Verstehen der Grundlagen der Gasfederanwendung

Bei der Auswahl einer Gasfeder für eine bestimmte Anwendung ist es unerlässlich, ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise und der Terminologie zu haben, die bei der Spezifikation von Gasfedern verwendet werden. Dieser Artikel gibt Empfehlungen und Richtlinien für unterschiedliche Montagepositionen und beschreibt die unterschiedlichen Ausrichtungs- und Dämpfungseffekte, die bei der gewählten Montageposition zu erwarten sind.

Im Prinzip ist eine Gasfeder dasselbe wie eine mechanische Schraubenfeder: ein Gerät zur Energiespeicherung. Eine Gasfeder speichert Energie jedoch durch Komprimieren des darin enthaltenen Gases, anstatt das Spannmaterial zu verwenden, aus dem eine Schraubenfeder besteht.

Eine Gasfeder ist ein geschlossenes System, bei dem kein weiteres Gas zugeführt werden muss, damit das System funktioniert, sobald es mit inertem Stickstoffgas befüllt und hergestellt wurde. Der Druck auf beiden Seiten des Kolbens (Bezugspunkt eins in Abbildung 1) bleibt gleich, egal wo er positioniert ist; Dies liegt an der kleinen Querschnittsfläche des Stabes (Bezugspunkt zwei in Abbildung 1), wo das Gas keinen Druck ausüben kann.

Beim Einschieben der Stange in das Rohr wird das in der Feder enthaltene Gas komprimiert, wodurch sich der Druck erhöht, wobei durch die Kompression des Gases das federartige Verhalten entsteht. Der an der Stange befestigte Kolben ermöglicht den Gasfluss über den Kolben und bietet die Möglichkeit, den Gasfluss zu steuern, wenn die Stange niedergedrückt und ausgefahren wird.

Zu den gebräuchlichen Begriffen, die bei der Spezifikation einer Gasfeder verwendet werden, gehören:

Hub: Die maximale Strecke, die die Rute von der geschlossenen zur ausgefahrenen Länge zurücklegen kann.

Ausgezogene Länge: Die Gesamtlänge der Gasfeder, gemessen von der Mitte einer Endpassung bis zur Mitte der nächsten Endpassung.

Geschlossene Länge: Die gesamte geschlossene Länge, gemessen von der Mitte einer Endpassung bis zur Mitte der nächsten Endpassung. Es kann vorkommen, dass keine Endpassungen angegeben wurden. Dieses Maß bezieht sich auf die Länge vom Stangenende zum Rohrende (ohne Gewinde).

Beadroll: Der gerillte Abschnitt des Rohrs. Diese Funktion dient dazu, das Führungs- und Dichtungspaket festzuhalten und zu verhindern, dass der Kolben das Dichtungspaket beim Ausfahren beschädigt.

Eine Gasfeder besteht aus mehreren Komponenten, die jeweils für den sicheren und erfolgreichen Betrieb der Komponente von entscheidender Bedeutung sind. Abbildung 2 veranschaulicht diese Komponenten.

Stange. Eine Stange ist entweder aus präzisionsgeschliffenem, poliertem Kohlenstoff oder Edelstahl erhältlich. Die Oberfläche wird behandelt, um den Verschleiß zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Im Allgemeinen ist die Stange immer länger als der Federweg und kürzer als die Rohrlänge. Kohlenstoffstahl kann auf verschiedene Arten behandelt werden, beispielsweise durch Verchromen, Salzbadnitrieren und die Verwendung einer Nitrotec-Oberflächenschichtbehandlung, die gegenüber den anderen Methoden eine Reihe von Vorteilen bietet, darunter:

Bessere Verschleißfestigkeit

Geringere Reibungseigenschaften

Korrosionsbeständigkeit gleichwertig mit Edelstahl

Der Prozess ist umweltfreundlich, ungiftig und erzeugt keine sauren Nebenprodukte.

Rohr. Ein Gasfederrohr besteht aus einem hochfesten, pulverbeschichteten, nahtlos geschweißten Kohlenstoff- oder Edelstahlrohr, das für hohe Drücke geeignet ist. Die innere Oberflächenbeschaffenheit und Zugfestigkeit des Rohrs sind entscheidend für die Langlebigkeit und Berstdruckleistung einer Gasfeder.

Führungs- und Dichtungspaket.Das aus Kunststoffverbundmaterial gefertigte Führungs- und Dichtungspaket bietet eine Auflagefläche für die Stange und verhindert das Entweichen von Gas und das Eindringen von Verunreinigungen.

Neben Kunststoffverbundwerkstoffen können die Führungen von Gasfedern auch aus Zink, Messing oder anderen Materialien mit eingearbeiteter passender Lagerhülse gefertigt werden. Für die Dichtungen wird standardmäßig Gummi verwendet.

Kolbenbaugruppe. Die Kolbenbaugruppe besteht aus Zink, Aluminium oder Kunststoff. Aus Sicherheitsgründen und um zu verhindern, dass die Stange aus der Feder herausgeschleudert wird, ist die Integrität der Kolben-Stangen-Verbindung von entscheidender Bedeutung. Die Kolbenbaugruppe steuert die Geschwindigkeit, mit der sich die Gasfeder ausdehnt und komprimiert.

Endstopfen.Der Endstopfen dient zum Abdichten des Rohrendes der Gasfeder und zur Befestigung am Rohrendstück.

