O-Ring-Dichtungskonstruktion, Teil 2: Radialdichtungen für Außendruck

Abbildung 1. Ein O-Ring ist in einer radialen Nut mit befestigter Endkappe dargestellt. Beachten Sie die Verwendung eines Stützrings und der Einführungsfasen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Parker Hannifin, vom Autor für diesen Artikel adaptiert)

Die Hauptaufgabe von Ozeaningenieuren besteht darin, das Wasser draußen zu halten. Ein Leck im Rumpf kann einen guten Tag auf See ruinieren.

Unsere Diskussion über die Konstruktion von O-Ring-Dichtungen begann mit einem Blick auf Gleitringdichtungen im Marine Technology Reporter, Januar/Februar 2026, S. 20-23 .

Der genannte Artikel enthält wichtige Hintergrundinformationen und Grundlagen, die auch für diesen Artikel relevant sind, hier aber nicht vollständig wiederholt werden. Zusammenfassend lassen sich diese Grundlagen wie folgt darstellen:

• Für die Konstruktion von O-Ring-Dichtungen gibt es kein besseres Nachschlagewerk als das Parker O-Ring Handbook (ORD-5700). Es steht als kostenloses PDF zum Download bereit (siehe „Zitate“ unten). Für Ozeaningenieure ist es Pflichtlektüre und bietet wesentlich mehr Details als jeder Artikel.
• Die O-Ring-Dichtung bildet eine Barriere gegen den Flüssigkeitsstrom. Die O-Ring-Dichtungseinheit besteht aus einem in einer Nut fixierten O-Ring.
• Montageschmierstoffe sollten stets sparsam verwendet werden. Sie dienen dazu, die Reibung zu verringern und dem O-Ring zu ermöglichen, auf Druck zu reagieren und sich in der Nut zu bewegen.
• Die häufigste Ursache für das Versagen von O-Ringen ist das Herauspressen von Material durch einen Spalt.
• Eine Radialdichtung benötigt einen Spalt zur Montageerleichterung, was bei der Flächendichtung nicht der Fall ist.

Eine Radialdichtung wird gewählt, wenn: 1) die Flanschfläche für eine Gleitringdichtung und Endkappen-Befestigungsschrauben begrenzt ist, oder 2) sie als sekundäre Stützdichtung für eine primäre Gleitringdichtung dient.   Gelegentlich werden zwei Radialdichtungen verwendet. Die erste Dichtung, die dem Druck ausgesetzt ist, ist die Primärdichtung. Die zweite Dichtung, die im Falle eines Ausfalls der Primärdichtung dem Druck ausgesetzt ist, ist die Sekundärdichtung.

O-Ring-Dehnung : Liegt die ideale Nut zwischen zwei O-Ring-Größen, kann der kleinere O-Ring gedehnt werden, um in die größere Nut zu passen. Ein kleinerer O-Ring lässt sich vergrößern, ein größerer jedoch nicht verkleinern. Beim Dehnen des O-Rings in der Nut wird sein Querschnitt abgeflacht. Bei einer Dehnung von mehr als 2–3 % muss die Nuttiefe reduziert werden, um die erforderliche Kompression zu gewährleisten. Parker empfiehlt, den O-Ring nicht über 5 % zu dehnen, da dies die Lebensdauer verkürzt. (Siehe: Parker ORD 5700, Abschnitt 3.5, „Dehnung“).

Die temporäre ID-Ausdehnung, um während der Montage die Nut zu erreichen, beträgt in der Regel nicht mehr als 25-50%.

Härtegrad : Ein O-Ring mit höherem Härtegrad bietet eine bessere Beständigkeit gegen Extrusion. O-Ringe mit niedrigerem Härtegrad sind toleranter gegenüber Oberflächenunebenheiten. Die Verwendung eines 70-Durometer-O-Rings mit einem 90-Durometer-Stützring vereint die Vorteile beider Materialien.

