Fällt eine Bremseinrichtung aus oder liegt ein Bedienungsfehler vor, kann eine bewegte Masse bei einem Aufprall erheblichen Schaden anrichten. Um das zu verhindern, sollten Sie von Anfang an ein Dämpfungssystem einsetzen, das auf Ihre Anwendung abgestimmt ist – denn die Beseitigung solcher Schäden kostet Sie in der Regel mehr als der Kauf geeigneter Stoßverzehreinheiten.
Anforderungen an einen Dämpfer
Für die eingangs erwähnte Situation des Ausfalls einer Bremseinrichtung oder einer Fehlbedienung sollte Ihr primäres Interesse einer möglichst hohen Schadensminimierung, also einem weitgehenden Schutz der Komponenten und der betreffenden Anlage, gelten:
Der Schaden ist umso größer, je mehr die auftretende Stützkraft die zulässige Kraft auf das Bauteil übersteigt. Denn die sich einstellende Stützkraft wird allein durch das Verformungsglied zwischen der bewegten Masse und dem festen Aufprallpunkt bestimmt. Entsprechend ist der Fokus hier, diese Stützkraft möglichst niedrig zu halten – im Idealfall unter der zulässigen Kraft aller am Stoß beteiligten Massen.
Umwandlung der Bewegungsenergie
Bewegte Massen kommen nur dann zum Stillstand, wenn die Bewegungsenergie vollständig in eine andere Energieart umgewandelt wurde: z.B. in Wärmeenergie über Reibung beim Bremsen oder Verformungsenergie durch Umformen. In beiden Fällen wirkt die Kraft über einen längeren Weg. Das Produkt aus Kraft mal Weg muss der anfänglichen Bewegungsenergie entsprechen, damit die bewegte Masse zum Stillstand kommt.
Die physikalische Einheit der Energie wird in Joule (J) oder Newtonmeter (Nm) angegeben. Reicht der zur Verfügung stehende Weg nicht aus, um die Masse zum Stillstand zu bringen, dann steigt am Ende des Weges die Kraft so immens an, dass ungewollte Zerstörungen die Folge sind. Daher müssen Sie immer darauf achten, dass die komplette Bewegungsenergie vom "Crashelement" aufgenommen werden kann. Häufig steht dazu aber der erforderliche Bauraum nicht zur Verfügung. In diesem Fall muss man dann als Kompromiss eine größere Stützkraft zulassen und evtl. die beteiligten Stoßpartner verstärken.
Kostenaspekte
Als Anwender möchten Sie natürlich auch eine möglichst preiswerte Energieverzehreinheit haben, zumal diese ja nicht zur eigentlichen Funktion der Anlage beiträgt:
Je seltener also ein Crash auftritt bzw. auftreten kann, desto eher werden nur einmal verwendbare, leicht auszutauschende Lösungen genutzt – anstatt eine teurere Energieaufnahmeeinrichtung einzusetzen, die mehrfach genutzt werden kann.
Gängige Dämpfersysteme im Vergleich
Noch Ende des letzten Jahrhunderts wurden aus Kostengründen an Endanschlägen vielfach einfache Gummipuffer oder Kunststoffstopfen angebracht, ohne die Größenordnung der Energieeinleitung genauer analysiert zu haben. Wichtig war nur die Funktion der Maschine. Wenn es dann einmal zu einer Kollision mit Beschädigung wertvoller Bauteile kam, betrachtete man dies als nicht vorgesehenes Ereignis: Es mussten teure Ersatzteile beschafft werden, zusätzlich entstanden kostenintensive Ausfallzeiten. Entsprechend hatten die verwendeten Gummipuffer und Kunststoffstopfen hier also nur eine Alibi-Funktion.
Für Anwendungen, bei denen ein wirksamer Schutz gefordert wird, existiert natürlich bereits eine Vielzahl von Puffern, die Energien aufnehmen können: Hier unterscheidet man in einmal verwendbare Stoßverzehrelemente sowie wiederverwendbare Dämpfer.
Einmal verwendbare Dämpfer
Aluminium-Sandwichplatten
Diese Stoßverzehrelemente haben einen relativ großen Flächenbedarf. Berechnung und Montage sind aufwendiger und es kann zu Kontaktkorrosion mit Stahlteilen kommen. Außerdem ist die Herstellung des Grundwerkstoffes Aluminium aufwendiger und energieintensiv.
Rohrabschnitte aus Stahl, Blech oder Aluminium
Diese haben eine geringere Diagrammvölligkeit: Das bedeutet, sie weisen eine geringere Energieaufnahme bezogen auf die maximale Stützkraft bei einem Crash auf. Bei diesen Stoßverzehrelementen benötigen Sie einen Kontakt- bzw. Korrosionsschutz, oder sie verwenden alternativ teuren Edelstahl.
