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ACE Stoßdämpfer GmbH

Die Pulsationsfrequenz bestimmt den Dämpfungseffekt

Zur Bewertung des Einflusses wurden Pulsationsversuche im Frequenzbereich von f_kss = [1; 50] Hz ohne Materialabtrag durchgeführt. Das geschah mit dem in Bild 3 dargestellten Versuchsaufbau. Über eine unter dem Bohrstangenhalter befestigte Kraftmessplattform der Kistler Instrumente GmbH (Typ 9129A) wurden die auf den Bohrstangenhalter wirkenden Kräfte infolge einer KSS-Pulsation gemessen. Die Pulsation wurde mit einem 4/3-Wege Ventil der Jos. Schneider Optische Werke GmbH (HVM067) erzeugt, gesteuert über einen Industrie-PC der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG. Der Volumenstrom wurde mit einem Volumenstromsensor SBU625 der IFM electronic GmbH gemessen.

In Bild 4 sind exemplarisch die resultierenden Kraft- und Volumenstromverläufe für die KSS-Pulsationsfrequenzen f_kss = [15,20] Hz dargestellt. Die Zeitbereiche, in welchen das Regelventil geöffnet ist, sind grau hinterlegt. Die Bereiche, in denen es geschlossen ist, sind weiß hinterlegt. Die Verläufe des aus der Pulsation resultierenden Volumenstroms V̇ sind in Grün zu sehen und die der Pulsationskräfte F_puls in Schwarz. Um Rauscheffekte zu eliminieren, wurde ein Bandpassfilter mit den Grenzfrequenzen f_g1 = 5 Hz und f_g2 = 40 Hz auf das Signal der Kraft angewandt.

Für beide Frequenzen ist der Zeitbereich zwischen t = 0,0 s und t = 0,2 s dargestellt. Für f_kss = 15 Hz sind daher drei Perioden und für f_kss = 20 Hz vier Perioden dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 0,0 s ist das Ventil geschlossen. Hier sinken Pulsationskraft und Volumenstrom. Nach der Öffnung des Ventils (Beginn eines hellgrauen Bereichs) zum Zeitpunkt t = 17 ms sinken Pulsationskraft und Volumenstrom zunächst weiter, bevor sie anschließend ab dem Zeitpunkt t = 33 ms ansteigen.

Zwischen der Öffnung des Ventils und dem Steigen des Volumenstromes liegt die Zeitspanne Δt, welche im Bereich Δt = 12 ms bis Δt = 16 ms zwischen verschiedenen Perioden variiert. Diese Verzögerung im Anstieg des Volumenstromes zur Öffnung des Ventils entsteht durch die benötigte Zeit zur Umsetzung des Schaltvorgangs im Ventil, sowie durch die Zeit, die der KSS-Impuls vom Schaltventil zum Volumenstromsensor benötigt (Strecke L_sv = 500 mm). Es ist folglich die kürzest mögliche Zeit, die das Pulsationssystem benötigt, um auf eine Änderung der Ventilstellung zu reagieren.

Gedanken zum möglichen Einfluss der Pulsationsfrequenz

Mit der Erhöhung der Frequenz von f_kss = 15 Hz (Bild 3a) auf f_kss = 20 Hz (Bild 4b), geht eine Verkürzung der Öffnungszeit t_open einher, die den Volumenstrom und damit auch die Kraft F_puls verringert. Für f_kss = 15 Hz (Bild 4a) kann eine maximale Pulsationskraft von Fpuls = 10 N erzielt werden. Allerdings wird diese nicht in jeder Periode erreicht. Die maximale Pulsationskraft einer Periode variiert zwischen F_puls = 8 N und F_puls = 10 N. Für f_kss = 20 Hz (Bild 4b) wird zwar ebenso eine maximale Pulsationskraft von F_puls = 10 N gemessen, die Variation über die Perioden hinweg liegt aber lediglich im Bereich F_puls = 6 N und F_puls = 10 N. Für f_kss = 15Hz (siehe Bild 3a) steigt der maximale Volumenstrom auf bis zu V̇_max = 38 l/min, für f_kss = 20 Hz, Bild 4b) auf nur V̇_max = 32 l/min. Die minimalen Volumenströme steigen hingegen mit der Frequenz an.

Hieraus resultiert, dass die Differenzen zwischen den maximalen und minimalen Volumenstromwerten (ΔV̇) mit steigender Frequenz sinken. Der Grund dafür ist die Trägheit des 4/3-Wegeventils, welches nicht mehr vollständig schließen kann. Die Differenzen der Volumenströme ändern sich qualitativ ähnlich zu den maximalen Kräften. Die maximal erreichbare Pulsationskraft ist aus diesem Grund von der sich einstellenden Differenz ΔV̇ zwischen dem Maximum und dem Minimum des Volumenstroms und somit von der Pulsationsfrequenz f_kss abhängig.

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