Sortierung nach vorgegebenen Toleranzen

Anspruchsvolle Dichtungstechnik mit O-Ringen: mit engeren Toleranzen noch leistungsfähiger

Anspruchsvolle Dichtungstechnik mit O-Ringen: mit engeren Toleranzen noch leistungsfähiger
Der O-Ring hat den Nachweis als leistungsfähiges und preiswertes Dichtelement vielfach erbracht, zum Beispiel als Nebendichtung in einer Gleitringdichtung der Speisewasserpumpe eines Kernkraftwerkes oder als Abdichtung an einer lösbaren Einschraubverbindung für PKW-Klimaanlagen. Es ließen sich viele weitere Beispiele dafür aufzählen, wo O-Ringe höchsten Anforderungen an die Dichtheit gerecht wurden, und das bei den unterschiedlichsten Medien und Temperaturen von -60°C bis zu 300 °C. O-Ringe sind gut am Markt verfügbar, leicht zu montieren und erfordern nur einfache Einbauräume. Gerade deshalb ist es für Konstrukteure ärgerlich, wenn O-Ringe als Dichtelemente für eine Problemlösung ausscheiden, weil deren Maße zu arg streuen. Das Ausweichen auf andere Dichtungen kommt dem Anwender dann in der Regel erheblich teurerer.
Insbesondere beim Einsatz kleinerer O-Ringe stellen die gängigen Toleranzen nach DIN 3771 Teil 1 eine erhebliche Einschränkung bezüglich ihrer Verwendbarkeit dar.
Dieser Aufsatz zeigt die Gründe für herstellungsbedingte Maßstreuungen von O-Ringen und schildert die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Funktion. Er beschreibt ein neues, hochgenaues optisches Messverfahren für O-Ringe, das als Dienstleistung für das Messen und Sortieren nach engen Toleranzen neu angeboten wird.

Wodurch entstehen die Maßschwankungen bei O-Ringen?

Für die Maßschwankungen gibt es drei hauptsächliche herstellungsbedingte Einflussfaktoren:

• Schwankungen der Werkzeug-Temperaturen bei der Vulkanisation der O-Ringe
• Streuungen im Schwundverhalten des Kautschuks und anderer Mischungsbestandteile
  Werkzeugversatz infolge des erforderlichen Durchmesserspieles der Führungsbolzen, der durch Verschleiß mit der Laufzeit des Werkzeuges noch zunimmt.
• Die Schwankungen der Temperaturen können insbesondere bei der Herstellung aus großen Werkzeugen innerhalb des gleichen Lieferloses zu starken Streuungen der Durchmessermaße führen. Aber auch bei sehr gut temperaturgeführten Prozessen wie sie in kleinen Spritzwerkzeugen möglich sind, kann es durch chargenabhängige Streuungen der Mischung und durch geringe losabhängige Temperaturunterschiede im Werkzeug zu deutlich messbaren Schwankungen bei den Innendurchmessern von O-Ringen kommen.

Für das in der Regel wichtigere Funktionsmaß von O-Ringen, nämlich der Schnurstärke, gibt es einen weiteren wesentlichen Einflussfaktor, nämlich den Werkzeugversatz. Bild1 verdeutlicht durch eine einfache Draufsicht auf einen O-Ring (obere Formhälfte = rot, unter Formhälfte = türkis), wie durch den Versatz von Ober- und Unterhälfte Schnurstärkenschwankungen an einem O-Ring auftreten können. Während an neuen Spritzwerkzeugen dieser Versatz in der Regel kleiner als 0,05 mm ist, kann dieser verschleißbedingt deutlich größer werden, und darf nach DIN 3771 Teil 4 ( Form- und Oberflächenabweichungen von O-Ringen) schnurstärkenabhängig zwischen 0,08 und 0,15 mm betragen.

Die oben beschriebenen drei Einflussfaktoren haben letztlich zu den Maß-Toleranzen gemäß DIN 3771/Teil 1 (Bild 2) geführt, nach denen auch die meisten O-Ring Hersteller liefern. Schwierig ist es, Lieferanten für O-Ringe zu finden, die diese Toleranzen deutlich einschränken (und dies auch halten). Dies wäre insbesondere für kleine O-Ringe sinnvoll, da diese aus der Sicht des Anwenders zu großzügig toleriert sind. Ein Vergleich von zwei Normgrößen veranschaulicht dies. Der O-Ring mit den Maßen (Innendurchmesser x Schnurstärke) 2,0+/-0,13 × 1,80 +/- 0,08 hat im Vergleich zum O-Ring 20+/-0,22 × 3,55+/-0,1 deutlich ungünstigere Toleranzen. Während diese beim kleinen O-Ring +/-6,5 % vom Innendurchmesser und +/-4,4 % von der Schnurstärke betragen, liegen diese beim größeren O-Ring mit +/-1,1 % vom Innendurchmesser und +/-2,8 % von der Schnurstärke deutlich günstiger. Dieses Verhältnis wird noch ungünstiger bei der Verwendung kleinerer Schnurstärken, zum Beispiel von 1mm, da sich die Herstellertoleranzen nicht mehr wesentlich verringern.

