Artikel teilen:

Industrielle Gasdruckfedern - Auslegung, Vorteile und Verwendung

Gasdruckfedern unterstützen bewegliche Bauteile oder gleichen Gewicht aus. Sie werden z.B. bei Luken, Klappen oder Schwenkarmen eingesetzt. Gerade im Maschinenbau und Anlagenbau kann es schon aus Sicherheitsgründen sinnvoll sein, bestimmte Bauteile und Maschinen mit Klappen zu versehen. Gasdruckfedern unterstützen hier beim Öffnen und Schließen vor allem auch bei schweren Klappen und Luken. Wie sie genau funktionieren, welche Varianten es gibt und wo sie noch überall Einsatz finden, erläutern wir in diesem Blogartikel.

Gasdruckfedern und Gaszugfedern

Der Begriff Gasfeder, auch Industriegasfeder wird umgangssprachlich als Oberbegriff für Gaszugfedern und Gasdruckfedern verwendet. Gasdruckfedern bestehen aus einem Zylinder, einem Kolben und einer Kolbenstange. Der mit der Kolbenstange verbundene Kolben ist beweglich. Der Zylinder bildet den Rahmen der Gasdruckfeder. Je nach Ausprägung kann es verschiedene Anschlussteile zur Verbindung an andere Komponenten geben, z.B. Gewindezapfen, Winkelgelenk oder Gabelkopf. Über ein Ventil wird der Gasdruck voreingestellt.

Reine Gasdruckfedern speichern die ihnen durch Eindrücken der Kolbenstange zugeführte Energie, indem das im Zylinder befindliche Gas z.B. Stickstoffgas komprimiert wird. Das durch die Volumenänderung komprimierte Gas hat das Bestreben, sein Ursprungsvolumen wieder einzunehmen und erzeugt so eine Rückstellkraft, welche den Kolben und somit die Kolbenstange zurückdrückt. Bei Gasdruckfedern ist der Kolben mit Kolbenstange im Ruhezustand voll ausgefahren.

Gasdruckdämpfer sind eine spezielle Art der Gasdruckfeder. Bei ihnen wird zusätzlich zur Unterstützung der Bewegung eine Dämpfungsfunktion mittels Staudrucköffnung eingebaut, d.h. sie regulieren die Geschwindigkeit der Schließbewegung durch internen Druckausgleich und federn gleichzeitig Stöße ab. Je nach Ausführung kann auch zusätzlich Öl zur Regelung der Eindrückgeschwindigkeit eingesetzt werden. Das nicht komprimierbare Öl wird durch die Staudrucköffnung geleitet, welche die Durchflussmenge des Öles zwischen den vom Kolben getrennten Kammern begrenzt. In Kombination mit einer zusätzlichen gasgefüllten Kammer kann so sowohl eine Dämpfung als auch eine begrenzte Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens im Zylinder erreicht werden.

Schematischer Aufbau einer Gasdruckfeder
Schematischer Aufbau einer Gasdruckfeder
  • linke Gasdruckfeder (1) = nur bis maximal 60° Neigung montierbar
  • rechte Gasdruckfeder (2) = beliebige Montagerichtung
  • 1 = Befestigungsteil
  • 2 = Zylindergehäuse
  • 3 = Kolben
  • 4 = Kolbenstange
  • 5 = Staudrucköffnung
  • 6 = Dichtung
  • 7 = Stangenführung
  • 8 = Öl
  • 9 = Freikolben
  • 10 = Gasfüllung (Kompression)
  • A = Kammer A
  • B = Kammer B
  • C = Kammer C

Gaszugfedern sind ähnlich aufgebaut wie Gasdruckfedern. Bei ihnen befindet sich die Kolbenstange im Zylinderinneren aber zunächst in unbelasteter Position. Wird die Kolbenstange auf Zug belastet und der Kolben nach außen gezogen, verdichtet sich das in den Kammern (A und B) befindliche Gas, z.B. Stickstoff. Das verdichtete Gas hat das Bestreben sein Ursprungvolumen wieder einzunehmen und drückt den Kolben so wieder in seine Ursprungsposition.

