Schwingungstechnik Lager auf dem Prüfstand

Zur Reduzierung von Schwingungseffekten werden in technischen Produkten und Maschinen häufig Lager zur Entkopplung von Oszillationen verbaut. Fraunhofer-Forscher haben einen Prüfstand zur Ermittlung des dynamischen Transferverhaltens von Lagern in Betrieb genommen, mit dem Prüffrequenzen von bis zu 2000 Hz möglich sein sollen.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Treten bei der Nutzung technischer Produkte und Maschinen Vibrationen oder Lärm auf, assoziieren Nutzer häufig negative Komforteigenschaften. Dementsprechend sollte es das Ziel der Konstruktion sein, den Ursachen auf den Grund zu gehen und effektive Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt setzt dazu einen neuen Hochfrequenzprüfstand zur Ermittlung des dynamischen Transferverhaltens von Lagern ein.

In nahezu allen technischen Bereichen werden hohe Anforderungen an Produkte gestellt. Abhängig vom Produkttyp stehen die Sicherheit, die Funktionalität, das Design, der Komfort und die Kosten im Fokus. Für die Funktionalität, Effizienz und Sicherheit gelten zum Teil gesetzliche Vorgaben und normative Standards. Ergänzend werden an die Produkte kundenspezifische Anforderungen gestellt.

Schwingungen können die genannten Produkteigenschaften beeinflussen. Daher ist es in der Produktentwicklung essenziell, die eingesetzten Werkstoffe und Bauteile zu prüfen und zu charakterisieren. In Form von Lagern dienen sie zur schwingungstechnischen Entkopplung und steigern damit die Komforteigenschaften.

Untersuchung der dynamischen Steifigkeit

Die passiven und aktiven Lager haben die primäre Aufgabe, die Sicherheit der Ankopplung einer Schwingungsquelle zu gewährleisten, das Gewicht der Schwingungsquelle abzustützen und Schwingungen zu entkoppeln. Zu diesem Zweck ist eine zuverlässige experimentelle Kennwertermittlung erforderlich, um eine Beurteilung der Bauteileigenschaften sowie deren Auslegung hinsichtlich der gewünschten Systemcharakteristik zu gewährleisten. Die dynamische Transfersteifigkeit ist dabei ein wichtiger Kennwert. Sie kennzeichnet in komplexen Größen das vibroakustische Transferverhalten und beschreibt die Trägheits-, Federungs- sowie Dämpfungseigenschaften bei verschiedenen Frequenzen. Üblicherweise erfolgt die dynamische Charakterisierung von Lagern meist mit servohydraulischen Prüfmaschinen, was die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Messergebnisse auf niedrige Prüffrequenzen beschränkt.

Der neue Prüfstand des Fraunhofer-LBF ist für Untersuchungen der dynamischen Steifigkeit bis 2000 Hz konzipiert. Die eingesetzte Aktorik besteht aus einem elektromechanischen Spindelantrieb und einem elektrodynamischen Schwingerreger. Den dynamischen Signalanteilen von bis zu 8 kN (Sinus, Rauschen, Schock, Sinus über Rauschen, Zeitdaten) des Schwingerregers kann eine statische Vorlast von bis zu 5 kN überlagert werden. Der Probenraum mit den Abmessungen 550 mm × 300 mm × 300 mm ermöglicht die Untersuchung von kleinen Werkstoffproben bis hin zu großen Lagern. Während des Prüfbetriebs werden relevante Messgrößen kontinuierlich überwacht und aufgezeichnet. Die Prüfung unter Temperatureinfluss sowie deren Überwachung ist ebenfalls möglich. Die Eignung des Prüfstands für den spezifizierten Einsatz wurde in Anlehnung an die DIN-Normenreihe 10846 nachgewiesen.

Ergebnisse relevant für Entwicklung von aktiven und passiven Lagern

Anwendung finden die Prüftechnik und die daraus resultierenden Ergebnisse, wie beispielsweise dynamische Steifigkeit, Verlustwinkel und Kraft-Weg-Hystereseschleifen, im Rahmen des Entwicklungsprozesses von passiven und aktiven Lagern. Der Einsatzzweck des Prüfstands besteht in der dynamischen Charakterisierung von Lagerungskomponenten, Entwicklung und Test von aktiven Lagern, Parametrierung und Validierung numerischer Simulationsmodelle und der Untersuchung von neuen Werkstoffen. Mit dem Ziel, Schwingungen zu entkoppeln, werden Werkstoffe und Bauteile in nahezu allen technischen Bereichen und damit Produkten eingesetzt. Die wesentlichen Industriezweige sind die Automobilindustrie, die Transportindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau sowie die Konsumgüterindustrie.

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