Der Einfluss der Streuung von Schnurstärke- und Innendurchmessertoleranzen auf das Funktionsverhalten von O-Ring Dichtungen

Die Dichtwirkung von O-Ringen beruht auf der Erzeugung einer Flächenpressung durch die Verformung der O-Ring-Schnurstärke. Da Gummi-Werkstoffe sich nicht ideal elastisch verhalten, benötigen O-Ringe Mindestverformungen von ca. 6% der Schnurstärke . Bei einer Unterschreitung dieses Wertes nimmt insbesondere bei kleinen Schnurstärken die bleibende Verformung sehr schnell 100 % an. Typische Werte für Verpressungen der Schnurstärken bewegen sich bei einer radial dichtenden statischen Abdichtung zwischen 20 % und 29 % und bei einer bewegten Abdichtung zwischen 12 % und 22 % [1], jeweils bezogen auf eine O-Ring-Schnurstärke von 1,78 mm bei einem Nenn-Durchmesser von 20 mm und einer konzentrische Lage der abzudichtenden Bauteile. Berücksichtigt man zusätzlich die maximal mögliche Exzentrizität, kann sich dieser Streubereich je nach der Größe des Durchmesserspieles noch weiter verbreitern.

Da die Reaktionskräfte des verformten O-Ringes progressiv über die relative Verformung verlaufen [2], siehe Bild 3, bedeutet das für das obige Beispiel einer bewegten Abdichtung ein Verhältnis der maximalen zur minimalen Verformungsbeziehungsweise Reibungskraft von ca. 3:1.Wegen dieser möglichen Streuung scheiden O-Ringe für viele dynamischen Anwendungen infolge der großen Toleranzen als Dichtungslösung aus. Für statische O-Ring Anwendungen bedeuten diese typischen Streuungen der Verformungskräfte toleranzabhängige Dichtflächenpressungen, die einen erheblichen Einfluss auf die Leckrate der O-Ring-Verbindungen haben [3]. Da statisch eingesetzte O-Ringe aber in der Regel deutlich stärker als dynamisch eingesetzte O-Ringe verformt werden, stellt dieser Effekt in der Praxis oft keine unvertretbare Einschränkung dar.

Realisierbare Toleranzen für kleine O-Ringe

Der Fortschritt der Technik hat sicherlich auch bei der Produktion von kleinen O-Ringen nicht Halt gemacht. Sei es bei der Präzision bei der Fertigung von Spritzwerkzeugen oder deren rheologischen Auslegung durch Berechnungsprogramme, sei es bei der Temperaturführung der Spritzmaschinen durch den Einsatz von Mikroprozessoren oder durch die Anwendung verfeinerter Entgratungsverfahren. All dies macht es möglich, dass zwischenzeitlich eine sehr enge Normalverteilung bezüglich der Funktionsmaße von O-Ringen machbar ist, siehe Bilder 6 und 7. Eine Überprüfung von handelsüblichen NBR-O-Ringen verschiedener Lieferanten (Innendurchmesser < 20 mm) zeigte, dass mehr als 90 % der geprüften O-Ringe deutlich engeren Toleranzen entsprachen. Sinnvolle Toleranzen, das heißt, dass über 90 % der Teile entsprechen sollen, können danach bei dem Mittelwert der radialen Schnurstärke bei +/- 0,03 mm und beim Innendurchmesser bei +/- 0,05 mm bezogen auf das Nennmaß liegen. Dies setzt natürlich voraus, dass das Spritzwerkzeug genau für das gewünschte Mittelmaß und den verwendeten Gummiwerkstoff ausgelegt ist, und der nach DIN 3771 maximal zulässige Wert für den Werkzeugversatz nicht voll genutzt wird. Durch diese Einengung der Toleranzen kann der mögliche Streubereich der Verpressung der Schnurstärke deutlich eingeschränkt und damit der Einsatzbereich dieser O-Ringe insbesondere für dynamische Anwendungen wesentlich erweitert werden.

Messen und Sortieren als Dienstleistung

Wenn Sie eine O-Ring Charge nach vorgegebenen Toleranzen sortieren möchten, sprechen Sie uns gerne an. Aufgrund des Aufwands bei der Einrichtung der automatischen Sortieranlage macht eine automatisiere Prüfung nur bei höheren Stückzahlen ab ca. 5.000 – 10.000 Teilen Sinn.

Literaturverweise

[1] inPHorm, PC-Programm zur Berechnung und Auswahl von O-Ringen, Parker Dichtungen [2] Dale Patterson, More Tips for Seal Design: Effects of Cross-Section Compressive Forces, Firmenschrift Greene Tweed [3] Klaus Scheerer, Einfluss der mechanischen Eigenschaften von O-Ringen auf deren Verhalten in Miniatur-Dichtverbindungen, Dissertation Universität Stuttgart