Hydraulik Weniger Reibung durch optimale Werkstoffgestaltung bei Hydraulik-Dichtungen

Das Reibungs- und speziell das Stick-Slip-Verhalten von Dichtungen kann durch Veränderungen in der Werkstoffchemie gezielt beeinflusst werden. Bei Modifikationen dieser Art müssen die Werkstoff-Spezialisten jedoch immer auch mögliche Veränderungen des Verschleiß- und Extrusionsverhaltens der Werkstoffe im Auge behalten.

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Steigerung der Effizienz und Verfügbarkeit der Systeme bei gleichzeitig höheren Auflagen in Bezug auf den Umweltschutz sind die Anforderungen, mit denen Dichtungshersteller heutzutage konfrontiert werden. Die Aufgabenstellung kann unterschiedlich angegangen werden. Ein Ansatz ist es, das Reibungsverhalten von Dichtungen durch Veränderungen in der Werkstoffchemie gezielt zu beeinflussen, um so den Wirkungsgrad eines Systems zu steigern.

Dynamischen Dichtungen kommt eine schwierige Aufgabe zu: Sie müssen den Schmierfilm im Betrieb möglichst lange aufrecht und damit die Reibung gering halten, ohne dass es zur Leckage kommt. Ist die Reibung zu groß, so kommt es unweigerlich zu ungleichförmiger Bewegung und die Gefahr des „Stick Slip“, des Ruckgleitens, steigt stark an.

Immer wieder neigen Dichtungen aus elastomeren und thermoplastischen Werkstoffen – speziell im Einsatz mit niedrigviskosen Medien, bei höheren Druck- und Temperatur-belastungen oder nach längeren Stillstandszeiten – zum Stick-Slip. Pneumatikzylinder fahren auf Grund der niedrigen Anfahrdrücke mit der sogenannten „Montagskrankheit“ – nach längerem Stillstand am Wochenende – erst gar nicht an.

Reibungsoptimierung von Dichtungen

Nahezu jede elastomere oder thermoplastische Dichtung weist nach einer Ruhepause eine deutlich erhöhte Startreibung auf. Hierfür gibt es eine Vielzahl von Ursachen, die hauptsächlich im Werkstoff selbst und in den Wechselwirkungen zwischen Dichtungs- bzw. Lippengeometrie, dem Schmierstoff und der Gegenlauffläche zu finden sind. (Bild 1)

Ein wichtiger Aspekt der Arbeit im Prädifa Technolgie-Zentrum ist die Reibungsoptimierung von Dichtungen mit dem Ziel, die Losbrechkräfte beim Wiederanfahren nach längerer Stillstandszeit zu reduzieren und die Reibung im dynamischen Betrieb unter praktisch allen Betriebsbedingungen zu verringern.

Im Rahmen einer groß angelegten Untersuchungsreihe gewann der Dichtungshersteller detaillierte Erkenntnisse über das Reibungsverhalten handelsüblicher Hydraulik- und Pneumatikdichtungen in Abhängigkeit von Werkstoffmischung, Schmierstoff sowie Gleitgeschwindigkeit. Auch die geometrischen und physikalischen Randbedingungen wie Oberfläche, Druck und Temperatur gingen in die Betrachtung ein. (Bild 2)

Grundlagenforschung inklusive

Parallel zu den Versuchen an Dichtungen wurden auch Grundlagenuntersuchungen im Hinblick auf Reibung und Verschleiß an geometrisch normierten Prüfkörpern aus den untersuchten Werkstoffen durchgeführt. Grundlage aller weiteren Untersuchungen war die Bestimmung der Haft- und Gleitreibungskoeffizienten der verschiedenen Materialien.

Die Vorgehensweise wird im Folgenden am Beispiel thermoplastischer Polyurethan-werkstoffe (TPU) erläutert. Sie unterscheiden sich in ihrem makromolekularen Aufbau im Hinblick auf die verwendeten polyester- und polyetherbasischen Polymere. Tabelle 1 gibt eine Übersicht der Parker Standard Polyurethan-Werkstoffe für Hydraulikdichtungen und stellt die Materialkennwerte und die wesentlichen Eigenschaften dar.

Die Untersuchungen zur Bestimmung des Haftreibungskoeffizienten zeigten deutliche Abhängigkeiten des Reibkoeffizienten der Werkstoffe von der realisierten Werkstoffhärte, dem Basiswerkstoff, dem verwendeten Vernetzungsmittel, sowie von der Füllstoffart. (Bild 3)

Ein direkter Zusammenhang zwischen zunehmender Werkstoffhärte und Haftreibungs-koeffizient konnte in den Untersuchungen an Kolbenstangendichtungen für die Hydraulik nicht festgestellt werden. In den Untersuchungen zur Bestimmung des Gleitreibungskoeffizienten zeigte sich, dass „weichere“ Werkstoffe, wie z.B. P5080, eine deutlich geringere Neigung zum Ruckgleiten aufweisen.

Bei allen untersuchten Dichtungen

... erhöhte sich mit steigendem Druck auch die Reibkraft. Der Anstieg der Reibkraft endet beim Erreichen des „Ausformdrucks“, bei dem die Dichtung vollständig auf der Kolbenstange aufliegt. Die Höhe des Ausformdrucks ist vom jeweiligen Werkstoff abhängig.

Bei Stangendichtungen vom Typ B3 aus P5008 (Standardwerkstoff für die Hydraulik) wurden bei Geschwindigkeiten kleiner als 0,1 m/min und Drücken über 50 bar ausgeprägte Stick-Slip-Effekte festgestellt. Mit steigender Betriebstemperatur nahmen diese noch zu.

Ein besseres Stick-Slip-Verhalten zeigten Nutringe aus dem hydrolyse- und kältebeständigen TPU-Werkstoff P5001. Hier ergaben sich erst bei Kolbenstangengeschwindigkeiten kleiner als 0,03 m/s spürbare Stick-Slip-Effekte.

Polymer-Füllstoffe als Wundermittel?

Beim reibungsmodifizierten Werkstoff P5080, bei dem ein speziell auf diesen Werkstoff abgestimmter reibungsmindernder Polymer-Füllstoff hinzugemischt wird, zeigte sich gegenüber den Standardwerkstoffen P5001 und P5008 eine deutliche Verringerung der Reibung, selbst bei hohen Drücken. Auch die Stick-Slip-Neigung fiel deutlich geringer aus. Dichtungen aus diesem Werkstoff haben sich beispielsweise in Zylindern für die Verdeckbetätigung bei Cabriolets bewährt.

Die Werkstoffoptimierung ist jedoch nur ein Aspekt der Dichtungsentwicklung. Sie wird ergänzt durch die konstruktive Optimierung der Dichtungsgeometrie, unterstützt durch moderne Werkzeuge wie die Finite Elemente Methode.

Dipl.-Ing. Thomas Papatheodorou, Leiter des Physikalischen Labors Parker Hannifin GmbH & Co. KG

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