Öhlins DU 1081

Rechtzeitig vor Erklärung der „Ausserordentlichen Lage“ in der Schweiz durch den Bundesrat konnte ich mein revidiertes Öhlins-Federbein beim Service-Center abholen, …

Ducati Monster 1200S Öhlins DU 1081
Öhlins DU 1081 – hier noch vor der Revision

… mit frischem Öl und Gas befüllt, sowie diversen Dichtungen und Führungen ausgetauscht, darunter neu ein „Low Friction Kolbenring Öhlins“. 😎

Das klingt doch insgesamt recht vielversprechend. Auch eine kleine „Einlaufstelle“ an der Kolbenstange wurde auspoliert.

Außerdem erhielt ich noch einen Stapel ausgedruckter Diagramme vom beauftragten Prüfstandslauf des Dämpfers. Zu meinem großen Bedauern war es nicht möglich, die den Diagrammen zugrunde liegenden Daten in Computer-lesbarer Form, z.B. als *.csv oder *.xls Dateien zu erhalten. Nach Auskunft des Geschäftsinhabers habe der Prüfstandshersteller den zugehörigen Rechner zum Schutz seines Know-Hows derart „vernagelt“ und gegen unbefugte Einblicke geschützt, daß eine Auskopplung von Dateien leider nicht möglich sei. Das ist zwar schade, behindert aber nicht die prinzipielle Aussage, sondern lediglich deren Genauigkeit. Hier ein Ausschnitt (ohne header) eines derartigen Diagramms.

Öhlins DU 1081 Dämpfer Prüfstand Diagramm
Dämpferkraft in Zug- und Druckstufe (vertikal) über einen Hub von +/- 14.5 mm (horizontal), Zug- und Druckstufeneinstellungen zwischen „maximal geschlossen“ (aussen), und „maximal offen“ (innen)

Um derartige Diagramme und deren Informationsgehalt angemessen würdigen zu können, muss man wissen wie der Prüfstand aufgebaut ist. Ich durfte zwar Fotos vom Prüfstand erstellen, wollte dieses Entgegenkommen jedoch nicht zu weit ausdehnen. Daher an dieser Stelle nur eine Totale:

Öhlins Dämpfer Prüfstand
Mechanik (links) und Elektronik/Bedieneinheit/Rechner (rechts) des Dämpferprüfstands

Da man im Foto die Details nur wiedererkennt, wenn man das Ganze schon einmal „live“ gesehen hat, folgt hier das Schema des Prüfstands:

Öhlins Dämpfer Prüfstand Schema
Prüfstand schematisch:
Schwarz schraffiert: Gestell; Rot: Kurbel; Blau: Schlitten; Grün: Dämpfer; Magenta: Kraftmessdose

Die Bestandteile des Prüfstands kurz vorgestellt:

Gestell, schwarz schraffiert

Dies stellt Ausschnitte des Maschinenbetts, des in der Getriebetechnik „Gestell“ genannten, unbeweglichen Teils des Prüfstands dar. Die verschiedenen schwarz schraffierten Teile sind alle Teil des gleichen Maschinenrahmens und bewegen sich nicht relativ zueinander.

Kurbel, rot

Hier erfolgt der Antrieb des Prüfstands nach den „scotch yoke“ (oder auch „Kurbelschleife„) Prinzip. Die Kurbel ist mit ihrer Drehachse im Gestell gelagert. Die effektive Länge der Kurbel ist variabel, und kann über die Bedienoberfläche des Prüfstands konfiguriert werden. Der Hub, über den der zu prüfende Dämpfer bewegt wird, entspricht der doppelten effektiven Kurbellänge. Siehe rot-strichpunktierte Kreisbahn. Im Folgenden wird vorausgesetzt, daß der Antrieb „gleichförmig„, also mit konstanter Winkelgeschwindigkeit erfolgt.

Schlitten, blau

Der Schlitten ist über Linearführungen im Gestell gelagert und kann sich ausschließlich vertikal bewegen. Der Schlitten weist einen horizontalen Schlitz auf, in den eine Rolle passenden Durchmessers am beweglichen Ende der Kurbel eingreift. Dadurch folgt der Schlitten exakt der Vertikalposition des beweglichen Kurbelendes.

