O-Ring Bemaßung für Silikon: d1 x d2, Toleranzen und Nutmaße

Bei der O-Ring Bemaßung werden Innendurchmesser d1 und Schnurstärke d2 in Millimetern als d1 x d2 angegeben, etwa 20 x 2,5, ergänzt um Werkstoff, Härte und Toleranzklasse. Der Außendurchmesser ist keine eigenständige Angabe: Er ergibt sich aus d1 + 2 × d2 und ist in Anfragen eine häufige Quelle für Verwechslungen. Vollständig beschrieben ist eine Abdichtung erst mit den Nutmaßen, denn Nuttiefe und Nutbreite bestimmen Verpressung und Nutfüllung. Bei Silikon kommen werkstoffspezifische Punkte hinzu, die beim Messen und bei der Nutauslegung über Funktion oder Ausfall entscheiden.

d1 x d2 und Zusatzangaben: so wird ein O-Ring eindeutig bezeichnet

Eine belastbare Bezeichnung enthält neben d1 x d2 den Werkstoff nach ISO 1629, bei Silikon VMQ, bei Fluorsilikon FVMQ, dazu die Härte in Shore A, die Farbe und die geforderten Nachweise. Ein Beispiel: O-Ring 20 x 2,5, VMQ, 70 Shore A, rot, konform zu FDA 21 CFR 177.2600. Diese FDA-Vorschrift gilt für wiederholt verwendete Gummiartikel mit Lebensmittelkontakt, die BfR-Empfehlung XV ist eine Empfehlung für Silikone im Lebensmittelkontakt, und USP Class VI ist eine Prüfklassifizierung nach USP <88>, die in der Medizintechnik häufig gefordert wird. Welche Nachweise ein Compound erfüllt, hängt von der Rezeptur ab und muss pro Werkstoff bestätigt sein.

Eine typische Fehlerquelle sind eng beieinanderliegende Schnurstärken aus zwei Maßsystemen. ISO 3601-1 enthält sowohl die aus der US-Norm AS568 stammenden, zöllig abgeleiteten Schnurstärken 1,78, 2,62, 3,53, 5,33 und 6,99 mm als auch metrische Querschnitte, beispielsweise 3,55 und 5,3 mm. DIN 3771 arbeitet mit den metrischen Schnurstärken 1,8, 2,65, 3,55, 5,3 und 7 mm. Die Angabe „25 x 3,5“ bezeichnet für sich eindeutige Nennmaße, in der Praxis steckt dahinter aber oft eine gerundete und damit fehlerhafte Bestellangabe für einen Ring mit 3,53 oder 3,55 mm. Im Ersatzfall passt der vermeintlich gleiche Ring dann nicht exakt zur vorhandenen Nut, deshalb gehören die genaue Schnurstärke und der Normbezug in die Anfrage. Einen Vergleich von O-Ringen, Flachdichtungen und Formdichtungen gibt unser Beitrag zu Silikondichtungen in der Industrie.

Toleranzen nach ISO 3601 und was bei Silikon abweicht

ISO 3601-1 legt für den Innendurchmesser d1 zwei Toleranzklassen fest: Klasse A mit engeren Toleranzen und Klasse B für allgemeine Industrieanwendungen. Die Toleranz des Innendurchmessers wird über eine Formel aus d1 berechnet und wächst mit dem Durchmesser. Die Toleranz der Schnurstärke ist dagegen je Querschnitt festgelegt und für beide Klassen gleich, beispielsweise ±0,08 mm bei 1,78 mm und ±0,15 mm bei 6,99 mm. Sichtbare Oberflächenfehler wie Fließlinien, Einschlüsse oder Grat bewertet getrennt davon ISO 3601-3 über Qualitätsstufen, wobei Stufe N für allgemeine Anwendungen gilt und Stufe S für erhöhte Anforderungen.

