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Systemverhalten von Elastomerkupplungen unter stoßartiger Belastung

FVA 685 II, IGF-Nr. 19459 N

In der industriellen Praxis werden Elastomerkupplungen zur Kompensation von Drehmomentstößen in Antriebssträngen eingesetzt. Ihre Eigenschaften werden hierbei von der Stoßcharakteristik erheblich beeinflusst - ein Zusammenhang, der in der spezifischen Auslegung vernachlässigt wird und mit klassischen Verfahren nicht messtechnisch erfassbar ist. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es daher, durch Entwicklung eines neuartigen experimentellen Verfahrens eine Möglichkeit zu schaffen, hochelastische Kupplungen unter Laborbedingungen hochdynamischen Stößen auszusetzen. Anschließend sollten die erkannten Zusammenhänge der spezifischen Auslegung zugänglich gemacht werden. Der gewählte Lösungsansatz ist in Abbildung 1 zusammengefasst. Es wurde zunächst eine Methodik entwickelt und umgesetzt, Elastomerkupplungen mithilfe eines Fallturms unter hoch-energetischen transienten Stößen zu untersuchen. Durch Einsatz eines weiteren Prüfstands mit einem grundlegend abweichenden Versuchsprinzip, dem „torsionellen Stoßprüfstand“ (TSP), konnte die Übertragbarkeit der erzielten Ergebnisse auf realitätsnahe Anwendung validiert werden. Abschließend wurde ein mathematisches Modell entwickelt und basierend auf den experimentellen Ergebnissen parametriert. Dieses Modell kann in Zukunft zur Abschätzung der Kupplungseigenschaften in der Anwendung genutzt werden kann.

Im Laufe des Forschungsvorhabens wurde festgestellt, dass der Fallturmversuch zur Stoßuntersuchung von Elastomerkupplungen geeignet ist. Es können erstmalig sowohl Belastungsamplituden als auch Belastungsfrequenzen untersucht werden, die in der industriellen Anwendung üblicherweise auftreten. Das entwickelte Verfahren zeichnet sich zudem durch sehr geringe Investitionskosten aus. Während der experimentellen Untersuchungen wurden drei Haupteinflussparameter auf das Übertragungsverhalten von Elastomerkupplungen identifiziert. Die zur Beschreibung von Kupplungen verwendeten Beschreibungsgrößen Steifigkeit und Dämpfung werden hauptsächlich von der Belastungsfrequenz- und Amplitude sowie der Vorspannung beeinflusst. Durch Entwicklung eines weiteren Prüfkonzepts in Form des TSP konnte die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf die industrielle Anwendung bestätigt werden. Im TSP wird der Stoß nicht mittels eines Fallkörpers, sondern, wie in der industriellen Anwendung, durch sehr schnelle Umkehr einer rotatorischen Bewegung erzeugt. Das ermittelte Übertragungsverhalten beider Versuchskonfigurationen stimmte überein.

Die experimentell ermittelten Zusammenhänge konnten in einem einfachen mathematischen Modell zusammengefasst werden, welches die Abhängigkeit der Steifigkeit und Dämpfung von den Einflussparametern abbildet. Somit steht erstmalig eine Möglichkeit zur Verfügung den Einfluss hochdynamischer Belastungen auf die dynamischen Eigenschaften von Elastomer-kupplungen zu quantifizieren.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19459 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.