Analyse des Dämpfungsmechanismus von Schwingungsdämpfungslaufrädern (zur Unterstützung der Auslegung, Auswahl und Fehleranalyse)
Veröffentlichungsdatum: Sep 19,2025
Analyse des Dämpfungsmechanismus bei Schwingungsdämpfungslaufrädern (zur Unterstützung von Designauswahl und Ausfallanalyse)
1. Elastomer-Energieaufnahme
Die Lauffläche besteht vorzugsweise aus hochträgeverlustigem Gummi oder Gieß-Polyurethan, wobei durch die Relaxation der Molekülketten mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die Härte ist einstellbar (Shore A 65–95) und bietet im Bereich von 10–40 % Kompressionsdehnung eine nichtlineare Steifigkeit, die einen "sanften Landeanflug" ermöglicht.
2. Federenergiespeicher
Metallspiralfedern oder Belleville-Stapelfedern werden zwischen Radrahmen und Radachse platziert und sind gemäß der Weg-Last-Kurve gestuft:
- Leichtlastbereich: Steifigkeit 0,8–1,2 N/mm, Isolierung von Bodenanregungen bei 8–15 Hz;
- Überlastungsabschnitt: Steifigkeit 3–5 N/mm, Begrenzung auf über 3 mm übermäßige Verschiebung.
Mehrstufige Parallelschaltung ermöglicht die Abdeckung eines Stoßspektrums von 0,1 g bis 5 g.
3. Dämpfungsverlust
3.1 Materialdämpfung: Kautschuk mit einem Verlustfaktor tan δ von mindestens 0,15 kann bei 20 °C und 50 Hz mehr als 30 % der Schwingungsenergie in Wärme umwandeln.
3.2 Hydraulische Dämpfung: Zylinderdurchmesser 15–25 mm, Viskosität 32 cSt Silikonöl; bietet eine viskose Dämpfung mit einem Geschwindigkeitsindex von 0,3–0,5 sowie ein kritisches Dämpfungsverhältnis ζ von bis zu 0,25, wodurch Resonanzspitzen in einem Frequenzbereich von 30–200 Hz deutlich gedämpft werden.
4. Strukturdämmung
4.1 Unabhängige Aufhängung: Schwingarm- und Gelenkstruktur ermöglicht eine Entkopplung der Freiheitsgrade der einzelnen Räder, wodurch die Übertragungsrate von Bodenunebenheiten ≤ 0,4 (ISO 2631 gewichtet) beträgt.
4.2 Mehrfachradaufstellung mit gleichmäßiger Lastverteilung: Bei einer 4- oder 6-Punkt-Anordnung reduziert die statisch unbestimmte Struktur den dynamischen Lastkoeffizienten pro Rad auf 1/√n (n = Anzahl der Räder) und verringert gleichzeitig das Kippmoment.
5. Härtegradient und mehrschichtiger Verbund
Einsatz der "Weich-Hart-Weich"-Sandwichstruktur:
- Lauffläche ShA 75, bietet hohe Reibung und anfänglichen Stoßdämpfung;
- Mittlerer ShA 95, der übermäßige Verformung kontrolliert;
- Radnabe ShD 65, garantiert Drehgenauigkeit.
Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse zeigen, dass bei einer radialen Belastung von 500 N die maximal auftretende Schwingungsbeschleunigung beim Gradientendesign um 18 % geringer ausfällt als bei der homogenen Struktur.
6. Fluid-elastisches Element
6.1 Luftreifen: Vorbelastung von 0,25–0,35 MPa, die äquivalente Steifigkeit zeigt eine druckvolumenabhängige Nichtlinearität; dadurch wird die Beschleunigungsabnahme auf unebenen Straßen mit Unebenheiten von 5–20 mm um 55–70 % reduziert.
6.2 Flüssigkeitsfüllung: 50 % Ethylenglykol-Lösung, Volumenelastizitätsmodul 2,2 GPa, erzeugt durch Drosselöffnung einen dämpfenden Gegendruck von 0,15 MPa; geeignet für Präzisionsinstrumente von 10–50 kg, mit einer Unterdrückung der sekundären Schwingamplitude von > 25 dB.
Schlusswort
Die Dämpfungslaufräder reduzieren durch ein vierstufiges seriell-paralleles Modell aus "elastischer Verformung – Federenergiespeicherung – Dämpfungsverlust – struktureller Entkopplung" breitbandige, zufällige Vibrationen um 60–90 %, wodurch sich die Lebensdauer der Geräte um das 2– bis 4-fache erhöht und gleichzeitig die Schwingungsgrenzwerte der Klasse A gemäß ISO 2372 eingehalten werden. Bei der Auswahl genügt es, Steifigkeit und Dämpfung entsprechend dem Last-Geschwindigkeits-Boden-Spektrum abzustimmen, um eine zuverlässige Schwingungsdämpfung zu erreichen.
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