Substitutionspotenzial hält Industrie-Stoßdämpfern Märkte offen

Immer wieder stößt man auf Begriffe, die den Fachmann stutzen lassen. Beim Stoßdämpfer ist das der Fall. In Automobilen hat er die Aufgabe, Schwingungen von ungefederten Massen zu unterdrücken und nicht ins Gestell eingeleitete Stöße zu „schlucken“ – im Gegensatz zum Industrie-Stoßdämpfer, der Aufprallmassen linear und rückstoßfrei abbremst.

Das macht dieses hydraulische Funktionselement zu einem sicherheitsrelevanten Bauteil in der Maschinentechnik: „Von der Funktion her ist der Industrie-Stoßdämpfer eher mit Bremsen in Automobilen zu vergleichen“, erläutert Jürgen Roland, Geschäftsführer der ACE Stoßdämpfer GmbH, Langenfeld.

Mit Nachrüstgeschäft auch in der Krise wachsen

Darin liegt ein wesentlicher Unterschied nicht nur zu Automobil-Stoßdämpfern. Auch andere maschinelle Dämpfungselemente halten dem Vergleich nicht stand, zum Beispiel Gummipuffer und Druckfedern. Sie speichern einen Großteil der beim Aufprall absorbierten Energie. „Derartige Lösungen erzeugen einen Rückpralleffekt“, erläutert Roland. Für die Hersteller von Industrie-Stoßdämpfern bieten diese Elemente daher keine gleichwertigen funktionellen Möglichkeiten. Darin sehen sie die Chance, dass ihre Produkte bei der Modernisierung von Maschinen und Anlagen zum Zuge kommen. Dieses Substitutionspotenzial ist im Krisenjahr wieder verstärkt ins Visier geraten. „Wir sehen 2009 als Herausforderung“, sagt der ACE-Geschäftsführer.

Beim Industrie-Stoßdämpfer wird die Aufprallenergie in Wärme umgewandelt. Dazu besteht er vom Prinzip her aus einem ölbefüllten Kolbenzylinder. Beim Stoß auf den Aufprallkopf wird der Kolben in den Zylinder gedrückt. Dabei verdrängt er das Öl durch seitliche, in Richtung Kolbenbewegung hintereinander gereihte Bohrungen aus der Druckhülse des Zylinders, so dass ein Staudruck und damit eine Bremskraft entsteht.

„Im Idealfall bleiben Brems- und Gegenkraft konstant“, berichtet Thorsten Kühnle, Geschäftsführer der KMS Stoßdämpfer GmbH, Düren. Um das zu erreichen, werden mit zunehmendem Kolbenhub immer mehr Bohrungen verschlossen. Das Ergebnis sei „ein kontrolliertes Verlangsamen bewegter Massen“, bis in die Endposition.

Hohe Maschinenbelastung bei Ersatzkomponenten

Das ist bei Automobil-Stoßdämpfern nicht der Fall. Als Schwingungsdämpfer müssen sie auch eine andere Aufgabe erfüllen, obwohl der Dämpfungseffekt „auf die gleiche Weise“ erfolgt, wie Kühnle erläutert. Jedoch verhält sich deren Dämpfungskraft proportional zur Kolbengeschwindigkeit. Beim klassischen Industrie-Stoßdämpfer ist das Verhältnis quadratisch.

So kann mehr Energie entlang des Kolbenhubs in Wärme umgewandelt werden. Am Ende ist sie völlig abgebaut – im Gegensatz zu Gummipuffern und Druckfedern, die laut dem KMS-Geschäftsführer „prinzipbedingt hohe Kraftspitzen verursachen“. Dadurch würden angrenzende und abzubremsende Komponenten unnötig hoch belastet. Im Extremfall kann das zu Defekten und Ausfällen führen, sofern man sie nicht mechanisch verstärkt.