Für Sondermaße und viele Silikonringe wird in der Praxis statt der ISO-3601-Klassen eine Toleranzklasse nach ISO 3302-1 vereinbart, die für gepresste Elastomerteile die Klassen M1 bis M4 vorsieht. Hintergrund ist die Schwindung beim Vulkanisieren und Tempern, die je nach Compound und Härte unterschiedlich ausfällt und bei engen Toleranzen eine Werkzeugkorrektur erfordern kann. Auch die Härte ist toleriert, typisch mit ±5 Shore A. Am fertigen O-Ring wird sie meist als IRHD im Mikroverfahren nach ISO 48-2 gemessen, weil der kleine Querschnitt keine normgerechte Shore-A-Messung zulässt. Die Werte sind nicht direkt mit Shore A an einer Prüfplatte vergleichbar.

Verpressung, Nuttiefe und Nutbreite auslegen

Die Verpressung ist der Anteil, um den die Schnurstärke im eingebauten Zustand zusammengedrückt wird, bezogen auf d2. Für statische Abdichtungen liegen typische Werte bei 15 bis 30 %. Bei d2 = 3,53 mm und 20 % Verpressung ergibt sich eine Nuttiefe von rund 2,82 mm, bei radialem Einbau einschließlich Dichtspalt. Gerechnet wird mit den Grenzmaßen: Kleinste Schnurstärke und größte Nuttiefe ergeben die Mindestverpressung, größte Schnurstärke und kleinste Nuttiefe die Höchstverpressung. Silikon-O-Ringe werden überwiegend statisch eingesetzt, da Weiterreißfestigkeit und Abriebbeständigkeit je nach Compound unter denen von NBR oder FKM liegen.

Die Nutbreite folgt aus dem Nutfüllgrad, also dem Verhältnis von O-Ring-Querschnittsfläche zu Nutquerschnitt. Branchenüblich sind höchstens 85 %. Für Silikon empfiehlt sich mehr Reserve, weil seine Wärmeausdehnung typisch ein Vielfaches der von Stahl beträgt und der Werkstoff in einigen Medien quillt. Im Beispiel hat der Querschnitt von 3,53 mm eine Fläche von etwa 9,79 mm²; bei 2,82 mm Nuttiefe und 4,7 mm Nutbreite liegt der Füllgrad bei rund 74 %. Temperaturbereich und Medienverhalten des Werkstoffs beschreibt unsere Seite zu Silikonkautschuk.

In einer Kolbennut wird der Ring typisch um 1 bis 5 % gedehnt. Die Schnurstärke nimmt dabei näherungsweise um die Hälfte der prozentualen Dehnung ab, was in die Verpressungsrechnung eingeht. Bei axialem Einbau liegt der Ring bei Innendruck am Außendurchmesser der Nut an, bei Außendruck am Innendurchmesser. Ein häufiger Montagefehler bei Silikon sind scharfe Kanten: Einführschrägen von 15 bis 20° und entgratete Bohrungsübergänge verhindern, dass der Ring beim Fügen angeschnitten wird.

Weiche Silikon-O-Ringe richtig messen

Ein Messschieber drückt den Querschnitt eines weichen Silikonrings zusammen, sodass die gemessene Schnurstärke zu klein ausfällt, bei niedrigen Härten deutlich. Verlässlicher sind berührungslose Verfahren wie Profilprojektor oder Kamera-Messsystem, alternativ eine Messuhr mit geringer Messkraft und planem Taster. Gemessen wird an mehreren über den Umfang verteilten Stellen und neben der Trennnaht, damit Grat das Ergebnis nicht verfälscht.

Den Innendurchmesser misst man spannungsfrei, zum Beispiel mit einem Messkegel oder optisch am flach liegenden Ring. Wird der Ring über die Messschenkel gezogen, ist das Ergebnis wegen der Dehnung unbrauchbar. Gemessen wird nach ausreichender Lagerung im üblichen Prüfklima von 23 °C, da frisch getemperte Teile ihr Endmaß erst nach dem Abkühlen erreichen.

