Schwingungen – das unkalkulierbare Risiko?

Wenn die Hydraulik ein Eigenleben entwickelt, Schläuche unkontrolliert zucken und ruckeln, der Geräuschpegel ins Unerträgliche steigt und Lasten ins Schlingern geraten, ist die Not groß. „Wenn Schwingung da sind, ist das ärgerlich – dann muss man noch einmal eingreifen, was Kosten produziert, und Zeitverlust bedeutet“, sagt André Westhoff, Inhaber Westhoff Mobile Hydraulik (WMH), einem Systemintegrator für Hydraulikanwendungen in Nutzfahrzeugen. Die Fehlersuche ist häufig mühselig. Denn die Ursachen erhöhten Schwingungsverhaltens sind vielfältiger Natur. „Da kann vieles mitspielen“, sagt Westhoff. Ist die Maschine unterschiedlichen Temperaturen, Einsatzbedingungen und Ölviskositäten ausgesetzt, hat dies immer Auswirkungen.

„Das Thema Schwingungen ist immer latent vorhanden. Jeder, der sich mit Hydraulik beschäftigt, weiß, dass Schwingungen auftreten können und im Fall der Fälle sehr unangenehm sind.“

André Westhoff, Inhaber Westhoff Mobile Hydraulik

Die Führung der Schläuche, Beschaffenheit des Tanks, Auslegung des Systems oder schlicht Dinge außerhalb der Hydraulik beeinflussen das Schwingungsverhalten. „Nicht immer ist die Hydraulik verantwortlich“, betont Westhoff. Verursacher kann zum Beispiel der Antriebsmotor sein. „Der Verbrennungsmotor ist ein wunderschönes Beispiel für die Komplexität der Problematik: Er arbeitet intermittierend, die Kolben bewegen sich auf und ab und erzeugen Kräfte in allen drei Raumrichtungen. Auch das abgegebene Drehmoment ist nicht konstant, sondern schwingt ins Positive und Negative“, sagt Patrick D. Fischer, Division Engineering Manager bei Parker Hannifin, Hydraulic Pump & Motor Division Europe. Wenn in das System keine konstante Drehzahl eingebracht wird, versucht die Verstellpumpe die unterschiedliche Drehzahl auszutarieren. „Das unterschiedlich ankommende Öl am Steuerventil verursacht dann Schwingungen“, ergänzt Westhoff.

Besser nicht ignorieren

Ignoriert man die Schwingungen, mag das eine Weile gut gehen, doch letztendlich schadet dies auf Dauer: „Die verschiedenen Lastwechsel äußern sich in rohen Druckspitzen, die Schlauchleitungen extrem belasten, aber auch die Bauteile selbst“, sagt Westhoff. Wenn etwa die Bauteile regulär auf 300 bar berechnet sind und die Schwingung Druckspitzen von 400 bar erzeugt, führt das zu erhöhtem Verschleiß. Die Hydraulikpumpe, das Bauteil, das den Druck erzeugt, leidet besonders. Durch die Schwingung entstehen sowohl Druckschwankungen als auch Volumenstromschwankungen – die Ölsäule wird beschleunigt und abgebremst. „Das kann zu Kavitation führen“, sagt Westhoff. Kavitation kann an fast jedem Bauteil Schäden hervorrufen. So können im laufenden Betrieb Wellen brechen, Lagerschäden oder sich lösende Schraubenverbindungen auftreten.

„Schwingungen sind generell für alle Maschinenelemente problematisch. Auch Dichtungsschäden und Leckagen können die Folge sein“, sagt Fischer. Unerwünschte Geräusche belasten zusätzlich. „Letztendlich generieren all diese durch Schwingungen bedingten Phänomene Geräusche und Geräuschbelastungen, die man nicht haben will“, so Fischer.

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Regelbarkeit des Systems leidet

Doch nicht nur die Schäden sind ein Ärgernis: „In Hydrauliksystemen mit Regelaufgaben erschweren Schwingungen die präzise Steuerung. Wenn beispielsweise eine Position über den Zylinder angefahren werden soll und alles schwingt, ist mehr Nachregelung erforderlich“, berichtet Fischer. Stark schwankende Drehzahlen sind im Einsatz nicht akzeptabel. Westhoff beschreibt dies am Beispiel eines hochdynamischen Systems, wie zum Beispiel einem Lkw-Ladekran, der sich schnell bewegen soll, aber plötzlich anfängt zu schwingen. „Dann habe ich keine Positionierkontrolle mehr. Er bewegt sich mal links, mal rechts, mal rauf, mal runter, was nicht gewollt ist“, sagt Westhoff. So stellt sich bereits bei der Planung die Frage, welche Volumenströme und Drehzahlen sind erforderlich und sind Geräusche womöglich weniger wichtig? „Oft müssen Kompromisse eingegangen werden. Eine Einkapselung der Pumpe zur Geräuschreduzierung macht das Produkt beispielsweise teurer“, berichtet Fischer.