Beim Industrie-Stoßdämpfer sei die Belastung minimiert. Darin liegt ein Hauptziel einer jeden Dämpferauslegung. Sonst sind die Ergebnisse unterschiedlich. „Die größte Unterscheidung liegt in der Anwendung“ erklärt Martin Kux, Vertriebsmanager bei der Zimmer-GmbH, Rheinau: „welche Masse mit welcher Geschwindigkeit auf den Dämpfer trifft.“ Daraus ergibt sich laut Kux „die Dämpfergröße mit dem entsprechenden Härtegrad“, von weich bis hart dämpfend. Auf dieser Basis bietet Zimmer mehr als 60 Standardvarianten an. „Von den Sonderversionen ganz abgesehen“, ergänzt der Vertriebsmanager.

Das Sortiment der Hersteller ist sehr umfangreich. Es reicht von Miniatur- bis zu großen Schwerlast-Stoßdämpfern, die zum Beispiel bei der Weforma Dämpfungstechnik GmbH, Stolberg, bis zu 2000 mm Hublänge haben. „Damit bieten wir mit Abstand das größte Standardprogramm an Industrie-Stoßdämpfern“, berichtet Weforma-Geschäftsführer Armin Schmidt: aus 380 Varianten mit M4- bis M115-Anschlussgewinden. Darauf basierend werden Sonderversionen hergestellt. Durch Anpassung ließen sich die Dämpfungscharakteristik, Leistung und Lebensdauer immer steigern, erläutert Schmidt: „Ein Maßanzug vom Schneider passt auch stets besser als ein Anzug von der Stange.“

Kundennähe ist Voraussetzung für Markterfolge

Eine spezifische Anpassung ist bei Industrie-Stoßdämpfern meist erforderlich. So kommen von ACE laut Roland „viele Produkte nicht von der Stange“. Deren Vertrieb geht häufig mit einer technischen Beratung einher, in der sich etwa der Preisvorteil von Gummipuffern und Druckfedern entkräften lässt, sobald man den Gesamtpreis der Konstruktion und die Arbeitsweise der Dämpfer betrachtet.

In diesen Gesprächen werden insbesondere Anwendungsspezifikationen festgelegt, die bei ACE die Anzahl der Sondervarianten auf das Achtfache der über 180 Standard-Stoßdämpfer – darunter ein Gigant mit 190 mm Außendurchmesser zur Energieaufnahme bis 130000 Nm – steigen ließen. „Wir sehen uns als Marktführer bei Industrie-Stoßdämpfern“, sagt Roland.

Voraussetzung dafür ist Kundennähe. Sie sichert Herstellern den Zugang zu vielen Anwendungen. So führen Kundengespräche immer wieder zu Innovationen. Für Kühnle treiben daher „besonders Kundenanforderungen“ die Entwicklung von Stoßdämpfern voran. Diese Vorgaben kommen laut dem KMS-Geschäftsführer aus sehr unterschiedlichen Bereichen: Den Anwendungen seien kaum Grenzen gesetzt. Das erfordert, sich in die Aufgabenstellungen von Kunden zu vertiefen. Daraus entwickelte man eine Erfolgsstrategie, mit der sich zum Beispiel KMS laut Kühne „sehr gut auf dem deutschen Markt“ platzieren konnte: Man fördere die Phantasie der Konstrukteure.

Gummipuffer und Druckfedern sind kein Stoßdämpfer-Ersatz

Aufgrund dieser Entwicklung sehen sich die Hersteller für kommende Aufgaben gerüstet. Die Herausforderung ist heute jedoch eine andere als vor einem Jahr. „Anfang 2008“, erinnert sich Kux, „war eine starke Zeit.“ In dieser Hochphase ging es darum, mit der steigenden Nachfrage der Kunden Schritt zu halten. Spätestens Ende vergangenen Jahres hat sich die Situation geändert. „Momentan stagniert der Markt“, beobachtet der Vertriebsmanager bei Zimmer. Das heißt jedoch nicht, dass man nichts mehr verkauft.

Vielmehr rückt das Substitutionspotenzial wieder stärker ins Blickfeld der Kunden. „Nach unserer Beobachtung werden Gummipuffer und Druckfedern nur bis zum ersten Crash eingesetzt“, berichtet Weforma-Geschäftsführer Schmidt. „Danach beginnt das Umdenken bei den Kunden.“

Entscheidend für die Anwendung von Industrie-Stoßdämpfern ist nicht, dass eine Masse abgebremst wird, sondern wie es geschieht. Die Art der Dämpfung, so heißt es, offenbare die Unterschiede. Das zeige sich am Dämpfungsvermögen: der maximalen Energieaufnahme bei kleinstmöglichen Bremskräften. Sie wurde bei den ersten Stoßdämpfern laut dem ACE-Geschäftsführer nur manuell eingestellt.

