Aktive Lager können helfen Schwingung in Fahrzeugen zu vermindern und störende Geräusche zu minimieren.

Aktive Lager können helfen Schwingung in Fahrzeugen zu vermindern und störende Geräusche zu minimieren. - Bild: Frauhofer LBF

Entspanntes Dahingleiten verbinden viele Autofahrer mit einem hohen Fahrkomfort, den sie von einem modernen Automobil erwarten. Allerdings erzeugen Motoren auch heute noch mehr oder weniger störende Schwingungen. Über Motorlager und die Karosserie gelangen sie in den Fahrzeuginnenraum und können sich dort als unangenehm empfundener Schall und störende Vibrationen äußern. Hinzu kommt noch der Trend des Leichtbaus und die Bestrebungen, möglichst viel an Materialien einzusparen. Dies kann zu unangenehmen Geräuschkulissen im Innenraum des Fahrzeugs führen.

Intelligente Motorlager reduzieren den Schalldruckpegel

Um dem entgegenzuwirken, wurden am Fraunhofer LBF in den letzten Jahren verschiedene Komponenten für aktive Systeme entwickelt. Für Tests und Vergleiche unter realen Betriebsbedingungen auf der Straße sowie zur Demonstration für Kunden wurde im Rahmen von LOEWE-AdRIA ein Vollfahrzeugversuchsträger aufgebaut. Ein Beispiel dafür sind aktive Motorlager basierend auf einem Piezoaktuator mit Wegübersetzungsmechanismus.

Die statisch wirkenden Lasten können bei solchen Lagern die dynamische Last um Größenordnungen übersteigen, sie verursachen jedoch keinen Schwingungseintrag in das Fahrzeug. Eine auf die statische Belastung ausgelegte Aktuatorik ist demnach zur Kompensation der dynamischen Kräfte deutlich überdimensioniert und erfordert einen unnötig hohen Leistungsbedarf.

Reduktion des Schalldruckpegels

Die hier entwickelte Lagerung basiert auf einer neuartigen Topologie, die die Aktuatorik von statisch wirkenden Kräften entkoppelt, sodass die Anforderungen an diese sinken und die Lagerung einen besonders niedrigen Leistungsbedarf aufweist. Die neu entwickelte Motorlagerung zeichnet sich durch zwei getrennte Kraftpfade aus. Ein Kraftpfad überträgt hierbei die statisch wirkenden Lastanteile, während der zweite Pfad über einen viskosen Dämpfer von diesen entkoppelt wird und nur die dynamischen Anteile wirksam werden. Hieraus ergeben sich reduzierte Anforderungen an die Dimensionierung der Aktuatorik und die für die Ansteuerung erforderliche Leistungselektronik.

Ein Regelalgorithmus berechnet dabei das Ansteuersignal für den integrierten Piezoaktuator, basierend auf der aktuellen Motordrehzahl und der Karosseriebeschleunigung an der Lagerposition beziehungsweise dem Schalldruck in der Fahrgastzelle. Messergebnisse zeigen laut Fraunhofer LBF, dass die Beschleunigungswerte der dominierenden 2. Motorordnung frequenzabhängig um bis zu 20 dB reduziert werden können. Bei der Reduktion des Schalldruckpegels werden Werte von bis zu 10 dB erreicht.

Im Rahmen des BMBF Projektes FIEELAS wurden ebenfalls am Fraunhofer LBF aktive Lager zur Entkopplung von Fahrwerkskomponenten von der Karosserie aufgebaut. Mit den aktiven Lagern sollen die übertragenen dynamischen Kräfte reduziert und somit das Schwingungsverhalten und die Innenraumakustik des Fahrzeuges verbessert werden. Auch in diesen aktiven Lagern werden 2x3 piezokeramische Aktoren eingesetzt, die allerdings in 2 Ebenen kaskadiert angeordnet sind. Das Lager ist auf 90 μm Hub und 4.2 KN Blockierkraft ausgelegt.

