmaterial verformen und in den Zwischenraum gelangen. Die Dichtung ist dann nicht mehr funktionsfähig. Dieses Problem kann durch die Verwendung von härterem Dichtungsmaterial oder die Einführung von Stützringen gelöst werden.

Die Stärke eines O-Rings liegt in seiner Fähigkeit, sich unter Druck wie eine hochviskose Flüssigkeit zu verhalten und eine positive Barriere gegen das Medium zu bilden, das er abdichten soll. Diese einzigartige Eigenschaft in Verbindung mit der Fähigkeit, nach der Verformung wieder die ursprüngliche Form anzunehmen, macht O-Ringe zu einem unschätzbaren Wert bei Dichtungsanwendungen.

Darüber hinaus passt sich der O-Ring aufgrund seiner elastomeren Beschaffenheit an Toleranzschwankungen der Einheit an ohne Abstriche bei den Dichtungseigenschaften. Die Verpressung bzw. der Kompressionsgrad ist ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion von O-Ring-Dichtungen. O-Ringe mit kleineren Querschnitten brauchen zum Ausgleich der grösseren Toleranzen in den Nutdimensionen eine höhere Verpressung.

O-Ringe können sowohl in statischen als auch in dynamischen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden. Eine Dichtung, die sich nicht bewegt, mit Ausnahme der durch den Zyklusdruck verursachten Pulsation, wird als statische Dichtung bezeichnet.

Es gibt vier Arten von statischen Anwendungen: Axial-, Radial-, Schwalbenschwanz- und Nabendichtungen.

Boss-O-Ring Der O-Ring wird zur Abdichtung von Rohrverschraubungen mit geradem Gewinde in der Nabe verwendet.

Eine Nabe ist ein zylindrischer Vorsprung an einem Gussstück oder Schmiedestück. Das Ende dieses Vorsprungs ist so bearbeitet, dass eine flache, glatte Oberfläche für die Abdichtung entsteht.

Gerade Gewinde, die mit einem O-Ring verwendet werden, bieten eine bessere Dichtung als kegelige Gewinde, die allein verwendet werden.

Dichtungen, die einer Bewegung unterworfen sind, sind dynamische Dichtungen. Sie werden weiter unterschieden in hin- und herbewegend (Dichtungen, die einer linearen Bewegung ausgesetzt sind), rotierend (stationäre Dichtungen, die einer rotierenden Welle ausgesetzt sind) und oszillierend.

Berechnung von O-Ring-Nut und Grösse

Es ist wichtig zu wissen, wie tief und breit die Nut ist, in die der O-Ring eingesetzt werden soll. Andernfalls kann die Grösse eines O-Rings nicht richtig bestimmt werden. Normalerweise haben Sie die Nut für den O-Ring bereits berechnet, bevor Sie einen O-Ring auswählen.

Folgendes ist bei der Berechnung von O-Ring-Grösse & O-Ring-Nut zu beachten:

Achten Sie darauf, dass die Breite der Nut grösser ist als die Tiefe, d. h. Ihre Nut ist rechteckig und nicht quadratisch. Der Grund: Ein O-Ring wird normalerweise von oben (axial) in die Nut gepresst. Da ein O-Ring nicht komprimierbar, sondern verformbar ist, muss er in der Lage sein, sein Volumen abzugeben. Spielraum in der Nut ist daher unerlässlich. Wenn die Nut nicht breit genug ist, wird der O-Ring quadratisch gepresst und das Material verliert seine Dichtigkeitseigenschaften.

Der Durchmesser des O-Rings sollte mindestens 15 % kleiner sein als die Nut. Wenn dieser Spielraum kleiner ist, erhöht sich das Risiko einer Beschädigung des O-Rings.

Lesen Sie mehr zur Bestimmung der richtigen O-Ring-Dimensionen für Ihre Anwendung

Berechnen Sie die Tiefe der O-Ring-Nut? Die Nuttiefe bestimmt die Kompression des O-Rings. Berücksichtigen Sie bei Ihren Berechnungen immer den Spalt (clearance gap). Eine O-Ring-Nut sollte rechteckig sein.

