Prüfstandsunterbauten: welches Untergestell zu welcher Prüfaufgabe passt

Diese vier Punkte sind je nach Prüfaufgabe unterschiedlich wichtig. Auf einem Reifenprüfstand, der im Hochlauf die Reifentemperatur misst, stören Vibrationen das Messergebnis kaum. Für die Geräuschbelastung des Bedienpersonals und für die Lebensdauer des Prüfstands sind dieselben Vibrationen sehr wohl relevant. Bei einem Traktionsmotor-Prüfstand mit NVH-Messung ist es umgekehrt.

In Anfragen und Lastenheften werden Gestell und Fundament oft als ein Thema behandelt. Technisch sind es zwei getrennte Aufgaben. Das Gestell oder Maschinenbett bestimmt die Eigenfrequenzen des Aufbaus selbst. Maßgeblich sind Steifigkeit, Masse, Geometrie und die Dämpfung des Werkstoffs. Ein zu weiches oder ungünstig geformtes Gestell hat eigene Schwingungsformen, unabhängig davon, wie der Prüfstand aufgestellt ist.

Fundament und Schwingungsentkopplung bestimmen dagegen die Ankopplung an das Gebäude. Sie verhindern, dass Schwingungen aus dem Prüfstand in die Halle wandern, und umgekehrt, dass Erschütterungen aus der Umgebung die Messung stören.

In der Praxis führt das regelmäßig zu einem Missverständnis: Elastomerlager, Luftfedern und Maschinenfüße wirken ausschließlich auf die Ankopplung. Gegen Eigenschwingungen des Aufbaus helfen sie nicht. Wenn ein Gestell bei bestimmten Drehzahlen anfängt zu klingen, lässt sich das durch eine weichere Aufstellung nicht beheben.

Alles hängt an einer einzigen Weichenstellung: Spielt die Eigenfrequenz des Aufbaus hier eine Rolle oder nicht? Ist sie nachrangig, steht eine breite Auswahl an Werkstoffen zur Verfügung. Wird eine Eigenfrequenz oberhalb von etwa 400 Hz gebraucht, bleiben nur noch wenige Optionen.

Die genannten Klassen bilden eine Steigerung ab, von der flexiblen, aber schwingungsunkritischen Lösung bis zum massiven Bauteil für hohe Drehzahlen. Jede hat einen Bereich, in dem sie die wirtschaftlich richtige Wahl ist.

Aluprofil-Systeme

Das typischste Untergestell für einen Prüfstand ist der Aufbau aus Aluminiumprofilen, vielen eher als ITEM-Profil bekannt. Er besteht aus stranggepressten Nutprofilen, die sich über Nutensteine und Winkel zu nahezu beliebigen Strukturen verbinden lassen. Dazu kommt Zubehör für fast jeden Zweck: Konsolen, Rollen, Türen, Kabelkanäle, Verkleidungen. Gelegentlich wird das System als Lego für Ingenieure bezeichnet, und der Vergleich trifft es ganz gut.

Für einen Laborprüfstand ist das oft die richtige Wahl. Der Aufbau steht schnell, lässt sich am nächsten Tag wieder umbauen, und die Einstiegskosten sind gering. Wer regelmäßig unterschiedliche Prüflinge aufnimmt, spart damit mehr Zeit, als eine steifere Konstruktion je wieder einbringt.

Schwingungstechnisch ist der Profilaufbau allerdings kein guter Partner. Die Verbindung über Nutensteine ist kraftschlüssig und damit vibrationskritisch, die offene Struktur dämpft kaum. Sobald etwas rotiert oder dynamisch belastet wird, macht sich das bemerkbar. Wer trotzdem beim Profilsystem bleiben will, legt eine massive Platte als Aufspannebene in den Rahmen: Der Rahmen trägt, die Platte nimmt die Kräfte auf.

Typische Einsätze sind Funktions- und Erstmusterprüfung, Laborprüfstände sowie Sekundärstrukturen wie Verkleidungen, Bedienpulte und Kabelführungen.

Stahlschweißgestell

Wird der Aufbau größer und schwerer, ist mit Aluprofilen irgendwann Schluss. Der nächste Schritt ist dann in aller Regel ein geschweißtes Stahlgestell aus Blechen, Vierkant-Profilen und Rohren, nach Zeichnung als Einzelstück gefertigt. Es ist die Bauweise, mit der die meisten Prüfstände anfangen, und für viele Aufgaben ist sie auch die richtige.

