+++ Exklusiver Fachbeitrag +++ 15.06.2022, 13:44 Uhr

Die Energie muss weg

Auch Sportwissenschaftler nutzen nutzen hydraulische Maschinenelemente in ihren Konstruktionen. Vor allem, wenn die Schnellkraft an bestimmten Trainingsgeräten analysiert wird. Weil dabei in den Endlagen hohe Kräfte walten, setzt das Institut für Sportwissenschaften der Universität Tübingen auf Industriestoßdämpfer zum Schutz von Mensch und Maschine.

Das Trainings- und Testgerät für den Schlagwurf wurde am Institut für Sportwissenschaften der Universität Tübingen von Professor Wank und seinem Team zum Überprüfen der Schnellkraftwerte für den Speerwurf und Handball konstruiert. Foto: Universität Tübingen

Das Trainings- und Testgerät für den Schlagwurf wurde am Institut für Sportwissenschaften der Universität Tübingen von Professor Wank und seinem Team zum Überprüfen der Schnellkraftwerte für den Speerwurf und Handball konstruiert.

Foto: Universität Tübingen

Seit über 180 Jahren ist das Tübinger Sportinstitut eine feste Größe in der deutschen Hochschullandschaft. Mittlerweile forschen und lehren mehr als 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu verschiedenen Schwerpunktthemen in den Bereichen Leistung, Gesundheit und Bildung. Das Spektrum reicht dabei von der Talentförderung und dem Design von Sportwettbewerben bis zur Schulbildung und der individualisierten Gesundheitsförderung. Den Arbeitsbereich III mit den Schwerpunkten Biomechanik, Bewegungs- und Trainingswissenschaft leitet Prof. Dr. Veit Wank. Sein Team beschäftigt sich unter anderem mit der Analyse und der Optimierung von sportlichen Bewegungsabläufen. In der trainingswissenschaftlichen Forschung steht die Diagnose von Kraftfähigkeiten in Individualsportarten im Vordergrund. Zudem werden Talente aus Kadern von Leichtathletikverbänden und Mannschaften leistungsdiagnostisch betreut.

Bewegungstechnik und Schnellkräfte beurteilen

Dafür werden am Institut seit Jahren verschiedene Trainingsgeräte entwickelt. Das so genannte ‚Trainings- und Testgerät für den Schlagwurf’ wurde vornehmlich für den Speerwurf und Handball konstruiert. Der Schlagwurf mag vielleicht nicht mehr so geläufig sein, aber den Schlagball haben viele Teilnehmende von Bundesjugendspielen schon in der Hand gehabt. Im Handball ist der Schlagwurf die Grundtechnik für alle Würfe, und in der Leichtathletik wird der Begriff „gerader Wurf“ als Synonym und Basis des Speerwerfens verwendet.

In beiden Fällen bauen Athletinnen und Athleten für den maximalen Beschleunigungsweg eine Bogenspannung auf. Durch den aktiven Einsatz und den damit verbundenen Schub des hinteren Druckbeines in der Abwurfphase wird die wurfarmseitige Hüfte nach vorn gebracht, wodurch der Oberkörper vorgespannt wird. Dieser Prozess und das bewusste Nacheinander beim Einsatz von Schulter, Ellenbogen und Wurfhand optimiert die Beschleunigung des Wurfgerätes. Mit dieser Bewegungstechnik wird die Endgeschwindigkeit des Wurfgerätes, also Ball oder Speer, oder in diesem Fall des Wurfschlittens maximiert.

Geeignete Dämpfung zum Schutz der Probanden

Anhand der simultanen Betrachtung von Bewegungsposen und den Positionen der Werfenden im Video und den zeitlich dazu gehörenden Werten von Schlittenposition, Schlittengeschwindigkeit und Beschleunigung lassen sich die Bewegungstechnik und auch die physischen Fähigkeiten, insbesondere die Schnellkräfte der Werfenden, gut beurteilen. Das entsprechende Trainingsgerät kommt in Tübingen primär zu Testzwecken zum Einsatz. Dabei überprüfen Wank und sein Team, wie es um die Schnellkraftwerte bestellt ist. Der Sportwissenschaftler erläutert: „Bei Sportlerinnen und Sportlern mit längerer Kaderzugehörigkeit lässt sich so auch überprüfen, ob die Trainingsinhalte der vergangenen Wochen und Monate richtig gewählt waren. Weil bei den Messungen am Test- und Trainingsgerät durch die Wurfbewegungen wieder und wieder hohe Massenkräfte entstehen, benötigen wir für das Abbremsen in den oberen und unteren Endlagen geeignete Dämpfungslösungen, die eine dauerhafte Nutzung der Anlage und gleichzeitig einen größtmöglichen Schutz unserer Probanden ermöglichen.“

