Adaptronische Schwingungsminderung

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Eine Adaptronische (Aktive) Schwingungsminderung zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Schwingungsmindernden Maßnahmen (Feder, Dämpfer, Masse) durch eine Energiewandlung und Regelung zur Beeinflussung der Steifigkeit einzelner Lagerungselemente aus (vgl. z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Aktive_Radaufh%C3%A4ngung). Entsprechende Systeme können sowohl passiv als auch aktiv aufgebaut werden. Durch diese Möglichkeit erweitert sich der Lösungsraum Strukturdynamischer Systeme, d.h. dass z.b. Dämpfereinheiten ein deutlich größeres Frequenzband dämpfen als ein rein mechanischer Dämpfer. Eine „Adaptive“ Schwingungsminderung kann auf unterschiedlichsten Wegen realisiert werden. Nicht alle Lösungen benötigen ein aktives Wirkprinzip. Im Folgenden werden Passive und aktive Prinzipien Unterteilt.

Abbildung 1: Lösungsraum von Konventionellen und erweiterten Lösungen von Schwingungsminderung

Diese Einteilung zeigt den gesamten Lösungsraum, also alle technisch realisierbaren Lösungen um Schwingungen zu beruhigen. Dabei handelt es sich um eine abstrakte Einteilung der Lösungen, da dies einerseits den Vorteil einer deutlich besseren Übersicht bietet und andererseits eine vollständige Liste von konkreten Lösungen kaum machbar wäre. Die Vielfalt ist zu groß und jede Problemstellung anders.

Spaltenweise erfolgt die Einteilung danach, ob Energiewandlung stattfindet und inwiefern externe Hilfsenergie benötigt wir:

  • passiv ⇒ keine Hilfsenergie
  • semi-aktiv ⇒ Hilfsenergie zum „Adaptieren“ der Schwingungseigenschaften
  • aktiv ⇒ Hilfsenergie zum aktiven Stellen von Kräften zur Schwingungsbeeinflussung

Zeilenweise erfolgt die Einteilung nach der Art des Lösungsansatzes. Diese unterschiedlichen Ansätze werden im folgenden genauer behandelt.


Der große Unterschied von Aktiven Maßnahmen mit Energiewandlung besteht in der Möglichkeit, Adaptiv einen breiten Freuenzbereich abzudecken, wodurch bedeutend bessere Lösungen zur Schwingungsdämpfung entwickelt werden können als es bei Konventionellen Lösungen der Fall ist.

Abbildung 2: Passive und aktive Lagerungsmechanismen und Auswirkungen im Schwingungsfrequenzbereich


Passive Maßnahmen

Klassische, passive Maßnahmen zur Schwingunsminderung sind unterteilbar aufgrund ihrer Wirkungsweise:

- Vermindern der Erregung

- Verstimmen des Systems

- Einbau zusätzlicher Dämpfung

- Schwingungsisolation

- Tilgung

- Neutralisation

Vermindern der Erregung

Die einfachste Art der Schwingungsminderung ist das Vermindern der Erregung. Jede auf eine Struktur aufgebrachte Erregung erzeugt eine Schwingungsantwort dieser Struktur. Durch den Einbau von Feder-/Dämpferelementen kann die Auswirkung der Erregung auf die Schwingungsantwort und damit idR. auch die Antwort verringert werden. Ein Beispiel ist eine Gummimatte als Unterlage für Waschmaschinen: Hierbei erzeugt die laufende Waschmaschine eine hörbare und oft spürbare Erregung des umliegenden Bodens (Schwingungsantort). Durch eine Gummimatte als Unterlage wird die Erregung des Bodens deutlich gemindert. Als anderes Beispiel kann das Auswuchten von Autorädern betrachtet werden.

Vermindern der Erregung

Verstimmen des Systems

Jedes mechanische System besitzt eine oder mehrere Eigenfrequenzen. Werden diese Strukturen auf oder nahe dieser Frequenz angeregt ergibt sich besonders bei schwach gedämpften Systemen eine deutlich überhöhte Schwingungsantwort (Resonanz). Kann die Anregung des Systems nicht geändert werden, können die Steifigkeiten und/oder die Massen des Systems geändert werden, wodurch sich die Eigenfrequenzen des Systems "verschieben". Die besten Ergebnisse sind hierbei zu erzielen, wenn die Eigenfrequenzen weit entfernt von den aufgebrachten Anregungen sind (zb. sollten die Eigenfrequenzen der Karosserie eines Autos weit von den Frequenzen entfernt, mit denen der Motor die Karosserie anregt).

Verstimmen des Systems

Einbau zusätzlicher Dämpfung

Durch den Einbau von Dämpfungselementen kann ein System nach einer Anregung schnell wieder zur Ruhe kommen. Bei mechanischen Systemen werden häufig Dämpfungselemente zusammen mit Federelementen eingesetzt, die die Anregung eines Systems mindern. Prinzipiell tritt bei Dämpfung eine Energiewandlung auf: Mechanische Dämpfer setzen meist mechanische Energie in Wärmeenergie um. Klassische Mechanische Dämpfer arbeiten nur in einem begrenzten Frequenzbereich optimal. Der Einbau zusätzlicher Dämpfung beschränkt sich dabei nicht nur auf Stoßdämpfer. Weitere Beispiele sind:

- Materialdämpfung in Werkstoffen

- Dämpfung in Gummi-Metall Verbindungen

- Dämpfung durch Reibung

- Viskose Dämpfung in Fluiden


Zusätzliche Dämpfung

Bevor eine zusätzliche Dämpfung eingebracht wird, sollten vorab ein paar Grundlegende Fragen beantwortet werden:

  • Woher kommen meine ungewünschten Schwingungen?
  • Wo ist die Verbindung zu meiner Struktur, die ich dämpfen möchte? -> hier kann der Dämpfer eingebracht werden
  • Um welche Frequenzbereiche handelt es sich? -> Hiervon hängt die Wahl des Dämpfers ab

Ein konkretes Beispiel für den Einbau zusätzlicher Dämpfung ist eine Schaumunterlage unter einer Waschmaschine, damit diese durch geringere Anregung des Bodens nicht mehr so laut klingt.

Schwingungsisolation

Es existieren zwei Ansätze zur Schwingungsisolation: Die Quellenisolation und die Empfängerisolation. Generell wird bei beiden die Übertragung von Schwingungen eines Systemes in ein anderes vermindert. Das Ziel entspricht einer Systemauslenkung/Bodenauslenkung <1, sprich die Auslenkung der Quelle ist kleiner als die Auslenkung des Empfängers.

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