Schematischer Aufbau einer Gaszugfeder
Schematischer Aufbau einer Gaszugfeder
  • 1 = Befestigungsteil
  • 2 = Zylindergehäuse
  • 3 = Dichtung
  • 4 = Kolben
  • 5 = Staudrucköffnung
  • 6 = Entlüftungsbohrung
  • 7 = Stangenführung
  • A = Kammer A (gasgefüllt)
  • B = Kammer B (gasgefüllt)

Auslegung von Gasdruckfedern

Wichtige Parameter bei der Berechnung von Gasdruckfedern sind ihre Befestigungspunkte. Sie wirken sich direkt auf die Funktion aus. Nur bei korrekter Platzierung und Dimensionierung erfüllen Gasdruckfedern ihren Zweck. Die geschlossene Klappe dient als Ausgangspunkt bei der Berechnung.

Die benötigte Ausschubkraft der Gasdruckfeder lässt sich bei Klappen z.B. wie folgt berechnen:

F = \frac {W \times A}{B \times n} \times 1.1
Beispielanwendung Gasdruckfeder
Beispielanwendung Gasdruckfeder
  • W = Gewicht der Türen usw. in kg
  • A = Horizontaler Abstand zwischen Scharnier und dem Schwerkraftpunkt (Der Punkt, an dem das gesamte Klappengewicht sich konzentriert)
  • B = Vertikaler Abstand zwischen Scharnier und Montagepunkt der Gasdruckfeder
  • n = Anzahl der zu verwendenden Gasdruckfedern
  • F = Erforderliche Ausschubkraft (bei max. Länge)
  • 1 = Tür
  • 2= Achsenlinie

Vorteile von Gasdruckfedern

Verglichen mit herkömmlichen Druckfedern bieten Gasdruckfedern einige Vorteile:

  • Präzise Bewegungskontrolle: Präzise Bewegungssteuerung ist dank der einstellbaren Dämpfung möglich. Es kommt nicht zu abrupten Stopps oder unerwünschten Schwingungen. Außerdem lässt sich die Kraft präzise einstellen.
  • Langlebigkeit und Zuverlässigkeit: Gasdruckfedern sind geschlossen gebaut, weshalb sie wenig anfällig für Verschleiß und äußere Einflüsse sind.
  • Einfache Installation und Wartung: Gasfedern sind wartungsarm, da sie keine zusätzliche Schmierung benötigen
  • Hohe und nahezu konstante Kraft: Trotz des eher kompakten Gehäuses können Gasdruckfedern eine hohe Kraft aufbauen. Diese bleibt über den gesamten Hub nahezu konstant. Gasdruckfedern mit Dämpfung weisen eine geknickte Kraftkurve im Bereich der einsetzenden Dämpfung auf.

Verschiedene Varianten von Gasdruckfedern

Es gibt verschiedene Arten von Gasdruckfedern mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten:

  • Blockierbare Gasdruckfedern: Blockierbare Gasdruckfedern lassen sich in verschiedenen Positionen arretieren.
  • Gasdruckfedern mit Kugelkopf: Gasdruckfedern mit Kugelkopf haben am Ende der Kolbenstange einen Kugelkopf, mit dessen Hilfe sie flexibel und beweglich eingebunden werden können.
  • Gasdruckfedern für Deckel: Gasdruckfedern für Deckel erleichtern das Öffnen, Halten und Schließen von Deckeln in einer kontrollierten Weise.
  • Gasdruckfedern mit Trennkolben: Gasdruckfedern mit Trennkolben haben einen speziellen Aufbau mit zwei Zylindern. Der Trennkolben separiert Gas und Öl voneinander.
  • Progressive und degressive Gasdruckfedern: Progressive oder degressive Gasdruckfedern kommen aufgrund ihrer nicht-linearen Ausstellkraft bei sehr schweren Klappen oder Luken zum Einsatz. Je nach Ausführung unterstützen sie so stärker am Hubanfang oder Hubende.

