Maßgeschneiderte Dichtungspakete – verborgene Garanten für die Lebensdauer von Gasfedern

Über die vielfältigen Einsatzbereiche von Gasfedern und deren nicht mehr wegzudenkende, selbstverständlich gewordene Unterstützung beim Bewegen von Lasten in Industrie, Mobilität, Sport und Heim ist schon viel berichtet worden.

Wir wollen uns in dieser Abhandlung sehr detailliert mit den spezifischen Anforderungen der verwendeten Dichtsysteme beschäftigen. Nur durch vernetzte Abstimmung von Dichtungswerkstoff, Dichtungsdesign, verwendeten Schmiermedien sowie der Oberflächentopografie der Gegenlaufflächen der Dichtungen kann das Leistungspotential der Gasfedern vollständig genutzt werden.

Die Hauptaufgabe des Dichtsystems besteht darin das für die Gesamtfunktion unabdingbar benötigte Gasvolumen in der Gasfeder zu halten, unter sämtlichen geforderten Betriebsbedingungen sowie in allen denkbaren Klimazonen.

Hierbei muss sowohl den hoch additivierten, teilweise aggressiv auf die Dichtungswerkstoffe einwirkenden intern verwendeten Schmiermedien, in Form von Fetten und Ölen Rechnung getragen werden, als auch externen Medien wie z.B. Staub, Schmutz, Eis, welche vor allem auf das Abstreif- und Stangendichtsystem einwirken.

Kurz gesagt die angestrebte Dauergebrauchsfestigkeit der vielen unterschiedlichen Gasfederbauformen hängt stets von der gekonnten Abstimmung sämtlicher tribologischer Systemparameter ab. Nur so lassen sich die vom Hersteller zugesagten Eigenschaften für den Anwender auch sicher über die ausgewiesene Produktlebensdauer einhalten.

 

Der erste Schritt – das Anforderungsprofil

Vor der Dichtungsauswahl stehen für den Dichtungshersteller zunächst die geforderten Einsatzdaten in Form von Anwendungsart, Systemdruck, Einsatztemperaturen, Umgebungskonditionen, Lastwechselzahl etc. im Vordergrund.

Erst wenn diese Primärdaten vom Dichtungsproduzenten verstanden worden sind, kann eine erste Vorauswahl des in Frage kommenden Dichtsystems nach dem Mini-Max-Prinzip getroffen werden. So aufwändig wie nötig und so Kostengünstig wie möglich

 

Medienverträglichkeitsuntersuchungen

Nachdem bekannt ist welche Schmiermedien im System zur Verwendung vorgesehen sind, werden die auf Basis des zuvor erstellten Anforderungsprofils des Dichtsystems in Frage kommen Werkstoffe auf Medienverträglichkeit getestet. Bei der Vielzahl an möglichen Bioölen, Fetten und Großteils hoch additivierten Prozessmedien sind unter anderem Bestwerte für Abrieb- und Hydrolysebeständigkeit gefordert.

Auf dieses Anwendungsgebiet maßgeschneiderte TPU-Werkstoffe (Thermoplastisches Polyurethan) bzw. PTFE (Polytetrafluorethylen)-Compounds sind hierbei die erste Wahl.

Sobald die Ergebnisse ausgewertet sind, wird die Auswahl der jeweils am besten geeigneten Profilgeometrien für Dichtungen und Abstreifer angegangen.

 

Anwendungsengineering

Die im Anforderungsprofil ausgewiesene Anwendung, sowie die geforderten technischen Parameter in Verbindung mit der vorgesehenen Produktlebensdauer geben dem Dichtungshersteller den gestalterischen Rahmen vor.

Bei dauernder, hochfrequenter Lastwechselfolge, langen Wartungsintervallen, sowie vorhandenem, auch hubüberlagerndem Querkrafteintrag wie oft in Industriegasfedern anzutreffen, kommt ein an den klassischen Hydraulikzylinder angelehntes Dichtungspaket, bestehend aus:

  • Stangendichtung,
  • Kolbendichtung,
  • Führungsringen,
  • Abstreifer und
  • O-Ringen

zum Einsatz.