Der Grund ist einfach: Bei Losgröße 1 gibt es kaum etwas Wirtschaftlicheres, auch bei großen Abmessungen. Anschlusspunkte, Aufnahmen und Durchbrüche lassen sich frei anordnen, und wenn später etwas fehlt, wird nachgearbeitet. Diese Freiheit hat kein anderer Werkstoff.

Der Haken sind die ebenen Blechfelder. Sie verhalten sich wie Membranen und haben eigene, oft erstaunlich niedrige Eigenfrequenzen. Bei einem drehzahlvariablen Prüflauf wird nahezu zwangsläufig eine davon getroffen.

Setzt man für einen Prüfstand mit Drehzahlen bis 20.000 min⁻¹ ein Stahlschweißgestell ein, werden im Hochlauf typischerweise mehrere Resonanzstellen durchfahren. Die Seitenbleche wirken dabei wie Membranen und erzeugen bei bestimmten Frequenzen einen deutlich hörbaren Ton. Ein Unterbau aus Naturhartgestein löst das in dieser Drehzahlklasse zuverlässig, solange der Prüfling sauber gewuchtet und präzise ausgerichtet ist.

Naturhartgestein

Wenn ein Stahlgestell an seine Grenze kommt, führt der klassische Weg zum Stein. Naturhartgestein, meist Granit, wird aus dem Block gesägt und geläppt, zu Platten, Balken, Winkeln und massiven Blöcken. Der Werkstoff ist über Jahrzehnte formstabil, dämpft gut und reagiert träge auf Temperaturschwankungen. Aufwendig geschliffen erreicht er Ebenheiten im einstelligen Mikrometerbereich. Er korrodiert nicht und ist unmagnetisch. In der Messtechnik ist er deshalb seit langem gesetzt.

Wirtschaftlich sind nur einfache Geometrien. Komplexe Formen entstehen aus mehreren Einzelteilen, deren Fügeflächen geschliffen, verklebt und verschraubt werden, und der Aufwand steigt dabei schnell. Einbauteile lassen sich nicht eingießen, sondern nur nachträglich einkleben oder verschrauben. Ein T-Nutenfeld direkt im Gestein ist unwirtschaftlich, es müsste separat gefertigt und aufgesetzt werden.

Entscheidend ist dabei weniger die Drehzahl als die Anregung. Bei hohen Drehzahlen funktioniert Naturhartgestein gut, solange die Anregung klein bleibt, also bei sauber gewuchteten und präzise ausgerichteten Prüflingen.

Traditionell wird Naturhartgestein in der Koordinatenmesstechnik, bei Rundlauf- und Formprüfungen und für Präzisionsmesstische eingesetzt. Für Prüfstände mit hohen Drehzahlen eignet es sich ebenso, solange die Geometrie einfach bleibt und keine Einbauteile nötig sind.

Stahlschweißgestell mit mineralischer Füllung

Das Dämpfungsproblem des Stahlgestells lässt sich lösen, ohne die Bauweise aufzugeben. Man gießt die geschweißte Struktur mit einem mineralischen Werkstoff aus. Die Stahlhaut trägt weiterhin und liefert die bearbeitbaren Funktionsflächen, die Füllung übernimmt Dämpfung und Masse. Für einen Prüfstand, bei dem etwas gleichmäßig und schnell dreht, ist das oft der entscheidende Schritt.

Gegenüber der reinen Stahlkonstruktion steigt die Dämpfung deutlich, und die Anschlussflächen bleiben fräsbar. Über die Dichte der Füllung lässt sich außerdem das Bauteilgewicht in weiten Grenzen einstellen. Das ist dann wichtig, wenn der Hallenkran begrenzt ist oder wenn das Bauteil selbst bewegt wird, etwa eine Trommel oder ein Lastschlitten. Auch sehr große Abmessungen sind darstellbar.

Die Eigenfrequenz lässt sich dafür weniger exakt vorhersagen als bei einem massiven Bauteil aus der Form. Die höchsten E-Modul-Werte massiver Mineralgusswerkstoffe sind als Füllung nicht erreichbar, die Steifigkeit wird stattdessen über Bewehrung und Blechstärken erhöht.

