Stoßdämpfer

Leistung steigern und Geld sparen mit Maschinenelementen

Ob Strukturdämpfer aus Co-Polyester Elastomer, Industriegasfedern zur Regulierung von Geschwindigkeiten oder hydraulische Industriestoßdämpfer, viel Know-how der Konstrukteure fließt in die Entwicklung von Komponenten. Wie Bewegungsabläufe in der Industrie intelligent gemacht werden, zeigt ACE anhand kundenspezifisch optimierter Maschinenelementen.

Allein unter dem Aspekt der Ingenieursleistung betrachtet lohnen sich genauere Blicke auf Strukturdämpfer. Diese Komponenten der ACE Stoßdämpfer GmbH sichern beispielsweise die Endlagen von Portalanlagen. Zwar könnte man beim ersten Blick vermuten, dass einfach nur zerstörerische Massenkräfte von diesen Notstoppern abzubauen sind – und das noch nicht einmal punktgenau. Doch beim genauen Hinschauen lässt einen die Zahl von über 140 Ausführungen in diesem Bereich staunen. Denn wäre Massen verzögern gleich Massen verzögern, müssten doch eine Handvoll Lösungen ausreichen. Aber bei ACE werden im Sinne der Kunden höhere Anforderungen an maximale Hübe und Energieaufnahmen gestellt. So werden schon bei der Produktentwicklung von vornherein die unterschiedlichsten Dämpfungskennlinien berücksichtigt. Entsprechend gibt es Dämpfertypen, die viel Energie am Hubanfang aufnehmen, besonders weich abbremsen oder annähernd lineare Energieabgabe generieren. Außerdem ist die Materialwahl von Bedeutung und wird auf Langlebigkeit getestet. Daher die Entscheidung für Co-Polyester Elastomer, das sich besonders kompakt verarbeiten lässt, sich kaum aufheizt und mit 1 Million Lastwechseln die Lebensdauer von vergleichbaren Lösungen deutlich übertrifft. Idee, Planung, Umsetzung für die ideale Dämpfungslösung sind also als Dreiklang zu betrachten. Dies lässt sich auf andere Lösungen wie Industriegasfedern oder auch Industriestoßdämpfer übertragen. Richtig spannend wird es, wenn Standardlösungen zu optimieren sind, wenn also im übertragenen Sinn aus einer Limousine ein Rennwagen wird.

Hochwertige Standardlösungen als Basis für kundenspezifische Optimierungen

Bereits als Basismodell sind Industriestoßdämpfer das Mittel, um Massekräfte über die komplette Strecke mit konstanter Kraft abzubremsen. Im Gegensatz zu hydraulischen Bremszylindern und deren charakteristisch hoher Bremskraft am Hubanfang oder Luftpuffern, also der pneumatischen Endlagendämpfung mit deren bekannt hoher Bremskraft am Hubende, nehmen Industriestoßdämpfer Massen insgesamt weicher auf und verzögern gleichmäßiger. Es entsteht eine konstant lineare Kennlinie und damit die geringste Belastung für die Konstruktion. Für entsprechende Einsatzzwecke stellt die ACE Stoßdämpfer GmbH über 200 Stoßdämpfertypen zur Verfügung, deren Kraftaufnahmen zwischen 0,68 Nm/Hub und 126500 Nm/Hub betragen. Zum punktgenauen Verzögern werden von diesen Maschinenelementen effektive Massenbereiche von 500 g bis 204 t abgedeckt. Damit sind die Basismodelle für über 95% aller Einsatzfälle in der Welt industrieller Anwendungen hinreichend dimensioniert, der Rest spielt quasi in der Formel 1 der Industrierennstrecken. Was bei Verbrennungsmotoren der Hubraum, ist bei diesen modernen Maschinenelementen die Druckhülse, die sich aufbohren oder optimieren lässt. Trifft eine bewegte Masse auf den Industriestoßdämpfer, setzt dessen Kolben das Öl in der Druckhülse in Bewegung. Es wird durch die Drosselbohrungen gedrückt, wodurch die eingeleitete Energie in Wärme umgewandelt wird. Der hydraulische Druck bleibt während des gesamten Bremsvorgangs nahezu konstant. Genau diese Eigenschaften zeichnen die Stoßdämpfer der Magnum-Serie von ACE bereits bei den Standardlösungen durch die Integration von Innovationen wie einem Membranspeicher, besonderen Dichtungen und Druckhülsen in Topfform aus. Im Vergleich zu den Vorgängermodellen von ACE und denen von anderen Herstellern gelang es bereits dadurch, sowohl die Dämpfungsleistung zu steigern als auch die Lebensdauer zu verlängern. Ein weiteres wesentliches Plus: Bei kompakter Bauform lässt sich der effektive Massenbereich erheblich erweitern. Auf diese Weise sparen Anwender deutlich Platz beim Einbau zugunsten kleinerer, aber leistungsstärkerer Entwicklungen.