Industriegasfeder

Die Aufgaben der jeweiligen Dichtelemente werden im Detail sehr spezifisch vom Anwender bestimmt und unterscheiden sich sowohl in den zum Einsatz kommenden Werkstoffen wie auch im Design von einander.

Vermeiden von Gasverlust, kein Ruckgleiten (Stick-Slip), Verschleiß- und Extrussionsfestigkeit sowie Montagefreudlichkeit stehen im Vordergrund der Lastenhefte.

Schauen wir uns die einzelnen Elemente nun einfach einmal genauer an:

 

Stangendichtung

Stangendichtungen kommen bei sämtlichen bekannten Gasfederbauformen zum Einsatz, sind primär für die Gesamtdichtheit (Fluid- und Gasdichtheit) des Systems verantwortlich, und damit das wichtigste Dichtelement.

Aufgrund des in der Regel sehr hohen Systemdrucks kommen für Stangendichtungen in erster Linie außerordentlich extrusionsfeste Werkstoffe und entsprechende Dichtungsgeometrien zur Anwendung.

Die Anwendung macht den Unterschied   

  • Betätigungshäufigkeit sehr hoch  (> 1.000.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer, hochtemperaturfester, auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff. Ein auf niedrige Reibung unter Hochdruck ausgelegtes Dichtungsdesign. Wird bei allen Industriegasfedern im Dauereinsatz für die Dauergebrauchsfestigkeit z.B. als Auswerfer bei Metallumformungsprozessen  unabdingbar.
  • Betätigungshäufigkeit mittel  (< 100.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer, hochtemperaturfester bzw. tieftemperaturfester auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff, sowie ein auf niedrige Reibung unter Hochdruck sowie auch auf geringe Losbrechreibung ausgelegtes Dichtungsdesign. Dieses Belastungsprofil kommt z.B. vor allem bei automobilen Anwendungen im Kofferraum und bei industriellen Anwendungen in Werkzeugmaschinen vor. Aber auch in vielen weiteren Anwendungen ob in Sportgeräten, im Cargobereich oder z.B. in Solarien kommen diese Dichtsysteme zur Anwendung.
  • Betätigungshäufigkeit gering  (< 10.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff sowie ein in erster linie auf niedrige Losbrechreibung nach längeren Stillstandszeiten ausgelegte Dichtungsgeometrie. Überall dort wo die Gasfeder längere Stillstandszeiten hat, im Bedarfsfall aber sofort mit der gesamten Leistungsfähigkeit zur Verfügung stehen soll, ist dieses Profil gefragt.

 

Kolbendichtung

Kolbendichtungen haben je nach Baufrom und Zusatzeigenschaften (Blockierbare Gasfeder, Zugfeder, etc) gänzlich unterschiedliche Aufgaben zum erfüllen. Primäre Aufgabe der Kolbendichtung ist es auf dem Arbeitskolben die beiden Druckräume (Stangenseite und Bodenseite) im Arbeitszylinder von einander zu trennen.  Am häufigsten erfüllen Kolbendichtungen aus PTFE zusätzlich noch Aufgaben beim Steuern von Zug- und Druckstufe durch öffnen bzw. verschließen entsprechender Überströmkanäle.

Daneben kommen auch Dichtungen an sogenannten Trennkolben zur Anwendung. Hier kann die Kolbendichtung sowohl dynamisch außendichtend als auch dynamisch innendichtend – quasi als interne Stangendichtung – eingesetzt werden.

Die Anwendung macht den Unterschied     

  • Betätigungshäufigkeit sehr hoch  (> 1.000.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer  Thermoplastwerkstoff wie z.B. Fi1962, sowie ein auf niedrige Reibung unter Hochdruck ausgelegtes Dichtungsdesign
  • Betätigungshäufigkeit mittel  (< 100.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer auf diese Anwendung maßgeschneiderter PTFE-Werkstoff, sowie ein auf niedrige Reibung unter Hochdruck sowie auch auf geringe Losbrechreibung ausgelegtes Dichtungsdesign.
  • Betätigungshäufigkeit gering  (< 10.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer auf diese Anwendung maßgeschneiderter PTFE-Werkstoff sowie ein in erster linie auf niedrige Losbrechreibung nach läneren Stillstandszeiten ausgelegtes Dichtungsdesign.
  • Bei  Gasfedern mit Trennkolben ist die Betätigungshäufigkeit meist im mittleren Bereich und die beiden am häufigsten anzutreffenden Medienräume Stickstoff und Öl sollen gut gegeneinader abgedichtet werden. Es kommt hier ausserdem darauf an, ob die Dichtung dynamisch aussendichtend oder innendichtend eingestzt wird. Generell ist hier ein verschleißfester, reibungsarmer und tieftemperaturfester, auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff zu bevorzugen. Das Dichtungsdesign wird wegen der geringen Wege des Trennkolbens schwerpunktmässig auf geringe Losbrechreibung ausgelegt.

