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Kalkül: Komplexe tribologische Systeme

Gesamtheitliche Betrachtung: Optimierte Dichtungen für Pneumatikzylinder
Kalkül: Komplexe tribologische Systeme

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Niedrige Startreibung in Pneumatikzylindern ist ein genereller Wunsch von Konstrukteuren und Betreibern. Komplexe tribologische Zusammenhänge, Zeitfaktoren und konstruktive Randbedingungen bilden ein Parametergeflecht, das nach Experten verlangt, die eine zielgerichtete Optimierung ermöglichen. Dichtungs- Technologiespezialisten haben nicht nur die Dichtungslösung in ihrem Fokus, sondern betrachten das gesamte Umfeld – das tribologische System.

Autoren: Dipl.-Ing (FH) Gon-zalo Barillas, Leiter Produktentwicklung Leadcenter Pneumatik und Dipl. -Ing. Patrick Kinsch, Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik KG, Schwalmstadt. Die Produktpalette von Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik ist gekennzeichnet durch technologisch hoch entwickelte, innovative Teile. Mehr als 30.000 Dichtungsvarianten allein im Standardbereich lassen nur erahnen, in wie vielen verschiedenen Maschinen, Geräten und Anlagen diese Produkte Funktion und Sicherheit gewährleisten.

Anwendungsfall: Pneumatikzylinder
Dichtungselemente und Füh-rungen bilden die Schlüsselstellen in Pneumatikzylindern. Dort eine möglichst niedrige Reibung herstellen zu können, ist die Grundvoraussetzung für optimierte Pneumatikzylinder. Doch stellt sich für jeden Anwender die Frage nach „möglichst geringer Reibung“ anders.
Die unterschiedlichen Betrachtungsweisen haben völlig verschiedene Beurteilungs-kriterien:
n Reibung als geringe Losbrechkraft beim Anfahren des Kolbens
n Reibung als geringe Durchfahrreibung während der Hubbewegung
n Reibung ohne Stick-Slip bei möglichst geringer Hubgeschwindigkeit
Alle Reibungszustände sind abhängig von der Zylinderkonstruktion mit Führungen, Dichtungen, deren Abmessungen und Toleranzen sowie den eingesetzten Schmierstoffen. Da-rüber hinaus gibt es jedoch noch weitere, häufig veränderliche Einflussfaktoren für die Reibung, wie beispielsweise:
n Oxidationseinflüsse
n Verschleiß
n Betriebsparameter und
n Umgebungsbedingungen
Diese Vielzahl von Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen bilden die Basis für ein äußerst komplexes tribologisches System. Die Auswahl von Dichtungen in einer Konstruk-tion ist deshalb nicht allein über die Bestimmung der geometrischen Größen gegeben. Dichtungslösungen für Pneumatikzylinder müssen für die jeweilige Anwendung optimiert sein. Dem Konstrukteur stellt Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik hierfür das umfangreiche Know-how zur Verfügung. Die Technologiespezialisten arbeiten seit vielen Jahren kontinuierlich an der zielgerichteten Optimierung von Dichtsystemen. Beispielhafte Einblicke in diese Arbeit zeigt die Analyse der Losbrechkraft nach unterschiedlich langen Stillstandzeiten bei der Verwendung von zwei verschiedenen Schmierstoffen.
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Die Startreibung und die Reibung aus dem Gleichgewicht bei einem unter Druck gespannten Kolben sind wichtige Größen zur Optimierung von Pneumatikzylindern. Um diese Reibkräfte im Detail analysieren zu können, wurde eine Versuchseinrichtung mit folgenden Prüflingen ausgerüstet: einem Pneumatikzylinder nach DIN ISO 6431 aus Aluminium der Nenngröße 40 mm. Der Hub beträgt 500 mm, die Einbaulage ist waagerecht. Die Versuche wurden mit variablen Geschwindigkeiten und variablem Druck je nach Versuchsbedingungen ohne Last an der Stange gefahren.
Unter die Lupe genommen wurden unterschiedliche Zylinderdichtungen und Schmierstoffe. Für diese Versuchsreihe wurden eingesetzt:
n Nutring 1: Baureihe NAP 300, ein Standard-Nutring aus PU mit 80 Shore A, DN = 40 mm, dN = 30 mm, H = 7 mm
n Nutring 2: Baureihe NAP 310, ein Standard-Nutring aus PU mit 80 Shore A für kleine Einbauräume mit DN = 40 mm, dN = 32 mm, H = 3,3 mm
n Nutring 3: eine Sonderkonstruktion basierend auf Nutring 1. Dieser Nutring weist eine rillierte dynamische Dichtlippe auf. Er hat die Abmessungen, DN = 40 mm, dN = 30 mm, H = 7 mm
n Fett A ist ein Grundöl aus Polyalfaolefin mit einer Grundölviskosität von 400 mm2/s, NLGI-Klasse 2, mit Natriumkomplexseife als Verdicker
n Fett B ist ein Grundöl aus Polyalfaolefin mit einer Grund-ölviskosität von 30 mm2/s, NLGI-Klasse 0, mit Bariumkomplexseife als Verdicker.