Leistungssteigerung gegenüber der Serie um das Zehnfache

Der vergrößerte Massenbereich ist in diesem speziellen Fall der Optimierung von Standardlösungen nur der Anfang. Ingenieure haben zudem bereits quasi von der Stange mehr Spielraum bei der Dämpfergröße und bei der Ausnutzung der Maschinenleistung. Zudem spielen die wahlweise als einstellbare oder selbsteinstellende Maschinenelemente lieferbaren Komponenten ihre Vorzüge selbst in schwierigsten Umgebungen aus, weil Magnum-Dämpfer aus Edelstahl hohen Korrosionsschutz bieten und solche, die mit speziellem Öl befüllt sind, selbst strengen Hygienevorschriften der Lebensmittelindustrie und Medizintechnik genügen. Die selbsteinstellenden Vertreter der Standard-Produktfamilie MC33 bis MC64 mit PU-Kopf sind in den Gewindegrößen M33x1,5 bis M64x2 bei Dämpfungshüben bis 150 mm verfügbar und decken Energieaufnahmen von 170 Nm/Hub bis 5650 Nm/Hub ab. Die Standardauffahrgeschwindigkeiten liegen bei den bisher genannten Magnum-Dämpfern zwischen 0,15 und 5 m/s, und die Taktung sollte in der Regel nicht mehr als 1 Hz betragen. An genau diesem Punkt der immer und immer wieder präzisen und wiederholbaren Dämpfung zum Schutz der Maschine konnten die Konstrukteure von ACE vor kurzem in einem Sonderfall zeigen, was in ihnen steckt. Für einen Sonderauftrag galt es, zuerst durch simulationsgestützte Berechnungen und dann in der Kleinserie durch Modifikationen deutlich mehr aus den Magnum-Stoßdämpfern mit Gewinde M64 zu holen als bei den Standardtypen. Konkret hatte der Kunde den Wunsch, 8,5 kg an Masse bei einer Auffahrgeschwindigkeit von 14 m/s und einer Frequenz von 10 Hz zuverlässig abzubremsen. Während das Aufpralltempo in diesem Fall die normalerweise zulässige Geschwindigkeit „nur“ um das 2,5-fache übersteigt, bedeutet die Frequenz von 10 Hz eine Steigerung der Taktung um das Zehnfache gegenüber der Standardauslegung.

Eine clevere Lösung dank intelligenter Ingenieure

Generell müssen für diese hohen Taktungen möglichst kurze Dämpfungshübeverwendet werden. Daher wurde der Standardstoßdämpfer aus Edelstahl mit einer Hubverkürzung simuliert. Anstelle eines Standardhubes von 50 mm reduzierte ACE diesen auf 30 mm. Der Vorteil liegt darin, dass dadurch ein größeres Ölvolumen im Dämpfer als bei dem herkömmlichen Typ entsteht. Damit zehn Takte pro Sekunde für den Dämpfer möglich sind, waren weitere Modifikationen erforderlich. So wurde der für diesen Fall gewählte Magnum-Standarddämpfer mit einer stärkeren Rückstellfeder im Vergleich zu den Serientypen ausgestattet. Der Ölrückfluss im Dämpfer wurde ebenfalls optimiert. Gleiches galt für das Bohrbild in der Druckhülse. Die Anzahl der Drosselbohrungen und die Durchmesser wurden nach den Simulationen so angepasst, dass beim Abbremsen von 50 km/h auf 0 km/h eine möglichst konstante Kraft-Weg-Kurve entsteht. Das Öl, das während des Dämpfungsvorganges durch die nunmehr optimierten Drosselbohrungen strömt, muss jetzt in kürzester Zeit hinter den Kolben und auch in den Ausgleichsspeicher gelangen. Dieser nimmt das von der eintauchenden Kolbenstange verdrängte Ölvolumen auf. Das ist von besonderer Bedeutung, da sonst ein zu hoher Druck auf die Führungslager entsteht und es zu Schäden an der Konstruktion führen kann.

