Schwingungsdämpfer

Akademiker integrieren moderne Schwingungstechnik in ihr Messsystem

| Redakteur: Bernhard Richter

Acht ACE Luftfederelemente vom Typ PLM-3 isolieren den Messstand von unerwünschten Schwingungen, die vom Gebäude ausgehen
Acht ACE Luftfederelemente vom Typ PLM-3 isolieren den Messstand von unerwünschten Schwingungen, die vom Gebäude ausgehen (Bild: ACE)

Für hochempfindliche Messsysteme in deutschen Universitäten reichen allein die Schwingungen von Schritten aus, um brauchbare Testergebnisse der empfindlichen wissenschaftlichen Messgeräte zu verwackeln. Wie das beruhigt werden kann, zeigt eine interessante Anwendung.

Radarentfernungsmesssysteme sind auf dem Vormarsch. Ohne sie ist zum Beispiel die Vision vom vollständig autonomen Fahren kaum denkbar. Bereits heute kommen sie unter anderem unter rauen Bedingungen in Stahlwerken zum Einsatz. Der Grund: Sie sind gegenüber optischen Distanzsensoren, wie sie beispielsweise ein mit Laserstrahl arbeitendes Gerät darstellt, weniger fehleranfällig bei Rauch, Nebel oder Staub.

Damit sind sie auch bei schlechten Sichtverhältnissen wie Nebel oder spiegelnden Pfützen deutlich besser für Anwendungen im Straßenverkehr geeignet und können im Gegensatz zum Laser mit einer Applikation mehrere Ziele auf einmal erfassen. Zwar wird der Laser in Sachen Messgenauigkeit wohl ein Referenzwert bleiben, doch Radarsysteme werden auch in dieser Hinsicht immer besser. So liegen ihre Messgenauigkeiten mittlerweile auch schon oft bei unter 1 μm. Möglich wird dies durch die Erweiterung der genutzten Bandbreite, eine höhere Systemstabilität und zusätzlichen Optimierungen in der Signalauswertung. Die Standardabweichung beträgt dabei um 140 nm in einem Meter Entfernung bei hohen Messraten von bis zu 1 kHz.

Lehrstuhl für Integrierte Systeme recherchiert gründlich

Treibende Kräfte in diesem Forschungssegment sind die Studenten von Professor Pohl an der Ruhr-Universität in Bochum. Sie testen die Grenzen des Machbaren bei den Messsystemen aus. Dr.-Ing. Timo Jaeschke, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl von Professor Pohl und Geschäftsführer der 2pi-Labs GmbH, sowie Lukas Piotrowsky, Master of Science und wissenschaftlicher Mitarbeiter an Prof- Pohls Lehrstuhl für Integrierte Systeme, gingen das Projekt so an, wie man sich auch, ob autonom oder nicht unterwegs, im Straßenverkehr verhalten sollte: Vorausschauend! „Ich habe mir schon zu Beginn gedacht, dass es im Uni-Alltag zu störenden Schwingungen kommen könnte. Andererseits können wir unsere Forschungsarbeiten nicht irgendwo im Niemandsland ausführen. Also machte ich mich auf die Suche nach geeigneten Lösungen, mit denen man Schwingungen isolieren kann“, blickt Dr. Jaeschke zurück. Ein paar Klicks im Internet später stieß er auf die ACE Stoßdämpfer GmbH: „Die Homepage macht einen guten Eindruck, ist strukturiert und zeigt, dass ACE über einen eigenen Bereich der Schwingungstechnik verfügt.“

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So schnell der Start, so schnell ging es auch anschließend weiter. In diesem Fall übernahm Gregor Jandt vom technischen Innendienst bei ACE die persönliche Beratung. Basierend auf den Erfahrungen von ACE mit der Beruhigung vergleichbarer Messeinrichtungen, schlug er niederfrequente pneumatische Luftfederelemente des Typs PLM-3-LX2 für die Zwecke von Dr. Jaeschke und der Studenten vor. Auswahl und Bestellung gingen leicht von der Hand. Gleiches galt für die Auslegung der ACE Komponenten für den Testaufbau. Anschließend konnten seine Studenten ihre Arbeit am Messsystem aufnehmen.