Das Problem ist altbekannt und hat bereits vor 100 Jahren die Ingenieurswelt beschäftigt. Danilo Persici, Entwicklungsingenieur bei dem italienischen Pumpenhersteller Marzocchi Pompe S.p.A., berichtet von dem Erfinder Francis W. Davis, der um 1900 eine schrägverzahnte Zahnradpumpe entwickelte, die wesentlich geräuschärmer arbeitete als andere Verdrängerpumpen. „In Verdrängerpumpen verursacht das eingekapselte und pulsierende Öl zwischen den Zähnen der Pumpe die störenden Geräusche“, sagt Persici. Die Pumpen Francis W. Davis wurden erfolgreich in den Automodellen Pierce-Arrow und Buick verbaut. Allerdings war die Herstellung des Zahnprofils damals noch sehr aufwendig und teuer. Daher wurde die Herstellung der Pumpen während der Wirtschaftskrise 1934 eingestellt. „Wir haben diese Technologie nun 90 Jahre später wieder aufgegriffen, um sie für Hochdruck- und Mobilanwendungen zu nutzen“, sagt Persici. Gemeinsam mit der Universität Bologna entwickelte Marzocchi die Zahnradpumpe Elika. Dank der patentierten Schrägverzahnungstechnologie erzielt Elika eine geringe Geräuschentwicklung und hohe Effizienz über einen breiten Drehzahlbereich, insbesondere in Kombination mit bürstenlosen Motoren mit variabler Frequenzumsteuerung. „Elika reduziert die Geräuschemission im Vergleich zu einer herkömmlichen Zahnradpumpe um bis zu 15 dBA“, so der Ingenieur.

Kolbenpumpen mit Vorkompressionsvolumen zur Schwingungsdämpfung

„Das Beste ist, Schwingungen direkt an der Quelle zu reduzieren – also eine Pumpe zu entwickeln, die von sich aus weniger Schwingungen abgibt. Daran arbeiten wir heute.“

Patrick D. Fischer, Division Engineering Manager Parker Hannifin, Hydraulic Pump & Motor Division Europe

Welche Maßnahmen gegen unerwünschte Schwingungen und Geräusche möglich sind, variiert stark, je nach Anwendungsfall und Pumpenart: „Bei Pumpen schwingt typischerweise der Volumenstrom – die Flüssigkeit wird nicht perfekt kontinuierlich, sondern eher stoßweise gepumpt. Kolbenpumpen wie Axialkolbenpumpen oder Schrägachsenpumpen verursachen typischerweise höhere Schwingungen als beispielsweise Flügelzellenpumpen, die etwas kontinuierlicher arbeiten“, erläutert Fischer. 

Die Kolbenpumpen bei Parker haben ein Vorkompres­sionsvolumen. Dieses zusätzliche Volumen dämpft den Volumenstrom. „Diese Technologie haben wir kürzlich in der neuen Generation von Schrägachsenpumpen F1e und F12e implementiert“, sagt Fischer. Wie wirkungsvoll die Vorkompressionskammer bei Kolbenpumpen ist, zeigen Prüfstandsmessungen. Sie weisen die Reduzierungen der Geräuschemission um bis zu 8 dB(A) je nach Betriebspunkt nach. Zusätzlich kann das Timing optimiert und kleine Nuten in der Ventilplatte eingefügt werden. Die Ventilplatte kann hinsichtlich Geräuschverhalten optimiert werden, indem bestimmte Winkel modifiziert und konstruktive Merkmale wie die Nuten angepasst werden.

Schwingungsanfällig: Verstellpumpen

In vielen Anwendungen spielt das Thema Energie eine große Rolle. „Je komplexer ein System wird – und da kommen Verstellpumpen zum Einsatz, von denen man sich höhere Energieeffizienz erhofft – desto höher ist die Schwingungsanfälligkeit“, berichtet Westhoff. Denn jede Regelgröße im System erhöht die Gefahr der Schwingungsneigung, daher sind Verstellpumpen schwingungsanfälliger als andere Pumpen. Die Entwickler von InLine Hydraulik, einer ehemaligen Tochter von Hawe Hydraulik, setzen sich intensiv mit der Thematik auseinander: Das Credo von Entwicklungsleiter Jörg Siering lautet dabei: „So wenig Reibung wie möglich.“ Durch Materialauswahl plus spezieller Geometrie können die Verstellpumpen InLines schwingungsarm betrieben werden. „Wir nutzen zum Beispiel spezielles Lagerschalenmaterial gegenüber gehärtetem Stahl“, präzisiert der Entwicklungsleiter. Weitere Möglichkeiten wären Stellzylinder ohne Elastomer-Dichtung oder hydrostatische Lager. „Die bauen wir ein, um den Slipstick-Effekt zu vermeiden“, sagt Siering. „Spezielle Stellkolben wirken ebenfalls stabilisierend bei Fördervolumen oder Schwenkwinkel nahe null“, ergänzt Siering.

