Dämpfungselemente Ausgewählte Aspekte zu hydraulischen Lagern und deren Einsatz

Mit modernen und exakt abgestimmten Lagerungs- und Dämpfersystemen lassen sich Motoren, Getriebe, Wellen und Kupplungen mit den nachgeschalteten Maschinen vor schädlichen Schwingungen schützen. Mit verschiedenen Hydrolagern können ganz gezielt die Auswirkungen von beispielsweise Anfahrmomenten, Unwuchten oder das Einwirken von äußeren Kräften und Drehmomentspitzen minimiert werden. Welche Grundaspekte bei der Auswahl dieser Gummi-Metall-Entkopplungselemente berücksichtigt werden sollten, wird im Folgenden am Beispiel der Hydrolager dargestellt.

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Actronic-Solutions GmbH

Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG

Sowohl die Starrkörperschwingungen, wie z.B. die Bewegung der Fahrerkabine einer Land- oder Baumaschine als Ganzes, als auch die strukturelastischen Eigenschwingungsformen, wie z.B. die Verformung eines Trägers durch Biegung, müssen bei der Abstimmung der Lagerung berücksichtigt werden. Die strukturelastischen Schwingformen sind dabei maßgeblich für die Geräuschübertragung und die Schallabstrahlung verantwortlich. Sie können sich aber auch als Kribbeln des Bedienelements in der Hand des Maschinenführers bemerkbar machen.

Während große Relativbewegungen schwerer Einzelmassen, wie Kabine, Rahmen oder Motor, zueinander häufig unerwünscht sind, können diese Relativbewegungen bei der Bewegung kleiner Massen zueinander durchaus erwünscht sein. Im ersten Fall lässt sich dies durch Lager mit viel Dämpfung und steifen Federn verhindern. Im zweiten Fall allerdings helfen nur weiche Federn und wenig Dämpfung bei der Lösung dieses Problems. Damit ist ein Zielkonflikt für den Entwickler und Konstrukteur vorprogrammiert und dieser scheint mit einem Bauteil nicht lösbar. Dies trifft tatsächlich dann zu, wenn lediglich Dämpfungselemente, wie Fensterbuchsen, Konus- und Keillager oder gar MO-Lager und Ultrabuchsen in klassischer Form Verwendung finden. Dennoch gibt es eine perfekte Lösung in Form von Hydrolagern.

Hydrolager lösen gegensätzliche Dämpfungsaufgaben

In Hydrolagern werden im Wesentlichen ein spezieller elastomerer Tragkörper (auf Basis Konuslager, Fensterbuchse, Exzenterbuchse, ...) mit einem hydraulischen Wirkapparat kombiniert. Damit dieser hydraulische Apparat seine Wirkung entfaltet, wird das Lagerinnere in mehrere Teilvolumina untergliedert, die mittels durchströmbarer Verbindungen den Fluidaustausch ermöglichen. Angetrieben durch die äußeren Schwingungsanregungen am Lager wird das Fluid, das über den Tragkörper angekoppelt ist, ebenfalls in Bewegung versetzt. Beim so erzeugten, dynamischen Fluidtransport im Lager kommen stets zwei Effekte gleichzeitig zum Tragen: der Reibungseffekt und der Masseeffekt.

Überwiegt der Reibungseffekt steht Dämpfung auf mittlerem bis hohem Niveau eher breitbandig zur Verfügung. Überwiegt hingegen der Masseeffekt (Ausprägen eines Tilgers) bildet sich eher eine schmalbandige Charakteristik der mittleren bis hohen Dämpfung mit ausgeprägtem Dämpfungsmaximum aus. Je größer die Fluidgeschwindigkeit, je stärker ist dabei der entstehende Strömungswiderstand. Die parallel erfolgende Wandlung von kinetischer Energie in Wärme trägt gerade dazu bei, dass in dem Lagerelement mehr Dämpfung zur Verfügung steht als mit Elastomerwerkstoffen im Allgemeinen möglich.