Außennut vs. Innennut : Eine O-Ring-Nut am Außendurchmesser eines Stopfens wird als „männliche“ Nut bezeichnet. Sie ist wesentlich einfacher zu bearbeiten, zu eloxieren, zu reinigen, zu montieren und zu prüfen. Eine Nut an der Innenseite einer passenden Endkappe wird als „weibliche“ Nut bezeichnet. Diese sind deutlich seltener anzutreffen.

Designansatz

Abbildung 2. Die Konstruktionsreihenfolge für Radialdichtungen ist wie folgt: 1) Spalt bestimmen, 2) Rohrinnendurchmesser bestimmen, 3) anhand dieser beiden Werte den Stopfenaußendurchmesser berechnen. (Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Parker Seal Company, vom Autor für diesen Artikel angepasst.)

Bezugnehmend auf Abbildung 2: Die Konstruktionsreihenfolge der Radialdichtung ist:

• Ermitteln Sie mithilfe der Auslegungstabellen für Parker-O-Ring-Radialdichtungen (ORD 5700, Abschnitt 4.2, Auslegungstabelle 4-1) und der Extrusionsgrenzwerte (siehe Abbildung 4) den maximal zulässigen Spalt. Die Tabellen zeigen entweder den Durchmesser oder den Radius an. Beachten Sie daher, wenn Sie die Werte auf die Bohrung (Durchmesser) oder den Spalt (radial = ½ Durchmesser) anwenden.
• Ermitteln Sie die minimale Materialmenge, die vom Innendurchmesser des Rohrs entfernt werden kann, um eine kreisförmige Bohrung zu erzeugen. Zu viel Material schwächt die Druckschicht.
• Ziehen Sie vom Bohrungsdurchmesser das Maß (2 x Spalt) ab. Dies ist der Außendurchmesser des Stopfens. Bei Verwendung von Aluminium, das eloxiert werden soll, passen Sie die Maße an, um das Oberflächenwachstum zu berücksichtigen (siehe „Eloxieren“ unten).

Auswahl des Spalts : Bei der Auslegung des passenden Stopfens und der Bohrung verwenden Sie die Parker-Spezifikation zur Angabe des Stopfen-Außendurchmessers und des Bohrungs-Innendurchmessers. (Siehe Parker ORD 5700, Auslegungstabelle 4-1.)

Es gibt einige Kompromisse:

Je größer der O-Ring-Querschnitt, desto größer der zulässige Spalt.

Je kleiner der O-Ring-Querschnitt, desto geringer ist die erforderliche Druckkraft, was die Montage erleichtert.

Das Auswählen eines kleinen Spalts erfordert eine präzisere Bearbeitung.

Bei einem typischen O-Ring mit 0,070 Zoll Querschnitt ist ein diametrales Spiel von 0,002 bis 0,005 Zoll zulässig. Das bedeutet einen maximalen radialen Spalt von 0,0025 Zoll auf einer Seite.

Stützring: Ich empfehle, bei einem radialen O-Ring immer einen Stützring zu verwenden. Sie sind preiswert, platzsparend und verhindern das Herausquellen des O-Rings. (Siehe Anmerkung 4 oben.)

Platzieren Sie den Stützring auf der Seite des O-Rings, die dem niedrigeren Druck ausgesetzt ist. Der O-Ring ist zuerst dem Druck ausgesetzt. Der Stützring wirkt wie ein Fanghandschuh und schützt den O-Ring.

Abbildung 3. Die primäre Ausfallursache eines O-Rings ist das Herausdrücken in einen Spalt (links). Ein Stützring (rechts) aus einem Material mit höherer Shore-Härte dient als Extrusionsschutz. (Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Parker Hannifin, vom Autor für diesen Artikel adaptiert.)

Ich verwende bevorzugt die Parker Parbak Buna-N Stützringe (90 Shore A), falls ich den O-Ring dehnen muss, um ihn an eine etwas größere Nut anzupassen. Außerdem gefällt mir, dass sie aus einem Stück gefertigt sind. Die geschälten Teflon-Stützringe sind nicht dehnbar und hinterlassen bei zu großem Achsabstand einen unerwünschten Spalt zwischen den Enden.