Möchten Sie die Grösse von O-Ring und Nut selbst berechnen?

Der O-Ring-Rechner hilft Ihnen bei der Berechnung von O-Ring und Nutgrösse.

Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des richtigen O-Rings ist die Einrückung bzw. der Kompressionsrate. Eine zu hohe Kompressionsrate kann zu Schäden führen, während eine zu niedrige Kompressionsrate eine unzureichende Abdichtung des O-Rings zur Folge hat.

Die Kompressionsrate ist übrigens nicht zu verwechseln mit dem Begriff Druckverformungsrest. Die Kompressionsrate gibt die Verformung des O-Rings an, während der Druckverformungsrest das elastische Gedächtnis des Materials angibt.

Die empfohlene Einrückung beträgt 15 bis 25 % bei statischen Anwendungen. Bei Vakuumanwendungen können die Drücke sogar noch höher sein. Eine Pressung von über 25 % führt zu einer zusätzlichen Belastung des O-Rings. Dies kann zu vorzeitigen Schäden führen.

Bei dynamischen Anwendungen beträgt die empfohlene Kompressionsrate 8 bis 16 %. Aufgrund von Reibung und Verschleiss werden kleinere Querschnitte um bis zu 20 % komprimiert.

Gummimaterialien oder Elastomere, die in Dichtungsanwendungen verwendet werden, werden oft als Mischungen bezeichnet, d. h. sie sind eine Mischung von Bestandteilen, die unter bestimmten Bedingungen hergestellt werden. Eine Komponente besteht in der Regel aus einem Polymer, einem Vernetzungssystem, Füllstoffen und anderen Bestandteilen, die verwendet werden, um bestimmte Herstellungs-, Anwendungs- oder Kostenanforderungen zu erfüllen.

Die Grundlage für die Komponenten-Entwicklung ist die Auswahl des Polymertyps. Der Compoundeur kann dem Elastomer Verstärkungsadditive wie Russ, Farbpigmente, Härtungs- oder Vulkanisationsadditive, Aktivatoren, Weichmacher, Beschleuniger, Antioxidantien oder Strahlenschutzadditive zusetzen. Es kann Hunderte von solchen Kombinationen geben.

Unterschiedliche Umstände erfordern unterschiedliche Eigenschaften der Verbindungen. Aus diesem Grund wurden bereits so viele Komponenten entwickelt. Wir haben unsere Komponenten in Standard- (Allzweck-), Spezial- (branchen- oder anwendungsspezifische) und Hochleistungstypen eingeteilt.

Eine der am häufigsten genannten Eigenschaften von Polymerwerkstoffen ist die Härte. Die Härte ist der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines noch härteren Körpers einer Standardform bei einem bestimmten Druck.

Es gibt zwei Verfahren für Härteprüfungen an Probekörpern und Fertigteilen aus Elastomerwerkstoffen:

Shore A / D gemäss ISO 868, ISO 7619-1, ASTM D 2240 Die meisten Elastomere werden auf der Shore-A-Skala gemessen. Eine Shore-A-Härte von 35 ist weich, 90 ist hart. Shore D wird empfohlen, wenn der Shore A-Wert grösser als 90 ist.

Durometer IRHD (Internationaler Gummihärtegrad) gemäss ISO 48, ASTM 1414 und 1415

Je weicher das Elastomer ist, desto besser passt sich das Dichtungsmaterial an die abzudichtenden Oberflächen an, und es ist weniger Druck erforderlich, um eine Dichtung zu erzeugen. Dies ist besonders wichtig bei Niederdruckdichtungen, die nicht durch Flüssigkeitsdruck aktiviert werden. Je weicher das Elastomer ist, desto höher ist der Reibungskoeffizient.

Bei dynamischen Anwendungen sind die tatsächlichen Werte für Lauf- und Ausbrechreibung härterer Komponenten niedrigeren Reibungskoeffizienten jedoch höher. Der für die Pressung in die O-Ring-Nut erforderliche Druck ist dann nämlich wesentlich höher.