Für jedes Fett wurde je ein Zylinder vorbereitet, in dem die drei Dichtsysteme geprüft wurden. In allen Fällen bestand die Stangendichtung aus PU-Abstreifern mit 94 Shore A Härte, Baureihe AUNIPSL. Vor jeder Messung wurden Zylinder und Dichtsystem mit 1000 Doppelhüben unter jeweils gleichen Betriebsbedingungen eingefahren.
Startreibung entscheidend abhängig von
Fett
Die Startreibung wurde aus dem zum Bewegen der ausfahrenden Stange erforderlichen Druck ermittelt. Dabei wurde der drucklose Zylinder mit einem konstanten Druck von 0,8 MPa durch eine fest eingestellte Drossel belüftet, während die andere Kammer offen gehalten wurde. Der maximale Druck zu Bewegungsbeginn diente als Mess-größe. Der Zylinder wurde in den Stillstandzeiten drucklos gehalten.
Der Einfluss der verschiedenen Dichtsysteme auf die Startreibung ist sowohl für das Fett A wie auch für das Fett B erkennbar (siehe Diagramm 1). Es ergeben sich jedoch nicht so markante Unterschiede zwischen den einzelnen Dichtsystemen, wie man zunächst vermuten könnte. Die Unterschiede sind beim Einsatz des Fettes B noch geringer als beim Fett A.
Stillstandzeiten
Deutliche Unterschiede für die Startreibung ergeben sich für die verschieden langen Stillstandzeiten – 0,5 min, 10 min und 60 min – bei den verschiedenen Fetten. Je länger die Stillstandzeit, desto höher die Startreibung. Dies ist vor allem auf die viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers und das Kriechen des Fettes zurückzuführen. Mit der Zeit fließt das Fett weg und der Dichtungswerkstoff kann sich in die Rauheiten des Zylinderrohres setzen. Die wahre Kontaktfläche und die Reibkraft vergrößern sich dadurch wesentlich.
Fett B weist zwar einen geringeren prozentualen Anstieg der Reibkraft in Abhängigkeit von der Stillstandzeit auf, wobei das Niveau der Reibkraft bei diesem Fett höher ist als bei Fett A. Die Startreibung für das Fett A liegt durchschnittlich 25 % unter dem des Fettes B. Eine höhere Fettsteifigkeit und Grundölviskosität bei Fett A verhindert, dass der Dichtungskörper den vorhandenen Schmierfilm verdrängt. Fett B hingegen scheint bereits nach kurzen Stillstandzeiten verdrängt zu sein und große Kontaktflächen zwischen Dichtung und Zylinderrohr zu ermöglichen. Dies zeigt sich auch in der geringeren Zunahme der Startreibung über der Zeitachse.
In Summe lassen diese Analysen den eindeutigen Schluss zu, dass die Startreibung bei Pneumatikzylindern im wesentlichen vom gewählten Schmierstoff und weit weniger vom Dichtsystem abhängt.
Start aus dem Kräftegleichgewicht
Die Startreibung aus dem Kräftegleichgewicht wurde aus der erforderlichen Druckdifferenz zum Bewegen einer ausfahrenden Stange aus der Mittellage ermittelt. Die Bodenseite wurde mit p1 = 0,8 MPa beaufschlagt. Die Stangenseite wurde so mit p2 belastet, dass der Kolben sich im Kräftegleichgewicht befand. Dann wurde der Druck p2 auf der Stangenseite abgesenkt bis sich der Kolben anfing zu bewegen. Aus Druckdifferenz und Kolbenfläche wurde die Reibkraft abgeleitet.
Die Startreibkraft aus dem Kräftegleichgewicht ist ebenfalls abhängig von der Stillstandzeit. Es zeigen sich jedoch für die unterschiedlichen Dichtungstypen erhebliche Unterschiede in der Startreibung (siehe Diagramm 2). Die geringste Reibung zeigen die Dichtungen für kurze axiale Einbauräume, wie beispielsweise den Nutring NAP 310. Die größeren Nutringe NAP 300 und Nutring 3 hingegen unterscheiden sich kaum.
Die höhere Reibkraft dieser Nut-ringe ist auf die Kontaktfläche der längeren dynamischen Dichtlippen zurückzuführen. Die Dichtlippen werden durch den Luftdruck ballonartig aufgeblasen und liegen mit einer größeren Kontaktfläche an der Zylinderwand an.
