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Schwingungsdämpfung für mobile Maschinen

Schwingungen verursachen nicht nur Lärm, sondern belasten auch die Maschinen­komponenten. Anfahrmomente, Unwuchten oder das Einwirken äusserer Kräfte und Drehmomentspitzen spielen ebenso eine Rolle wie zwischengeschaltete Komponenten im Übertragungsweg und in der Maschinenstruktur. Der Weg zu einem wirksamen Lagerungs- und Dämpfersystem führt über eine Systembetrachtung.

Rüdiger Hack – EU-Richtlinien zwingen Maschinenentwickler und Konstrukteure zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen, um die Umweltbelastungen zu minimieren und den Arbeitnehmerschutz zu optimieren. Darüber hinaus ist der Komfort für den Maschinenbediener ein wichtiges Unterscheidungskriterium. Mobile Maschinen sind jedoch schwingungstechnisch häufig sehr komplexe Systeme.
Fahrwerk, Motor, Antriebs-strang, Arbeitsgeräte, Ausleger, Greif- oder Hebearme beeinflussen sich in ihrer Schwingungs- und Geräuschübertragung gegenseitig. Angeregt durch äussere Kräfte und Unebenheiten, führt das Fahrwerk Schwingungen aus und wirkt auf die Maschine. Zwischengeschaltete Komponenten im Übertragungsweg und die Gehäuse- oder Chassisstruktur sowie deren Übertragungsfunktion und Kopplung bestimmen das Systemverhalten. Die Schwingungsformen des Rahmens, von Kabinen und Sitzen treten als Hub- und Nickbewegungen auf. Beim Überfahren von Unebenheiten entstehen Längs- und Querkräfte, die das Fahrzeug zu Längs- bzw. Querschwingungen anregen. Die oszillierenden Massen von Hubkolbenmotoren und deren Verbrennungsvorgänge veranlassen interne Anregungen, die über Aggregatelager die Karosserie und sämtliche Anbauten in Schwingungen versetzen. Sowohl Starrkörpereigenschaften als auch die strukturelastischen Eigenschwingungsformen eines Aggregates beeinflussen die Schwingungsübertragung und müssen bei der Abstimmung berücksichtigt werden.


Nur ein ganzheitlicher Ansatz ist zielführend

Ziel jeder Systemauslegung ist die Ermittlung eines optimalen Lagerungssystems. Dabei sind die Lagertechnologie, Anzahl der Lager und bestmögliche Lagerpositionen im Entwicklungsfokus. Dies wird in der Regel durch Anforderungen an die Gesamtakustik, den Komfort, die Freiwege und die Lebensdauer ergänzt. Simrit ist in der Lage, ein komplettes Fahrzeug oder eine mobile Grossmaschine schwingungstechnisch zu simulieren. Dabei werden die schwingungstechnischen und fahrdynamischen Anforderungen an die Maschinen auf speziell abgestimmte Bauteile in allen Subsystemen übertragen. Die ganzheitliche Systembetrachtung umfasst die Durchführung der versuchstechnischen Gesamtfahrzeuganalyse, die Modellierung und Optimierung mittels computerbasierter Simulationstools sowie die Umsetzung durch gezielte Produktgestaltung.
Die Berechnung der Schwingungsbelastungen erfolgt über mathematische Ersatzmodelle. Der Vorteil dieser Ersatzmodelle besteht darin, dass sie überschaubar sind, mit verhältnismässig geringem Aufwand rechnerisch lösbar bleiben und zu sehr guter Annäherung an das reale Schwingungsverhalten führen. Mithilfe dieser Simulationen lassen sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium Vorhersagen zu Systemeigenschaften machen.
Darauf aufbauend wird das am besten geeignete Elastomer ausgewählt. Um das Hydrolager auf die spezifischen Anforderungen hin optimieren zu können, werden im Bedarfsfall verschiedene Steifigkeitsvarianten eines vorausgewählten Bauteils ermittelt. Ein optimiertes schwingungstechnisches Bauteil wird spezifiziert, hergestellt und im Versuch werden dessen Eigenschaften verifiziert. Maschinenhersteller können so bereits für die Erprobungsphase über eine ganze Reihe von optimierten Komponenten verfügen. Diese sind beispielsweise als individuell optimierte Gummimetallgelenke oder Schwingungsisolatoren und/oder -dämpfer ausgeführt. Oder es werden störende Kräfte durch Hydrolager kompensiert. Dies ist eine optimierte Kombination aus Schwingungsdämpfer und Entkopplung in einem einzigen Bauteil – wie das folgende Beispiel zeigt.


