Industriestoßdämpfer: Leistung steigern und bares Geld sparen

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Spezielle Kundenaufträge machen es erforderlich, serienmäßige Konstruktionsbauteile zu optimieren. Das Konstruktionsprinzip bestimmter Industriestoßdämpfer ermöglicht dies. Wie ein Hersteller durch sicheres Tuning leistungsfähige Standarddämpfertypen für noch kürzere Rückstellzeiten und höhere Taktungen rüstet, zeigt dieser Einsatzfall.

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.

Leistungsstarke Industriestoßdämpfer

Für entsprechende Einsatzzwecke stellt die ACE Stoßdämpfer GmbH über 200 Stoßdämpfertypen zur Verfügung, deren Kraftaufnahmen zwischen 0,68 Nm/Hub und 126.500 Nm/Hub betragen. Zum punktgenauen Verzögern werden von diesen Maschinenelementen effektive Massenbereiche von 500 g bis 204 Tonnen abgedeckt. Damit sind die Basismodelle für über 95 Prozent 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.

Mehr Leistung gegenüber der Serie

Der vergrößerte Massenbereich ist in dem hier geschilderten 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 5.650 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.

Clevere Lösung

Generell müssen für diese hohen Taktungen möglichst kurze Dämpfungshübe verwendet 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.

Hydraulische Industriestoßdämpfer als Zeit- und Kostengewinn

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 neue Potenziale.

Diese entstehen zum einen, weil sich die Massen bei Stoßdämpfereinsatz 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 benötigt, die man häufig auf bis zu 70 bar verdichtet.

Ein weiteres Plus ist, dass sich die wartungsfreien, einbaufertigen hydraulischen Elemente leicht unterschiedlichen Massenkräften und Geschwindigkeiten anpassen lassen. Sie bremsen dann die bewegten Massen sicher und schnell bei Erreichen der Endlage mit dem zusätzlichen Vorteil deutlich geringerer Maschinenbelastung ab. Zudem schließt man aus, dass unnötiger Druckluftverbrauch die Betriebskosten in die Höhe treibt. Gerade die Energieeinsparung schlägt sich nicht nur betriebswirtschaftlich positiv nieder, sondern auch hinsichtlich weniger Emissionen und mehr Nachhaltigkeit.

Wie nicht nur der geschilderte Einsatzfall zeigt, ist durch die schnelle Verzögerung eine Steigerung maximaler Bewegungszyklen möglich. Im Vergleich zu der pneumatischen Verzögerung liegt der Zeitgewinn bei etwa 50 Prozent. Im Vergleich zu Federn oder Gummipuffern ergeben sich mit hydraulischen Dämpfern von ACE noch höhere Taktzahlen. Zudem verringert sich der Geräuschpegel. Das Fazit: Der Einsatz dieser mechanischen Komponenten lohnt sich, da sie zwecks Optimierung von Anlagen auch in modernste Konstruktionen auf einfache Weise nachträglich zu integrieren sind. Das Unternehmen bietet dafür Berechnungs- und Konfigurationshilfen online: www.ace-ace.de/de/berechnungen.html.

Von Robert Timmerberg.