Stickstoffgasladung. Stickstoff wird in Gasfedern verwendet, da er inert und nicht brennbar ist; Es reagiert nicht mit den internen Komponenten.

Das in einer Gasfeder enthaltene Öl sorgt nicht nur für die Schmierung der Dichtungen, des Kolbens und der Kolbenstange, sondern auch für die Geschwindigkeitskontrolle der Feder am Ende ihres Ausfahrhubs. Das Öl verlangsamt die Feder und verhindert Stoßbelastungen, wenn sie ihre volle Ausdehnung erreicht. Ohne diese Dämpfungssteuerung würde es zu einem schnellen Ausfahren der Gasfeder kommen, was zu Produktausfällen, Schäden oder Verletzungen führen könnte.

Die Dämpfung wird normalerweise durch die Regulierung des Gas- und Ölflusses durch den Kolben erreicht. Bei Montage in der bevorzugten Position der Stange nach unten wird die maximale Dämpfung erreicht, sobald der Kolben die innere Ölsäule nahe dem Punkt des vollständigen Ausfahrens erreicht. Dies wird als Öldämpfungszone bezeichnet.

Der Grad der Dämpfung kann durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden:

Betriebstemperatur. Dies wirkt sich auf zwei Arten auf die Dämpfung aus. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Kraft in der Feder zu und die Viskosität des Öls nimmt ab. Dadurch dehnt sich die Feder schneller aus und weist eine geringere Dämpfung auf. Bei niedrigeren Temperaturen tritt das Gegenteil ein, wobei die Dehnungskraft abnimmt und die Ölviskosität zunimmt. Dadurch dehnt sich die Feder langsamer aus und weist eine höhere Dämpfung auf.

Ölviskosität. Viskosität ist per Definition der Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber Strömung und Scherung. Öl ist eine hochviskose Flüssigkeit. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität des Öls ab, was bedeutet, dass es schneller fließt und weniger Widerstand gegen durchströmende Objekte (z. B. Kolben oder Gasfeder) hat. Öle können mit unterschiedlichen Viskositäten (Fließwiderstand) spezifiziert werden; Je höher die Viskositätszahl, desto höher der Widerstand.

Je höher die Viskosität des Öls ist, desto größer ist die Dämpfungswirkung auf die Gasfeder. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist jedoch der Viskositätsindex des Öls. Dies gibt die Änderungsrate zwischen zwei Temperaturen an. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Viskosität ändert, ist nichtlinear und Viskositätsdiagramme werden als logarithmische Funktion gegen die lineare Temperatur aufgetragen. Öle mit höherer Viskosität weisen tendenziell einen höheren Viskositätsindex auf. Dies weist darauf hin, dass sie stärkeren Viskositätsänderungen unterliegen als ein Öl mit niedrigerer Viskosität. Bei der Gasfeder führt dies zu einer stärkeren Änderung des Dämpfungsverhaltens bei Temperaturschwankungen.

Je größer der Rohrdurchmesser im Verhältnis zum Stangendurchmesser ist, desto größer ist das Flüssigkeitsvolumen, das durch den Kolben strömen muss (und desto größer ist folglich die Dämpfungswirkung). Wenn eine gleichmäßige Dämpfung über den gesamten Hub erforderlich ist, um eine kontrollierte Ausdehnungs- oder Kompressionsrate zu erreichen, sollten vollständig flüssige Dämpfer verwendet werden.

Ölvolumen. Je größer das in der Feder enthaltene Ölvolumen ist, desto früher trifft die Gasfeder auf die Öldämpfungszone und desto langsamer ist die Ausfahrgeschwindigkeit.

Ölgießpunkt. Der Fließpunkt einer Flüssigkeit ist die Temperatur, bei der sie halbfest wird und ihre Fließeigenschaften verliert. Bei einer Gasfeder bedeutet dies, dass das Öl bei Erreichen des Fließpunkts faktisch fest wird. Der volle Hub der Gasfeder kann nicht voll ausgenutzt werden und es erfolgt keine Dämpfung.

Die Dosierung steuert die Ausdehnungs- und/oder Kompressionsrate einer Gasfeder. Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Techniken, um dies zu erreichen, von der Änderung der Größe der Kolbenöffnungen bis hin zur Schaffung restriktiver Strömungswege durch den Kolben. Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, bleibt der Zweck grundsätzlich bestehen, einen Druckabfall über dem Kolben zu erzeugen, um die Ausfahrgeschwindigkeit zu steuern. Je größer die Kolbenöffnung oder kürzer der Strömungsweg, desto geringer ist der Druckabfall, desto weniger eingeschränkt ist der Strömungsweg und desto schneller dehnt sich die Feder aus.

Ein weiterer Faktor, der die Federleistung beeinflusst, ist die Losbrechreibung (auch Haftreibung genannt). Dies geschieht, wenn eine Feder eine Zeit lang stationär bleiben konnte; Dies kann nur ein paar Stunden dauern. Aufgrund des in der Feder enthaltenen Drucks besteht die Tendenz, dass das Schmiermittel von den Dichtungen wegwandert und der Gummi in die winzigen Risse und Spalten im Metall gedrückt wird. Wenn die Feder zum ersten Mal betätigt wird, ist zusätzliche Kraft erforderlich, um die Reibung zu überwinden und den Gummi aus den Rissen und Spalten zu befreien.

Dieser Artikel wurde von Camloc Motion Control Ltd., Leicester, Großbritannien verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Aprilausgabe 2019 des Motion Design Magazine.

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