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Wissen & Umwelt

Störende Schwingungen stummschalten

Motoren erzeugen Schwingungen. Im Auto und Flugzeug stört nur ihr Lärm, bei Maschinen kann es sogar Produktionsfehler geben. Wie man dem mit Gegenschwingungen entgegenwirkt, zeigen Forscher auf der Hannover Messe.

Der Hilfsrahmen eines Autos, an den ein Piezo-elektrischer Schwingungsdämpfer angebaut ist. Dieser wurde vom Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt und auf der Hannover-Messe 2013 vorgestellt (Foto: Fabian Schmidt/DW)

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Jeder kennt es: Wenn ein Busfahrer den Motor anwirft, fängt der ganze Bus so stark an zu vibrieren, dass man sogar die Scheiben zittern sieht. Auch kleinere Autos erzeugen allerhand störende Schwingungen und Geräusche, die mancher mit lauter Musik zu übertönen versucht - aber es gibt auch bessere Lösungen, als den Lärm einfach mit noch mehr Lärm zu bekämpfen: Die störende Schwingung wird mit einer exakt gleichen Gegenschwingung überlagert und dadurch praktisch aufgehoben.

Adaptronik nennt sich die Technologie, bei der aktive Bauteile von selbst auf Außeneinflüsse reagieren. Wie das in der Praxis aussieht, zeigt Heiko Atzrodt, Ingenieur am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt, am Beispiel einer Autokarosserie:

Heutige Autos lasten auf einem sogenannten Hilfsrahmen, der die Radaufhängungen trägt. Die einzelnen Räder daran werden über eine bewegliche Welle angetrieben, an die der Motor seine Energie überträgt. Dadurch wirken auf den Hilfsrahmen allerhand verschiedene Schwingungen: Vibrationen vom Motor, genauso wie die die Rollgeräusche der Reifen.

Schwingungs-Erzeugung mit spezieller Keramik

Ein piezoelektrischer Ein piezoelektrischer Stoßdämpfer (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Dieser aktive Dämpfer kommt zwischen Karosserie und Fahrwerk. Er verschluckt Fahrbahn-Geräusche.

Um eine passende Gegenschwingung zu erzeugen, die dies unterbindet, braucht man einen Sensor, der die Störgeräusche erkennt, eine Regelungstechnik, die sie auswertet und einen sogenannten Aktor - einen Schwingkörper, der die Ausgleichsschwingung erzeugt. Dieser wird direkt auf den Hilfsrahmen geschraubt oder dort gezielt angebracht, wo normalerweise ein Schwingungsdämpfer aus Gummi oder eine Feder sitzen würde.

Am Auto übernimmt zum Beispiel eine Piezo-Keramik die Aufgabe dieses Aktors. Dabei handelt es sich um Keramiken, die in der Lage sind, aus Bewegungsenergie Strom zu erzeugen - in etwa wie beim handelsüblichen Anzünder für einen Gasherd oder auch in einem Feuerzeug, wo sie durch das Drücken der Taste einen Funken erzeugen. Als adaptronische Aktoren - also solche, die sich selbst anpassen und selbst aktiv reagieren - eignen sie sich deshalb, weil sie auch andersherum funktionieren: Sie können aus Stromimpulsen mechanische Bewegungen erzeugen.

"Piezo-Keramiken können zwar nur kurze Bewegungen ausführen, dafür aber sehr hohe Kräfte ausüben", so Atzrodt gegenüber der DW. Daher eignen sie sich insbesondere zum Ausgleich höherfrequenter Störschwingungen. Wenn die Ingenieure niedrigere Frequenzen ausgleichen wollen, kommen auch sogenannte elektrodynamische Aktore zum Einsatz. Die haben dann eine Spule, wie ein Elektromagnet, in der sich bei Stromdurchfluss ein magnetisches Feld bildet.

Hauchdünne Sensoren bemerken Schwingungen

Ein Scheibensensor zur Messung von Schwingungen vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Solche Dünnschicht-Sensoren können als Zwischenscheiben eingebaut werden - sie nehmen kleinste Bewegungen wahr

Aber wie erfährt der Schwingkörper in welcher Frequenz er schwingen soll, um die Störung auszugleichen? Saskia Biehl, Gruppenleiterin für Mikro- und Sensortechnologie am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig, hat dazu spezielle hauchdünne Sensoren entwickelt, die zum Beispiel als Unterlegscheibe verbaut oder sogar in einen Metallblock eingegossen werden können. Übt man einen Druck auf diese Scheibchen aus, geben sie sofort ein elektrisches Signal an die Steuerungselektronik.

Diese hochempfindlichen Sensoren kommen beispielsweise im Maschinenbau zum Einsatz: Automatisierte Schneid- und Fräsmaschinen oder Roboter erreichen heute eine extrem hohe Präzision. Durch Motorenschwingungen und Bewegungen von Armen und Greifern kann aber die Maschine ihre eigene Genauigkeit zunichtemachen. Im schlimmsten Fall produziert sie dann Ausschuss, weil die Schwingung das Ergebnis verfälscht.

Auch für Laser oder hochempfindliche optische Produktionsanlagen können solche aktiven Schwingungsdämpfer zum Einsatz kommen. Sie werden dann zum Beispiel in den Arbeitstisch eines Labors eingebaut, um Schwingungen entgegenzuwirken, die von einer in der Nähe verlaufenden Bahntrasse oder einem LKW auf der Straße neben dem Labor kommen können.

Lautsprecher-Boxen gegen Baustellen-Lärm

Und damit es auf Baustellen in Zukunft ruhiger zugeht, hat die Firma WaveScape Technologies einen Ton-Generator für Baumaschinen entwickelt. Der hat einen handelsüblichen Lautsprecher und kann Gegentöne erzeugen, um Maschinenlärm zu verschlucken.

So können zum Beispiel Kompressoren oder Generatoren künftig deutlich leiser werden. Das Prinzip funktioniert genauso wie hochwertige handelsübliche Kopfhörer, die in der Lage sind, Flugzeuglärm auf diese Weise auszublenden - nur dass sie direkt dort zum Einsatz kommen, wo der Lärm entsteht.

Ein Fliehkraftpendel zur Schwingungskompensation an Antriebswellen, zum Beispiel von Schiffen. (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Ein Fliehkraftpendel umschließt die Antriebswelle eines Schiffes und schluckt Vibrationen durch Fliehkräfte - ohne jede Elektrik

Und selbst ganz ohne Elektronik können die Ingenieure Schwingungen erfolgreich entgegenwirken. So stellt das Fraunhofer LBF auf der Hannover Messe 2013 ein sogenanntes Fliehkraftpendel vor. Das klobige Bauteil wird auf die Achse eines Antriebsstranges, beispielsweise von großen Schiffen gesteckt, und kann Drehschwingungen der Antriebswelle verringern.

Der Vorteil eines solchen Fliehkraftpendels: Seine Eigenfrequenz passt sich automatisch und ganz ohne Elektronik an die Drehzahl und damit die Schwingungen des Motors an, weil es eine von der Fliehkraft abhängige Eigenfrequenz hat.

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