Insbesondere die Gestaltung des Konuslagers mit einem hochelastischen Elastomer in Kombination mit hoher Dämpfung aus dem hydraulischen Wirkapparat realisiert die vielfältigen Vorteile der Hydrolager. Freudenberg Simrit hat in der Gruppe der hydraulischen Lager folgende Grundbauformen entwickelt:

• Hydrolager KL,
• Hydrobuchse,
• Hydrolager DL,
• Hydrolager VL.

Die physikalischen Grundlagen sind allen vier Bauformen gemeinsam, doch unterscheidet sich der innere und äußere Aufbau. Damit verbunden sind unterschiedliche Eigenschaften, wie Gewicht, maximale Einfederung und Baugröße. In den Abbildungen 1 bis 4 sind für diese vier Bauformunterscheidung auch die maßgeblichen fluiddurchströmten Bereiche mit einem roten Oval gekennzeichnet.

Spezifische Lösungen mit Hydrolagern

Bei kleinen Anregungsamplituden ist die Dämpfung des Hydrolagers KL auf das geringe Dämpfungsmaß der elastischen Elastomermischung des Tragkörpers reduziert. Möglich wird dies durch eine bewegliche Fluidkammertrennung im Inneren des Lagers. Aufgrund der Fluidführung durch eine kanalförmige, fluidleitende Verbindung innerhalb des Lagers sind diese Hydrolager wesentlich auf die Ausnutzung des Masseeffekts des strömenden Fluids abgestimmt. Ab Frequenzen von unter 10 Hz steht ein ausgeprägtes Dämpfungsmaximum zur Verfügung. Diese Lager bieten somit ein hohes, aber schmalbandiges Dämpfungsniveau.

Hydrobuchse und Hydrolager DL ermöglichen in einem zylindrischen Bauraum große zulässige Auslenkungen. Diese Lager sind hoch beanspruchbar und weisen ein ausgeprägtes Dämpfungsmaximum auf. So steht ein Dämpfungsniveau zur Verfügung, das zwischen ca. 5 Hz und 25 Hz über dem Niveau der Elastomere für Isolationsaufgaben liegt. Gerade die Kombination eines hochelastischen Elastomers für den Tragkörper mit einer außerordentlichen Dämpfung aus dem hydraulischen Wirkapparat ergibt ein Lager, das oberhalb des Dämpfungsbereiches auch für Isolationsaufgaben eingesetzt werden kann.

Im neuen Hydrolager VL ist der Kompromiss aus Isolationsaufgaben für kleinamplitudige Schwingungsanregungen und Dämpfung größeramplitudiger Anregungen auf optimierte Weise gelöst. Dies ist im konstruktiven Aufbau, der Wahl eines hochelastischen Elastomerwerkstoffs und dem Einsatz der von außen sichtbaren Membran begründet. Ein hohes Maß an Dämpfung steht breitbandig zur Verfügung. Die schon verfügbare Vielfalt an Ausführungen gestattet die Lösung vieler verschiedener Aufgaben. Dank des modularen Aufbaus sind auch kundenspezifische Lösungen realisierbar.

Verlustwinkel und dynamische Steifigkeit der Hydrolager

Die unterschiedlichen Charakteristika dieser Hydrolager lassen sich auch anhand der verschiedenen Verlustwinkel (Diagramm 1) und der dynamischen Steifigkeit (Diagramm 2) vergleichen. Im Diagramm 1 wird deutlich, dass sich die Lager KL für die Dämpfung von Relativbewegungen konzentriert beieinander liegender Störfrequenzen eignen, die Hydrolager DL und die Hydrobuchse für die Dämpfung nah beieinander liegender unerwünschter Relativbewegungen und die Hydrolager VL für entfernt voneinander liegender Störfrequenzen. Dieses jeweils gezielt optimierte Lagerverhalten geht mit einem unterschiedlichen Verlauf der dynamischen Steifigkeiten einher.

*Andreas Erl ist Entwickler bei Freudenberg Schwingungstechnik in Velten

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