Je weicher das Elastomer ist, desto grösser ist die Gefahr, dass das Elastomer des O-Rings bei hohem Betriebsdruck in den Zwischenraum der Gegenstückflächen extrudiert.

Die härteren Materialien bieten einen grösseren Widerstand gegen das Fliessen. Mit zunehmender Temperatur werden Elastomere zunächst weicher und dann schliesslich härter, da der Vulkanisationsprozess des Gummis unter Wärmeeinwirkung fortgesetzt wird.

Diese Informationen sind nur ein Leitfaden. In den Listen zur chemischen Verträglichkeit (z. B. von ERIKS) finden Sie weitere Informationen: Leitfaden zur chemischen Beständigkeit von Gummi

Wann immer möglich, sollte die Flüssigkeitsverträglichkeit der O-Ring-Mischung mit „A“ bewertet werden. Für eine statische Dichtungsanwendung ist die Einstufung „B“ in der Regel akzeptabel, sie sollte jedoch getestet werden. Wenn eine „B“-Mischung verwendet werden muss, darf diese nach der Demontage nicht wiederverwendet werden. Sie kann so stark aufgequollen sein, dass sie nicht mehr zusammengesetzt werden kann. Wenn eine „C“-Mischung ausprobiert werden soll, muss sie zunächst unter allen Betriebsbedingungen getestet werden.

Besonders wichtig ist es auch, Dichtungskomponenten unter Betriebsbedingungen zu testen, wenn eine starke Säure bei erhöhten Temperaturen abgedichtet werden soll. Der Grund: Die Abbaurate von Gummi bei erhöhten Temperaturen ist um ein Vielfaches höher als die Abbaurate bei Raumtemperatur.

• NBR - Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Nitril oder Buna N
• HNBR - Hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, oder hochgesättigtes Nitril
• XNBR - Carboxylierter Nitril-Butadien-Kautschuk
• NBR/PVC - Nitril/PVC-Harzmischungen
• EPM, EPDM - Ethylen-Propylen- und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk
• CR - Chloropren-Kautschuk
• VMQ - Silikongummi
• FVMQ - Fluorsilikon
• AU, EU - Polyurethan-Kautschuk
• FKM - Fluorkautschuk
• FFKM - Perfluorierte Kohlenwasserstoffe
• Teflon®-FEP/PFA
• TFE/P (Aflas®) (FEPM)

Wichtig zu beachten bei der Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials:

• Die Primärflüssigkeiten, die der O-Ring oder Quad-Ring®/X-Ring abdichten kann
• andere Flüssigkeiten, denen die Dichtung ausgesetzt ist, wie z. B. Reinigungsflüssigkeiten oder Schmiermittel
• Die Eignung des Materials für die Temperaturextreme der Anwendung – heiss und kalt
• Das Vorhandensein von abrasiven externen Verunreinigungen
• Schmieren Sie die Dichtung und die dazugehörigen Komponenten vor der Montage der Einheit mit einem geeigneten Schmiermittel

Gummi ist ein häufig verwendetes Material für O-Ringe. Die Flexibilität des Materials erlaubt es, viele verschiedene Formen anzunehmen. Und dank seiner vielfältigen Eigenschaften eignet es sich für viele Arten von Anwendungen. Die richtige Auswahl des Gummimaterials ist entscheidend, um Leckagen oder andere mögliche Schäden zu vermeiden. Dabei sind vier Faktoren von grosser Bedeutung: Medium, Druck, Temperatur und Zeit.

• Medium - Jedes Gummimaterial reagiert anders auf die Flüssigkeiten, mit denen es in Berührung kommt. Daher müssen Sie bei der Auswahl des richtigen Gummis alle Medien berücksichtigen, mit denen das Material in Berührung kommt, z. B. auch Reinigungsmittel.
• Temperatur - In manchen Produktionsumgebungen herrschen (extrem) niedrige oder hohe Temperaturen. Ist das Gummimaterial des O-Rings dagegen beständig?
• Druck - Es ist wichtig, genau zu wissen, wie sich der Druck in der Anwendung aufbaut, in die der O-Ring eingesetzt werden soll. Das liegt daran, dass nicht jedes Gummimaterial einem (lang anhaltenden) hohen Druck standhalten kann. Dabei spielt die Härte des gewählten Materials eine wichtige Rolle.
• Zeit - Wichtig ist auch, wie lange der O-Ring dichten soll. Für die Auswahl des richtigen Gummimaterials macht es einen grossen Unterschied, ob die Dichtung nur eine halbe Stunde am Tag oder kontinuierlich funktionieren muss.

