Niederfrequente Luftfederelemente isolieren störende Schwingungen

Professor Wilhelm Hannibal und seine Studenten der Fachhochschule Südwestfalen haben ein ehrgeiziges Ziel: Sie wollen Ölpumpen dahingehend optimieren, dass diese dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Während sie dazu zahlreiche Tests durchführten, verursachte ein Prüfstand ungewollte Schwingungen. PLM-Luftfederelemente aus dem Hause ACE Stoßdämpfer sorgten für Beruhigung an mehreren Stellen.

Inhalt

• Entwicklung energiesparenden Antriebssysteme
• Schwingungen im Raum auf weitere Prüfstation übertragen
• Von der Theorie direkt in die Praxis
• Umfassendes Portfolio zur Vibrations- und Schwingungsisolierung
• Beide Prüftische arbeiten jetzt einwandfrei

Entwicklung energiesparenden Antriebssysteme

Der Studiengang Automotive der Fachhochschule Südwestfalen vermittelt am Standort in Iserlohn auf wissenschaftlicher Grundlage eine breit angelegte, anwendungsbezogene, technische Ausbildung für den Bereich der Automobilindustrie. Dabei ist das Curriculum spezifisch auf die Automobilzulieferindustrie ausgerichtet. Wie nahe die Anwendungen der jungen Akademiker sich an der Praxis orientieren, lässt sich am Bereich der Entwicklung von Energie sparenden Antriebssystemen zeigen.

Ein wichtiger Schlüssel liegt dabei laut Sebastian Schütte, wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Hannibal, in der Ölpumpe des Motors: „In den Motorkonstruktionen früherer Zeiten arbeiteten Ölpumpen immer unter Volllast, heute sind sie geregelte Aggregate. Und wenn sie bei reduzierter Fördermenge genutzt werden können, ist es auch möglich, ihre Leistungsaufnahme zu verringern.“

Um sich dem Optimalregelzustand anzunähern, galt es, Kennlinienaufnahmen der Ölpumpen aufzuzeichnen sowie verschiedene Regelstrategien miteinander zu vergleichen. Dafür baute das Team des Studiengangs Automotive einen eigenen Prüfstand. Die Gesamtkonstruktion kam bei einer Länge von 2500 mm und einer Breite von 900 mm auf ein Gewicht, das mit 1500 kg durchaus dem eines Pkw gleichkommt.

Schwingungen im Raum auf weitere Prüfstation übertragen

Ein auf dem Testaufbau befindlicher Gleichstrommotor treibt die Pumpen mit 300 bis 7000 min^-1 an. „Uns war von Anfang an klar, dass dieses Drehzahlspektrum ausreicht, um die Konstruktion in Schwingungen zu versetzen und dass wir gegensteuern müssen, um vernünftige Messergebnisse zu bekommen“, so Sebastian Schütte.

Denn neben den Tests der hydraulischen, volumetrischen und mechanischen Wirkungsgrade zur Überprüfung und Optimierung des Strömungsverhaltens sowie zur Vermeidung von Leckagen und zur Verringerung von Reibung steht auch die Regeltechnik auf dem Prüfstand und damit die Frage, welche Regeltechnik arbeitet am effektivsten?

Aus diesem Grund wurde der Prüfstand auf sechs Gummi-Metall-Isolatoren gestellt. Diese sorgten für eine Reduktion der Schwingungen, aber: „Das musste noch besser gehen“, bringt es Schütte auf den Punkt. Zumal die Schwingungen sogar ausreichten, um eine weitere Prüfstation im selben Raum ebenfalls zu beeinflussen.

Von der Theorie direkt in die Praxis

Der Dämpfungsspezialist ist nicht nur weltweit führend im Bereich von Industrie- und Kleinstoßdämpfern, sondern hat sich binnen weniger Jahre auch in der Vibrationstechnik, u. a. bei der Elimination von unerwünschten Schwingungen, einen hervorragenden Ruf erarbeitet.

Zudem führt das Unternehmen immer wieder kostenlose Schulungen bei Firmen durch und ist auch an Hochschulen präsent, indem es den technischen Fakultäten für Demonstrationen und Vorlesungen aus der Industrie zur Verfügung steht.

Von daher lag es für Sebastian Schütte nahe, sich an den für die Vorlesungen zuständigen Mitarbeiter von ACE im Bereich Schulungen und Trainings, Jörg Brinkmann, zu wenden: „Von ihm hörten wir von der Aceolator-Baureihe.

