Hydrolager halten Schwingungen von Kabinen mobiler Arbeitsmaschinen fern

Der Schutz des Maschinenbedieners vor Vibration und Lärm spielt eine immer wichtigere Rolle. Gerade mobile Arbeitsmaschinen können länger ermüdungsfrei betrieben werden, wenn die Belastungen für die Bediener auf ein Mindestmaß reduziert sind. Die Europäische Union hat den Arbeitnehmerschutz in Vorschriften fixiert. Diese Verordnungen werden nun schrittweise in nationales Recht umgesetzt. Somit besteht für Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen dringender Handlungsbedarf.

Mobile Arbeitsmaschinen haben Antriebe mit leistungsstarken Motoren. Größere Maschinen verfügen in der Regel zudem über Kabinen für Fahrer und Maschinenbediener. Für die Lagerung solcher Kabinen werden sehr häufig Konuslager eingesetzt. Sie ermöglichen eine gute Schwingungsisolationswirkung in axialer Richtung und eine gute Führung der zu lagernden Massen in radialer Richtung. Erreicht wird dies aufgrund der relativ höheren Steifigkeit des Konuslagers sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Für die Herstellung dieser Elastomer-Verbundlager kommen in der Regel niedrigdämpfende Elastomere zur Anwendung, denn das Hauptziel ist die Isolation von Schwingungen.

Motoren und Kabinen verhalten sich niederfrequent wie starre Massen. Die zugehörigen ausgeprägten Eigenfrequenzen der federnd gelagerten Masse äußern sich zum Beispiel durch Nicken oder Wanken. Die bei diesen Eigenfrequenzen auftretenden Resonanzüberhöhungen lassen sich durch eine entsprechende Dämpfung reduzieren. Um aber gleichzeitig Lagerelemente mit geringstmöglichem Bauraum nutzen zu können, hat sich die Integration einer hydraulischen Dämpfung in die Elastomer-Verbundteile in Form von Hydrolagern oder Hydrobuchsen als ideal erwiesen.

Niederfrequenz-Schwingungen durch Hydrolager tilgen

Hydrolager sind so gestaltet, dass ein Fluid dicht in ein Elastomer-Verbundteil eingeschlossen wird. Gleichzeitig werden Teilvolumina des Elastomer-Verbundteils als Fluidkammern so gestaltet, dass sie miteinander verbunden sind.

Das enthaltene Fluid kann diese Verbindung durchströmen. Relativbewegungen zwischen den beiden Anbindungsteilen eines Lagers verursachen Verformungen des Elastomerbauteils, die sich direkt auf das eingeschlossene Fluid übertragen und durch die relative Vergrößerung oder Verkleinerung der Hauptkammern zum Strömen des Fluids führen.

Die physikalische Wirkung der in Hydrolagern verwendeten Fluide wird von der Fluidmasse und der Viskosität bestimmt. Die Resultate sind ein Masse- und Reibungseffekt. Aufgrund des Masseeffekts wird je nach Phasenlage der bewegten Fluidmasse gegenüber der Anregung am Innen- oder Außenteil des Lagers eine Kraft erzeugt, die im günstigsten Fall sogar die Anregung ausgleichen kann. Der Reibungseffekt bewirkt, dass sich die mit der strömenden Flüssigkeit verbundene kinetische Energie reduziert.

Grund dafür ist die innere Reibung des Fluids mit der nicht umkehrbaren Energieumwandlung in Wärme. Die gezielte Optimierung eines Hydrolagers ermöglicht, dass die stets gleichzeitig auftretenden Effekte zueinander gewichtet werden. Im Ergebnis wird dadurch die Dämpfung eines Lagerelements je nach Bedarf breit- oder schmalbandig eingestellt.