Eine ordnungsgemässe Montage verhindert die Beschädigung der O-Ringe. Achten Sie daher bei der Montage immer auf folgende Aspekte:

• Schmierung (Öl oder Schmierfett)
• Gestell und Schnur
• Gutes Montage-Set
• Schmierung (Öl oder Schmierfett)

Die Verwendung von (Montage-)Fett erleichtert in vielen Fällen den Einbau eines O-Rings. Es reduziert die Reibung zwischen dem O-Ring und den Teilen, zwischen denen er platziert wird. Dadurch lässt sich der O-Ring leichter in die Nut pressen.

Die Schmierung bildet eine Schutzschicht und verlängert somit auch die Lebensdauer des O-Rings. Eine dünne Schicht Mineralöl, Fett, Silikonöl oder Anwendungsflüssigkeit ist oft ausreichend. Achten Sie darauf, dass die verwendete Gummisorte gegen das verwendete Fett beständig ist. Zum Beispiel ist ein VMQ-Gummi (Silikon) nicht mit Silikonfett kompatibel. Da sowohl Gummi als auch das Fett die gleiche Struktur haben, kann das Öl vom O-Ring absorbiert werden und zu Aufquellen und Schäden führen.

Ein O-Ring sollte unter keinen Umständen in die Nut geklebt werden. Ein O-Ring sollte sich frei in der Nut bewegen und setzen.

Ein O-Ring ist manchmal kleiner oder grösser als die Nut, in die er eingesetzt wird. Da Gummi ein elastisches Material ist, stellt dies nicht unbedingt ein Problem dar. Vielleicht ist es sogar eine bewusste Entscheidung wegen der Nut oder der Verfügbarkeit des O-Rings. Leichte Dehnungen oder Stauchungen des Innendurchmessers (ID) können hier Abhilfe schaffen und sind ebenfalls zulässig. Die Dehnung des Innendurchmessers sollte jedoch nie mehr als 5 % betragen. Die Stauchung sollte 3 % nicht überschreiten. Für beide Margen ist dies der montierte Zustand.

Bei der Montage kann ein O-Ring gedehnt werden. Es wird empfohlen, den O-Ring auf sanfte Weise auf maximal 50 % zu dehnen. Geben Sie dem O-Ring anschliessend Zeit, seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen, bevor Sie die Anwendung in Betrieb nehmen. Dies hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. vom Material, der Anwendung und den Umwelteinflüssen (z. B. der Temperatur). Ausserdem sind einige Materialien elastischer als andere. Ein Beispiel für ein elastisches Material ist VMQ.

Falsches Werkzeug führt zu Montageschäden. Vermeiden Sie scharfe Teile, die den O-Ring beschädigen können. Verwenden Sie für Einbau oder Demontage einen O-Ring-Montagesatz. So können Sie O-Ringe leichter ein- und ausbauen, ohne sie zu beschädigen. Achten Sie auch darauf, dass Sie den O-Ring bei der Montage nicht zu sehr dehnen oder verdrehen

Die Lagerbeständigkeit ist die maximale Zeitspanne, die ein entsprechend verpacktes Elastomer-Dichtungselement ab dem Herstellungszeitpunkt unter bestimmten Bedingungen gelagert werden kann. Nach dieser Zeitspanne gilt der O-Ring als unbrauchbar für den Zweck, für den er ursprünglich hergestellt wurde. Der Herstellungszeitpunkt ist das Aushärtungsdatum für duroplastische Elastomere bzw. der Zeitpunkt der Umwandlung in ein Fertigprodukt für thermoplastische Elastomere. Die Lagerbeständigkeit von Elastomeren wird bei sachgemässer Lagerung vor allem durch die spezifische Mischung bestimmt.