Einsatz von Hydrolagern zur Kabinenfederung
Für einen Radlader ergeben sich spezifische Besonderheiten durch die verschiedenen schwingungstechnischen Anregungsprofile. Zur Anregung über die Räder oder die Schaufel kommen bei einer Transportfahrt mit voller Schaufel weitere Anregungsmuster. Ein sehr wichtiges Auslegungskriterium für eine Kabinenfederung ist die Akustik. Für dieses Anforderungsprofil hat sich das Hydrolager VL als vorteilhaft herausgestellt.
Hydrolager sind so gestaltet, dass ein Fluid dicht in ein Elastomerverbundteil eingeschlossen wird. Gleichzeitig werden Teilvolumina des Elastomerverbundteils als Fluidkammern so gestaltet, dass sie miteinander verbunden sind und enthaltenes Fluid diese Verbindung durchströmen kann. Relativbewegungen zwischen den beiden Anbindungsteilen eines Lagers verursachen Verformungen des Elastomerbauteils, die sich direkt auf das eingeschlossene Fluid übertragen und durch die relative Vergrösserung bzw. Verkleinerung der Hauptkammern zum Strömen des Fluids führen.
Die physikalische Wirkung der in Hydrolagern verwendeten Fluide ist durch die Fluidmasse und die Viskosität bestimmt. Das Resultat sind der Masseeffekt und der Reibungseffekt. Durch den ersten wird je nach Phasenlage der bewegten Fluidmasse gegenüber der Anregung am Innen- bzw. Aussenteil des Lagers eine Kraft erzeugt, die im günstigsten Fall die Anregung ausgleicht. Durch den Reibungseffekt reduziert sich die mit der strömenden Flüssigkeit verbundene kinetische Energie durch innere Reibung des Fluids mit der nicht umkehrbaren Wandlung in Wärme. Durch die gezielte Optimierung eines Hydrolagers können die gleichzeitig auftretenden Effekte zueinander gewichtet werden. Im Ergebnis wird dadurch die Dämpfung eines Lagerelements je nach Bedarf breit- oder schmalbandig eingestellt.
Für das spezielle Baumaschinen-Kabinenlager ist der im Lager integrierte hydraulische Mechanismus mit der frequenz- und amplitudenabhängigen Dämpfung auf eine optimierte Wirkung in Vertikalrichtung ausgelegt. Die über die Frequenz breitbandig wirkende Dämpfung ist auch bei Veränderung der federgelagerten Masse vorhanden. Bei kleinen Anregungsamplituden verfügt das Hydrolager über eine reduzierte Dämpfung, was zu der Isolation von akustischen Schwingungen führt. Die Hydrolager verfügen in der Z-Richtung über eine grössere Nachgiebigkeit als in der X- und Y-Richtung. Das Lagerelement ist für die hauptsächliche Belastung in axialer wie auch radialer Richtung gestaltet, kann aber auch geringe kardanische Verformung ertragen. Die Gestaltung des Lagers, das gewählte Fluid und der hydraulische Mechanismus sorgen für die charakteristische, breitbandige Dämpfung. In Fällen von Anregungsfrequenzen im niederfrequenten Bereich gestattet der Einsatz dieses Hydrolagers eine optimale Lagerung. Durch die deutliche Reduzierung der Fluidkammersteifigkeit einer der Kammern wird gegenüber Hydrolagern ohne diesen Aufbau eine deutlich verbesserte Gesamtabstimmung aus Schwingungsreduktion und Körperschallisolation erreicht. Neben der breitbandigen Dämpfung bei grossen Amplituden bei gleichzeitig reduzierter Dämpfung bei kleinen Amplituden ist das Hydrolager sehr kompakt. Es bietet eine sehr gute Seitenführung und ist RoHS-konform.
Diese Hydrolager sind für die Befestigung mit Schraubverbindungen vorbereitet. Der Ausgleich eines geringen, montagebedingten Versatzes ist bauteilabhängig möglich. Der ebene Bereich des Flansches ist vollflächig zu unterstützen. Die Ebenheit der Fügefläche der zu lagernden Masse sowie ein vollflächiger Kontakt zum inneren Metallteil des Lagers sollten sichergestellt werden.
Das Hydrolager VL bietet ein breites Anwendungsspektrum. Es eignet sich nicht nur zur Kabinen- und Motorlagerung bei Land- und Baumaschinen, Flurförderzeugen, Wald-/Forstmaschinen, Kommunalfahrzeugen und Schiffen, sondern auch für die Lagerung von Anbaugeräten, Pumpen, und Kompressoren. Die Vorteile lassen sich ebenfalls zur Lagerung von Maschinen und Anlagen mit schwierigem Resonanzdurchlauf nutzen.
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