Dichtungen

Eine Pumpe fördert Hydrauliköl, ein Getriebe schützt seine Verzahnung mit einem Ölbad, ein Druckluftzylinder bewegt einen Kolben. Drei sehr unterschiedliche Maschinen, alle mit demselben Grundproblem: An jeder Trennstelle zwischen zwei Bauteilen will das Medium nach draußen — getrieben vom Druck. Eine Dichtung hält diesen Übertritt zurück.

Eine Dichtung ist ein Element zwischen zwei Bauteilen, das den Durchtritt eines Mediums (Flüssigkeit oder Gas) verhindert oder auf ein vertretbares Maß begrenzt. Das vollständig Verhinderte heißt Totaldichtheit, die zugelassene Restmenge Leckage.

Zwei Einteilungen helfen, sich im großen Sortiment zu orientieren.

Erste Einteilung — nach Bewegung:

• Statische Dichtungen liegen zwischen Bauteilen, die sich im Betrieb nicht zueinander bewegen. Beispiel: die Dichtung zwischen Zylinderkopf und Motorblock, die Flachdichtung im Flansch einer Rohrleitung.
• Dynamische Dichtungen dichten gegen ein bewegtes Bauteil. Beispiel: die Dichtung an einer drehenden Welle, die Dichtung am verschiebbaren Kolben eines Hydraulikzylinders.

Zweite Einteilung — bei dynamischen Dichtungen nach…“kontakt:“

• Berührende Dichtungen liegen mit Lippe, Ring oder Packung direkt am bewegten Teil an. Sie dichten sehr gut, verschleißen aber.
• Berührungslose Dichtungen haben einen kleinen Spalt zum bewegten Teil. Sie verschleißen nicht, lassen aber eine geringe Restleckage zu.

Eine Hydraulikverschraubung, die feucht wird. Ein Getriebedeckel, der Öl schwitzt. Beides sind klassische Aufgaben für statische Dichtungen — zwei Teile, fest miteinander verschraubt, kein Medium darf zwischen ihnen entweichen.

Die wichtigsten Bauformen:

Flachdichtung — ein zugeschnittenes Stück Dichtungsmaterial, das zwischen zwei ebene Flächen geklemmt wird. Klassisch zwischen Flanschen einer Rohrleitung oder als Zylinderkopfdichtung. Werkstoff je nach Anwendung: faserverstärktes Material, Kupfer, Aluminium, Graphit für hohe Temperaturen.

O-Ring (statisch eingebaut) — ein Ringelement mit kreisrundem Querschnitt aus Elastomer, das in einer Nut sitzt und durch axiale oder radiale Verformung dichtet. Statisch eingebaut bedeutet: keines der angrenzenden Teile bewegt sich. Sehr verbreitet bei Deckeln, Gehäusen und Verschraubungen.

Profildichtung — wie eine Flachdichtung, aber mit speziellem Querschnitt (Rechteck-, X- oder Sternform). Sitzt formschlüssig in einer Nut und dichtet schon bei geringer Vorspannung.

Metalldichtring — meist aus Kupfer oder Aluminium, etwa bei Ölablassschrauben oder Hydraulikverschraubungen mit metrischem Gewinde und ebenem Dichtsitz. Kupfer wird durch Glühen weich und schmiegt sich beim Anziehen an.

Flüssigdichtung — eine Paste oder Flüssigkeit, die auf die Dichtfläche aufgetragen wird und dort aushärtet. Silikondichtmittel bleiben elastisch, anaerobe Dichtmittel härten unter Luftabschluss aus. Praktisch, wenn die Form der Trennstelle keine Standarddichtung zulässt.

Berechnung der Anpresskraft:

Eine statische Dichtung funktioniert nur, wenn sie ausreichend angepresst wird. Zwei Größen sind dabei wichtig. Die Anpresskraft muss hoch genug sein, damit der Innendruck die Dichtung nicht aufdrückt. Sie darf aber nicht so hoch werden, dass die Dichtung zerquetscht und der Werkstoff überlastet wird.

