Denken für Dichtungen

Die Kataloge sind voll davon: Radialwellendichtungen, statische Dichtungen, O-Ringe, Abstreifer und komplette Dichtsysteme für Wellen, Zylinder, Stangen und anderes. Scheinbar für jeden etwas. Und doch: Manchmal will selbst aus dem umfangreichsten Katalog nichts passen, ein neues Dichtelement muss entworfen werden. Wie so ein Dichtelement entsteht, hat sich SCOPE am Beispiel eines neuen Doppelabstreifers für Mobilhydraulikzylinders einmal angeschaut.

Der Regen setzt ein. Wäscht Staub und Lehm der letzten Tage vom Bagger. Ach ja, gelb war der mal. Grimmig ziehen die Bauarbeiter die Friesennerze über und stapfen durch den Matsch. Die braune Pampe ist überall. Ein harter Job, nicht nur für die Männer. Auch für die Hydraulikzylinder am Greifarm des Baggers, an der Schaufel oder an den Stützen. Die sind zwar bärenstark, aber rechte Sensibelchen. Für sie ist dieser Matsch die Vereinigung ihrer Todfeinde Wasser und Staub. Einzig ein paar Kunststoffringe verhindern das Schlimmste: Wasser und Schmutz im Hydrauliksystem oder literweise Öl in der Baugrube, je nach Sichtweise.

¿Dichtsystem¿ korrigiert mich Dieter Hofmann, technischer Manager im Bereich Mobilhydraulik bei Busak und Shamban in Stuttgart, als ich diese Kunststoffringe allzu salopp als Dichtung bezeichne. Denn es ist das fein ausgeklügelte und präzise aufeinander abgestimmte Zusammenspiel verschiedener Elemente, das an der Kolbenstange eines Hydraulikzylinders nicht nur das Schlimmste verhindert, sondern bis zu 20 000 Betriebsstunden ohne Leckage ermöglicht. Zur Erinnerung: Die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders läuft in Führungsringen. Auf die Ringe folgen bei anspruchsvollen Zylindern mehrere Dichtungen. Die ersten härter, um dem Systemdruck widerstehen zu können, die nachfolgenden weicher, um den Schmierfilm zurückzuhalten. Das System komplettiert ein Abstreifer, idealerweise als Doppelabstreifer, der nicht nur Schmutz, Staub, Öl und Wasser von den Dichtungen fernhält, sondern auch den verbleibenden Restschmierfilm auf der ausfahrenden Stange zurückhält.

Abstreifen für Anspruchsvolle

Eben dieser Abstreifer war es, mit dem Liebherr die Entwicklungsmaschine der Stuttgarter vor einiger Zeit anstieß. Nicht dass der Hersteller von Baumaschinen mit eigener Mobilhydraulikzylinder-Fertigung mit der bestehenden Lösung Probleme hatte. In den meisten Fällen leistete der eingesetzte Abstreifer, eine Kombination aus einem chemisch beständigen und reibungsarmen Polyurethanelement und einem O-Ring, der für die nötige Elastizität sorgt, hervorragende Dienste. Nur in Extremfällen, bei starkem Schmutzanfall und schräg nach oben ausfahrenden Zylindern sammelt sich der Schmutz auf dem Abstreifer und es bilden sich Schmutztaschen, welche die Bewegung des O-Rings und damit die Funktion des Abstreifers behindern. Sonderlösungen waren erforderlich, doppelte Lagerhaltung eine der Folgen. Eine wirtschaftliche Lösung, die alle Fälle abdeckt, sollte her.

Im Gespräch mit den Anwendungstechnikern in Stuttgart ¿ erste Station für Hilfesuchende in Dichtungsfragen ¿ wurde schnell klar: Weder mit Katalogteilen noch mit einer modifizierten Einbaulösung war dem Problem beizukommen. Also ein leeres Blatt aufgespannt und los geht´s. Die Vorgaben von Liebherr waren einfach aber zwingend: Der Schmutz sollte sich nirgends sammeln können und der Einbauraum, also Nutbreite, -tiefe und -form, sollte möglichst unverändert bleiben. So muss die Fertigung nicht umgestellt werden und im Servicefall kann ein alter, verbrauchter Abstreifer gegen den Neuen ausgetauscht werden.

