Der erste Schritt zur Druckpulsationsanalyse – Ein Blick auf die Schwingungsformen
Bevor eine fundierte Druckpulsationsanalyse durchgeführt werden kann, verschafft sich RohrLEx zunächst einen umfassenden Überblick über die Resonanzsituation im Leitungssystem. Dabei stehen drei zentrale Fragen im Fokus:
- Welche Pulsationsquellen sind vorhanden?
- Wie ist die Topologie des Leitungssystems aufgebaut?
- Und vor allem – wie sind die Leitungsabschlüsse gestaltet?
Gerade die Art der Leitungsabschlüsse spielt eine entscheidende Rolle, da sie maßgeblich beeinflusst, welche Schwingungsformen sich im System ausbilden. Je nach Kombination der Endbedingungen entstehen unterschiedliche Resonanzmuster, die für die Analyse und Optimierung des Systems von entscheidender Bedeutung sind.
Die typischen Schwingungsformen lassen sich wie folgt unterscheiden:
Welche Schwingungsformen gibt es?
Die Schwingungsformen in einer einfachen hydraulischen Leitung können in die zwei Kategorien „gleichartiger Abschluss“ oder „entgegengesetzter Abschluss“ aufgeteilt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von den Abschlussimpedanzen der Leitung. Die Abschlussimpedanzen bestimmen, ob sich eine λ/4- oder eine λ/2-Schwingungsform ausbildet. „Gleichartig“ bedeutet dabei, dass beide Leitungsabschlüsse hinsichtlich ihres Pulsationsreflexionsverhaltens entweder „offen“ (Reflexionsfaktor = -1) oder „geschlossen“ (Reflexionsfaktor = 1) sind. Bei entgegengesetzten Abschlüssen ist jeweils ein Leitungsende „offen“ und das andere „geschlossen“.
Die Schwingungsform entscheidet darüber, an welcher Stelle des Leitungssystems sich Druckknoten und Druckbäuche bilden. Die Kenntnis der Druckbauchposition ist wichtig für die Positionierung einer Dämpfungsmaßname oder eines Tilgers (Resonators).
RohrLEx hat auch einen Flyer zu Schwingungsformen in hydraulischen Leitungssystemen erstellt, in dem hydraulische Beispielsysteme mit ihrer jeweiligen Schwingungsform vorgestellt werden und indem beschrieben wird, wie sich die Schwingungsform in einem Zylinderantrieb hubabhängig ändert.
Eine druckgeregelte Pumpe, die in eine Leitung mit geschlossenem Proportionalventil fördert, oder ein hydrostatisches Getriebe sind Systeme, die mit hoher Wahrscheinlichkeit ein beidseitig geschlossenes System bilden und somit eine λ/2-Schwingungsform haben.
Dies entspricht dem Anwendungsfall, bei dem eine Pumpe einen Behälter füllt. Gilt aber auch für einen Zylinder, der sehr weit ausgefahren ist. Die Pumpe repräsentiert hier das geschlossene Ende und das Zylindervolumen das offene Ende.
Eigenmoden von Flüssigkeitsresonanzen in einer einseitig offenen Rohrleitung mit Anregung am offenen Abschluss
Die Schwingungsbedingung “offen – geschlossen” tritt häufig in Fahrzeughydrauliksystemen auf, bei denen die Fahrbahnoberfläche eine Vibrationsanregung auf den Lenkzylinder oder die Luftfeder bewirkt. Hierdurch wird dann eine Volumenstrompulsation im System erzeugt, die bei λ/4 Resonanz am Ventil eine störende Druckpulsation verursacht.
Eigenmoden von Flüssigkeitsresonanzen in einer Rohrleitung mit offenen Abschlüssen an beiden Enden
Der Anwendungsfall “offen – offen” ist gegeben, wenn zwei Behälter über eine Rohrleitung verbunden sind. Dieser Anwendungsfall ist in hydraulischen Systemen eher selten. In der Praxis kommt er dennoch vor, wenn z. B. in einem Konstantdrucksystem eine Pumpe zusammen mit einem Speicher eingesetzt wird und beide Bauteile über eine Rohrleitung mit einem ausgefahrenen Zylinder verbunden sind.
