Dichtung

Die ideal gestaltete Dichtung

Dichtungen sind wichtige Bauteile in technischen Produkten: Sie müssen dicht sein, reibungsarm und möglichst ewig halten. Wie sind sie im Idealfall gestaltet?

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas* / Jan Vollmuth

Die Grundelemente aller Dichtsysteme in allgemeiner Form: Je nach Lage der Symmetrieachse I - IV erhält man radial wirkende Kolben-, Stangen- und Wellendichtungen oder axial wirkende Stirnflächendichtungen.
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Die Grundelemente aller Dichtsysteme in allgemeiner Form: Je nach Lage der Symmetrieachse I - IV erhält man radial wirkende Kolben-, Stangen- und Wellendichtungen oder axial wirkende Stirnflächendichtungen. (Bild: Universität Stuttgart)

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Dichtungen sind wichtige Bauteile in technischen Produkten: Sie müssen dicht sein, reibungsarm und möglichst ewig halten. Wie sind sie im Idealfall gestaltet?

Dichtungen sind höchst empfindliche Elemente und sitzen immer an den kritischen Stellen, an den Trennfugen der Maschinenteile. Aus diesem Grund werden hohe Anforderungen an Dichtungen gestellt: dicht sollen sie sein, reibungsarm und möglichst ewig halten. Dazu müssen bei der Gestaltung von Dichtungen verschieden Faktoren berücksichtigt werden.

Das Bild links zeigt die Grundelemente aller Dichtsysteme. Je nach Lage der Symmetrieachse I – IV erhält man radial wirkende Kolben-, Stangen- und Wellendichtungen oder axial wirkende Stirnflächendichtungen.

Bei der berührenden Abdichtung eines Maschinenteils wird in der Regel ein in sich dichter Dichtkörper durch eine Anlegekraft so an seine Gegendichtflächen angepresst, dass die Dichtstelle statisch dicht ist. Zwischen den Dichtflächen finden wir zwei Pressungsverteilungen (im Bild links): Eine makroskopische aufgrund der geometrischen Form der Dichtflächen und eine mikroskopische aufgrund der Rauheit der Dichtflächen. Für Dichtheit müssen lediglich zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • 1. Die Anlegekraft muss mindestens so groß sein, dass die mittlere Flächenpressung pm gleich dem Druck des abzudichtenden Fluides ist; sonst können die Dichtflächen hydrostatisch getrennt werden.
  • 2. Es muss eine geschlossene Linie am gesamten Umfang innerhalb der Dichtfläche geben, auf der die örtliche Pressung pB ≥ p1 ist – und zwar auf jedem µm. Ist dies beispielsweise bei einer 10 m langen O-Ring-Dichtung auf nur einem 100stel mm nicht der Fall, spritzt oder sickert bei Druckaufgabe sofort genau an dieser Stelle das Betriebsfluid durch.

Wichtige Erkenntnis: Für gute Dichtheit kommt es nicht auf die Breite der Dichtfläche und nicht auf die Anlege- bzw. Anpresskraft an. Entscheidend ist eine ausreichende Pressung an jeder Stelle des Umfangs – das auf einer beliebig schmalen Spur. Diese Erkenntnis hat gestalterische Konsequenzen.

Bewegt sich bei bewegten Maschinenteilen nun eine der Dichtflächen genügend schnell, so bildet sich zwischen den Dichtflächen dynamisch ein fluidgefüllter Dichtspalt. Dies ist zwingend notwendig um Verschleiß und Erwärmung und damit die Lebensdauer in ertragbaren Grenzen zu halten. Diese dynamisch entstehenden Dichtspalte sind sehr niedrig. Typisch ist eine mittlere Fluidfilmdicke von h ≤ 1 µm.

Durch die Bewegung oder den abzudichtenden Druck wird das Fluid auch nach außen gefördert, wenn kein aktiver Rückpumpmechanismus dies verhindert. Dies wird als aktive Dichtung bezeichnet. Nur aktive Dichtungen sind dynamisch gut dicht.

Adhäsion und Kohäsion sind verantwortlich für Schleppwirkung und Viskosität

Bild 2 in der Bildergalerie zeigt stark vereinfacht die physikalischen Zusammenhänge in einem engen Dichtspalt. Infolge Adhäsion (Anhangskraft) haften die wandnächsten Fluidteilchen an der Spaltwand und haben immer Wandgeschwindigkeit. Dies wird als Haftbedingung bezeichnet. Zwischen den Fluidteilchen wirkt die Kohäsion (Zusammenhangskraft). Sie wird nach außen als Viskosität η deutlich und sorgt dafür, dass die Fluidteilchen sich gegenseitig mitnehmen.

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Adhäsion und Kohäsion, die sogenannten Zähigkeitskräfte, sind also verantwortlich für Schleppwirkung und Viskosität. Sie bestimmen zusammen mit der Spalthöhe h und der Wandgeschwindigkeit u bzw. w die übertragbaren Schubspannungen τ und damit die Scherkraft FF = τ x A infolge Fluidreibung der Spaltwände (Fläche A) gegeneinander.

Verengt sich der Spalt in Bewegungsrichtung, erzeugt das mitgeschleppte Fluid einen Schleppdruck; erweitert er sich, wird Unterdruck (Kavitation) erzeugt. Dies gilt auf allen Größenskalen, sowohl mikroskopisch (Rauheit) wie makroskopisch (Wandform).

Fluid kann nur durch Mitschleppen oder mittels einer Druckdifferenz Δp durch einen engen Dichtspalt transportiert werden. Bei Flüssigkeiten spielen zudem Kapillarkräfte eine wichtige Rolle: Sie können Flüssigkeit in engste Spalte saugen oder daran hindern, dass sie aus feinen Kapillaren austritt. Kapillarkräfte sind also in der Dichtungstechnik Fluch und Segen zugleich – auch weil ihre Wirkung nur schwer fassbar ist.

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