Dämpfer, grün

Der Dämpfer wird mit seinem unteren Auge mittels zwei seitlich eingreifender Schrauben mit kegeliger Spitze sowie Feingewinde spielfrei in das obere Ende des Schlittens eingespannt.

Das obere Auge des Dämpfers wird genauso kraft- und formschlüssig in der freien Aufnahme einer im Gestell gelagerten Kraftmessdose (magenta) eingespannt.

Der gleichförmige Antrieb durch die Kurbel erzwingt eine vertikale Oszillation des Schlittens, und damit eine entsprechende Längenänderung des zu prüfenden Dämpfers. Der Dämpfer setzt dieser erzwungen Längenänderung eine Geschwindigkeits-proportionale Dämpferkraft entgegen, welche über die Kraftmessdose (im obigen Schema magenta gezeichnet) aufgezeichnet wird.

So weit – so gut.

Jeder Biker kennt eine andere Art, eine Rotationsbewegung in eine Hubbewegung umzuwandeln, bzw. umgekehrt: Im Hubkolbenmotor geschieht dies über Kurbel und Pleuelstange.

Im Gegensatz zu Kurbel-Pleuel liegt der Charme der im Prüfstand vorliegenden Mechanik darin, daß

  1. die Vertikalbewegung des Schlittens (und unteren Dämpferauges!) querkraftfrei erfolgt. Das hilft, den mechanischen Aufbau des Prüfstands „schlank“ zu halten, weil Belastungen auf Biegung vermieden werden.
  2. der Hubverlauf und Geschwindigkeitsverlauf des unteren Dämpferauges mathematisch exakt bekannt sind, auch bei veränderlicher Kurbellänge.

Punkt zwei verdient Aufmerksamkeit: die Kombination aus mechanisch erzwungener Kreisbahn der Rolle am Kurbelende und dem gleichförmigen Antrieb der Kurbel führt zu der behaupteten „mathematisch exakt bekannten“ Position der Rolle am Kurbelende zu jedem Zeitpunkt.

Uns interessiert hierfür nur die vertikale „Y“-Komponente der Rollenposition, welche exakt einer Sinuskurve folgt:

Federbein Dämpfer Prüfstand "scotch yoke" Sinus Cosinus
Die vertikale (Y) Komponente der Rollenposition folgt einer Sinuskurve, bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Kurbel

Mathematisch kann man das wie folgt formulieren:

Und weil der Prüfstand gemäß Voraussetzung mit konstanter Drehzahl, also auch mit konstanter Winkelgeschwindigkeit „omega“ arbeitet, kommen wir mit

auf den zeitlichen Verlauf der Vertikalposition von Rolle, Schlitten und unterem Federbeinauge:

Da wir diese vertikale Position nun zu jedem Zeitpunkt „t“ kennen, kennen wir auch deren Änderung innerhalb kleiner Zeitänderungen. Mathematisch ist das die Ableitung der Position nach der Zeit – physikalisch entspricht das der vertikalen Geschwindigkeit „vau“:

Im Prüfstand wird das Federbein folglich einer erzwungenen Längenänderung mit einem durch den Prüfstandsaufbau vorgegebenen, Cosinusförmigen Geschwindigkeitsprofil und der Amplitude ±r ausgesetzt.

Die vertikale Geschwindigkeit von Rolle, Schlitten und unterem Federbeinauge ist im Nulldurchgang der Oszillation maximal, und erreicht in den beiden Umkehrpunkten jeweils den Wert Null (0). Das deckt sich in etwa mit dem eingangs vorgestellten Kraft/Hub Diagramm. Allerdings ist im Diagramm auf der X-Achse der Hub auf einer linearen Weg-Skala aufgetragen, nicht die Zeit.