• NBR, SBR oder BR können bis zu 5 Jahre gelagert werden.
• CSM, EPDM oder EPM können bis zu 10 Jahre gelagert werden.
• FMK, ACM oder FVQM haben eine Lagerbeständigkeit von bis zu 20 Jahren..

Die Lagerbeständigkeit der verschiedenen Elastomere ist gemäss ISO 2230 unterschiedlich, wobei eine anfängliche und eine verlängerte Lagerzeit für nicht montierte Komponenten angegeben wird.

Faktoren, die die Lagerbeständigkeit von O-Ringen beeinflussen können

• Temperatur: Die Lagertemperatur sollte unter 38 °C liegen (es sei denn, höhere Temperaturen werden durch vorübergehende Klimaveränderungen verursacht). Der O-Ring sollte nicht in der Nähe von direkten Wärmequellen (wie Heizkesseln, Heizkörpern und direktem Sonnenlicht) gelagert werden.
• Luftfeuchtigkeit: Wenn die Elastomere nicht in versiegelten, feuchtigkeitsdichten Beuteln gelagert werden, sollte die relative Luftfeuchtigkeit weniger als 75 % betragen (65 % bei Polyurethanen).
• Licht: Insbesondere direktes Sonnenlicht oder künstliches Licht mit ultraviolettem Anteil sollte vermieden werden. Es ist ratsam, die Fenster des Lagerraums mit einem roten oder orangefarbenen Anstrich zu versehen, wenn dort Elastomere gelagert werden.
• Strahlung: Schutz vor allen Quellen ionisierender Strahlung, die Schäden verursachen können.
• Ozon: Ozon ist für einige Elastomerdichtungen schädlich. Geräte wie Quecksilberdampflampen, elektrische Hochspannungsgeräte, stille elektrische Entladungen, Verbrennungsgase oder organische Dämpfe sollten vermieden werden.
• Verformung: Dichtungen sollten vor überlagerten Zug- und Druckspannungen oder anderen Verformungsursachen geschützt gelagert werden. O-Ringe mit grossem Innendurchmesser sollten zwecks Vermeidung von Falzen und Verdrehungen in mindestens drei überlagerten Schleifen geformt werden. Hinweis: Es ist nicht möglich, dies mit nur zwei Schleifen zu erreichen, es sind drei erforderlich.
• Kontakt mit flüssigen und halbfesten Materialien: Zum Beispiel ist der Kontakt mit Benzin, Fetten, Säuren, Desinfektions- und Reinigungsmitteln zu vermeiden, es sei denn, sie sind fester Bestandteil der Komponente oder der Verpackung des Herstellers.
• Kontakt mit Metallen: Bestimmte Metalle und ihre Legierungen (insbesondere Kupfer, Mangan und Eisen) haben bekanntermassen schädliche Auswirkungen auf Elastomere. Der Schutz durch eine Einzelverpackung wird empfohlen.
• Kontakt mit Bestäubungspulver: Bestäubungspulver darf nur für die Verpackung von Elastomerartikeln verwendet werden, um ein Verstopfen oder Verkleben zu verhindern. In solchen Fällen ist die Mindestmenge an Pulver zu verwenden, um ein Anhaften zu verhindern.
• Kontakt zwischen verschiedenen Elastomeren: Sollte ebenfalls vermieden werden.
• An Metallteile geklebte Elastomerdichtungen: Das Metallteil von geklebten Elastomerdichtungen darf nicht mit dem Elastomerelement einer anderen Dichtung in Berührung kommen. Die geklebte Dichtung muss einzeln verpackt werden. Jedes auf dem Metall verwendete Konservierungsmittel muss so beschaffen sein, dass es den Elastomerteil oder die Bindung nicht so stark beeinträchtigt, dass die Dichtung die Produktspezifikation nicht mehr erfüllt.
• Lagerumschlag: Die Lagerbestände von Elastomerdichtungen sollten nach dem FIFO-Prinzip (First In, First Out) umgeschlagen werden.

Eine ordnungsgemässe Lagerung verhindert Beschädigungen des O-Rings.

