Vorzüge der hydraulischen Endlagendämpfung

Bild 1 Kleinstoßdämpfer und Industriestoßdämpfer sind weltweit in Millionen von industriellen Konstruktionen bewährte Qualitätsprodukte. Bild: ACE

Es gab Zeiten, in denen befassten sich Ingenieure hauptsächlich mit der Auswahl der passenden Antriebe für ihre Konstruktion, wenn es um die Frage ging: Wie können Maschinen und Anlagen schneller und effizienter arbeiten? Mittlerweile setzt sich die Erkenntnis durch, dass der Schlüssel zu mehr Produktivität auch in der Auswahl der adäquaten Komponenten für die bestmögliche Art des Abbremsens von Bewegungen liegt. Bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, dass hydraulische Klein- und Industriestoßdämpfer gerade beim Thema Endlagendämpfung anderen Lösungen überlegen sind. Dies liegt vor allem daran, dass im Vergleich mit hydraulischen Bremszylindern, Federn sowie Gummi- und Luftpuffern, allein die Industriestoßdämpfer über lineare Kennlinien und damit über eine gleichbleibende Bremskraft verfügen. Das heißt, die Masse wird über die gesamte Bremsstrecke vergleichsweise deutlich besser verzögert. Dabei wird die kinetische Energie im Stoßdämpferkorpus in Wärme gewandelt und an die Außenumgebung abgegeben. So werden Maschinen schneller, leiser, langlebiger, leichter, preiswerter und auch wettbewerbsfähiger sowie profitabler. Nur Stoßdämpfer nehmen die Masse weich auf und verzögern über den gesamten Hub. Durch die linearen Kennlinien entsteht die geringste Belastung für die Maschine oder Anlage. Zusätzlich wird eine erhebliche Lärmreduzierung erzielt.

Bild 2 Unterschiede von Dämpfungsmethoden im direkten Vergleich von Bremskraft zu Bremsstrecke. Bild: ACE

Hydraulische Bremszylinder: besser für die Geschwindigkeitsregulierung geeignet

Ein guter Fußballer muss kein guter Turner, geschweige denn ein guter Musiker sein. Der Vergleich soll zeigen, dass unterschiedliche Dämpfungslösungen durchaus ihre Berechtigungen haben, aber nicht für jede Aufgabe infrage kommen. Ein gutes Beispiel hierfür sind hydraulische Bremszylinder. Diese sind prädestiniert als Antriebs-, Ausgleichs- oder Sicherheitselement. Im Prinzip kommen sie immer dann zum Einsatz, wenn es gilt, Verfahrgeschwindigkeiten zu steuern, in beiden Richtungen Gleichläufe zu regeln oder hin- und herschwenkende Massen auszugleichen. In diesen Fällen können sie ihre Stärke, das präzise Einstellen des Ein- und Ausfahrtempos voll ausspielen. Wenn es jedoch darum geht, Massen möglichst schnell abzubremsen, erweist sich ihre Arbeitsweise als kontraproduktiv. Denn diese Maschinenelemente verfügen über eine hohe Bremskraft am Hubanfang. Dies führt zu einer steil ansteigenden und flach abfallenden Kennlinie. Der größte Teil der Energie wird am Hubanfang abgebaut. Eine hohe Belastung der Maschinen und damit verbunden kürzere Lebensdauern sind die Folge. Anders ausgedrückt: Für den Einsatz und den Schutz von Endlagen in Maschinen und Anlagen bremsen hydraulische Bremszylinder schlicht zu stark.

Bild 3 Hydraulische Bremszylinder: ACE empfiehlt diese Multitalente eher für die Regulierung von Geschwindigkeiten in beiden Richtungen und als beid- oder einseitig wirkende Bremsen denn für die Dämpfung von Massenkräften. Bild: ACE