Grundformel für die theoretische Mindest-Anpresskraft gegen den Innendruck:

In der Praxis kommt zusätzlich ein Vorspannfaktor ν von etwa 2 bis 3 hinzu, damit die Dichtung auch bei Druckspitzen sicher bleibt. Die tatsächlich aufzubringende Montagekraft ist also:

Für die rein theoretische Mindest-Anpresskraft (die Untergrenze, an der gerade noch dichtgehalten wird) gilt ν = 1 — so wird auch in den folgenden Aufgaben gerechnet.

Grenze nach oben — die maximal zulässige Anpresskraft aus der Materialfestigkeit:

Wird F_max überschritten, wird der Dichtungswerkstoff dauerhaft verformt und verliert seine Rückstellfähigkeit.

Wichtige Umrechnung:

1 bar = 0,1 N/mm² = 100 000 Pa

Eine Getriebewelle dreht, und das Öl im Gehäuse soll drinnen bleiben. Ein Hydraulikkolben fährt aus und ein, und der Zylinderdruck darf nicht entweichen. Hier reichen statische Dichtungen nicht mehr. Es braucht eine Dichtung, die mit dem bewegten Teil mitlebt — und trotzdem dicht hält.

Die wichtigsten Bauformen:

Radialwellendichtring — in der Werkstatt oft „Simmerring“ genannt (nach einem Markennamen). Ein Ring aus Elastomer mit einer feinen Dichtlippe, die durch eine Wurzelfeder — eine kleine Ringfeder im Inneren des Rings — gegen die rotierende Welle gedrückt wird. Ein Versteifungsblech im Inneren gibt dem Ring Form und Festsitz im Gehäuse.

Wichtig: Bei Lippendichtungen verstärkt der Systemdruck die Anpresskraft. Steigt der Druck im Gehäuse, drückt das Medium von innen gegen die Dichtlippe und presst sie zusätzlich gegen die Welle. Das ist die Selbstverstärkung der Lippendichtung — sie hält bei höheren Drücken sogar besser. Verbaut wird der Wellendichtring deshalb immer mit der Dichtlippe zum abzudichtenden Medium hin.

Dynamisch eingebauter O-Ring — derselbe Ring wie statisch, aber das Gegenstück bewegt sich. Verwendet bei kurzhubigen, langsamen Bewegungen, etwa an Stellventilen. Bei längeren Hüben und höheren Geschwindigkeiten verschleißt der O-Ring schnell — dann sind speziell geformte Kolbendichtungen besser.

Stopfbuchspackung — eine Schichtung von Packungsringen (Graphit, PTFE, Aramid) in einer Bohrung. Über eine Brille wird der Packungsstapel axial verspannt und drückt seitlich gegen die Welle oder Spindel. Klassisch bei Armaturen-Ventilspindeln und älteren Pumpen. Eine kleine Restleckage ist gewollt — sie kühlt und schmiert die Packung.

Gleitringdichtung — die Standardlösung bei Kreiselpumpen. Zwei plangeschliffene Ringflächen (Gleitring und Gegenring) liegen aneinander, der eine dreht mit der Welle, der andere steht still. Eine Feder presst sie zusammen, ein Flüssigkeitsfilm im µm-Bereich übernimmt die Schmierung. Sehr dicht, sehr langlebig, aber empfindlich gegen Trockenlauf.

Kolben- und Stangendichtungen — Spezialformen für Hydraulik- und Pneumatikzylinder. Die Kolbendichtung sitzt am Kolben und dichtet gegen die Zylinderwand, die Stangendichtung sitzt im Zylinderdeckel und dichtet die ein- und ausfahrende Kolbenstange. Beide gibt es in vielen Profilformen (U-Ring, V-Ring, Lippendichtung) — die konkreten Bauarten gehören zum jeweiligen Zylinder-Thema.

An schnelllaufenden Wellen wird jede berührende Dichtung zum Problem — Reibungswärme, Verschleiß, ständiger Austausch. An solchen Stellen geht man einen anderen Weg: eine berührungslose Dichtung mit einem kleinen, gezielten Spalt. Sie dichten nicht vollständig, hält die Leckage aber so klein, dass sie für den Betrieb keine Rolle spielt.