Die Anforderungen an Kolbendichtungen in blockierbaren Gasfedern entsprechen in vollem Umfang den bereits beschriebenen, nicht mit dieser Zusatzeigenschaft ausgestatten Varianten. 

Führungen

Führungen werden je nach Anwendung durch spezifische auf die Gasfeder einwirkenden Querkräfte benötigt.

Bei geringer Querkrafteinwirkung, kurzen Federhüben, begrenzter Lastwechselzahl, und sonstiger temporärer Betätigungshäufigkeit in geschützten Bereichen, etc. und klar deniniertem Belastungsprofil kann die Führung der Stange relativ einfach ausgeführt sein. Ab und zu reicht eine der Stangendichtung nachgeschaltete Führungsbuchse.

Sobald jedoch mit höherer Belastung gerechnet werden muss, steigt der Aufwand proportinal zur geforderten Belastung an.

 

Die Anwendung macht den Unterschied  

  • Betätigungshäufigkeit sehr hoch  (> 1.000.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer, hochtemperaturfester, sowie tieftemperaturfester Thermoplastwerkstoff wie z.B. Fi1962, sowie bei bei gegebenem Bedarf auf diese Anwendung maßgeschneiderter PTFE-Werkstoff. 

Ein auf wirkungsvolle   den Querkrafteitrag  kompensierendes Tandem, mit im Zylinderkopf für die sowie am Kolben. Wird bei allen im Dauereinsatz für die Dauergebrauchsfestigkeit z.B. als Auswerfer bei Metallumformungsprozessen  unabdingbar.

  • Betätigungshäufigkeit mittel  (< 100.000 Zyklen) –> Führungsring aus PTFE-Compound, einfacher auf gute Montierbarkeit, niedrige Reibung und auf geringe Losbrechreibung ausgelegter Führungsring. Diese Belastungsprofil kommt z.B. vor allem bei automobilen Anwendungen im Kofferraum und bei industriellen Anwendungen in Werkzeugmaschinen vor. Aber auch in vielen weiteren Anwendungen ob in Sportgeräten, im Cargobereich oder z.B. in Solarien kommen diese Führungsringe zur Anwendung.
  • Betätigungshäufigkeit gering  (< 10.000 Zyklen) –> hier wird je nach Anwendung häufig auf einen Abstreifer verzichtet und die Aufgabe von der Führungsbuchse übernommen. Überall dort wo die

 

Abstreifer

Abstreifer werden in unterschiedlicher Gestaltung je nach Einsatzbereich der Gasfeder ebenfalls bei sämtlichen bekannten Bauformen verwendet. Die Hauptaufgabe des Abstreifers besteht darin das Einschleppen von Schmutz, Eis, externen Medien jeder Art und Fremdkörpern in das Systems wirkungsvoll zu untertbinden, sowie den für die reibungsarme Funktion essentiell notwendigen Mikroschmierfilm auf der Stange zu belassen.

Die Anwendung macht den Unterschied  

  • Betätigungshäufigkeit sehr hoch  (> 1.000.000 Zyklen) –> verschleißfester, reibungsarmer, hochtemperaturfester, sowie tieftemperaturfester Thermoplastwerkstoff wie z.B. Fi1962, sowie bei bei gegebenem Bedarf auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff. 

Ein auf wirkungsvolle  und  optimiertes Bauteildesign, oft in Form eines ausgeführt. Wird bei allen im Dauereinsatz für die Dauergebrauchsfestigkeit z.B. als Auswerfer bei Metallumformungsprozessen  unabdingbar.