Eingesetzt wird die Bauweise bei rotierenden und dynamisch belasteten Prüflingen im mittleren Drehzahlbereich, bei Reifen- und Rollenprüfständen sowie bei bewegten Baugruppen wie Trommeln und Lastschlitten.

Massiver Mineralguss

Am oberen Ende steht der Verzicht auf die Stahlstruktur. Das Bauteil wird als Ganzes in einer Form gegossen, übrig bleibt der massive Werkstoff. Stahlplatten, Gewindehülsen, Leerrohre und Montageschienen kommen beim Guss mit hinein, danach geht der Rohkörper zur Präzisionsbearbeitung. Für schwere und große Aufbauten, etwa einen Reifenprüfstand mit Trommel, ist das die konsequenteste Lösung.

Unter den gießbaren Werkstoffen erreicht diese Bauweise die höchste Steifigkeit, bei gleichzeitig hoher Dämpfung und großer Geometriefreiheit. Weil das Bauteil homogen ist, lässt sich die Eigenfrequenz zuverlässig berechnen, was bei geschweißten Konstruktionen so nicht geht. Medienführungen für Kühlschmierstoff, Elektrokabel oder Druckluft lassen sich direkt integrieren, sodass keine Leitungen außen um den Prüfstand herumlaufen müssen.

Beim Werkstoff ist zwischen zwei Bindemittelsystemen zu unterscheiden. Harzgebundener Mineralguss, auch Polymerbeton genannt, erreicht Elastizitätsmoduln von etwa 35.000 bis 40.000 N/mm². Zementgebundener ultrahochfester Mineralguss gibt es in zwei Güten, mit rund 45.000 N/mm² beziehungsweise 80.000 N/mm². Die höhere Güte ist in ihren mechanischen Eigenschaften mit Naturhartgestein vergleichbar, lässt sich aber mit eingegossenen Einbauteilen besser nutzen.

Ein E-Antrieb mit Drehzahlen bis 25.000 bis 30.000 min⁻¹ braucht einen Prüfstand mit 400 bis 500 Hz Eigenfrequenz. Der Wert ergibt sich direkt aus der Drehzahl: 30.000 min⁻¹ entsprechen 500 Hz, 25.000 min⁻¹ rund 417 Hz. Die Eigenfrequenz des Aufbaus muss also oberhalb der höchsten Drehfrequenz liegen, damit über die gesamte Hochlaufkurve keine Störfrequenzen in die Messung geraten. Reicht der berechnete Wert nicht, ist die Bauhöhe der wirksamste Hebel, weil sie mit der dritten Potenz in das Flächenträgheitsmoment eingeht. Ist die Bauhöhe begrenzt, helfen dicke Stahlplatten auf Ober- und Unterseite, die mit ihrem hohen E-Modul weit entfernt von der neutralen Achse liegen.

Bei Einzelfertigung dominieren die Formkosten, da die Form nach dem Guss meist nicht wiederverwendet wird. Der Werkstoff ist schleifbar, aber nicht fräsbar. Alle gefrästen Funktionsflächen entstehen an eingegossenen Stahlteilen.

Typisch sind Hochdrehzahl-Antriebsprüfstände, Prüfstände mit gezielt aufgebrachter Unwucht, Aufbauten mit komplexer Geometrie und integrierter Medienführung sowie Prüfstände, bei denen der kundenseitige Aufbau nicht feststeht.

Die folgenden Werte dienen der Größenordnung. Kennwerte mineralischer Werkstoffe hängen von Rezeptur und Hersteller ab, für eine konkrete Auslegung sind die Angaben des jeweiligen Lieferanten maßgeblich.

Ein T-Nutenfeld ist keine eigene Unterbau-Klasse, sondern eine Ergänzung. Es schafft eine variable Aufspannebene, auf der Prüfaufbauten montiert, versetzt und wieder aufgebaut werden können, ohne die Grundstruktur anzufassen.

Praktisch wichtig ist die Wiederholgenauigkeit. Über Verstiftung lassen sich Aufbauten auf Zehntelmillimeter genau reproduzieren, was überall dort zählt, wo derselbe Prüfling in Serie oder derselbe Aufbau nach einem Umbau erneut vermessen wird.