Aus Zwei mach Eins

Die Materialfrage war schnell entschieden. Polyurethan ist, nachdem ihm die Kunststofftechniker die Wasseranfälligkeit ausgetrieben haben, eine gute Alternative zu Teflon. Ausreichend chemisch beständig und zudem elastisch. Der O-Ring konnte also weg fallen, aus zwei Teilen wurde eins. Ein weit nach vorne ragende Abstreiflippe löste das Schmutzproblem. Wie jedoch der Abstreifer sich im Einbauraum abstützen muss, damit die Lippe selbst bei großer Stangenauslenkung und Innendruck sauber aufliegt, das war ein Fall für die Finite-Element-Methode. ¿Der Rechner ersetzt dabei nicht die Erfahrung, die Konstrukteure, Anwendungstechniker und Kunden mit einbringen,¿ betont Hofmann, ¿er erspart uns jedoch das mühsame Herantasten über unzählige Prototypen.¿ Anstatt ein Heer von Werkzeug- und Modellbauern im Prototypenbau zu beschäftigen, wird so lange mit der Maus an dem Entwurf gefeilt, bis auf dem Bildschirm alles stimmt.

Mit den Daten aus der FEM-Berechnung entstehen die ersten Prototypen. Die Rohlinge kommen zwar schon aus der Spritzgießmaschine, ihre endgültige Form erhalten die ersten ihrer Art aber noch auf der Drehbank. Aufwendige Spannvorrichtungen stützen dabei den Abstreifer mit einer Gegenkontur, damit das elastische Material nicht ausweichen kann.

Wer hält am längsten dicht?

Nächste Station ist das Prüflabor. Der Maschinenpark dort gleicht einer Folterkammer für Dichtungen und solche, die es werden wollen. Da ein Dauerlaufprüfstand, auf dem komplette Dichtsysteme 24 Stunden am Tag, an sieben Tagen die Woche zeigen dürfen ob sie dicht halten können. Hier ein Rotationsprüfstand für Wellendichtungen und dort sind Stoßdämpfer eingespannt, bei denen es, neben einigen anderen Parametern, besonders auf die geringe Reibung der Dichtungselemente ankommt. In einer Ecke entdecke ich sogar eine Tiefkühltruhe. Drinnen nicht die Pausenbrote der Belegschaft, nein, selbst hier malträtiert ein Prüfzylinder ein Dichtungssystem. ¿Immer mehr Kunden wollen ihre Maschinen selbst bei ¿ 30 bis ¿ 40 Grad betreiben,¿ erklärt Hofmann, ¿was im Prinzip völlig neue Dichtsysteme bedeutet.¿ Zum einen verlangt das bei diesen Temperaturen eingesetzte, dem Automatiköl verwandte Hydrauliköl ein anderes Material, zum anderen erfordert die veränderte Schmierfilmbildung eine Korrektur der Dichtungsgeometrie. Eine wahre Herausforderung sind dabei Dichtsysteme für Stützzylinder von Kranen, die, einmal ausgefahren, nicht mehr arbeiten und damit vollständig auf Umgebungstemperatur abkühlen. Den neu entwickelten Abstreifer interessiert das (noch) nicht. Auf ihn wartet der Abstreifer-Prüfstand.