Auch die Auswahl gut aufeinander abgestimmter Komponenten innerhalb des Gesamtsystems kann das Risiko weiter minimieren: Dafür arbeiten Hawe Hydraulik und InLine Hydraulik eng zusammen. Sie stimmen ihre Komponenten so aufeinander ab, dass störende Schwingungen möglichst ausgeschlossen werden. „Wir haben eine neue V60N-Serie 04 - Lkw-Pumpe, die zum Beispiel mit einem bestimmten Ventilblock von Hawe sehr gut kombiniert werden kann“, berichtet Siering.

In Load-Sensing-Systemen kann die Signalleitung zu unerwünschten Schwingungen führen. „Bei traditionellen Load-Sensing-Systemen, die mit einer Signalleitung arbeiten – die auch eine Hydraulikleitung ist – ist das schwierig auszuschließen“, berichtet Westhoff. Bei der Planung eines Load-Sensing-Systems, spielen Querschnitt und Länge von Haupt- und Signalleitung eine große Rolle. „Die beiden Leitungen können falsch ausgelegt stark zur Schwingungsneigung beitragen“, erklärt Siering.

Tank mit schwingungsdämpfendem Schaum

Doch auch der Tank spielt eine entscheidende Rolle bei der Dämpfung von Schwingungen. Design, Position und Größe der Ein- und Auslässe beeinflussen die Strömungsgeschwindigkeiten und das Schwingungsverhalten. Dr.-Ing. Maximilian Kuhr, Gruppenleiter Tribologie und Kavitation berichtet von einem Forschungsvorhaben des Instituts für Fluidsystemtechnik der TU Darmstadt: „Die Idee unseres Forschungsvorhabens ist es, die thermodynamischen Prozesse im Hydraulik-Akkumulator zur Gewinnung von Energie zu nutzen. Das geschieht über einen Puffer im Speicher, der Schaum beinhaltet. Durch den Druck verhärtet sich der Schaum. Es findet auf molekularer Ebene ein Stoffaustausch statt, bei dem Energie entsteht. Ein Nebenschauplatz unseres Projektes ist das dynamische Verhalten des Hydraulikmediums. Ich vermute, dass das Schwingungsverhalten durch den Puffer, der den Druck auffängt, positiv beeinflusst werden kann. Noch stehen wir am Anfang unseres Forschungsvorhabens, doch die Schwingungsdämpfung wird sicherlich eine Rolle spielen.“

Klassisch ist die Dämpfung durch Einkapselung der Hydraulikpumpe, des Steuerventils oder der Leitung. „Das geht aber einher mit einem Geschwindigkeitsverlust. Hier gilt es immer abzuwägen“, Westhoff. Man möchte häufig eine gute Regelbarkeit und Dynamik im System haben, aber damit steigt auch die Schwingungsanfälligkeit. „Ich kann ein System so dämpfen, dass es völlig linear fährt, aber dann habe ich überdämpft“, so Westhoff. So ganz können Schwingungen laut Westhoff niemals ausgeschlossen werden. „Man kann natürlich viel berechnen, aber Schwingung ist ein absolutes Praxisthema, auf das man häufig trifft, wenn die Inbetriebnahme nicht sorgfältig genug durchgeführt wurde“, so der Firmeninhaber von WMH. Werden dort nicht alle Betriebsparameter sorgfältig abgefangen, kann es zu Störungen im Betrieb kommen. „Ich teste hier in der Halle bei 20 Grad, aber plötzlich ist die Maschine im Einsatz bei 35 Grad – die veränderte Ölviskosität kann Schwingungen hervorzurufen.“

Patrick Fischer ist ähnlicher Meinung: „Die Kunst besteht darin, Theorie und Praxis miteinander zu verbinden.“ Hat man ein regelbares System, kann eventuell nachjustiert werden. „Durch diese Feineinstellungen können Schwingungen gedämpft werden und das System stabilisiert werden“, sagt Siering. Dafür gibt es mechanische oder elektronische Lösungen. Bei den InLine-Verstellpumpen kann am Regler mit zwei unabhängig voneinander verstellbaren Einstellschrauben die Größe der Bypass- beziehungsweise Aufregel-Düse über eine Stellschraube verändert werden, statt diese aufwendig auszutauschen, wie das üblicherweise nötig ist. Im elektrohydraulischen Regler läuft das über die Optimierung der Parameter in der Software. Kommt man damit nicht weiter, beginnt die Detektivarbeit vor Ort: Die Techniker von Parker setzen Geräuschkameras ein, um der Geräuschquelle auf die Spur zu kommen. „Mit Farben – ähnlich einer Thermalkamera – wird angezeigt, wo am meisten Geräusch entsteht und wie viel Dezibel es sind“, erläutert Fischer. Dabei zeigt sich laut Fischer fast immer, dass die Pumpe nicht das lauteste Element ist, sondern die Geräusche beispielsweise durch Schläuche entstehen, die schwingen und gegen Fahrzeugbleche schlagen.