Der Unterschied zwischen den beiden analysierten Schmierstoffen liegt wieder in der deutlich geringeren Reibkraft für das Fett A. Allerdings zeigt auch hier das Fett B die wesentlich geringeren Sprünge in Abhängigkeit der Stillstandzeiten. Das steifere Fett A bildet auch hier einen Schmierfilm, der sich wesentlich langsamer von der Dichtlippe verdrängen lässt. Bei Fett B dringen die Dichtlippen schnell bis zur metallischen Fläche der Zylinderrohre vor. Beim Fett A ist erst nach 60 Minuten Stillstand ein ähnlicher Zustand wie bei Fett B bereits nach 30 Sekunden erreicht.
Für die Startreibung aus dem Kräftegleichgewicht ergibt sich also eine deutliche Abhängigkeit sowohl von dem eingesetzten Fett wie auch von den für die Konstruktion verwendeten Dichtungstypen.
Für Konstrukteure und Betreiber von Pneumatikeinrichtungen ist das Wissen um die Startreibung von besonderer Bedeutung. In diesem Fall zeigte sich, dass die Losbrechkraft aus dem Kräftegleichgewicht für das Fett A um den Faktor 2,5 bis 3 höher ist als die Startreibung in unbelastetem Zustand. Beim mit Betriebsdruck belasteten Kolben werden die Nutringe wesentlich stärker gegen die Zylinderwände gepresst.
Diese Feststellung kann jedoch nicht generalisiert werden. Auch zeigen die hier beschriebenen Analysen nur einen kleinen Ausschnitt aus der Vielzahl der zu beachtenden Parameter in einem zeitlich veränderlichen tribologischen System – wie einem Pneumatikzylinder.
Das gesamte Umfeld analysieren
Umso wichtiger ist es, immer dann, wenn die Reibung von entscheidender Bedeutung ist, die Tribologie-Experten von Freudenberg zu Rate zu ziehen. Die Komplexität der unterschiedlichen Reibungsarten und des gesamten tribologischen Systems bedarf in jedem Einzelfall der genauen Betrachtung, um die jeweils optimale Dichtungslösung für die Pneumatik zu finden. Freudenberg arbeitet mit und an mathematischen Berechnungsmodellen zur Simulation von komplexen tribologischen Systemen.
Das gesamte Freudenberg-Expertenwissen bildet hierfür die Basis.
Auf diese Weise öffnet sich schnell und zuverlässig ein Weg zu rechnergestützten Optimierungen von tribologischen Systemen.
Komplettes Sortiment für die Dichtungs- und Schwingungstechnik
Seit Jahrzehnten konzentriert sich Freudenberg auf die kundenorientierte Weiterentwicklung der Elastomere und deren Verbindung mit Metall. Dabei wird nicht nur die Dichtung an sich, sondern oft auch das gesamte Umfeld der Anwendung analysiert, um die bestmögliche, kostengünstigste und qualitativ hochwertige Lösung zu realisieren.
Das Unternehmen bietet den Kunden in der allgemeinen Industrie unter der Marke Simrit unter anderem
n Pneumatikdichtungen mit Kolben-, Stangen- und Dämpfungsdichtungen, Abstreifern und Führungen
n Hydraulikdichtungen mit Kolben-, Stangen- und symmetrischen Dichtungen, Abstreifern und Führungen und spezielle Dichtungen aus PTFE
n Simmerringe in mehr als 3 000 Varianten (standardmäßig). Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet des Simmerrings ist die Integration von dichtender und gleichzeitig Signalimpuls erzeugender Funktion in einem einzigen Bauteil. Eingesetzt werden solche Simmerringe in den Fällen, in denen neben der dichtenden Funktion auf präzise und sichere Weise eine Information über die Drehrichtung und/oder die Drehgeschwindigkeit eines Rades oder einer Welle gefordert wird
n O-Ringe und O-Ring-Sonderformen sind die klassischen Dichtungselemente. Ohne sie ist kaum eine Konstruktion realisierbar. Von der Medizintechnik bis zur Raumfahrt, von Haushaltsgeräten bis zu Chemieanlagen – die Faszination dieser Dichtungen liegt in der universellen Anwendungsvielfalt mit Durchmessern von 1 mm bis 6.000 mm
n Gleitringdichtungen für Pumpen in Automobilen, Haushaltsgeräten und Maschinen
n Faltenbälge als elastomere Schutzelemente für Wellengelenke
n Membranen für Sicherheitsventile, Druckluftbremsanlagen oder in speziellen High-Tech-Bereichen als Elastomerspeicherblasen für das Lageregelungssystem der Ariane 5.
Eine breite Vielfalt an kunden-orientierten, innovativen Formteilen für die unterschiedlichsten Anwendungen sowie Bremsschläuche für Automobile und Zweiräder, Dämpfer für Schwingungen und Vibrationen sowie Linear- oder Torsionsschwingungstilger gehören ebenso zum Produktprogramm wie Antriebswellenlager mit einvulkanisierten Rillenkugellagern oder geschaltete, hydraulisch dämpfende Motorlager.
Ausführliche Informationen
Pneumatik-Dichtungs-elemente
KEM 429
Hydaulik-Dichtungs-elemente
KEM 430
Simrit-Dichtungs-programm
KEM 431
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