Kleinstoßdämpfer und Co.: Dämpfertests für industrielle Anwendungen

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Um industrielle Dämpfungstechnik im Bereich dynamischer Parameter präzise prüfen zu können, kooperieren zwei deutsche Unternehmen seit vielen Jahren erfolgreich im Messtechnikbereich. In diesem Beitrag geben sie Einblicke in ihre Arbeit.

In der Automatisierung kommen verschiedene Arten von Dämpfern zum Einsatz. Dabei eignen sich Kleinstoßdämpfer, Industrie- sowie Sicherheitsstoßdämpfer ideal als effiziente, stromlos arbeitende hydraulische Komponenten zur Verzögerung oder für punktgenaues Abbremsen von Massenkräften zwecks Produktivitätssteigerung und Sicherheits­erhöhung. ACE Stoßdämpfer stellt ein breites Spektrum dieser Maschinenelemente in Form selbsteinstellender und einstellbarer Typen zur Verfügung, sodass Konstrukteure schon mit den Standardkomponenten die gängigsten Kraftbereiche abdecken können. Zudem bietet ACE Komponenten aus reversiblen und irreversiblen Festkörpermaterialien für den Not-Stopp, als Überfahrschutz oder als Anschlagdämpfer an.

Simulation vor Markteinführung

Sensoren und Simulationen spielen eine Rolle, wenn Ingenieure die Produkte vor der Markteinführung testen oder bei sensiblen Anwendungen den Dämpfungsverlauf der jeweiligen Typen vorab genau ermitteln wollen. Sind die herstellerseitig genannten Dämpfungsverläufe für die Applikation und für das Projektteam des Kunden nicht ausreichend, greifen die Ingenieure von ACE auf eigene Testmöglichkeiten zurück, um die theoretischen Simulationen aus den Auslegungen mit Standardkomponenten in der Praxis zu überprüfen und diese zu validieren.

Neue Einwegdämpfer an Falltestern erprobt

In Langenfeld, der deutschen Zentrale der zur Stabilus-Gruppe gehörenden ACE Stoßdämpfer GmbH, kommen zwei Falltester zum Einsatz. Der erste deckt Massenkräfte von 130 bis 500 Kilogramm bei einer maximalen Fallhöhe von 1.500 Millimetern ab. Bei den nach den Gesetzen der Schwerkraft durchgeführten Falltests ergeben sich maximale Aufprallgeschwindigkeiten von 4,8 m/s (v = √2*g*h) und kinetische Energien von zirka 6.000 Nm (m*g*h). Der zweite Falltester eignet sich für Massen von drei bis 350 Kilogramm bei einer maximalen Fallhöhe bis zu ebenfalls 1.500 Millimetern, wobei Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 5,5 m/s und Energien von bis zu 5.150 Nm gemessen werden. Neben den genannten Industriestoßdämpfern setzt ACE auch Kleinstoßdämpfer ein, um Sicherheitsprodukte zu erproben, zu denen neben den ebenfalls hydraulisch arbeitenden Sicherheitsstoßdämpfern auch reversible Festkörperdämpfer wie jene aus den Tubus-Produktfamilien und seit 2021 auch irreversible Festkörperdämpfer aus Aluminium und Stahl gehören.

Diese neue Generation der ACE-Sicherheitsdämpfer wird als Crash-Dämpfer bezeichnet. Als Not-Stopp-Komponenten für den Einmalgebrauch konzipiert, führen die Ingenieure in Langenfeld an den jeweiligen Typen vor ihrer Markteinführung ausgiebige Testreihen an den Falltestern durch. Dabei untersuchen sie die aus Aluminium- oder Stahlrohr gefertigten Dämpfer hinsichtlich maximaler Energieaufnahme im Havariefall. Ihr Augenmerk gilt der Aufzeichnung der Dämpfungskennlinien der einzelnen Typen jeder neuen Baureihe mit Hilfe der Falltester. Auf diese Weise überprüfen und validieren sie die Katalogwerte und geben die jeweiligen Produktserien für den Vertrieb frei. Weil die Aufgabe dieser Festkörperdämpfer im industriellen Umfeld der von Knautschzonen in der Fahrzeugtechnik ähnelt, werden sie auf härteste Belastungen geprüft. Denn die Komponenten nehmen bei einem Crash die aufprallende Energie augenblicklich auf und werden in einer vorab in Computersimulationen definierten Art und Weise verformt. So schützen die Einmaldämpfer bei einer Havarie durch einen hohen, gleichmäßigen Energieabbau von 98 Prozent. Aufgrund der Anforderung an diese Sicherheitselemente haben die Tests und Simulationen unter so realitätsnahen Umständen wie möglich stattgefunden.