Prüfen mit Normsand

Dieser Prüfstand ist eine Eigenkonstruktion. Denn im Falle des Abstreifer gibt die DIN ausnahmsweise nicht peinlich genau vor, was und wie zu prüfen ist. Ja, sie definiert nicht einmal, wann eine Dichtung oder ein Abstreifer noch dicht ist. Hier setzt die Industrie ihre Standards und die sind mit diesem Prüfstand zumindest für Abstreifer ein gutes Stück nach oben gerutscht. Der Aufbau ist so einfach wie wirkungsvoll. Gut sichtbar sitzt der Abstreifer in einem Zylinder aus Acrylglas, in dem eine senkrecht stehende Kolbenstange auf und ab fährt. Innendruck und Kolbenstangenauslenkung, welche die Funktion des Abstreifers in Frage stellen können, lassen sich verändern. Drei dieser Vorrichtungen arbeiten parallel und erlauben Vergleichsläufe und die statistische Absicherung der Messergebnisse. Die Abstreifer sitzen jeweils am Grund eines kegelförmigen Sumpfs, in den die Prüfflüssigkeit eingefüllt wird. Das kann Wasser oder Bohrflüssigkeit sein, meist, wie auch in Falle des Sonderabstreifers für Liebherr, ist es jedoch ein Gemisch aus Hydrauliköl und Arizona-Sand.

Dieser Wüstensand wird nicht einfach, wie böse Zungen behaupten, von den Stoßstangen der Autos gefegt, sondern ist ein aus der Filterprüfung bekanntes, sündhaft teures Prüfmedium: Korngröße, -verteilung und -form des natürlichen Sandes sind konstant, genau vermessen und klassifiziert. Die Konzentration dieses Sandes im Prüfmedium und in der Hydraulikflüssigkeit des Zylinders vor und nach 1000 Doppelhüben wird mit einem Partikelzähler gemessen und ist ein direktes Maß für die Leistungsfähigkeit des Doppelabstreifers. Nur so ist es möglich, die Wirkung eines Abstreifers nachvollziehbar und unter Bedingungen zu prüfen, die auch den schlimmsten Praxisfall noch abdecken. Aussagekräftige Vergleiche mit anderen Abstreifern werden möglich, der Einfluss von Innendruck, Auslenkung der Kolbenstange und anderen Größen wie zum Beispiel der Oberflächenrauigkeit der Kolbenstange lässt sich überprüfen.

Keine Chance zum Abheben

Auch die ersten, handgefertigten Prototypen des Liebherr Sonderabstreifers mussten dieses Procedere über sich ergehen lassen. ¿Die Messungen bestätigten die Berechnungen der Finite-Element-Methode,¿ betont Hofmann nicht ohne Stolz und zeigt auf die Kurven: ¿Geometrie und Anpresspunkte waren richtig gewählt, so dass selbst bei Innendrücken von 25 bar oder einer Stangenauslenkung von 0,4 Millimetern die nach vorne herausragende Abstreiflippe nicht abhebt. So bleibt die Abstreifwirkung nicht nur erhalten, sie ist zudem weitaus besser als bei vergleichbaren Lösungen¿. Freigabe des Prototypen, Bau des Spritzwerkzeugs, Spritzen der Nullserie, weitere Tests und die endgültige Freigabe waren danach Routine.

Nun durfte der Neue offiziell das Licht der freien Wirtschafts-Welt erblicken. Nicht lange, denn gleich darauf verschwand er wieder in den Hydraulikzylindern des Kunden. Der testete den neuen Abstreifer über ein Jahr lang im Feld, was bei Liebherr so viel heißt wie in Baugruben jeder Größe und Klimazone, im Schrottumschlag, auf Schlackebergen und in der Holzwirtschaft. Die Kenngrößen dieser Tests vor Ort waren weniger Messwerte als die Kundenzufriedenheit, genauer gesagt der spürbare Rückgang von Servicefällen. Damit hat der neue Doppelabstreifer die Serienreife erreicht, wird heute in alle Mobilhydraulikzylinder von Liebherr eingebaut und deckt als Standard sowohl einfache wie extreme Anwendungsfälle ab.

Für die Stuttgarter bleibt neben der Bestellabwicklung noch ein letzter Schritt. Aufgrund der positiven Erfahrungen bei Liebherr, wird geplant, den Doppelabstreifer in Zukunft in den Katalog aufzunehmen. Ein letztes Mal müssen die Dichtungs-Denker für den Neuen ihren Kopf anstrengen: Ihr Kind braucht einen Namen, denn bisher trägt es nur eine interne, kryptische Bestellbezeichnung.

Matthias Meier / Mai 2000

Links: http://www.busakshamban.com, http://www.liebherr.de