Federn, Gummi- und Luftpuffer: Verzögerung mit Rückpralleffekten

„Vor einigen Jahren kam es vor, dass unsere Vertriebs- und Servicemitarbeiter auf Messen den Besuchern noch an einem Falltester erklärten, dass unsere Klein- und Industriestoßdämpfer im Gegensatz zu Festkörperdämpfern und Federn, aber auch im Vergleich zu Luftpuffern, so schnell und vor allem ohne zerstörerisches Zurückfedern arbeiten, dass man das Abbremsen der Massenkräfte so gut wie nicht mit bloßem Auge erkennen kann“, erläutert Dr. Peter Kremer, Geschäftsführer der ACE Stoßdämpfer GmbH. Das Unternehmen führt den Fachbegriff bereits im Namen und gilt seit Jahrzehnten bei Konstrukteuren in der Automation und dem Handling, in Bereichen wie Automotive, Food, Medical sowie bei Entwicklern von Sondermaschinen als führend bei industriellen Dämpfungslösungen. Kein Wunder, hat doch dieser ursprünglich aus den USA stammende Hersteller vor fast 60 Jahren als Erster einstellbare Industriestoßdämpfer auf den Markt gebracht. Inzwischen gehört das Unternehmen mit Sitz in Langenfeld zur Stabilus-Gruppe und bietet auch Komponenten wie Industriegasfedern, Rotationsbremsen, Klemmelemente sowie zahlreiche weitere Lösungen unter anderem zur Entkopplung von Schwingungen an. Klein- und Industriestoßdämpfer sind ein zentraler Geschäftsbereich geblieben. Das Know-how ist durch die Entwicklungsingenieure in den USA und Europa immer weiter ausgebaut worden.

Wie das Beispiel des Falltesters es dem staunenden Messepublikum bis heute vor Augen führt, ist eine deutlich zu sehende Verzögerung für den gewünschten Effekt des schnellen Energieabbaus in den Endlagen kein gutes Zeichen. Im Gegenteil, je mehr der Abbremsvorgang als solcher zu erkennen ist, desto schlechter ist dies für Maschinen, Produktion und Anlageneigentümer. Dies gilt erst recht, wenn Rückpralleffekte zu beobachten sind. Wird mit Federn oder Gummipuffern gearbeitet, kann der nächste Takt erst einsetzen, wenn die abzubremsende Masse tatsächlich vollkommen beruhigt ist. Ansonsten wirken die Kräfte nicht sauber, was im schlimmsten Fall zu Zerstörungen führt. Die Federeffekte sind dadurch zu erklären, dass diese Maschinenelemente nicht nur mit ständig steigender Bremskraft arbeiten, sondern auch die abgebaute Energie speichern. Zerstörungen und damit kostspielige Reparaturen und Ausfallzeiten der mit ihnen arbeitenden Maschinen und Anlagen drohen bei diesen Dämpfungslösungen übrigens auch, wenn die Federn mit den anvertrauten Aufgaben überfordert sind. Da ihre Lebensdauern im Vergleich mit Stoßdämpfern zudem begrenzt sind, passiert dies relativ schnell.

Bild 4 ACE demonstriert auf Messen den freien Fall eines gefüllten Weinglases aus 1,3 m Höhe gebremst durch einen Industriestoßdämpfer. Resultat: Es wird kein Tropfen verschüttet. Bild: ACE

Stoßdämpfer-Einblick: innere Werte entscheiden

Vor der Fortsetzung des Vergleichs mit anderen Dämpfungslösungen, lohnt die Betrachtung der Funktionsweise von Stoßdämpfern, die, anders als ihre entfernten Verwandten aus der Fahrzeugtechnik, speziell für industrielle Zwecke entwickelt und gefertigt worden sind. Diese Maschinenelemente arbeiten in der Regel mit einer Druckhülse, bei bestimmten Typen kommt bei der ACE Stoßdämpfer GmbH zusätzlich eine patentierte Rollmembrantechnik zum Einsatz. Die Druckhülse der einstellbaren wie selbsteinstellenden Klein- und Industriestoßdämpfer arbeitet wie folgt: Trifft eine bewegte Masse auf den Dämpfer, setzt der Kolben das Öl in der Druckhülse in Bewegung. Das Öl wird durch die Drosselbohrungen gedrückt, wodurch die eingeleitete Energie in Wärme umgewandelt wird. Die Anzahl der wirksamen Drosselbohrungen vor dem Kolben nimmt ab, die Geschwindigkeit wird über den Bremsweg kontinuierlich reduziert. Der Innendruck bleibt nahezu konstant und damit die Kraft-Weg-Kurve nahezu linear. Für höchste Standzeiten von bis zu 25 Millionen Hüben hat ACE bei bestimmten Produktserien eine hermetisch dichte Rollmembran entwickelt. Diese sorgt für eine phasenreine Trennung des Dämpfungsfluids zur Umgebungsluft. Hierdurch ist auch der direkte Einbau im Druckraum, beispielsweise als Endlagendämpfung in Pneumatikzylindern bis zu 7 bar möglich. Zudem begünstigt die Rollmembran die sehr geringen Rückstellkräfte dieser wartungsfreien, einbaufertigen Dämpfer. Perfekt abgestufte Härtebereiche und höchste Energieaufnahme und der integrierte Festanschlag sind weitere Pluspunkte. Zudem ermöglicht die Verwendung einer Bolzenvorlagerung Aufprallwinkel von bis zu 25 Grad.

