Maschinenelemente Dämpfer im Härtetest

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EPLAN GmbH

KEBA Industrial Automation GmbH

Um die Kennlinien von industriellen Dämpfern für kundenspezifische Projekte präzise prüfen zu können, kooperieren ACE und die Burat & Klein Datentechnik seit vielen Jahren im Bereich der Messtechnik. Hier geben sie Einblicke in die erfolgreiche Zusammenarbeit.

Soll die Charakteristik eines Industriedämpfers in einer spezifischen Kundenanwendung ganz genau ermittelt werden, führt ACE sowohl Simulationen als auch Härtetests mit entsprechend applizierten Sensoren durch. Dies kommt in Spezialfällen in der Automatisierung, in der Handhabungstechnik oder bei der Verzögerung von außerordentlich hohen Massen an Werkzeugmaschinen oder Drehtischen vor.

ACE verfügt über zwei sogenannte Falltester mit Massen von 3 bis 350 Kilogramm bzw. 130 bis 500 Kilogramm bei einer maximalen Fallhöhe von 1,5 Metern, wobei Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 4,8 bzw. 5,5 Metern pro Sekunde und Energien bis zu ca. 5.150 bzw. 6.000 Newtonmetern gemessen werden. Beide Falltester werden zur Erprobung von hydraulischen Sicherheitsstoßdämpfern, reversiblen Festkörperdämpfern, Dämpfern aus den Tubus-Produktfamilien sowie irreversiblen Festkörperdämpfern aus Aluminium und Stahl eingesetzt.

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Maximal mögliche Energieaufnahme im Fokus

Die Festkörperdämpfer von ACE werden gerne auch als Crash-Dämpfer (Bild 1) bezeichnet. Sie sind als Not-Stopp-Komponenten für den Einmalgebrauch konzipiert. Vor deren Markteinführung führen die Ingenieure in Langenfeld an den jeweiligen Typen ausgiebige Testreihen an den Falltestern durch (Bild 2). Dabei untersuchen sie die aus speziellem Aluminium- oder Stahlrohr gefertigten Dämpfer vor allem hinsichtlich der maximal möglichen Energieaufnahme im Falle einer Havarie. Ihr besonderes Augenmerk gilt der Aufzeichnung der konkreten Dämpfungskennlinien (Bild 3) der einzelnen Typen jeder neuen Baureihe. Dadurch überprüfen und validieren sie die Katalogwerte und geben die jeweiligen Produktserien für den Vertrieb frei.

So untersuchten die Ingenieure dort zum Beispiel die maximalen Energieaufnahmen von vier neuen, kleineren Crash-Dämpfern. Diese weisen Außendurchmesser von ca. 20 Millimetern auf und werden mit unterschiedlichen Hüben auf den Markt gebracht. Seit dem erfolgreichen Abschluss der Validierungen hat ACE das Spektrum der Energieaufnahmen im unteren Bereich von 100 bis ca. 400 Newtonmeter erweitert und kann die Crash-Dämpfer auch für Anlagen in kleineren Formaten als so preiswerte wie effektive Not-Stopp-Lösung anbieten. Weil die Aufgabe dieser Festkörperdämpfer im industriellen Umfeld der von Knautschzonen in der Fahrzeugtechnik ähnelt, wurden sie auf härteste Belastungen geprüft. Schließlich nehmen die Komponenten bei einem Crash die aufprallende Energie augenblicklich auf und werden in einer vorab in Computersimulationen definierten Art und Weise verformt und zusammengefaltet, um die auftreffende kinetische Energie in Wärme umzuwandeln und an die Außenumgebung abzugeben. Die Einmaldämpfer schützen auf diese Weise Konstruktionen bei einer Havarie durch hohen, gleichmäßigen Energieabbau von 98 Prozent. Aufgrund der Anforderung an diese Sicherheitselemente, große Langzeitstabilität im Alltagsbetrieb sowie maximalen Schutz im Not-Stopp-Fall zu bieten, fanden die Tests und Simulationen unter so realitätsnahen Umständen wie möglich statt.

Kleinstoßdämpfer in horizontalen Tests

Neben vertikalen Tests ermöglicht ein weiterer Prüfstand von ACE auch horizontale Lineartests (Bild 4). Dabei beschleunigt ein Antrieb auf der horizontalen Achse Massen von 20 bis 100 Kilogramm auf Geschwindigkeiten von bis zu ca. 3,5 Meter pro Sekunde. Die Validierung läuft nach folgendem Schema ab: Die Ingenieure von ACE wählen zunächst die für die jeweilige Achse passenden Dämpfertypen aus dem Standardprogramm. Dürfen die Achsen im Crash-Fall nur mit fest definierten Maximalkräften belastet werden, führt ACE Simulationen für jeden der gewählten Kleinstoßdämpfer durch. Dabei wird jedes einzelne Bohrbild, worunter die Anzahl und Größe der Drosselbohrungen im Dämpferinneren zu verstehen ist, am Computer simuliert, um den Kraftverlauf, also die Kraft-Weg-Kurve, zu optimieren. Im Anschluss daran können die Ingenieure mit entsprechend präparierten Prüflingen in horizontalen Tests mithilfe entsprechender Sensorik die Simulationen validieren. Auf dem Prüfstand lassen sich die bewegte Masse bis auf wenige Gramm und die Aufprallgeschwindigkeit mit einer Toleranz von 0,02 Meter pro Sekunde eins zu eins auf jeden spezifischen Fall abstimmen. Bestehen die Prüflinge die Tests, werden die Messergebnisse für die Fertigung der jeweils benötigten Kleinserie übernommen.

Messtechnik validiert Simulations- und Testergebnisse

Auf den genannten Prüfständen von ACE werden der Dämpfungsweg über ein Laser-Weg-Messsystem und die tatsächliche Stützkraft über Kraftsensoren ermittelt. Hierbei kooperiert ACE mit der in Meckenbeuren im Bodenseekreis ansässigen Burat & Klein Datentechnik. Die Kraftsensoren und Wegaufnehmer werden an der sogenannten Multimessbox angeschlossen und deren Daten nach jedem Testlauf über die von Burat & Klein programmierte Software Messmax ausgewertet (Bild 5). Die Software erlaubt es außerdem, die beim Realtest gemessene Kurve und die Kurve aus der Simulation übereinanderzulegen. Jörg Küchmann, Ingenieur aus der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von ACE, dazu: „Burat & Klein konnte uns auch eine spezielle Auswertesoftware anbieten, mit der wir drei Parameter, nämlich die maximale Stützkraft, den maximalen Dämpfungsweg und zusätzlich die Dämpfungsenergie, abgleichen können und die Ergebnisse automatisch nach Wunsch in Excel exportieren, auswerten und überprüfen."

Durch die immer häufiger von Kunden nachgefragten Validierungen konnte ACE über die letzten Jahre vielschichtige Erfahrungen in diesem Bereich der Messtechnik und der Beurteilung der ermittelten Ergebnisse sammeln. Bemerkenswert ist dabei, dass die Simulationen mit den tatsächlichen Messergebnissen, in der Praxis verglichen, nur sehr geringe prozentuale Abweichungen aufweisen.

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