Kleinstoßdämpfer in horizontalen Lineartests untersucht

Neben diesen schwerkraftbedingten Testmöglichkeiten von Dämpfern am Ende des Weges, zum Beispiel von vertikalen Linear­achsen, ermöglicht ein spezieller ACE-Prüfstand auch horizontale Lineartests. Dabei beschleunigt der Antrieb Massen von 20 bis 100 Kilogramm auf Geschwindigkeiten von bis zu 3,5 m/s.

In einem Praxisbeispiel, bei dem man hochpräzise, reibungsfreie Achsen in einem Handlingsystem verbaut hat, wählen die Ingenieure von ACE zunächst die für die jeweilige Achse passenden Dämpfertypen aus dem Standardprogramm. Weil die hochsensiblen Achsen nur mit fest definierten Maximalkräften im Crashfall belastet werden dürfen, führt man im zweiten Schritt konkrete theoretische Auslegungen für jeden der gewählten Kleinstoßdämpfer mit Hilfe einer Simulationssoftware durch. Dabei wird jedes einzelne Bohrbild (Anzahl und Größe der Drosselbohrungen im Dämpferinneren) am Computer simuliert, um den Kraftverlauf, also die Kraft-Weg-Kurve, zu optimieren. Im Anschluss daran können die Ingenieure mit entsprechend präparierten Prüflingen in den Lineartests am Prüfstand die theoretischen Simulationen per Messungen auf der Linearachse validieren. In einer solchen Testanwendung lassen sich die bewegte Masse bis auf wenige Gramm und die Aufprallgeschwindigkeit mit einer Toleranz von 0,05 m/s abstimmen. Bestehen die Prüflinge die Tests, werden die Messergebnisse für die Fertigung der jeweils benötigten Kleinserie übernommen.

Kleinstoßdämpfer und mehr: Messtechnik validiert Simulations- und Testergebnisse

Ob Komponenten von ACE in vertikalen oder horizontalen Linearachsen getestet werden, auf den Prüfständen ermittelt das Unternehmen den Dämpfungsweg über ein Laser-Weg-Messsystem und die tatsächliche Stützkraft über Kraftsensoren. Hierbei kooperiert man seit 2004 mit dem in Meckenbeuren im Bodenseekreis ansässigen Unternehmen Burat & Klein Datentechnik. Während die verschiedenen Sensoren und Wegaufnehmer an einer der jeweiligen Prüfstelle genau angepassten Messanlage namens MultiMessBOX angeschlossen sind, lassen sich die in jedem Testlauf ermittelten Daten über die von Burat & Klein programmierte Software MessMax auswerten. Wie im Musterfall geschildert, ist es mittels MessMax möglich, die beim Realtest gemessene Kurve mit der theoretisch am Rechner ermittelten Kurve übereinanderzulegen und auf diese Weise die Theorie in der Praxis zu validieren. „Burat & Klein konnte uns dafür eine Auswertesoftware anbieten, mit der wir drei Parameter abgleichen können und die Ergebnisse automatisch in Excel exportieren. In diesem Fall werden die maximale Stützkraft, der maximale Dämpfungsweg und zusätzlich die Energie, also die Fläche unterhalb der Kraft-Weg-Kurve, ausgewertet und überprüft“, sagt Jörg Küchmann, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei ACE.

Durch die immer häufiger von Kunden nachgefragten Validierungen konnte ACE vielschichtige Erfahrungen in diesem Bereich der Messtechnik sammeln. Bemerkenswert sind die sehr geringen prozentualen Abweichungen zwischen den Simulationen und den Messergebnissen in der Praxis.

Der Autor Robert Timmerberg ist Fachjournalist (DFJV) bei plus2 in Düsseldorf.