"In umfangreichen Laboruntersuchungen wurden die statischen und dynamischen Eigenschaften der Lager ermittelt und auf ihre Eignung im Fahrzeug überprüft", erklärt Heiko Atzrodt, der beim Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF für Strukturdynamik und Schwingungstechnik verantwortlich ist: "Nachdem alle Anforderungen an die aktiven Lager erfüllt waren, konnte der Einbau von vier aktiven Lagern in ein Versuchsfahrzeug erfolgen. Die im Fraunhofer LBF entwickelten Verstärker sind im Vergleich zu Laborgeräten sehr klein, leicht, kostengünstig und bieten dennoch eine ausreichend große Leistung."

Laut Atzrodt werden aktive Systeme zur Schwingungsminderung als aktive Motorlager oder aktive Stoßdämpfer neben der Fahrzeugtechnik auch für die aktive Lagerung von Laborgeräten, bei Windkraftanlagen sowie in der Robotik kommerziell eingesetzt: "Abhängig von der Anwendung werden auf unterschiedlich physikalisch Effekte beruhende Aktoren eingebaut und verschiedene Regelungskonzepte angewendet. Für den Einsatz aktiver Systeme bei Industriemaschinen sind sicherlich einige spannende Ideen umsetzbar. Die im Rahmen des BMBF Projektes FIEELAS entwickelten aktiven Lager sind besonders geeignet für den Einsatz im Last Pfad, wenn eine feste Ankopplung notwendig ist", so Atzrodt weiter.

Hilfe bei Ventilatoren

Auch bei Anwendungen in der Kälte-, Klima- und Lufttechnik stellt man oft fest, dass der ausgewählte und im Gerät verbaute Ventilator nicht so leise arbeitet wie erwartet. Er erzeugt häufig ein deutlich höheres Betriebsgeräusch als in seiner Dokumentation angegeben ist.

Mit dem Vorleitgitter wird eine deutliche Reduzierung des Schalldruckpegels und ein deutlich abgeschwächter Drehklang erreicht. Dargestellt sind die Ergebnisse einer Schallmessung an einem Verflüssiger.
Mit dem Vorleitgitter wird eine deutliche Reduzierung des Schalldruckpegels und ein deutlich abgeschwächter Drehklang erreicht. Dargestellt sind die Ergebnisse einer Schallmessung an einem Verflüssiger. - Bild: emb-papst

Der Grund dafür ist einfach zu verstehen: Die in der Dokumentation angegebenen Werte beruhen auf reproduzierbaren Messungen bei (ungestörten) Standardbedingungen. In den Anwendungen gibt es aber, bedingt durch die Einbauverhältnisse im jeweiligen Gerät, mehr oder weniger ausgeprägte Zuströmstörungen. Diese führen zu einer zusätzlichen Geräuschentwicklung.

Abhilfe schafft laut emb-papst hier ein Vorleitgitter, das quasi als Gleichrichter wirkt – so werden unerwünschte Störungen deutlich verringert. Das Gitter reduziert die Geräusch erzeugenden Störungen in der Zuströmung und wirkt bei Axial- und Radialventilatoren gleichermaßen. Bei einem Verflüssiger beispielsweise, der mit einem Axialventilator ausgestattet ist, wurde durch den Einsatz des Vorleitgitters eine Reduzierung des Geräuschpegels um 3,9 dB(A) und des Drehklangs um 16 dB erreicht. Bei einem Flachklimagerät mit Radialventilator lässt sich durch das FlowGrid der Geräuschpegel um 2,5 dB(A) reduzieren, der Drehklang um 9 dB.

Stellventile im Blick behalten

Dass Geräusche, in diesem Fall Ventilgeräusche nicht nur lästig sein können, sondern sogar die Rentabilität von Anlagen beeinträchtigen, hat auch Emerson Automation Solutions erkannt.