Stoßverzehreinheiten aus optimierten synthetischen Polymeren (OSP)
Hierbei handelt es sich um auf den Anwendungsfall abgestimmte Stoßverzehreinheiten, die die Bewegungsenergie in Verformungsenergie umwandeln. Eine bewegte Masse kann damit unter Beibehaltung der vollen Funktion aller angrenzenden Bauteile sicher zum Stillstand gebracht werden, wie es beispielsweise bei DEFORM plus® der Fall ist. Nach einem Aufprall müssen diese Stoßverzehreinheiten ausgetauscht werden, da sie nur einmal verwendbar sind.
Mehrfach verwendbare Dämpfer
Schraubenfeder
Obwohl Schraubenfedern quasi keine Dämpfungseigenschaft haben, da sie einen Rückpralleffekt von 100% aufweisen, werden sie dennoch häufig zur Stoßdämpfung eingesetzt. Sie haben deutlich größere Abmessungen als eine OSP-Stoßverzehreinheit mit gleicher Energieaufnahmekapazität. Schraubenfedern haben einen linear-diagonalen Kraftanstieg, was im Vergleich zum Verformungsweg einer DEFORM plus® Stoßverzehreinheit einen doppelten Federweg bedeutet.
rochariberio, depositphotos.com
Tellerfeder
Auch diese haben einen linear-diagonalen Kraftanstieg, was – verglichen mit dem Verformungsweg einer OSP-Stoßverzehreinheit – ebenfalls zu einem doppelten Federweg führt. Die Energieaufnahme ist bei einer deutlich größeren Abmessung allerdings gleich. Da Tellerfedern nur über eine geringe Dämpfungskapazität verfügen, zeigt sich auch hier ein hoher Rückpralleffekt.
Quelle: Federntechnik Knörzer GmbH, knoerzer.de
Reibungsfeder
Niedriger ist dieser Effekt mit 1/3 bei Reibungsfedern, mit denen Sie in der Regel 2/3 der eingeleiteten Energie dämpfen können.
Auch Reibungsfedern haben einen linear-diagonalen Kraftanstieg, was gegenüber dem Verformungsweg einer OSP-Stoßverzehreinheit je nach Vorspannung der Reibungsfeder zu einem doppelten Federweg führt. Bei gleicher Energieaufnahme haben Reibungsfedern größere Dimensionen als eine OSP-Stoßverzehreinheit.
Hydraulikdämpfer
Bei gleicher Energieaufnahme haben auch Hydraulikdämpfer größere Dimensionen als eine OSP-Stoßverzehreinheit. Mit Hydraulikdämpfern ist eine hohe Dämpfung realisierbar, wobei die Stützkraft geschwindigkeitsabhängig ist.
Bei Hydraulikdämpfern kann unter bestimmten Voraussetzungen Öl auslaufen, das brennbar ist und diesen Dämpfertyp daher für bestimmte Anwendungen ausschließt – vor allem natürlich für solche, bei denen Funken fliegen oder besondere Umweltschutzbestimmungen gelten. Bei einer längeren Stillstandszeit kann ein sogenannter "Klemmeffekt" auftreten. Und zwar dann, wenn die Schmierung zwischen Dichtung und Kolben nach einem längerem Stillstand ausgetrocknet ist und es dadurch vorübergehend zu einer höheren Reibung kommt.
Zellstoffpuffer
Zellstoffpuffer weisen deutlich größere Dimensionen auf als eine von der Energieaufnahme her vergleichbare OSP-Stoßverzehreinheit. Während der Einfederung zeigen Zellstoffpuffer einen progressiven Kraftanstieg, daher haben sie – bezogen auf die maximale Stützkraft – eine geringere Energieaufnahme als z.B. eine DEFORM plus® Stoßverzehreinheit
Gummipuffer / Standardpolyurethanpuffer
Diese Dämpfer haben ebenfalls bei vergleichbarer Energieaufnahme wesentlich größere Abmessungen als eine OSP-Stoßverzehreinheit. Und auch hier zeigt sich, bedingt durch den progressiven Kraftanstieg während der Einfederung, bezogen auf die maximale Stützkraft, eine vergleichsweise geringere Energieaufnahme als bei einer OSP-Stoßverzehreinheit. Eine Ausnahme bilden die DEFORM plus® R Dämpfer. Mit eingebauter Kraftbegrenzung können sie bezüglich maximaler Stützkraft mehr Energie aufnehmen als vergleichbare Dämpfer.
Fazit
Welches Dämpfungssystem Sie in Ihrer Anlage einsetzen sollten, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Gerne beraten unsere Kollegen im Engineering Sie für einen bestmöglichen Schutz Ihrer Anlage und deren Komponenten. Hinterlassen Sie uns einfach eine kurze Anfrage und wir melden uns bei Ihnen zurück.
Im nächsten Blogartikel erhalten Sie nähere Informationen zu unseren Stoßverzehreinheiten DEFORM plus®.
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