Gasdruckfedern bei MISUMI

Bei MISUMI gibt es eine Vielzahl verschiedener Industriegasfedern im Angebot. Darunter sind kompakte Gasdruckfedern für platzsparende Anwendungen, Gasdruckfedern, die hohe Anfangslasten ermöglichen sowie ein breites Spektrum an Hublängen.

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die erhältlichen Gasfedern und ihre Anwendungsmöglichkeiten:

Eigenschaften von Gasfedern
Katalogbezeichnung Eigenschaften Vorlast - N Außendurchmesser D Hub - S
min. max. min. max. min. max.
GSP Kompakt und hoch belastbar.
Eine größere Auswahl an Größen für mehr Freiheit.		 1500 30000 19 63 10 80
GSQ Ein hochbelastbarer Typ des GSP32 (Die Anfangslastfähigkeit ist 32% höher als bei der GSP32.) 6600 6600 32 32 10 80
GSN Niedrigere Höhe, ideal für hohe Tragfähigkeit. 3750 20000 32 63 10 100
MGSN Einstiegsklasse mit kleinerem Durchmesser, der dafür sorgt, dass sie auch in in kompakte Formen passt. 1000 5100 16 32 10 80
MGSL Ideal für Gelegenheiten, bei denen eine etwas stärkere Belastung vorliegt als bei Schraubenfedern. 800 1600 19 25 10 80
MGSM schraubensicherer Typ 400 800 12 16 10 25
GSX klassische Gasdruckfeder 4750 31000 32 63 10 80
GSV Große Auswahl aus etwa 150 Größen. Das am häufigsten verwendete Modell. 1700 117000 19 195 7 125
GST Durchmesser, Länge und Belastung wie bei GSV. Die Tiefe des Setzlochs ist tiefer als bei GSV. 3600 95400 32 150 10 125
GSH Durchmesser, Länge und Belastung wie bei GSV / GST, die Form der unteren Nut und die Montageabstand sind unterschiedlich 9200 66300 50 120 10 125
GSK Anfangskraft bis zu maximal 106.000 N und maximale Hublänge bis zu 300 mm. 1700 106000 32 195 10 300
GSSC Anfängliche Belastung bis zu maximal 184.100 N, die angebrachte Kunststoffkappe verhindert die Verschmutzung 4250 184100 25 150 6 50
GSU Mindestdurchmesser Ø 12, das kleinste Modell 50 3200 12 32 7 125

Gasfedern bei MISUMI gibt es auch mit integrierten Sicherheitseinrichtungen:

  • OSAS: aktive Überhubsicherung
  • USAS: aktiver Schutz bei unkontrolliertem Rückhub
  • OPAS: aktive Überdruck-Sicherheitsvorrichtung

OSAS sorgt dafür, dass bei einem Überhub das interne Stickstoffgas abgelassen wird und trägt so dazu bei, dass sich die Gasfeder nicht verformt. USAS verhindert in Fällen, in denen die Bewegung der Kolbenstange unkontrollierbar wird, dass die inneren Komponenten der Gasfeder brechen und die Kolbenstange wegfliegt. OPAS ist ein aktiver Schutz vor Überlastung durch Überdruck. Dringen Maschinenöl oder andere Substanz in die Gasfeder ein, die einen abnormalen Druckanstieg verursachen, lässt OPAS das interne Stickstoffgas ab und verhindert so eine Verformung und/oder einen Bruch der Gasfeder.