"scotch yoke" linearer Hub Konstante Winkelgeschwindigkeit
Lineare Abstufung im Hub (links) entspricht stark nicht-linearer Abstufung in Kurbelwinkel bzw. Zeit (rechts)

Um die als Ausdruck erhaltenen Diagramme (Dämpferkraft über Hub) besser handhaben zu können, habe ich sie mit 300 dpi eingescannt und die Kurve für die maximale Zugstufendämpfung Pixel-genau (Gimp) auf Mitte der Linienstärke ausgelesen und dann in Excel weiterverarbeitet:

Öhlins Dämpfer Prüfstand Diagramm Messwerte Theorie
Blau: Dämpferkraft (Zugstufe) über Hub aus Prüfstandsdiagramm
Rot: Dämpferkraft zeitlich korrekt auf 180° Kurbelwinkel zwischen OT und UT verteilt
Grün: Theoretisch zu erwartender, Cosinus-förmiger Dämpferkraftverlauf

Man sieht sehr schön, daß nach Auftragen der Messwerte im tatsächlichen zeitlichen Verlauf (rote Kurve) die gemessene Dämpferkraft weitgehend dem theoretischen, Cosinus-förmigen Verlauf (grüne Kurve) entspricht.

Die gegenüber der Theorie (grün) scheinbar leicht erhöhten Dämpferkräfte (rot) würde ich darauf zurückführen, daß die Drehzahl im Bereich höchster Last leicht „in die Knie“ geht, und in Folge der temporär reduzierten Winkelgeschwindigkeit geringere Kräfte gemessen werden:

Korrektur: die gemessenen Dämpferkräfte summieren sich aus einem Anteil „trockener“ Reibung in Führungen Dichtungen und Kolbenringen, plus der eigentlich erwarteten geschwindigkeits-proportionalen Dämpferkraft. Nach Abzug des konstanten Sockelbetrags der trockenen Reibung verbleibt die reine geschwindigkeits-proportionale Dämpferkraft. Nur diese sollte dem erwarteten Cosinus-Verlauf folgen, was sie mit fast schon erschreckender Genauigkeit auch tut:

Übereinstimmung Theorie Messwerte Öhlins Dämpfer Prüfstand DU 1081
Die Korrektur der roten Kurve besteht im Abzug der „trockenen Reibungskraft“, also gleichmäßige vertikale Verschiebung nach unten, sowie der horizontalen Verschiebung der Einzelwerte auf korrekte Kurbelwinkelpositionen

Im Prüfstandslauf wurden Maximalkräfte von mehr als 4000 Newton gemessen, entsprechend der Gewichtskraft einer Masse von rund 400 kg!

Bleibt die Frage, mit welcher Geschwindigkeit die Längenänderung des Dämpfers erfolgen muss, damit derartige Kräfte hervorgerufen werden. Hier hilft ein weiteres Prüfstandsdiagramm:

Öhlins Dämpfer DU 1081 Prüfstand Diagramm Losbrechkraft

Im obigen Prüfstandsdiagramm wird die Dämpferkraft erst ab einer Mindestgeschwindigkeit von 20 mm/s ausgewiesen. Klar ist, daß der Dämpfer bei einer Geschwindigkeit von 0 mm/s überhaupt keine Kraft ausübt, und bei sehr geringen Geschwindigkeiten Messungenauigkeiten, z.B. durch Spiel im Prüfstandsaufbau) für eine sinnvolle Auswertung zu groß werden. Ich habe die linearen Kraftverläufe für Zugstufe (unten) und Druckstufe (oben) nach links bis auf den theoretischen Geschwindigkeitswert „Null“ verlängert: es bleibt ein Sockelbetrag von jeweils rund 500 N aus trockener Gleitreibung, (rot hinterlegt), der zuerst überwunden werden muss, bevor sich der Dämpfer erstmalig bewegt. Die eigentliche Losbrechkraft dürfte nochmals darüber liegen. An der Stelle kommt offensichtlich der eingangs erwähnte „Low Friction Kolbenring“ ins Spiel. Eine möglichst niedrige Losbrechkraft ist für eine feinfühlige Reaktion eines Dämpfers vorteilhaft und somit ein Qualitätsmerkmal. Allerdings fehlen mir Vergleichswerte anderer Dämpfer.