Inzwischen gibt es auch selbsteinstellende Dämpfer auf dem Markt, deren Vorteile bei wechselnder Masse oder Aufprallgeschwindigkeit zum Tragen kommen. Als weitere Verbesserungen hebt Roland die Rollmembran- und Topfkolbentechnik hervor, beides ACE-Entwicklungen. In der Rollmembrantechnik sehe man „einen erheblichen Standzeitvorteil“.

Der Topfkolben – eine umgedrehte topfförmige Hülse als Kolben– bewirkt, mehr Öl beim Abbremsen zu verdrängen. Das Ergebnis ist eine erhöhte Energieaufnahme, vor allem dann, wenn ein sogenannter Airbag zur Absorption des verdrängten Öls verwendet wird. Mit einem Teleskop-Stoßdämpfer lässt sich das laut Ronald noch steigern lassen. Bei dieser Dämpfervariante fahren mehrere Topfkolben teleskopartig ineinander, die Vorteile der Topfkolbentechnik würden quasi summiert. Basis dafür ist der klassische Aufbau, bei dem das Öl jedoch nicht über Bohrungen, sondern Ringspalten verdrängt wird. Bei anderen Aufbauten sind eine oder mehrere Bohrungen im Kolben eingearbeitet, mit manueller oder automatischer Verstellung des Drosselwiderstands.

Pneumatik fordert Reduzierung des Bauraums und Erhöhung der Antriebsgeschwindigkeit

Doch verfolgt man mit den Verbesserungen die gleichen Ziele: die Verkleinerung des Dämpfers bei gleicher Energieaufnahme oder deren Steigerung bei konstanten Außenmaßen. So wird beides laut Kux bei Zimmer mit einer Wendelnut in der Kolbenwandfläche erreicht. Auf dieser Basis sei man „derzeit dabei, die eine oder andere neue Idee umzusetzen“. Die Vorgaben dazu kommen besonders aus dem Maschinenbau. Dort habe man sich etabliert, so bei Sonderanwendungen. Jedoch registriert Kux auch bei pneumatischen Antriebszylindern einen erhöhten Bedarf: „Der Sektor Pneumatik kam in den vergangenen Jahren verstärkt mit Anwendungen, in die Industrie-Stoßdämpfer eingebunden werden.“

Die Hauptanforderungen sind dabei die Reduzierung des Bauraums und die Erhöhung der Antriebsgeschwindigkeit. Kombiniert man beides, ist das Ergebnis laut Roland ein Industrie-Stoßdämpfer. Ab Tempo 2 m/s wird er in lineare Antriebe integriert. Inzwischen gehören Industrie-Stoßdämpfer bei Antriebsherstellern zum Zubehörprogramm. So werden sie im Maschinenbau oft in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik verbaut. Das sei daher ein großer Anwendungsbereich, sagt der ACE-Geschäftsführer, der auch kurze Hübe bei hoher Energieaufnahme als weitere Anforderung nennt: „Jeder Zentimeter Antriebsachse kostet Geld.“ Somit ist man bestrebt, den Bauraum weiter zu minimieren.

Kolbenzylinder mit elektrorheologischer Flüssigkeit in Erprobung

Einen Ansatz dazu bieten Kolbenzylinder mit elektrorheologischer Flüssigkeit (ERF). Bei ACE will man sie als Stoßdämpfer bei Kundenprojekten erproben. Diese Zylinder sind mechanisch einfach aufgebaut, weil keine Drosselbohrung zum Erzeugen der Bremskraft nötig ist. Das übernimmt die Flüssigkeit, deren Viskosität sich elektrisch verändern lässt. So wird sie beim Bremsvorgang leichter oder schwerer durch den Spalt zwischen Zylinderwand und Kolben gedrückt. Daraus resultieren viele Möglichkeiten zur Prozesssteuerung. Insbesondere verweist Roland „auf die elektronische Ansteuerung in annähernder Echtzeit“.