  • Betätigungshäufigkeit mittel  (< 100.000 Zyklen) –> Abstreifer aus PTFE-Compound, relativ einfaches auf niedrige Reibung und auf geringe Losbrechreibung ausgelegtes Dichtungsdesign. Diese Belastungsprofil kommt z.B. vor allem bei automobilen Anwendungen im Kofferraum und bei industriellen Anwendungen in Werkzeugmaschinen vor. Aber auch in vielen weiteren Anwendungen ob in Sportgeräten, im Cargobereich oder z.B. in Solarien kommen diese Dichtsysteme zur Anwendung.
  • Betätigungshäufigkeit gering  (< 10.000 Zyklen) –> hier wird je nach Anwendung häufig auf einen Abstreifer verzichtet und die Aufgabe von der Führungsbuchse übernommen. Überall dort wo die Gasfeder jedoch im Aussenbereich eingesetzt wird, ist im Bedarfsfall jedoch ein wirksamer Abstreifer gefordert.

 

O-Ringe

Gasfedern benötigen zur sichern Funktion neben den beschriebenen dynamischen Dichtelementen auch noch diverse statische Dichtungen. Diese Aufgabe wird am besten von O-Ringen aus TPU erfüllt. 

Die berühmte Ausnahme von der Regel stellt hierbei der eigentlich lediglich als statische Dichtung befriedigend verwendbare O-Ring als dynamische Kolbendichtung im Trennkolben dar.

Die Anwendung macht den Unterschied

  • Wie bereits beschrieben ist bei Gasfedern mit Trennkolben die Betätigungshäufigkeit meist mittel und die beiden am häufigsten anzutreffenden Medienräume Stickstoff und Öl sollen gut gegeneinander abgedichtet werden.

Wenn der Weg des Trennkolben nur wenige mm beträgt, und es genügend Platz für einen O-Ring mit Schnurstärken von mindestens Ø 4 mm vorhanden ist, kann dieses Dichtelement dynamisch mit großem Erfolg eingestzt werden. Generell wird ist hier ein verschleißfester, reibungsarmer und tieftemperaturfester, auf diese Anwendung maßgeschneiderter TPU-Werkstoff zu bevorzugen.

  • Die auf diese Anwendung maßgeschneiderte TPU-Werkstoffe sind äußerst robust. O-Ringe werden deshalb als hoch extrussionsfeste, statische Dichtungen vor allem im Zylinderkopf bzw. Bodenbereich des Zylinderrohrs gegen Atmosphärendruck ohne Stützring eingesetzt.
  • Eine weitere Anwendung finden O-Ringe aus TPU in der Funktion als Ventildichtung bei blockierbaren Gasfedern bzw. am Befüllungsventil von Industriegasfedern. Durch die herausragende Extrussionsfestigkeit sowie Wiederstandsfähigkeit gegen Gefahren der explossiven Dekompression, können die O-Ringe auch hier ohne Stützringe  eingesetzt werden.

 

Die Erprobung

Nachdem die Auswahl des jeweils am besten geeigneten Dichtsystems getroffen worden ist, die Produktzeichnungen erstellt und freigeben sind, steht dem Start der ersten Versuche nur noch die Lieferzeit der benötigten Prototypen im Weg.  Das initiale Erproben zeigt dann ob die in der Konzeptionsphase der Gasfeder festgelegten und nun von allen Dichtelementen erwarteten Eigenschaften auch zutreffen.

Fietz stellt als professionell agierender Dichtungsproduzent die Musterteile sämtlicher hier beschriebener

  • Stangendichtungen,
  • Kolbendichtungen,
  • Ventildichtungen,
  • Abstreifer und
  • O-Ringe

in den in Frage kommenden Werkstoffen spanend innerhalb kurzer Vorlaufzeiten nach Vereinbarung her.

Für werkzeugfallende Musterteile aus Spritzgießwerkzeugen ist mit Lieferzeiten von ca. 4–6 Wochen zu rechnen.

Serienteile aus kundenspezifischen Spritzgießwerkzeugen werden in der Regel nach ca. 10 Wochen bemustert.