Unter Druck dauerhaft stärker als konventionelle Lösungen: Innovative Kolbendichtungen von SKF
Von Wolfgang Swete*
Hydraulikzylinder kommen in vielen Off-Highway-Anwendungen zum Einsatz; so u. a. in Maschinen für die Land- und Forstwirtschaft, für den Bau bzw. Bergbau oder auch in der Fördertechnik (vgl. Abb. 1). All diesen Bereichen ist eines gemein: Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Zylinder sind enorm hoch. Beispielsweise ernten Mähmaschinen Quadratkilometer große Getreideflächen ab, während Kipplaster tonnenweise Gestein befördern und Großbagger riesige Erdbewegungen durchführen. Dabei sind die Maschinen in aller Regel äußerst harten Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, Schlamm oder Steinschlag ausgesetzt. Folglich stehen auch die Hydraulikzylinder und Dichtungen unter extremen Belastungen.
Knackpunkt Kolbendichtung
Innerhalb des gesamten Dichtungssystems hängt die Funktionalität eines Hydraulikzylinders vor allem von der Kolbendichtung ab: Diese Dichtung befindet sich in einer Nut an der Außenseite des Kolbens. Ihre Hauptaufgabe ist es, die beiden angrenzenden Druckräume im Zylinder voneinander zu separieren bzw. den Druck im einen Raum aufrechtzuerhalten, damit er nicht in den anderen entweicht. Da die meisten Hydraulikzylinder bidirektional arbeiten, muss die Dichtung den Druck von beiden Seiten aufnehmen können.
Diese Anwendung verlangt von den Ingenieuren – wie üblich bei der Entwicklung neuer Dichtungen – eine Gratwanderung zwischen Dichtwirkung und Reibung: Wenn die Dichtung zu viel Flüssigkeit von der Hochdruckseite des Zylinders zur Niederdruckseite austreten lässt, verliert der Zylinder an Leistung. Andererseits führt übermäßige Reibung an der Zylinder-Innenwand zu beschleunigtem Verschleiß und reduzierter Lebensdauer. Der völlige Ausfall einer Kolbendichtung (bspw. in Form eines „Blow-by“, bei dem das Medium bei Druckaktivierung schlagartig von der Hochdruckseite des Zylinders zur Niederdruckseite strömt) kann sogar erhebliche Sicherheitsrisiken bergen, weil die Kontrolle über die gerade bewegten Lasten verloren geht.
Pro und Contra PTFE
Häufig wird bei Kolbendichtungen mit Gleitring auf Polytetrafluorethylen (PTFE) als Dichtungsmaterial zurückgegriffen. Es verfügt über diverse vorteilhafte Eigenschaften wie etwa eine außergewöhnlich niedrige Haft- und Gleitreibung sowie eine gute chemische Beständigkeit. Allerdings gibt es auch Nachteile: Wegen ihrer begrenzten Elastizität sind PTFE-Dichtungen beispielsweise recht schwierig zu montieren. Um Beschädigungen zu vermeiden, müssen sie beim Einbau mit speziellen Montagewerkzeugen gedehnt werden. Dieser Vorgang ist nicht nur umständlich, sondern erhöht auch den Zeit- und Kostenaufwand für die Hersteller bzw. Wartungsteams. Hinzu kommt, dass das eher plastische als elastische PTFE unter ständig wechselnden Belastungen dauerhaft so deformiert werden kann, das seine Dichtwirkung abnimmt.
Polyurethan auf dem Prüfstand
Die ersten Versuche startete SKF zunächst mit Prototypen aus ihrem bis dato härtesten thermoplastischen Polyurethan. Allerdings wurde dieses Material den Ansprüchen einer Kolbendichtungsanwendung, speziell in Bezug auf die Extrusionsfestigkeit, nicht gerecht. Damit war klar, dass eine neue ECOPUR-Qualität speziell für die Kolbendichtungsanwendung entwickelt werden musste.
Um sich den gewünschten Eigenschaften des neuen Dichtungsmaterials anzunähern, führten die SKF Ingenieure mit verschiedenen Werkstoff-Varianten u. a. statische Extrusionstests durch. Zu diesem Zweck wurden die Proben in einem Prüfstand mit einem Öldruck von 500 bar beaufschlagt, der sie durch unterschiedliche Spalte (zwischen 0,15 mm und 0,7 mm) zu extrudieren versuchte. Die Prüfdauer wurde jeweils mit zwei Wochen bei konstanten Temperaturen (in einer Gesamt-Bandbreite von 60 °C bis 100 °C) festgesetzt. Danach wurde die aus den Tests resultierende Permanent-Verformung der einzelnen Prüflinge erfasst und verglichen. Am Ende hatten die Entwickler mit dem „X-ECOPUR PS“ getauften Polyurethan den am besten geeigneten Werkstoff gefunden (vgl. Abb. 3). Dabei handelt es sich um die nunmehr härteste ECOPUR-Variante des Unternehmens. Zusätzlich schufen die Ingenieure mit ECOPUR PT 54D ein neues Material für weniger stark beanspruchte Zylinder.