Verwendung von Gasdruckfedern

Gasdruckfedern lassen sich neben vielen anderen Bereichen auch bei Sicherheitseinrichtungen verwenden. Durch sie lassen sich z.B. Notausgangstüren oder Notfallklappen schnell und kontrolliert im Notfall öffnen. In der Montage oder bei Prüfeinrichtungen können Gasdruckfedern bei der Positionierung und Fixierung von Werkstücken unterstützen.

Gasdruckfedern können z.B. auch in einem Verbundsystem direkt mit Druckkontrollanzeige eingebaut werden. Das ermöglicht die präzise Kontrolle der Federkraft und erhöht die Sicherheit. MISUMI bietet alle dafür benötigten Komponenten.

Druckkontrollanzeige
Druckkontrollanzeige

Folgende Reihenfolge wird bei der Auswahl der einzelnen Komponenten empfohlen:

So ein Verbundsystem kann z.B. wie folgt aufgebaut sein:

Aufbau eines Systems aus Gasfeder und Druckkontrolleinheit
Aufbau eines Systems aus Gasfeder und Druckkontrolleinheit
  • 1 = Gasdruckfeder
  • 2 bis 4 = Adapter
  • 5 = Gewebeschlauch
  • 6 = Schelle zum Verbinden
  • 7 = Druckkontrolleinheit

Verlegungs- und Sicherheitshinweise

Industrie-Gasdruck und -Gaszugfedern sind nur für den industriellen Einsatz zugelassen und dürfen nicht in Kraftfahrzeugen eingebaut werden. Falschlagerung, Nutzung in feuchter Umgebung oder im Freien sowie Modifizieren des Gasdrucks oder des Zylinders können zu Fehlfunktion und schweren Unfällen bis hin zu Explosionen führen. Gasdruckfedern werden mit einem voreingestellten Druck ausgeliefert und sind für den Einsatz mit diesem voreingestellten Druck vorgesehen. Dieser darf nicht verändert werden. Defekte Gasdruckfedern sind umgehend auszutauschen. Beim Ausbau und Austausch wird empfohlen, eine Schutzbrille zu tragen. Vor der Entsorgung sollte die Druckfeder drucklos sein. Zur Sicherheit sollte daher zunächst das unter Druck stehende Gas aus der Feder abgelassen werden.

Gasfedern enthalten unter hohem Druck stehendes Gas. Es ist daher besonders wichtig, einige Regeln bei ihrem Einsatz und der Verlegung zu beachten. Sie dürfen daher niemals modifiziert, in irgendeiner Form erhitzt (z.B. durch Schweißen, Schmelzen) oder zerlegt werden. Auch die Umgebungstemperatur ist ein entscheidender Faktor für die sichere Nutzung. Gasfedern, die auf 80 °C erhitzt werden, können explodieren oder aber die intern verbauten Dichtungen werden beschädigt, was zu Gasaustritt und Funktionsverlust führt. Es wird ein Konvektionsabstand von ca. 2 mm auf jeder Seite der Feder empfohlen, um die Wärme abzuleiten. Ein Kontakt mit den Montagebohrungen ist zu vermeiden.

Häufige Fehler die zu Beschädigung oder Gasaustritt führen können:

  • Eine schräge Last oder eine Querlast wird aufgebracht.
  • Die Gasfeder ist nicht mit Bolzen befestigt.
  • Der Druck auf die Kolbenstange wird nicht auf die gesamte Fläche ausgeübt.
  • Die Kontaktfläche der Kolbenstange ist verformt.
  • Eine große Menge Schmiermittel (insbesondere Schmiermittel auf Chlorbasis) wurde aufgetragen.
  • Die Gasfeder ist mit Feuchtigkeit, Dampf oder Chemikalien in Berührung gekommen.
  • Das Gas wurde nachgefüllt oder der Druck wurde angepasst.
  • Der Zylinder wurde abgeschliffen.
  • Die Gasfeder wird im Freien oder an einem feuchten Ort benutzt oder gelagert.