Bild 5 Das Innenleben eines ACE-Industriestoßdämpfers vom Typ „Magnum“. Bild: ACE

Bei den vom Format her größeren Industriestoßdämpfern gilt die von ACE unter dem Namen „Magnum“ gebaute und vertriebene Reihe als Referenzklasse für die mittlere Baugröße mit Gewinden von M33 bis M64. Innovationen wie Membranspeicher, neuartige Dichtungstechnik, aus dem Vollen gefertigte Druckhülsen in Topfform und Verfügbarkeit von Edelstahlausführungen in allen Größen steigern nicht nur die Dämpfungsleistung, sondern verlängern auch die Lebensdauer der Komponenten unter widrigen Umgebungsbedingungen entscheidend. Zudem lässt sich mittels dieser Maschinenelemente der effektive Massenbereich erheblich erweitern, was Anwendern mehr Spielraum bezüglich der Dämpfergröße und der Ausnutzung der Gesamtleistung ihrer Anlage gibt. Das Lösungsspektrum von ACE zeichnet sich zudem dadurch aus, das es zu dieser und allen anderen Dämpferserien eine breite Palette passenden Zubehörs gibt. Dadurch entfällt die kosten- und zeitintensive Eigenanfertigung von Montageteilen. Konstrukteure profitieren zudem von speziell entwickelten Dämpfern für Anwendungen mit besonders hohen oder niedrigen Umgebungstemperaturen. Die Edelstahlvarianten sind dabei auch für Applikationen in der Medizin- und Lebensmitteltechnik mit hohen hygienischen Anforderungen prädestiniert.

Praktische Vorteile: Betriebskosten senken, Produktivität erhöhen

Abschließend lohnt sich der vergleichende Blick auf die pneumatische Endlagendämpfung. Wie bei Federn und Gummipuffern wird hier der größte Teil der Energie am Hubende abgebaut. Bei diesen Dämpfungslösungen sind jedoch, wenn überhaupt, geringe Rückpralleffekte zu verzeichnen. Aus diesem Grund werden sie bis heute regelmäßig in Pneumatikmodulen verbaut. Doch nicht nur die geringere Maschinenbelastung spricht in diesen Fällen für die Verwendung von Stoßdämpfern. Vielmehr lässt sich durch den Wechsel bares Geld sparen. Dabei stehen den einmaligen Investitionskosten in vielen Praxisfällen Einsparungen von mehreren Tausend Euro auf Seiten der Betriebskosten gegenüber. Die Einsparungen ergeben sich unter anderem daraus, dass sich dank Klein- und Industriestoßdämpfern die Massen mit dem kleinstmöglichen Pneumatikzylinder bewegen lassen, wodurch die Verwendung kleinerer Ventile und Wartungseinheiten möglich ist. Überdies wird permanent Druckluft und der zur Verteilung nötige Strom gespart. So sind bei der pneumatischen Endlagendämpfung circa drei bis vier Kubikzentimeter Luft notwendig, die häufig auf bis zu 70 bar verdichtet werden. Mit Kleinstoßdämpfern ist das nicht nötig, da diese die Bewegungen sicher und schnell beim Erreichen der Endlage abbremsen. Bei ACE profitieren Kunden zudem von genau auf ihre Anforderungen abgestimmten Lösungen und einem ebenso individuellen Service sowohl Online wie persönlich und vor Ort. In diesem Zusammenhang nutzen immer mehr Konstrukteure zuerst das Angebot auf der Homepage von ACE. Als besonders hilfreich erweisen sich die Berechnungs- und Konfigurationslösungen, mit denen sich in wenigen Minuten die ideal passenden Dämpfer auswählen und dank angeschlossenem Online-Shop rund um die Uhr bestellen lassen (https://www.ace-ace.de/de/berechnungen/daempfungstechnik/online-berechnung.html). Dies ist ein zusätzlicher Mehrwert, um bei den passenden Lösungen der Endlagendämpfung noch mehr Zeit und Geld zu sparen.

Bild 6 Berechnungs- und Konfigurationsprogramm für Stoßdämpfer. Bild: ACE