Multifunktionalität ist der Schlüssel

Exklusiv in kem Die Autoren Gonzalo A. Barillas, Patrick Kinsch, Jürgen Jäckel und Marco Schönwälder sind Mitarbeiter im Bereich Entwicklung im Lead Center Fluidpower Industry der Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, Weinheim

Gewichtseinsparung und Reduktion der dynamischen Massen wie auch der Reibung sind neben der Miniaturisierung die wichtigsten aktuellen Entwicklungstrends bei pneumatischen Antrieben. Gleichzeitig sollen Werkstoffkosten bei gleicher Qualität sinken und das Leistungsspektrum mindestens erhalten bleiben, wenn nicht sogar, zum Beispiel durch Umweltauflagen, erhöht werden. Mit der „Damp & Seal“-Dichtung und einer innovativen Kolbendichtung eröffnet Freudenberg Simrit Herstellern von Pneumatikzylindern auf diesem Weg markante Optimierungsmöglichkeiten und erhebliche Einsparpotenziale.

In genormten VDMA- beziehungsweise ISO-Zylindern mit pneumatischer Endlagendämpfung benötigt die bisherige Endlagendämpfungsdichtung viel axialen Bauraum im Zylinderdeckel. Bei manchen Zylinderkonstruktionen werden zur mechanischen Dämpfung des Kolbens am Hubende zusätzliche Dämpfungsscheiben eingebaut. Dies alles lässt sich jetzt wesentlich wesentlich einfacher realisieren.

Mit „Damp & Seal“ ist es gelungen, mehrere Funktionen in ein Bauteil zu integrieren. Das Dichtelement dämpft den Kolbenanschlag, dichtet statisch den Zylinderdeckel und dynamisch am Innendurchmesser den mit dem Kolben verbundenen Dämpfungszapfen. Die Form der patentierten Dichtung ähnelt einer Scheibe, die an der druckseitigen Stirnfläche des Zylinderdeckels anliegt. Sie besitzt zum Druckraum ausgerichtete Anschlagpuffer, die bei Hubende den mechanischen Anschlag des Kolbens dämpfen und somit die Schallemission und die Stoßbelastungen reduzieren.

Durch die scheibenförmige Ausführung wird der Zylinderdeckel stark vereinfacht. Er wird stirnseitig glatt und formgebunden hergestellt, sodass im Vergleich zur bisherigen Lösung axial nur die Bohrungen für den Dämpfungszapfen und die Drosselbohrung benötigt werden. Aufwändige Hinterschnitte im Zylinderdeckel entfallen.

Durch mehrere axial verlaufende Bohrungen und einen Ringkanal zwischen Deckelstirnseite und Dichtung hält die Damp & Seal-Dichtung zudem die Verbindung zwischen Endlagendämpfungsdrossel und Zylinderraum aufrecht. Für eine schnelle Belüftung des Zylinderraums bei Bewegungsbeginn des Kolbens hebt die scheibenförmige Dichtung leicht ab und gleichzeitig werden die axialen Bohrungen durchströmt.

Durch den Wegfall des bisher notwendigen Hinterschnitts als Sitz für die Dämpfungsdichtung und die dadurch vereinfachte Zylinderdeckelgeometrie werden nicht nur Bearbeitungskosten am Deckel gespart, sondern es wird vor allem auch der Aufwand bei der Montage deutlich verringert.

Dank des umlaufenden Belüftungskanals am Dichtelement ist eine winkelgenaue Einbaulage nicht erforderlich. Durch die Lageunabhängigkeit können beim Einbau keine Fehler begangen werden. Es entsteht also kein Ausschuss. Durch die geringere Anzahl von Komponenten, die verbaut werden müssen, ist eine Zeitersparnis von 50 % und mehr möglich.

Deutliche Vorteile bringt das Dichtelement auch im Einkauf und in der Logistik. Durch die Reduzierung der Teilevielfalt kann die Zahl der Lieferanten reduziert werden. Dementsprechend entfallen Wareneingangskontrollen sowie Lagerhaltungskosten. Nicht zuletzt werden Verwechslungsgefahr mit anderen Bauteilen und der Platzbedarf in der Montagezelle reduziert.

Damp & Seal wird schon vielfach eingesetzt und vergleichende Analysen mit standardmäßig abgedichteten Zylindern machen die signifikanten Vorteile sichtbar. Insbesondere die Messergebnisse des Dämpfungsvorgangs zeigen je nach Belastung und bei genauer Betrachtung der Bewegungskurven, dass die Kolben in den Zylindern mit der Damp & Seal-Dichtung bei geöffneter Drossel nur eine geringfügige Wegumkehr haben.

Herkömmliche Dichtsysteme führen in gleicher Einstellung in den ersten 15 ms zu einer Bewegungsumkehrung von bis zu 1,5 mm. Diese dynamischen Belastungen des Zylinders sind gewaltig und übertragen sich auf alle Komponenten des Zylinders und dessen Aufhängung.

Bei Zylindern mit Damp & Seal-Dichtung werden solche Belastungen völlig vermieden. Diese Dichtungen verhindern eine Bewegungsumkehr durch ihr Design und ihren hochbelastbaren Werkstoff 85 AU 21030, indem sich die Dichtung entsprechend der Belastung völlig verschleißfrei verformt. Weder an Dämpfungsnoppen noch an den dynamisch belasteten Dichtlippen ist nach Dauerlauftests ein Verschleiß erkennbar. Damp & Seal optimiert Standard-Pneumatikzylinder also vor allem durch:

Mit einem völlig anderen konstruktiven Ansatz für die Kolbendichtung ist es Freudenberg Simrit gelungen, die Performance von Pneumatikantrieben zu optimieren. Durch die Trennung der dynamischen von der statischen Dichtfunktion werden mit dem zum Patent angemeldeten Simrit-T-Ring als Kolbendichtung die bisherigen Belastungsgrenzen hinsichtlich Reibung, Verschleiß, Montagesicherheit, Dichtwirkung und Überbrückung von Toleranzen deutlich verbessert.

Die einteilige, symmetrische Kolbendichtung besitzt je eine radiale und eine axiale Komponente. Die dynamische Dichtfunktion wird von einem Dichtbereich mit großem Radius übernommen. Die hierfür nötige, radial wirkende Kraft wird nur durch die geometrische Überdeckung aufgebaut. Damit wird die radiale Verpressung des Dichtungsquerschnitts aufgehoben und somit ideale Voraussetzungen für Reibungs- und Verschleißminimierung wie auch das Eliminieren von Stick-Slip-Effekten geschaffen.

Durch den deutlich dünneren Bereich des T-Rings wird gleichzeitig die statische Dichtfunktion separat und funktionsoptimiert aufgebaut. Die statische Dichtkraft wird lediglich durch den anliegenden Druck über die konzentrischen Dichtkanten an den Stirnseiten der Nut erzeugt.

Diese Dichtungsinnovation für Pneumatikantriebe überbläst nicht und setzt neue Bestmarken hinsichtlich Reibungsminimierung. Bei Dauerlaufversuchen zeigte der Simrit-T-Ring in einer NBR-Werkstoffvariante keinen nennenswerten Verschleiß.

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