Deshalb setzt man seitens des Unternehmens auch auf Spezialisten, die die Hauptursachen von Ventilgeräuschen analysieren und nicht nur Erfahrung in der Vorhersage von Geräuschen besitzen, sondern auch in deren Minimierung. „Wir verwenden den Standard 60534-8-3 der International Electrotechnical Commission (IEC) für Berechnungsverfahren zur Vorhersage der aerodynamischen Geräusche von Stellventilen und sind aktiv an der Weiterentwicklung dieses Standards beteiligt. Emerson nutzt seine Durchflusslabore und Prüfeinrichtungen, um genaue Daten zur Vorhersage von Geräuschen zu erhalten, die durch Tests gemäß dem IEC-Standard validiert werden“, so das Unternehmen weiter. Dabei setze man beispielsweise auf die korrekte Ventilauslegung und speziell geformte Strömungskanäle, die die Turbulenzen reduzieren, um mit Stoßwellen einhergehende Geräusche zu minimieren.

Wenn's nicht anders geht, muss nachgearbeitet werden

Oft muss aber auch im Nachgang versucht werden, ein Geräusch oder eine Vibration zu minimieren. Dies kann beispielsweise im Innenraum von Zügen und Bahnen mit speziellen PET-Vliesklebebändern, wie sie etwa Tesa anbietet, geschehen. Wichtig dabei ist laut Hersteller, dass eine passende Kombination aus Materialstärke, Klebekraft, Dehnungsverhalten und Abriebfestigkeit erzielt wird.

Auch ein einfaches Klebeband kann bei störenden Geräuschen wahre Wunder bewirken.
Auch ein einfaches Klebeband kann bei störenden Geräuschen wahre Wunder bewirken. - Bild: Tesa

Zu den am häufigsten eingesetzten Klebebändern zählen hier laut Tesa 60606 PV1 sowie 60608 PV1. Die beiden Premium PET-Vliese mit einer klebstarken Acrylatmasse, unterscheiden sich vor allem durch Materialstärke und Dehnverhalten: Während 60608 PV1 für Standardanwendungen entwickelt wurde, halte 60606 PV1 auch starken Beanspruchungen stand.

Wo Geräusche helfen können

Auch heute ist die akustische Erkennung von Fehlern und Störungen Stand der Technik. Sie spielt vor allem bei der Predictive Maintenance, also der vorausschauenden Wartung eine wichtige Rolle.

Bei einem Praxisbeispiel für dieses akustische Monitoring von Maschinen hat sich das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT in Oldenburg den Bereich Pumpen vorgenommen. Mit dem Ziel, teure Folgeschäden zu vermeiden, können die Experten im Institutsteil Hör-, Sprach- und Audiotechnologie anhand ihrer Geräusche erkennen, wenn die Pumpe nicht mehr läuft. Außerdem kann die akustische Ereignisüberwachung als Teil der Fernwartung und -steuerung eingesetzt werden.

"Maschinen hören besser, und zwar in Frequenzbereichen, in denen der Altmeister nicht hört", erklärt Danilo Hollosi, Gruppenleiter Akustische Ereignisdetektion vom Fraunhofer IDMT: "Aber unsere Technik ist auch dort einsetzbar, wo sich ein Mensch nicht lange aufhalten möchte oder darf, hört unabhängig von der Uhrzeit objektiv immer gleich gut und ist immer vor Ort, ohne direkten Kontakt mit der Maschine haben zu müssen."

Mit diesem akustischen Condition Monitoring kann laut Hollosi die zuverlässige Maschinenleistung als Service angeboten und mit alternativen Geschäftsmodellen vertrieben werden und auf einer grafischen Benutzeroberfläche übersichtlichen visualisiert werden. Die generierten Daten werden so für die weitere Nutzung im Kontext mit Industrie 4.0 verfügbar. Längst wurden hier auch namhafte Unternehmen der Industrie wie Bosch Rexroth und Infineon aufmerksam und sind im Rahmen des Projektes "ACME 4.0" mit von der Partie.

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