Neben dem Werkstoff als solchem muss selbstverständlich auch die Geometrie der Dichtung stimmen, um eine optimale Funktion zu erzielen. Beim Design der Dichtung konnte das Unternehmen auf seinen bewährten Produktentwicklungsprozess zurückgreifen. Dieser kombiniert Computersimulationen auf Basis der Finite Elemente-Methode (FEM) mit dem „Rapid Prototype Development“ per SKF SEAL JET-Verfahren (vgl. Abb.4) und anschließenden Prüfläufen in speziell konzipierten, statischen und dynamischen Prüfständen.
Dieser iterative Prozesses führte schließlich zum endgültigen Design der Außenkontur des Polyurethan-Gleitrings, der eine abgeflachte „M“-Form mit zwei sorgfältig optimierten Dichtlippen aufweist (vgl. Abb. 5). Diese beiden Kontaktstellen liefern eine bessere Dichtwirkung als eine plane Fläche und minimieren zugleich den Reibungswiderstand. Außerdem wirkt die Verteilung der an der Dichtkante wirkenden Kontaktkräfte auf zwei Dichtlippen dem Umkippen oder Verdrehen entgegen, was bei einer einzelnen Dichtlippe leicht zu vorzeitigem Versagen führen könnte.
Um den Druckaufbau zwischen Vorspannelement und Gleitring zu vereinfachen, hat SKF Druckausgleichsnuten in den Stirnseiten des Gleitrings vorgesehen. Diese Nuten ermöglichen zudem schnelle Druckwechsel, wodurch das Risiko von „Blow-by“-Effekten minimiert wird.
Vom Prototypen zur Produktreihe
Vor der Markteinführung hat SKF die neuen Dichtungen weiteren umfangreichen Prüfungen unterzogen. Dazu gehörte auch ein Langzeitversuch mit einer Gesamtstrecke von 200 km hin- und hergehend bei Drücken von bis zu 250 bar und Temperaturen von 80 °C. Während dieser Tests wurden Leckage (vgl. Abb. 6) und Reibung (vgl. Abb. 7) erfasst, bevor die Dichtungen selbst vermessen und untersucht wurden, um Oberflächenverschleiß und Extrusion (vgl. Abb. 8) zu ermitteln. Dabei stellte sich heraus, dass die neu entwickelte Lösung von SKF eine deutlich bessere Performance bietet als handelsübliche Alternativen: So manche – vermeintlich gleichwertige – Kolbendichtung ist an diesem „Langstrecken-Test“ gescheitert.
Die MPV-Reihe ist für anspruchsvollere Anwendungen im moderaten und Schwerlastbetrieb bestimmt, wie sie etwa in mobilen Land- und Baumaschinen zu finden sind. MPV-Dichtungen passen in metrische Gehäuse und sind für Drücke von bis zu 400 bar, Geschwindigkeiten bis maximal 1 m/s und Temperaturen zwischen -20 °C und 110 °C geeignet. Eine dritte Reihe aus dieser Dichtungsfamilie (DPV) bietet die gleichen Betriebsspezifikationen wie die MPV-Reihe, allerdings für Gehäuse mit Zoll-Abmessungen (vgl. Abb. 9).
Fazit
Auf Basis des neuen Werkstoffs X-ECOPUR PS in Kombination mit einem optimierten Design hat SKF eine Kolbendichtung entwickelt, die vergleichbare Polyurethanlösungen outperformt. Gemessen an guten PTFE-Dichtungen zeigt die Innovation von SKF eine vergleichbare Performance, lässt sich in Hydraulikzylindern aber deutlich schneller und einfacher installieren als ihre „konventionellen“ Alternativen. Außerdem bietet die neue SKF Kolbendichtung eine außergewöhnlich hohe Robustheit und Langlebigkeit. Von derartigen Vorzügen profitieren OEMs und Instandhaltungsmitarbeiter gleichermaßen.
*Wolfgang Swete ist Leiter der strategischen Produktentwicklung bei der SKF Sealing Solutions Austria GmbH.