Die Spannweite reicht von der kleinen, in einen Aluprofilrahmen eingelegten Platte bis zum durchgehenden Aufspannfeld eines Prüffelds, auf dem komplette Getriebeprüfstände stehen. Bei mineralischen Unterbauten werden die Nuten üblicherweise nicht aus dem Vollen gefräst, sondern über eingegossene Stahlplatten oder vorgefertigte Nutenleisten realisiert. Die Leisten stehen dabei einige Millimeter über die Gussfläche hinaus, damit der Fräskopf bei der Bearbeitung nicht mit dem mineralischen Werkstoff in Kontakt kommt. Aus dem Vollen gefräste Nuten wären deutlich teurer.

Für den Genauigkeitsanspruch gilt dasselbe wie oben: Bei T-Nuten-Aufspannplatten reichen Ebenheiten im Bereich von 0,03 bis 0,05 mm in aller Regel aus. Maßgebliche Normen sind DIN 650 für die Nutmaße sowie DIN 55201 und DIN 55202 für Aufspannplatten. Nicht sinnvoll ist die Kombination mit Naturhartgestein, weil das Nutenfeld dort separat gefertigt und aufgesetzt werden müsste.

Je nach Situation verfolgt die Entkopplung zwei unterschiedliche Ziele. Bei der Quellenisolierung sollen Schwingungen aus dem Prüfstand nicht ins Gebäude und zu benachbarten Arbeitsplätzen gelangen. Bei der Empfängerisolierung geht es um den umgekehrten Weg: Erschütterungen aus der Umgebung sollen die Messung nicht stören.

Wirksam wird eine Isolierung erst, wenn die Erregerfrequenz deutlich oberhalb der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems liegt. Als Orientierung gilt f / f₀ > √2. Unterhalb dieses Verhältnisses wird die Schwingung nicht gedämpft, sondern verstärkt. Eine stärkere Dämpfung senkt die Resonanzspitze, verschlechtert aber die Isolierung im Bereich oberhalb dieser Grenze.

Die gebräuchlichen Ansätze unterscheiden sich vor allem in der erreichbaren Eigenfrequenz. Nivellier- und Maschinenschuhe decken einfache Aufstellungen ab, Elastomerlager den mittleren Bereich, Stahlfedern tiefere Frequenzen und Luftfedersysteme die tiefsten Werte für hochempfindliche Aufbauten. Ein Schwingfundament als eigene Masse im Baukörper kommt dann zum Einsatz, wenn hohe Kräfte abzutragen sind.

Steht ein Prüftisch auf Luftfedern, müssen alle Anschlüsse elastisch ausgeführt sein. Eine starre Leitung oder ein fest verschraubter Anbau überbrückt die Entkopplung und geht über kurz oder lang kaputt, weil er die Relativbewegung aufnehmen muss.

Relevante Regelwerke sind VDI 2038 zur Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen und ISO 10816 zur Bewertung von Maschinenschwingungen.

Die folgenden Punkte stammen aus eigenen Projekten und aus Modernisierungen, bei denen wir bestehende Prüfstände überarbeitet haben.

• Der Betriebsdrehzahlbereich wird gegen eine einzelne Eigenfrequenz geprüft statt gegen die gesamte Hochlaufkurve. Beim Durchfahren werden dann Resonanzstellen getroffen, die im Dauerbetrieb nicht auffallen würden.
• Die Anregung wird allein über den Prüfling definiert. Nebenaggregate, Kupplungen und Lastmaschinen bringen eigene Ordnungen ein, die in der Auslegung fehlen.
• Schwingungsentkopplung wird als Lösung für Eigenschwingungen des Gestells eingeplant. Sie wirkt nur auf die Ankopplung an das Gebäude.
• Bei mehrteiligen Konstruktionen summieren sich Toleranzen über die Fügestellen. Der Gesamtaufbau wird dadurch ungenauer als das einzelne Bauteil.
• Der Transportweg kommt zu spät ins Spiel. Türbreiten, fehlende Hallenkrane und die Frage, ob ein Bauteil per Stapler bewegt werden kann, entscheiden regelmäßig über die maximal mögliche Bauteilgröße.
• Ergonomie am fertigen Prüfstand wird übersehen. Außen liegende Fußplatten und Verschraubungen sind Stolperstellen, versenkte Anschlussplatten mit glatter Vorderkante vermeiden das.