Muss beispielsweise eine Kabinenlagerung auf eher weit voneinander entfernte Anregungsfrequenzen ausgelegt werden, empfiehlt sich der Einsatz des Hydrolagers VL von Freudenberg. Eine anspruchsvolle Motorlagerung kann zudem gezielt auf eine Anregungsfrequenz oder auf dicht beieinander liegende Anregungsfrequenzen ausgelegt werden, die passende Antwort ist beispielsweise das Hydrolager der Bauart KL.

Elastomere Werkstoffe zur Körperschallisolation
Diese Hydrolager sind immer auch unter dem Gesichtspunkt der Körperschallisolation auf höhere Anregungsfrequenzen bis in den akustischen Frequenzbereich hinein optimiert. Basis dafür sind die geringe Verhärtung und die geringe Dämpfung der dabei verarbeiteten Elastomere. Darüber hinaus ist beim Hydrolager KL zwischen den Hauptkammern eine mit Spiel frei bewegliche Elastomermembran integriert. Sie reduziert den Relativdruck zwischen den Kammern bis zu einer eingestellten Anregungsamplitude.

Aufgrund der elastomeren Membran strömt das Fluid nur mit sehr niedriger Geschwindigkeit – trotz Schwingungsanregung. Daraus resultiert bis zu höheren Schwingungsfrequenzen, die bis in den akustischen Frequenzbereich hinein reichen, praktisch kein höheres Dämpfungsniveau als das des Elastomers der Hauptfeder. Auch die Steifigkeit verbleibt auf dem Niveau eines Lagerelements ohne hydraulischen Wirkmechanismus. Damit werden beste Voraussetzungen für eine deutliche Reduzierung des Geräuschniveaus erreicht.

Auch mit dem Hydrolager DL und mit Hydrobuchsen wird der Geräuschpegel reduziert. Diese Lagerelemente ermöglichen zwar oberhalb einer bestimmten Frequenz nur ein Dämpfungsniveau, das dem des Elastomers des Tragkörpers selbst entspricht; unter Verwendung von Elastomeren, die hinsichtlich Schwingungsisolation optimiert sind, wird jedoch auch mit diesen Lagern ein sehr geringes Geräuschniveau erreicht.

Die immer höheren Anforderungen an das vibroakustische Verhalten mobiler Arbeitsmaschinen lassen sich mit hydraulischen Lagerelementen erfüllen, ohne merkliche Kompromisse bei den Trag-, Isolations- und Dämpfungseigenschaften eingehen zu müssen. Ziel jeder Systemauslegung ist die Ermittlung eines optimalen Lagerungssystems.

Dabei stehen immer die Lagerungstechnik, die Anzahl der Lager sowie die bestmöglichen Lagerpositionen hinsichtlich Kosten und Funktion im Entwicklungsfokus. Diese Kriterien werden in der Regel durch Anforderungen an die Gesamtakustik, den Komfort, die Freiwege und die Lebensdauer ergänzt.

Komplette Großmaschine schwingungstechnisch am Computer simulieren

Freudenberg Simrit ist in der Lage, ein komplettes Fahrzeug oder eine Großmaschine schwingungstechnisch am Computer 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 die Optimierung mittels computerbasierter Simulationstools sowie die Umsetzung durch gezielte Produktgestaltung.

Die Berechnung der Schwingungsbelastung erfolgt über mathematische Ersatzmodelle. Der Vorteil der eingesetzten Ersatzmodelle besteht darin, dass sie überschaubar sind, mit verhältnismäßig geringem Aufwand rechnerisch lösbar bleiben und trotzdem zu einer sehr guten Annäherung an das reale Schwingungsverhalten führen. Mit Hilfe solcher Simulationen und Berechnungen am Computer lassen sich bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium verlässliche Vorhersagen zu definierten Systemeigenschaften machen.

Andreas Erl ist Entwicklungsingenieur bei der Freudenberg Schwingungstechnik Industrie GmbH & Co. KG in Velten bei Berlin. Weitere Informationen: Freudenberg Simrit GmbH & Co. KG, 69465 Weinheim, Tel. (0 18 05) 74 67 48, Fax (0 18 03) 74 67 48, info@simrit.de