Im konkreten Fall gelang es ACE, in Kombination mit einer Anpassung des Dichtungspaketes die genannten Optimierungen in Summe so auszuführen, dass alle Kundenanforderungen erfüllt wurden.

Intelligente Dämpferlösungen sparen Geld

Dass Industriestoßdämpfer von ACE auch unter betriebswirtschaftlichen Aspekten clevere Alternativen sind, wissen viele Konstrukteure, für die zuvor lediglich das Optimieren der Antriebe im Vordergrund stand. Unter dem Aspekt der Ressourcenschonung haben sie sich immer mehr mit der mechanischen Verzögerung von Massen befasst. Dabei wurde festgestellt, wenn man elektromechanische Antriebe durch eine Kombination aus pneumatischen Antrieben und Industriestoßdämpfern ersetzt, ergeben sich ungeahnte Potenziale. Diese entstehen zum einen aus der Tatsache, dass sich bei Anwendung der Stoßdämpfer die Massen mit dem kleinstmöglichen Pneumatikzylinder bewegen lassen. Dadurch ist die Verwendung kleinerer Ventile und Wartungseinheiten möglich. Zum anderen werden Druckluft und die zu deren Verteilung erforderliche elektrische Energie eingespart. Einmaligen Investitionskosten für die Dämpfer von ACE stehen reduzierte Betriebskosten gegenüber. So wird für eine pneumatische Endlagendämpfung ein Luftvolumen von 3 bis 4 cm3 (Atmosphärendruck) benötigt, die man häufig auf bis zu 70 bar verdichtet. Bei Verwendung von selbsteinstellenden ACE Stoßdämpfern ist das nicht erforderlich. Die wartungsfreien und einbaufertigen hydraulischen Elemente passen sich – in einem vordefinierten Bereich – eigenständig unterschiedlichen Massen, Kräften und Geschwindigkeiten an. Sie bremsen die bewegten Massen sicher und schnell bei Erreichen der Endlage mit dem zusätzlichen Vorteil einer deutlich geringeren Maschinenbelastung ab. Außerdem schließt man das Risiko aus, dass unnötiger Druckluftverbrauch die Betriebskosten in die Höhe treibt. So entweichen zum Beispiel durch ein einziges Loch mit 5 mm Durchmesser 30 l Druckluft in der Sekunde. Die Kosten für so ein Loch belaufen sich auf rund 15000 Euro im Jahr und schmälern dadurch die Wirtschaftlichkeit.

Gerade die Energieeinsparung schlägt sich nicht nur betriebswirtschaftlich positiv nieder, sondern vermindert Emissionen und führt im besten Fall zu einer ökologischen Nachhaltigkeit der Betriebe, was ein nicht zu unterschätzender Aspekt im Zuge von Schlagwörtern wie Emissionshandel und globaler Erwärmung ist. Zudem ist durch die schnelle Verzögerung eine Steigerung der maximalen Bewegungszyklen gegenüber einer pneumatischen Verzögerung von etwa 50% möglich. Und wenn der Ingenieur Federn oder Gummipuffer im Test gegen die hydraulischen Dämpfer von ACE stellt, kommen im Vergleich deutlich höhere Taktzahlen heraus. Zudem verringert sich der Geräuschpegel der Anlagen. Als Fazit bleibt festzuhalten: Es lohnt der Blick im Detail auf die mechanischen Komponenten, die sich zwecks Optimierung von Anlagen auch in die modernsten Konstruktionen auf vielfach einfachste Weise nachträglich integrieren lassen. Weitere Informationen finden interessierte Leser hier:

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Komplettpaket mit Köpfchen

Computergestützte Simulationen gepaart mit Ingenieurskunst machen aus einem hochwertigen Industriestoßdämpfer eine maßgeschneiderte Dämpfungslösung, die keine Wünsche offen lässt. So sind Taktungen und Energieaufnahmen deutlich zu erhöhen. Und ganz nebenbei lassen sich im Vergleich mit anderen Dämpfungslösungen Betriebskosten, Maschinenbelastungen und Lärmpegel deutlich senken.

 

Autor: Robert Timmerberg M. A., Fachjournalist im DFJV, plus2 GmbH, Düsseldorf, im Auftrag der ACE Stoßdämpfer GmbH