Ausgebaute O-Ringe taugen nur bedingt als Maßvorlage. Durch den Druckverformungsrest ist der Querschnitt abgeflacht, Quellung im Medium kann ihn vergrößern, und der Innendurchmesser ist durch die Montage oft gelängt. Zuverlässiger ist es, Nut und Gegenfläche zu vermessen und den O-Ring daraus neu auszulegen.

Standardmaß oder Sondermaß aus Silikon anfragen

Standardmaße nach ISO 3601-1 oder DIN 3771 werden in vorhandenen Werkzeugen gepresst. Für Sondermaße wird entweder ein eigenes Werkzeug gebaut oder, vor allem bei großen Durchmessern, eine extrudierte Silikonschnur auf Länge geschnitten und zum Ring vulkanisiert. Die Stoßstelle solcher Ringe ist für statische Abdichtungen geeignet, kann im Querschnitt aber leicht abweichen, was bei engen Toleranzen zu berücksichtigen ist. Geometrien, die über den runden Querschnitt hinausgehen, etwa Ringe mit Lippe oder Bund, werden als Silikonformteile ausgelegt.

Eine Anfrage lässt sich ohne Rückfragen bearbeiten, wenn sie folgende Angaben enthält: d1 x d2 mit Angabe der Reihe, Toleranzklasse oder Zeichnungstoleranzen, Werkstoff mit Härte und Farbe, Einsatztemperatur, Medium, statischer oder dynamischer Einsatz, Einbauart radial oder axial, Nutmaße sowie geforderte Konformitäten wie FDA, BfR oder USP Class VI. Liegt eine Zeichnung der Einbausituation vor, kann die Verpressung über die Toleranzkette geprüft werden, bevor ein Werkzeug gebaut wird.

Häufige Fragen

Wie wird ein O-Ring bemaßt?

Ein O-Ring wird mit Innendurchmesser d1 mal Schnurstärke d2 in Millimetern bemaßt, zum Beispiel 20 x 2,5. Für eine eindeutige Bestellung kommen Werkstoff, Härte, Farbe, Toleranzklasse und bei Normringen die genaue Schnurstärke mit Normbezug hinzu, da in ISO 3601-1 zöllig abgeleitete und metrische Querschnitte nebeneinander stehen, etwa 3,53 und 3,55 mm.

Warum zeigt der Messschieber bei Silikon-O-Ringen zu kleine Werte?

Die Messkraft eines Messschiebers reicht aus, um einen weichen Silikonquerschnitt zusammenzudrücken. Je niedriger die Härte, desto größer die Abweichung. Für verlässliche Werte eignen sich optische Messverfahren oder Messuhren mit geringer Messkraft, gemessen an mehreren Stellen über den Umfang.

Worin unterscheiden sich VMQ und FVMQ bei O-Ringen?

VMQ ist das Kurzzeichen für Silikonkautschuk mit Methyl- und Vinylgruppen, FVMQ für Fluorsilikon mit zusätzlichen Trifluorpropylgruppen. FVMQ ist dadurch typisch beständiger gegen Kraftstoffe und Mineralöle und behält das Tieftemperaturverhalten von Silikon weitgehend bei. An der Bemaßung ändert sich nichts, die Schwindung kann sich jedoch unterscheiden.

Welchen Einfluss hat die Einsatztemperatur auf die Nutauslegung?

Typische VMQ-Compounds werden statisch etwa von minus 60 °C bis plus 200 °C eingesetzt, Sondermischungen auch darüber. Über diesen Bereich dehnen sich Ring und Nut unterschiedlich aus: Bei hohen Temperaturen steigt der Füllgrad, bei tiefen sinkt die Verpressung. Die Nut sollte daher für beide Grenztemperaturen geprüft werden.