Die wichtigsten Bauformen:

Spaltdichtung — die einfachste Form. Ein schmaler Ringspalt zwischen rotierender Welle und stehendem Gehäuse. Das Medium muss durch diesen langen, engen Spalt fließen, was den Volumenstrom stark drosselt. Je länger und enger die Spalt, desto kleiner die Leckage. Funktioniert ohne jeden Verschleiß.

Labyrinthdichtung — eine erweiterte Spaltdichtung. Der Spalt verläuft nicht gerade, sondern mehrfach umgelenkt durch ineinandergreifende Ringe oder Nuten. Das Medium muss bei jeder Umlenkung Energie verlieren — Wirbel bilden sich, Druck baut ab. Eine typische Labyrinthdichtung hat mehrere Kammern hintereinander und ist deutlich dichter als eine reine Spaltdichtung.

Schleuderring oder Schleudernut — nutzt die Fliehkraft. Eine kleine Scheibe oder Nut auf der drehenden Welle schleudert ankommende Flüssigkeit nach außen weg, bevor sie zur eigentlichen Dichtstelle gelangt. Oft als Vor-Dichtung in Kombination mit einem Radialwellendichtring eingebaut.

Eine Dichtung kann perfekt geformt und richtig eingebaut sein — wenn der Werkstoff nicht zum Medium passt, hält sie keine Woche. Das Vertauschen eines schwarzen NBR-O-Rings mit einem äußerlich identischen schwarzen EPDM-Ring in einer ölgefüllten Anlage ist ein klassischer Werkstattfehler mit teurer Folge.

Elastomere sind gummiartige Kunststoffe mit hoher Elastizität. Sie bilden die größte Gruppe der Dichtungswerkstoffe.

NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) — der Standard für Mineralöle, Hydrauliköle und Schmierfette. Einsatzbereich etwa −30 °C bis +100 °C. Schwarze O-Ringe aus dem Werkstattregal sind meist NBR.

EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) — beständig gegen Wasser, Dampf, Bremsflüssigkeit und viele wässrige Chemikalien. Verträgt sich aber nicht mit Mineralöl — quillt dort stark auf. Einsatzbereich etwa −40 °C bis +130 °C.

FKM (Fluorkautschuk, Handelsname Viton) — hohe Temperaturbeständigkeit (bis etwa +200 °C) und beständig gegen aggressive Medien wie synthetische Öle, Treibstoffe und viele Chemikalien. Erkennbar oft an grüner oder brauner Färbung. Deutlich teurer als NBR.

Silikon (VMQ) — sehr breiter Temperaturbereich (−50 °C bis +200 °C), aber mechanisch wenig belastbar und nicht beständig gegen Mineralöl. Häufig in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie wegen physiologischer Unbedenklichkeit.

Hinweis: Kunststoffe im Allgemeinen — Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere — sind ein eigenes Werkstoffthema. Hier zählen nur die für Dichtungen typischen Vertreter.

PTFE (Polytetrafluorethylen, „Teflon“) — kein Elastomer, sondern ein Thermoplast. Extrem chemikalienbeständig, sehr breiter Temperaturbereich (−200 °C bis +260 °C), sehr geringe Reibung. Allerdings nicht elastisch — bei Druck verformt sich PTFE plastisch und behält die neue Form. Wird deshalb oft als beschichtetes Element oder kombiniert mit einer eingelegten Feder verwendet.

Faserdichtstoffe — verpresste Mineral- oder Aramidfasern mit Bindemitteln. Hitzebeständig, gut für Flansche und Zylinderkopfdichtungen. Asbest ist in der EU verboten, heutige Varianten sind asbestfrei.

Metalle — Kupfer und Aluminium für Dichtringe an Verschraubungen, Weichstahl bei sehr hohen Drücken, Edelstahl oder Nickel bei aggressiven Medien. Metalldichtungen halten höchste Temperaturen aus, brauchen aber eine sehr ebene Dichtfläche.

Graphit — als Folie oder eingepresst in Trägermaterialien. Hohe Temperaturbeständigkeit (über 400 °C), klassisch für Heißdampf- und Abgasleitungen.