Ein einzelner Stützring genügt, wenn der Druck von einer Seite wirkt, wie es typischerweise bei untergetauchten Instrumenten der Fall ist. Wird der Druck abwechselnd auf beide Seiten eines O-Rings ausgeübt, beispielsweise in einem druckkompensierten System, ist die Verwendung von zwei Stützringen, je einem auf jeder Seite des O-Rings, angezeigt. (Siehe: Parker ORD-5700, Abschnitt 6)

Parbak-Teilenummern beginnen mit „8-“, gefolgt von der dreistelligen Nummer des O-Rings. Beispielsweise benötigt ein O-Ring der Größe 2-018 einen Parbak-Stützring der Größe 8-018. Ganz einfach.

Verwenden Sie die Kurven für die O-Ring-Grenzwerte bei Extrusion von Parker (ORD-5700, Abschnitt 3.1.4, Abbildung 3.2.), um die Notwendigkeit von Stützringen zu überprüfen. (Siehe Abbildung 4.) Bei Niederdruckdichtungen zeigen die Kurven größere zulässige Spaltmaße als in den grundlegenden Diagrammen für Radialdichtungen. Bei Hochdruckanwendungen geben die Kurven an, ob durch den Einsatz eines Parbak-Dichtungsrings die Verwendung von Standard-Katalognutabmessungen oder eine Verbesserung dieser Abmessungen möglich ist. Die Abmessungen im Diagramm beziehen sich auf „radiale Spaltmaße“; für „diametrale Spaltmaße“ verdoppeln Sie diese Werte.

Abbildung 4. „Obwohl die 90-Durometer-Kurve auf Daten basiert, die an O-Ringen gewonnen wurden, kann sie auch als nützlicher Anhaltspunkt für die Leistungsfähigkeit von Stützringen dienen.“ (ORD-5700, Abschnitt 3.1.4, Abbildung 3.2.) (Bild und Text mit freundlicher Genehmigung von Parker Hannifin.)

Es ist stets ratsam, einen Prototyp für Drucktests zu bauen, um alle Aspekte der Konstruktion zu bestätigen. Einer meiner Mentoren im Ingenieurwesen, Dr. Frank Snodgrass, gab mir weise Ratschläge wie: „Die Natur hält immer zum verborgenen Fehler.“

Oberflächenbeschaffenheit : Als allgemeine Richtlinie gilt, dass die Oberflächenrauheit der Dichtflächen 32 µm (RMS) nicht überschreiten sollte. (Siehe Abbildung 5.) Es empfiehlt sich, die Oberflächen durch Drehen auf einer Drehbank oder mit einem Planfräser zu bearbeiten, der ein kreisförmiges Muster erzeugt, das der Nutrichtung folgt. Diese Spezifikation wird in der technischen Zeichnung häufig als Kreis-C dargestellt. Mit einem Schaftfräser oder einer Oberfräse bearbeitete Teile können Mikronuten erzeugen, die quer zum O-Ring verlaufen. Dies kann problematisch sein, da sie den O-Ring in seiner Breite unterschneiden. Eine solche Oberflächenbeschaffenheit muss sorgfältig geprüft werden.

Abbildung 5. Empfohlene Oberflächenbeschaffenheiten der O-Ring-Nut werden beschrieben. Die primären Dichtflächen, die eine glattere Oberfläche erfordern, sind Ober- und Unterseite (siehe Abbildung). Vorder- und Rückseite der Nut können rauer sein. Der Nutschrägenwinkel von 0–5° wird oft dem Maschinenbediener überlassen. In meiner Werkstatt wird üblicherweise 0° verwendet. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Parker Hannifin, vom Autor für diesen Artikel angepasst.)