Dynamisch und statisch nutzbare Komponenten als Erfolgsrezept

Der Aufbau des Radarsystems besteht aus einer Linearbahn mit circa 5 m langen Verfahrweg auf 4 cm dicken Granitplatten. „Die Granitplatten habe ich gewählt, weil der Werkstoff sich bei Temperaturveränderungen nur ganz wenig dehnt und allein durch das Eigengewicht für Vibrationen weniger anfällig als andere Materialien ist“, erläutert Dr. Jaeschke. Um die Ergebnisse vergleichbar zu machen und belegen zu können, dass die Radartechnik den Laser ablösen kann, hat er zudem einen Laserinterferometer als Referenzsystem installiert. Dass man letzten Endes auch mit dem Radar auf Messgenauigkeiten unter 1 μm kommt, ist laut dem Experten, auf den zahlreiche Publikationen in diesem Bereich zurückgehen, alles andere als eine Selbstverständlichkeit. Deshalb wurden die acht Luftfederelemente von ACE nicht nur zur Sicherheit, sondern vor allem um genaueste Messergebnisse zu bekommen zur Entkoppelung der Linearbahn vom Gebäude verwendet.

Für Lukas Piotrowsky, der seine Master-Arbeit unter anderem dank der Messergebnisse an diesem Versuchsaufbau anfertigte und diesen im Team von Professor Pohl dieser Tage betreut, tragen die kleinen Helfer zur Reduktion störender mechanischer Schwingungen bei.

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„Wenn man plötzlich wissenschaftlich auf Ruhe angewiesen ist, merkt man erst einmal, wie laut der Uni-Alltag eigentlich ist. Vor allem in den Pausen“, merkt er an. Das Gerenne zwischen den Hörsälen hätte man zum Teil buchstäblich unter den eigenen Füßen spüren können und damit ein K. O.-Kriterium für jede sensible Messung identifiziert. Schnell erwies sich, dass die Komponenten vom Typ PLM nicht nur für die durch das Umfeld vorgegebenen Bedingungen, sondern auch für die extrem konträren Verhältnisse, die etwa bei den Tests zur Sensorcharakterisierung simuliert werden, sehr gut geeignet sind.

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„Dies liegt daran, dass sie sich anpassen und dadurch flexibel nutzen lassen. So ist es mit ihnen etwa sehr gut möglich, abwechselnd statische und dynamische Messungen durchzuführen“, erläutert Dr. Jaeschke. Dies liegt daran, dass die Akademiker die niederfrequenten Luftfederelemente, die unter der Linearbahn angebracht sind, bei dynamischen Messungen leeren und wieder genau auf die benötigten Werte aufpumpen können, wenn statische Messungen am Institut durchgeführt werden.

Luftfederelemente beruhigen auch Forschungsprojekt Radarmeter-3D

Wenn sie nicht an Messsystemen ihren Dienst verrichten, kommen pneumatische Luftfederelemente auch an Prüfständen, Hochgeschwindigkeitspressen, Produktionsanlagen und vielen weiteren Konstruktionen zum Einsatz. Dank einer Kombination aus einfacher Anwendung und großer Auswahl sind den Ideen von Wissenschaftlern und Konstrukteuren also kaum Grenzen gesetzt. Auch die niedrige Eigenfrequenz von 3 Hz ermöglicht die Verwendung in Bereichen, die vor wenigen Jahren als noch nicht darstellbar galten. Mit den acht verschiedenen, ab Lager sofort verfügbaren Bautypen, die sowohl kleinere bis große Lasten von 45 kg – 8800 kg tragen können, lassen sich Geräte aller Art einfach von unerwünschten Schwingungen isolieren und gleichzeitig per integriertem Ventil ideal nivellieren, was sich in Bochum beim Wechsel von statischen zu dynamischen Messungen als echter Vorteil erwiesen hat. Als Schwingungsdämpfer eingesetzt, gewährt die interne Luftkammer eine signifikante Isolierwirkung bereits ab 5 Hz aufwärts. Das Verhältnis horizontaler zu vertikaler Eigenfrequenz liegt bei 1:1 und beträgt nur 3,0 Hz in optimal belastetem Zustand.

Die an der Ruhr-Universität Bochum verwendeten Vertreter des Typs PLM-3 verfügen über ein Gewicht von 610 g und sind bei einem Betriebsdruck von 5 bar – 6 bar für Temperaturen von –30 °C – 50 °C geeignet, damit die Bochumer Studenten und Prof. Pohl auch bei hohen Temperaturen im Sommer nicht ins Schwitzen kommen und weiter daran arbeiten können, Alternativen zum Laserinterferometer für den Einsatz in rauen Umgebungen zu schaffen. Der nächste lautlose Schritt, den das Team rund um den Messaufbau im Projekt Radarmeter-3D zur Qualifizierung der Messgenauigkeit und Weiterentwicklung der Radarsensoren auf dem ganz persönlichen Radar hat, ist die 3D-Positionierung von Industrie-Robotern.

Das im Rahmen der NRW-Leitmarktwettbewerbe durchgeführte Forschungsprojekt Radarmeter-3D wird übrigens durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Mehr darüber ist auf der Homepage des Projektes zu erfahren.

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