Wichtige in der Praxis: Moderne Hydraulikflüssigkeiten gibt es als rein mineralisches Öl (HLP), als biologisch abbaubares Öl (HEES) oder als wasserhaltige Spezialflüssigkeit (HFA, HFB, HFC, HFD). Nicht jeder Standard-NBR-Ring verträgt jede dieser Flüssigkeiten — bei einem Wechsel des Hydraulikmediums in einer Anlage gehören die Dichtungen mit auf den Prüfstand. HEES-Öle vertragen sich meist mit NBR, HFD-Flüssigkeiten brauchen in der Regel FKM oder spezielle Werkstoffe.

Die richtige Dichtung auszuwählen ist die halbe Miete — die andere Hälfte ist der Einbau. Ein perfekt gewählter Wellendichtring lässt sich mit zwei Hammerschlägen ruinieren, ein perfekt montierter O-Ring kann an einer scharfen Kante zerschnitten werden.

Auswahl Schritt für Schritt:

1. Bewegung — statisch, rotierend, translatorisch oder oszillierend?
2. Druck — innen, außen, dauerhaft oder pulsierend?
3. Temperatur — Dauerbetrieb und kurzfristige Spitzen?
4. Medium — welches genau, mit welchen Zusätzen?
5. Geschwindigkeit — bei dynamischen Dichtungen die Umfangs- oder Gleitgeschwindigkeit
6. Bauraum — Standardlösung oder Sonderanfertigung?

Mit diesen sechs Punkten lässt sich aus jedem Herstellerkatalog die passende Dichtung ableiten.

Anforderungen an die Wellenoberfläche beim Radialwellendichtring:

Die Welle, die durch einen Wellendichtring läuft, muss bestimmte Anforderungen erfüllen — sonst hält selbst der teuerste Wellendichtring nicht lange.

• Rauheit: Mittenrauwert R_a typisch im Bereich 0,2 bis 0,8 µm, gemittelte Rautiefe R_z etwa 1 bis 4 µm. Zu glatt: kein Schmierfilm, die Dichtlippe läuft trocken. Zu rauh: die Dichtlippe verschleißt schnell.
• Drallfreiheit: Die Welle muss drallfrei geschliffen werden, in der Praxis meist durch Einstechschleifen ohne Längsvorschub. Hat die Welle einen Förderdrall (durch normales Längsschleifen entstanden), wirkt die Oberfläche wie eine Schraubenpumpe und fördert das Medium unter der Dichtlippe heraus — eine der häufigsten Ursachen für lecke Wellendichtringe.
• Härte: Die Wellenoberfläche sollte mindestens etwa 45 HRC erreichen, sonst verschleißt sie unter der Dichtlippe.
• Geometrie: Sauber gefertigt, ohne Beschädigungen, mit angefaster oder gerundeter Einlaufseite.

Einbau eines Radialwellendichtrings — die wichtigsten Punkte:

• Dichtlippe immer zum Medium hin einbauen — bei einem Getriebe also zur Öl-Seite.
• Vor dem Einpressen die Dichtlippe leicht ölen, damit sie nicht trocken anläuft.
• Mit einer passenden Einpresshülse arbeiten — nie mit dem Hammer direkt auf den Dichtring schlagen.
• Welle scharfkantig? Eine Montagehülse über die Welle schieben, dann die Dichtlippe aufziehen, sonst wird sie beim Aufschieben zerschnitten.
• Sitz im Gehäuse: leichter Presssitz, die Außenseite des Wellendichtrings muss fest sitzen.

Wartung und Tausch:

Wellendichtringe und Elastomerdichtungen sind Verschleißteile. Ein leichtes Schwitzen an einer Welle nach längerem Betrieb ist normal, ein dauerhaftes Tropfen nicht. Beim Tausch immer auch die Wellenlauffläche prüfen — eine eingelaufene Welle ruiniert auch den neuen Dichtring innerhalb kurzer Zeit. In solchen Fällen entweder die Welle nacharbeiten (Schleifen) oder einen Wellendichtring mit leicht axial versetzter Lauffläche einsetzen.

Lagerung von Elastomerdichtungen:

Elastomere altern auch unbenutzt. Sie sollten kühl (unter 25 °C), dunkel, trocken und ozonfrei gelagert werden. Lange Lagerzeiten machen Elastomere hart und spröde — ein über zehn Jahre eingelagerter O-Ring ist meist nicht mehr brauchbar, auch wenn er äußerlich in Ordnung wirkt.