Nachdem Professor Wank bereits bei einem Test- und Trainingsgerät für Messungen von Leistungen der Oberschenkelmuskulatur gute Erfahrungen mit Lösungen der ACE Stoßdämpfer GmbH gemacht hatte, wandte er sich während der Konstruktionsphase des Trainings- und Testgeräts für den Schlagwurf an die Spezialisten für Dämpfungslösungen aller Art aus Langenfeld. „Bei der abgewandelten Beinpresse für isometrische und dynamische Beinstreckbewegungen hatte ich mich über das Internet und den Katalog von ACE selbst schlau gemacht. Dort sind in der Endlage Massen von 25 bis 200 kg, die mit Geschwindigkeiten von je circa 3 bis 5 m/s bewegt werden, bei Auffahrgeschwindigkeiten von rund 0,5 m/s abzubremsen. Auch wenn der seinerzeit von uns ermittelte Dämpfer des Typs MA64150 diesen Bereich rein technisch nicht schafft, funktioniert die Verzögerung empirisch gut. Im Fall der Dämpfung der Kräfte beim Schlagwurf habe ich mich zusätzlich noch telefonisch beim Kundendienst von ACE rückversichert“, berichtet Professor Wank.

Bei den Messungen am Test- und Trainingsgerät entstehen durch die Wurfbewegungen wiederholt hohe Massenkräfte, die in den oberen und unteren Endlagen zum Schutz der Probanden und des Geräts durch Industriestoßdämpfer rückprallfrei abgebaut werden.

Foto: Universität Tübingen

Der Aufbau dieser Testmaschine besteht im Wesentlichen aus einer mittels Linearschienen konstruierten geneigten Ebene mit einem linear geführten Lastschlitten. An diesen kann wahlweise ein Speergriff oder ein Wurfball montiert werden. Ziel ist es, den Schlitten entweder aus dem Stand oder mit einer Auftaktbewegung entlang der Ebene wie bei einem Wettkampfwurf maximal zu beschleunigen. Die Strecke, die der Schlitten dabei zurücklegt, ist 4,5 m lang. Kurz vor dem höchsten Punkt der Konstruktion sowie beim Zurückfahren in die Startposition wird der beschleunigte und dann die schiefe Ebene wieder herunterschnellende Schlitten jeweils von einem Industriestoßdämpfer abgebremst. Das Besondere an der Konstruktion in Tübingen: die Ebene kann den speziellen Anforderungen der einzelnen Sportlerinnen und Sportlern entsprechend zwischen Winkeln von 0 und 35° stufenlos eingestellt werden. So wird beispielsweise beim Handball ein flacher Wurfwinkel benötigt, während im Speerwurf bis zu 35° für Bestwerte ermittelt werden.

Aufgrund der zu bewegenden Schlittengesamtgewichte (bis 25 kg) und der dabei entstehenden Geschwindigkeiten (bis 13 m/s) entschieden sich die Sportwissenschaftler für einstellbare Stoßdämpfertypen von ACE.

Foto: ACE Stoßdämpfer GmbH

Im Vergleich mit anderen Lösungen wie Stahlfedern oder Gummidämpfern sind die verwendeten Komponenten von ACE deutlich hochwertiger und langlebiger. Eine Erfahrung, die der Sportwissenschaftler im Interview teilt: „Wie beim Abbremsen der Beinstreckbewegungen arbeiten die einstellbaren Dämpfer beim Verzögern der Wurfbewegungen ebenfalls gut. An unserer Konstruktion haben wir einen zweiten Dämpfer für den Rücklauf des Lastschlittens verbaut. Der ist zwar leicht überdimensioniert, aber zunächst probierte Billiglösungen mit einer Art Türstopper haben nicht funktioniert, daher die größere Investition. Diese ist zwar für unser Budget erheblich, aber so solide, dass ich das auch in Anbetracht von Sicherheitsaspekten und Verantwortung gegenüber den Probanden investiert habe. Wie sich zeigt, war das eine gute Entscheidung. Wir haben nur wenig an den Einstellungen getestet und die Komponenten funktionieren seitdem ohne großen Aufwand und ohne Probleme. Allerdings werden die Dämpfer für Industrieverhältnisse nicht sehr hoch frequentiert, denn die Testgeräte werden ausschließlich für Studien eingesetzt, was in etwa zwei bis drei Mal pro Jahr für Zeiträume von ein bis drei Wochen geschieht.“

Kräfte in kurzer Zeit materialschonend abbauen

Die in Tübingen zum Einsatz kommenden Industriestoßdämpfer gehören zu der Magnum-Serie von ACE. Diese gilt seit der Markteinführung im Jahr 2000 als Referenzklasse für mittlere Baugrößen in der industriellen Stoßdämpfungstechnik. Diese hydraulischen Maschinenelemente bauen in kürzester Zeit die Kräfte von bewegten Massen über den gesamten Hub materialschonend ab und wandeln die kinetische Energie in Wärme um, welche an die Außenumgebung abgegeben wird.