Neben der richtigen Lagerung ist es auch wichtig, die Funktion der eingebauten O-Ringe regelmässig zu überprüfen. Für eine kontinuierlich optimale Funktion müssen sie ausserdem regelmässig und intensiv gereinigt werden. Die regelmäßige Wartung Ihrer Maschinen sollte daher auch O-Ringe umfassen. Andernfalls, ist die Wahrscheinlichkeit gross, dass die O-Ringe in Ihrer Anwendung eine kürzere Lebensdauer haben.

Achten Sie bei der regelmässigen Reinigung Ihrer Maschinen unbedingt darauf, dass das Reinigungsverfahren für Ihre O-Ringe geeignet ist. Denn: Nicht jede Gummidichtung ist beständig gegen Chemikalien in Reinigungsmitteln. Auch Maschinen und Geräte werden häufig mit Dampfreinigern gereinigt. In diesen Fällen müssen Sie ebenfalls darauf achten, dass der Dampf die O-Ringe nicht beschädigt.

Die Auswahl der richtigen O-Ring-Grösse, die Verwendung eines für die Anwendung geeigneten O-Rings und eine fachgerechte Montage verhindern in der Regel Schaden. Trotzdem kann es passieren, dass der O-Ring beschädigt wird. Dann ist es wichtig zu wissen, was die Ursache ist, damit man sie gezielt beheben kann.

• Installationsschäden durch Montagefehler – Verwenden Sie für eine ordnungsgemässe Montage einen O-Ring-Montagesatz.
• Dauerhafte Verformung durch übermässige Belastung – Wählen Sie ein Material mit besserer Druckfestigkeit oder höherer Temperaturbeständigkeit.
• Verhärtung und Rissbildung durch Überhitzung – Wählen Sie eine Verbindung, die (extrem) hohen Temperaturen standhält.
• Haarrisse durch Licht-/Sonneneinwirkung – Wählen Sie ein Material, das Alterung und Ozon gut standhält.
• Verformung durch Extrusion – Bestimmen Sie die Nutgrösse neu, um zu viel Spielraum zu vermeiden.
• Verdrehen durch Verschieben in der Nut – Verwenden Sie geeignetes Fett als Schmiermittel.
•  Explosion nach Dekompression (EAD) – Anwendung von speziellen EAD-Mitteln.

O-Ringe werden gemäss einer Vielzahl von Standards für verschiedene Länder hergestellt. Die Standards sagen etwas über die Grösse des O-Rings aus: Innendurchmesser mal Schnurstärke. Für die meisten O-Ringe von ERIKS gilt der AS568-Standard. AS ist die Abkürzung für „Aerospace Standard“.

Die ISO 3601-1-Norm definiert die Qualitätsanforderungen, wie z. B. die Materialtoleranz eines O-Rings. Produktion und Kontrolle der Dimensionen und Unregelmässigkeiten erfolgen ebenfalls gemäss der ISO 3601-1-Norm.

Der O-Ring ist die bei weitem am häufigsten verwendete Dichtung. Es gibt jedoch Anwendungen, für die alternative Dichtungen besser geeignet sind, zum Beispiel der X-Ring:

Verhinderung einer frühzeitigen Leckage in einer dynamischen, gleitenden Anwendung (Kolben-/Stangendichtung) - Ein O-Ring kann sich bei einer gleitenden Anwendung verdrehen, wodurch ein Leckagepfad entstehen kann. Diese Verdrehung ist bei einem X-Ring aufgrund seiner Stabilität nicht ausgeschlossen.

Längere Lebensdauer in einer dynamischen Anwendung - Ein X-Ring benötigt weniger Anpressdruck, hat mehr Kontaktflächen und kann besser mit Schmierfett versorgt werden als ein O-Ring.

Geringere Verformungskraft - Der X-Ring eignet sich gut für Anwendungen, bei denen die Materialien oder das Gehäuse nicht so stark sind, z. B. bei dünnwandigen Kunststoffzylindern oder Gehäusen. Das Gehäuse muss stark genug sein, um die Dichtung zu deformieren, und nicht andersherum.