Auch ohne Vergleichswerte: ±500 Newton, entsprechend einer Gewichtskraft von ±50 kg, kommen mir unerwartet hoch vor. Selbst wenn man berücksichtigt, daß bei der Monster 1200S die Längenänderung des Zentralfederbeins durch die Schwingengeometrie in einem Verhältnis von 1:2.5 mit der Einfederung der Hinterachse gekoppelt ist. Da bliebe immer noch eine Laständerung an der Hinterachse von ±20kg, welche alleine durch die Losbrechkraft (bzw. Gleitreibung von Dichtungen, Führungen etc.) des Dämpfers „geschluckt“ wird. Kein Wunder, daß die subtilen Wirkungen des Axiallagers demgegenüber unmerklich bleiben 8-( .

Zurück zur Geschwindigkeit von 300 mm/s, bei der die Zugstufen-Dämpferkraft von 4060 Newton gemessen wurde: diese wird mit dem eingestellten Kurbelradius von 14.5 mm bei einer Drehzahl von rund 3.3 Umdrehungen pro Sekunde, entsprechend knapp 200 U/min erreicht. Mit dieser Kombination aus mittlerer Drehzahl und vergleichsweise kleinem Kurbelradius wird der Prüfstand anscheinend nahe seiner Belastungsgrenze betrieben. Diese dürfte durch den endlichen Messbereich der Kraftmessdose gegeben sein.

Öhlins Dämpfer Prüfstand Bedienfeld
Arbeitspunkt der Dämpferprüfung, gegeben durch Hub 29 mm (X-Achse) und Drehzahl 3 U/sec (gelbe Diagonale), ergibt maximale Geschwindigkeit von 0,3 m/s (Y-Achse)

Zusammenfassung

Lt. Aussage der Spezialisten im Öhlins Service Center:

  • beeinflusst beim vorliegenden Dämpfertyp DU 1081 mit Einrohrtechnologie die Einstellung der Zugstufendämpfung in weiten Bereichen auch die Druckstufendämpfung.
  • sind erst bei Dämpfern mit Zweirohrtechnologie (TTX = Twin Tube) die Wirkungen der Einsteller für Zug- und Druckstufe sauber voneinander entkoppelt.
  • kann man bei manueller Prüfung (Fahrzeugheck ruckartig belasten und Ausfeder-Reaktion durch Beobachten beurteilen) i.d.R. nicht die nötigen Geschwindigkeiten und Kräfte(!) aufbringen, um überhaupt eine Wirkung der Druckstufendämpfung feststellen zu können, selbst bei vollständig geschlossener Druckstufe! (Dieser Umstand wird beim Zentralfederbein der Ducati Monster 1200S noch verschärft dadurch, daß man wegen der Schwingengeometrie-bedingten Übersetzung zwischen Fahrzeugheck-Einfederung und Dämpferverkürzung (2,5:1) evtl. zwar noch die benötigten Kräfte aufbringen kann, jedoch nicht mehr in der erforderlichen Geschwindigkeit.

Soviel zur mündlich gegebenen Information.

Anhand der Prüfstandsdiagramme haben sich folgende harte Fakten herauskristallisiert:

  • Die Dämpfungskonstante der Zugstufe eines frisch revidierten Öhlins DU1081 (wie in der Ducati Monster 1200S verbaut) kann im Bereich zwischen ca. eintausend und elftausendachthundert Ns/m eingestellt werden. (Vollständig geöffnet, bis vollständig geschlossen).
  • In der Druckstufe können für die Dämpfungskonstante Werte zwischen Null und viertausend Ns/m eingestellt werden. (Vollständig geöffnet, bis vollständig geschlossen).
  • Mit den im Prüfstand gewählten Parametern (Hub: 0.029 m, Drehzahl: 3.3 U/sec) werden in einem vollen Umlauf der Kurbel knappe 150 Nm Arbeit verrichtet, wofür bei der eingestellten Drehzahl im Dämpfer eine Leistung von etwa 500 Watt in Wärme umgewandelt wird, Reibung im Prüfstandsgetriebe nicht berücksichtigt.

Über die maximal auftretenden Dämpferkräfte im Fahrbetrieb liefert der Prüfstandslauf keine Auskunft. Bei größerem Dämpferhub und/oder größerer Hubfrequenz sind leicht Kräfte im zweistelligen kN Bereich darstellbar, entsprechend Gewichtskräften im einstelligen Tonnenbereich. Die Kolbenstange des Dämpfers, selbst wenn sie hohl ist, ist also nicht nur zur Dekoration 16 mm dick.

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