Die Vielseitigkeit der einstellbaren Industriestoßdämpfer zeigt sich an ihrem Innenleben, gekennzeichnet durch Innovationen, welche in Summe sowohl die Dämpfungsleistung als auch die Lebensdauer steigern.

Foto: ACE Stoßdämpfer GmbH

Konzipiert für den Dauereinsatz in der Industrie, profitieren Anwender dort vor allem dank eines ausgeklügelten Dichtungspakets, gehärteter Führungslager und eines integrierten Festanschlags von Robustheit und Langlebigkeit. Kompakte Baugrößen und erweiterte Massenbereiche im Vergleich zu Vorgängerlösungen geben Konstrukteuren mehr Spielraum bezüglich der Dämpfergröße und der Ausnutzung der Maschinenleistung. Eine Besonderheit dieser Serie ist die wahlweise Verfügbarkeit von selbsteinstellenden oder einstellbaren Typen mit M33-, M45– und M64-Gewinden. Die Justierbarkeit auf Front- und Bodenseite machen sich auch Professor Wank und sein Team in Tübingen an den für die Wurfanalysen eingesetzten Dämpfern vom Typ MA4575EUM zunutze. Aufgrund der in den Messungen an dem Trainings- und Testgerät für den Schlagwurf zu bewegenden Schlittengesamtgewichte zwischen 1,7 bis maximal 25 kg und der dabei entstehenden Geschwindigkeiten von bis zu 13 m/s kamen nur einstellbare Typen infrage.

Einstellbare Magnum-Dämpfer finden vor allem Gebrauch in der Automatisierungstechnik, integriert in Linearschlitten oder Schwenkeinheiten, aber auch in den Endlagen von Portalen.

Foto: ACE Stoßdämpfer GmbH

Der Sportwissenschaftler und Konstrukteur berichtet rückblickend: „Hinsichtlich der möglichen Einstellwerte an den Dämpfern von ACE habe ich mich auf mein Gefühl verlasen und am Ende mit Trial and Error wohl ein gutes Händchen gehabt. Wir sind jedenfalls mit der Lösung zufrieden. Probleme hatten wir nie mit den Dämpfern, die lagen ganz woanders. Beim Wurf-Testgerät mussten wir die zuerst verbauten und nicht gerade günstigen Linearschienen schon nach einer Studie gegen eine sehr teure Variante austauschen. Bei den ersten Schienen kamen die Kugeln aus den Lagern. Die haben die hohen Geschwindigkeiten bei der Schlagwurfanalyse einfach nicht mitgemacht. Mit den neuen funktioniert es seitdem, wobei wir für unsere Analysen vor allem Lasten von 1,7 bis 5 kg verwenden, sodass alles noch unter dem Begriff Schnellkraft betrachtet werden kann.“

Für die beschriebene Standfestigkeit der Dämpfer zeichnet außer der Dichtungstechnik mit Membranspeicher der massive Körper ohne Sicherungsring verantwortlich, wodurch im Vergleich zu anderen Stoßdämpferkonstruktionen zum einen Undichtigkeiten vermieden werden und zum anderen über 50 % mehr Energie aufgenommen werden kann. Dass die Magnum-Typen dabei mit noch kompakterer Bauform ausgestattet sind als Vorgängermodelle von ACE, erweist sich vor allem bei immer kleiner werdenden Maschinen in der Automatisierung als Vorteil. Bei einem Hub von 73,9 mm eignen sich diese Dämpfer für das Abbremsen von effektiven Massen in Bereichen zwischen 70 und bis zu 15.000 kg, wobei die Energieaufnahme für rückprallfreies und lineares Verzögern pro Hub einen Wert von bis zu 1.300 Nm erreicht. Bei industriellen Anwendungen kommt man dabei im Dauerbetrieb auf Werte von 146.000 Nm pro Stunde, wobei sich dieser Wert mit einem Öltank zwecks Wärmeableitung der Fluide noch erhöhen und bei der Verwendung eines Ölkreislaufes fast um das Doppelte steigern lässt. Eine breite Palette an Zubehör und Anschlussteilen sorgt für einfache Integration auch in bestehende Konstruktionen und für viele Einsatzmöglichkeiten. So werden alle in Tübingen von Professor Wank verbauten Magnum mit Sonderaufprallköpfen genutzt, die aus Polyurethan gefertigt sind. Das führt bei den intensiven Beinstreck- und Wurftests zu Lärmminderungen von bis zu 7 dB und kann in Kombination mit den Mensch und Maschine schonenden Dämpfungseigenschaften ebenso wie die Gesamtkonstruktion als großer Wurf bezeichnet werden. 

Robert Timmerberg,
ist Fachjournalist in Düsseldorf,
rt@plus-2.de
ACE Stoßdämpfer GmbH,
40764 Langenfeld,
Tel. (0 21 73) 92 26 – 10,
info@ace-int.eu

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