Anodisieren: Beim Anodisieren von Aluminium handelt es sich um eine keramische Beschichtung, die durch Oxidation des Oberflächenmaterials entsteht. Die Oberflächenschicht wird um die Hälfte der angegebenen Dicke aufgebaut. Üblicherweise wird eine Dicke von 0,05 mm (0,002 Zoll) angegeben, wobei 0,025 mm (0,001 Zoll) in das Grundmaterial hineinreichen und die restlichen 0,025 mm nach außen wachsen. Dadurch ändern sich die Abmessungen des fertigen Teils. Diese Änderung zu berücksichtigen ist besonders wichtig bei sehr geringen Spaltmaßen für Radialdichtungen. Der Außendurchmesser vergrößert sich um 0,05 mm, der Innendurchmesser verkleinert sich um 0,05 mm. Die Nutentiefe bleibt gleich, da sich Ober- und Unterseite in dieselbe Richtung nach außen vergrößern. Die Nuten werden schmaler, während einige Abmessungen, wie z. B. der Rohraußendurchmesser und die Rohrlänge, größer werden, was aber keine Rolle spielt. Passen Sie die relevanten Teileabmessungen in der Zeichnung an, bevor Sie diese an den Zerspanungsmechaniker weitergeben.

Anfasungen am Einlass : Eine 10–20 Grad angefaste Einlasskante zur Bohrung hin, die den O-Ring komprimiert, vereinfacht die Montage. Der Außendurchmesser der Fase ist etwas größer als der des O-Rings. Brechen Sie die Ecken der Fase ab, um scharfe Kanten zu entfernen, die den O-Ring beschädigen könnten. Ich bringe außerdem eine Fase an der Vorderkante des Kolbens an, um die Ausrichtung und Zentrierung des Stopfens in der Bohrung während der Montage zu erleichtern. Brechen Sie auch hier die scharfen Ecken ab, um scharfe Kanten zu entfernen, die die Dichtflächen der Bohrung beschädigen könnten. Dies sorgt außerdem für eine bessere Anodisierung.

Vorsicht bei der Montage : Offene O-Ring-Dichtungen sind wie eine offene Wunde zu behandeln. Sauberkeit und sorgfältige Handhabung der Dichtungen und Dichtflächen sind unerlässlich.

Zusätzliche Anmerkungen:

• Die Mitarbeiter der Anwendungstechnik von Parker stehen Ihnen gerne zur Verfügung, um Ihr Projekt zu prüfen. Dabei berücksichtigen sie unter anderem Temperaturen, Drücke, Nut- (Stopfbuchsen-)Design, Anzugsmomente der Schrauben und Oberflächenbeschaffenheit. Bei Bedarf unterbreiten sie Ihnen alternative Designvorschläge. Die Abteilung für O-Ringe und Dichtungen von Parker befindet sich in Lexington, Kentucky, USA. Telefon: +1 (859) 269-2351, Fax: +1 (859) 335-5128, www.parkerorings.com .
• Die kostenlose Software „Under Pressure“ von DeepSea Power & Light unterstützt Ingenieure bei der Bestimmung optimaler Druckgehäuse- und Endkappenabmessungen. Sie ist besonders hilfreich für Szenario-Simulationen. Das Programm kann kostenlos unter https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software heruntergeladen werden.

Danksagungen

Der Autor dankt dem Scripps-Maschinenbediener Mert Ingraham, der mir als Erster die in den 1960er-Jahren bei Scripps entwickelten Richtlinien für die O-Ring-Konstruktion mitteilte. Ich habe diese noch immer in meinem Exemplar des ORD-5700 vermerkt. Wenn enge Toleranzen erforderlich waren, riefen wir „Mert-Passung“.

Zitate

Parker Hannifin Corp., ORD-5700, 50 ^-jährige Jubiläumsausgabe, 2021   https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf

Flitney, Robert, Seals and Sealing Handbook, Sechste Auflage, Elsevier, 2014

„Lander Lab“ ist eine praxisorientierte Kolumne über Technologien und Strategien für Meereslander, eine einzigartige Klasse unbemannter Unterwasserfahrzeuge, und die Menschen, die sie entwickeln. Sie soll der globalen Gemeinschaft der Meereslander dienen, ähnlich wie das Make Magazine und andere DIY-Communities.

Kommentare zu diesem Artikel oder Vorschläge für weitere interessante Geschichten sind willkommen. Gruppen, die sich mit der Erforschung von Meeresforschungsstationen befassen, werden gebeten, über ihre Arbeit zu berichten. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an Kevin Hardy ([email protected] ).

Danke fürs Lesen.