Experimentelle und simulative Untersuchung des dynamischen Körperschallübertragungsverhaltens von Hochdruck-Hydraulikschlauchleitungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund der ständig steigenden Anforderungen zur Minimierung der Lärm- und Vibrationsbelastung des Menschen gewinnen genaue Erkenntnisse über das Körperschallübertragungsverhalten von Hydraulikanlagen und deren Komponenten immer mehr an Bedeutung. Die Körperschallübertragung bzw. -transmission über Schlauchleitungen in Abhängigkeit des nichtlinearen Verhaltens der Schlauchwandstruktur infolge variierender Betriebs- und Materialparameter sowie die Berücksichtigung der Anschlusssituation wurde im Rahmen der experimentellen Untersuchungen in der ersten Projektphase des Vorhabens aufgezeigt. Basierend auf den in der ersten Phase gewonnenen Erkenntnissen wurden in der zweiten Phase des Vorhabens zwei Grundmodelle von Schlauchleitungen (Spiral- und Geflechtsschlauch) mittels der FE-Software ANSYS erstellt. Ein Schwerpunkt des Vorhabens stellt die Validierung der Grundmodelle dar, bei der die ermittelten Modaleigenschaften (Eigenfrequenzen, Eigenmoden) aus der experimentellen Modalanalyse zum Einsatz kamen. Der Modellabgleich der simulativen mit den experimentellen Ergebnissen erfolgte durch ein Optimierungsproblem mittels einer zu minimierenden Zielfunktion, bei dem die unbekannten orthotropen Materialparameter des Druckträgers identifiziert wurden. Die Startwerte für die Parameteridentifikation wurden mit dem mikromechanischen Materialmodel von Halpin-Tsai abgeschätzt. Im letzten Schritt der Modellvalidierung wurde eine gezielte Anpassung der torsionalen Steifigkeit der beiden FE-Modelle durchgeführt. Das unterschiedliche Steifigkeitsverhalten in Biege-, Longitudinal- und Torsionsrichtung für die beiden Schlauchtypen konnte erfolgreich von den validierten Grundmodellen abgebildet werden. Die Allgemeingültigkeit der Modelle wurde für drei unterschiedliche Schlauchnenndurchmesser (Dn = 16, 19 und 25 mm) in einem Druckbereich von 100 bis 300 bar nachgewiesen. Im Anschluss erfolgte eine Parameterstudie, die die Abhängigkeit des Körperschallübertragungsverhaltens von variierenden Konstruktions- und Betriebsgrößen untersuchte. Sowohl der Flechtwinkel als auch fünf Schlauchnenndurchmesser und fünf Schlauchlängen wurden in einem Druckbereich von 0 bis 400 bar systematisch variiert. Während die Torsions- bzw. die Biegemoden exponentiell mit der Druckzunahme steigen, bleibt die longitudinale Mode bei der Druckänderung nahezu unverändert. Eine gezielte Verschiebung dieser Mode bzw. Anpassung der longitudinalen Steifigkeit der Schlauchleitung und daher einen Einfluss auf die Weiterleitung der entsprechenden Körperschallwellen kann mit Änderung der Schlauchlänge und des Schlauchnenndurchmessers erreicht werden. Ein weiterer Parameter, der zurzeit zur Modifikation des Körperschallübertragungsverhaltens angewandt werden kann, ist der Flechtwinkel. Während die Biegemoden bei Erhöhung des Flechtwinkels konsequent steigen, weisen die Eigenfrequenzen der T- und L-Moden ein Maximum bzw. Minimum beim sog. neutralen Winkel auf. Den Abschluss des Vorhabens bildete die Integration des entwickelten FE-Modells in eine bestehende FE-Baugruppenbibliothek eines Hydraulikaggregats. Das realitätsgetreue FE-Modell eines Geflechtschlauchs wurde anstatt einer Schlauchleitung aus Balkenelementen in das FE-Aggregatemodell implementiert. Das dynamische Körperschallübertragungsverhalten des kompletten Hydrauliksystems wurde anhand der durchgeführten Simulationen am Beispiel der Druckvariation exemplarisch demonstriert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of the structure-borne noise transmission behaviour of hydraulic hoses. In: Workshop Proceedings, 7th International Fluid Power Conference, Aachen 2010, Efficiency through Fluid Power, Vol. 2, pp. 243 - 252
Heisel, U.; Slavov, V.
- Structure-borne noise transmission behaviour of hydraulic hoses. In: Conference Proceedings, 8th International Fluid Power Conference, Dresden 2012, Fluid Power Drives, Vol. 2, pp. 289 - 295
Heisel, U.; Stehle,T.; Slavov, V.
- Hydraulische Systeme für spanende Werkzeugmaschinen im Wandel. Ingenieurspiegel 3/2013, S. 26 - 28
Stehle, T.