Hinter dem Namen Aceolator verbergen sich die unterschiedlichsten Produkte, die sich als Lösung für verschiedenste Probleme bei der Minderung von Geräuschen oder dem Beseitigen störender Schwingungen empfehlen. Neben Gummi-Metall-Isolatoren gehören auch schwingungsisolierende Platten und niederfrequente Luftfederelemente zum Portfolio der Langenfelder.

Gleichstrommotor als Allroundtalent für unzählige Applikationen

Letztere sollten die bis dahin an der Fachhochschule Südwestfalen verwendeten Lösungen ersetzen. Bevor es soweit war, stattete Jörg Brinkmann jedoch gemeinsam mit seinen Kollegen Dieter Wohlschlegel, Engineering Manager bei ACE, und dem technischen Berater Gregor Jandt, dem akademischen Team in Iserlohn einen Besuch ab, um eine Ist-Aufnahme durchzuführen. Dafür zogen die drei einen firmeneigenen Messkoffer und einen externen Messsensor, der an einen Tablet-PC angeschlossen wurde, heran. Basierend auf den ermittelten Werten, nahm Dieter Wohlschlegel in einem nächsten Schritt dann eine Auslegung für sogenannte PLM-Luftfederelemente vor.

Umfassendes Portfolio zur Vibrations- und Schwingungsisolierung

Die eingesetzten pneumatischen Luftfederelemente PLM1 aus der Aceolator-Serie sind wie alle Luftfederelemente im niederfrequenten Bereich angesiedelt und kommen dann zum Einsatz, wenn Hochleistungsmaschinen, Messtische oder Prüfeinrichtungen perfekt isoliert werden müssen.

Je nach Schwingungsgrad und Umgebung stehen insgesamt drei verschiedene Produktreihen, bestehend aus niederfrequenten Luftfederelementen, Gummi-Metall-Isolatoren und schwingungsisolierenden Platten zur Verfügung. Konstrukteure können damit nahezu alle Herausforderungen im Bereich der Vibrationstechnik und Schwingungsisolierung meistern. Dies gilt nach Angaben des Herstellers auch für nachträglich zu schützende Maschinen.

Diese niederfrequenten Elemente bieten durch ihre interne Luftkammer eine signifikante Isolierwirkung ab einer Frequenz von 5 Hz aufwärts. Die Eigenfrequenz liegt dabei bei optimal belastetem Zustand bei 3 Hz. Dieser wird erreicht, wenn die maximale Belastung der einzelnen Luftfederelemente möglichst maximal ausgeschöpft wird. Für Applikationen wie an der FH Südwestfalen hält ACE pneumatische Luftfederelemente mit automatischen Niveauregelventilen zur Höhenregelung bereit.

In diesen Fällen verfügt jeder Hauptisolator über ein angebautes Regelventil, das als Lastfühler und Lagesensor fungiert. Um die Tragfähigkeit des Gesamtsystems zu steigern, können beliebig viele Parallel-Luftfedern hinzugefügt werden. So gelingt es dem Hersteller, die Anwendungsfälle noch zu erweitern. Neben dem Einsatz unter Prüfständen eignen sich die Luftfedern besonders dazu, auch unter Aufbauten mit Mess-Systemen für eine sehr gute Entkoppelung von störenden Schwingungen zu sorgen. Zudem isolieren sie auch beispielsweise Hochgeschwindigkeitspressen oder alle Arten von Produktionsanlagen von Vibrationen.

Beide Prüftische arbeiten jetzt einwandfrei

Die PLM sind mit einem einvulkanisierten Gewindeeinsatz versehen, wodurch die Luftfedern entweder über ein Standardreifenventil oder eine pneumatische Verschraubung mit Druckluft beaufschlagt werden können. Sonderanschlüsse sind bei diesen leicht nivellierbaren, innovativen Elementen nicht nötig. Für den Fall, dass keine Niveauregelventile eingesetzt werden, kann zur Regulierung des Drucks und der Höhe der untereinander verbundenen Luftfedern auch eine Regelkontrolleinheit zur Verfügung gestellt werden.

Dies war in Iserlohn jedoch nicht nötig, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. „Beide Prüftische arbeiten jetzt einwandfrei. Damit können wir unsere Arbeit jetzt noch besser als zuvor fortsetzen“, stellt Sebastian Schütte zufrieden fest. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu noch energiesparenderen Motoren ist für das Team von Professor Wilhelm Hannibal an der Fachhochschule Südwestfalen damit getan.