Fraunhofer-Gesellschaft
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Projekte

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Adaptive Schwingungstilger für den Leichtbau

Motivation

Im Leichtbau nimmt die Schwinganfälligkeit bei Verwendung leichter Massen zu. Schwingungskontrollen mit außen an die Struktur applizierten Feder-Masse-Dämpfersystemen - beispielsweise adaptive Tilger oder in die Struktur integrierte Lagersysteme - helfen, störende und oft schädigende Schwingungen frühzeitig zu erkennen und zu mindern. Auf der Hannover-Messe zeigt das Fraunhofer-Institut LBF die Wirkungen adaptiver Tilger am Beispiel eines Klimaanlagenkompressors einer Straßenbahn. Im Rahmen des EU-Projekts InMAR (Intelligent Materials for Active Noise Reduction) wurde die durch das Klimagerät auf dem Dach einer Straßenbahn verursachte Lärmbelastung des Straßenbahnfahrers mittels aktiver Maßnahmen reduziert. Innerhalb des Projektes wurde bereits nachgewiesen, dass es möglich ist, mit adaptiven Tilgern eine deutliche Schwingungsreduktion zu erzielen. Auf Basis dieser Arbeiten wurden am Fraunhofer-Institut LBF verschiedene Konzepte weiterentwickelt, um den Bedarf der Schwingungsreduktion in unterschiedlichen Anwendungsgebieten abzudecken.

Abb. 1: Adaptiver Tilger mit Motorantrieb für kleine und mittlere Frequenzen und mittlere und hohe Kräfte.
Abb. 2: Adaptive Tilger mit piezokeramischen Aktoren für höhere Frequenzen und kleinere und mittlere Kräfte.

Prinzip und technologische Varianten

Das Wesentliche hierbei ist die Verwendung von adaptiven Tilgern, deren Resonanzfrequenz im Betrieb automatisch der Erregerfrequenz folgt, sodass stets eine optimale Kompensation gegeben ist. Um die Resonanzfrequenz eines Feder-Masse-Systems zu verstellen, wird meist die Veränderung der Federsteifigkeit bevorzugt. Eine Veränderung der Masse ist theoretisch zwar auch möglich, ist aber recht aufwendig und wird daher nur bei sehr großen Tilgersystemen für Schiffe oder Bauwerke angewandt. Adaptive Tilger können bei wechselnder Drehzahl, Hochlaufen von Anlagen, Belastungsänderungen im Einsatz und bei veränderlichen Eigenfrequenzen durch Temperaturänderungen und nichtlinearem Materialverhalten eingesetzt werden. Damit lassen sich höhere Drehzahlen bzw. ein ruhiger Betrieb von Maschinen erreichen. Adaptive Tilger eignen sich für Anwendungen in vielen Bereichen des Maschinenbaus, wie z. B. in der Fahrzeugtechnik, im Schiffsbau, in der Luftfahrt oder im Anlagenbau. Eine der Möglichkeiten, die Resonanzfrequenz eines Tilgersystems zu adaptieren, ist ein Biegeschwinger als Tilger auf einem elastisch gelagerten Fundament, das durch eine beliebige Kraftanregung zu Schwingungen angeregt wird. Zwei Massen am Ende der Biegeschwinger lassen sich über einen Antrieb verschieben. Durch die Verschiebung der Massen ändert sich die Steifigkeit und damit die Resonanzfrequenz des Tilgers so, dass dieser immer im optimalen Bereich die Schwingungen kompensiert (Abb. 1).

Der für das auf der Hannover-Messe gezeigte Exponat verwendete, aktive Schwingungstilger (Abb. 2) besteht aus einer Masse, die über eine Biegefeder an das Hauptsystem angeschlossen ist. Auf der Biegefeder ist ein laminiertes Piezomodul aufgeklebt, welches bei einer Spannungsbeaufschlagung mittels des piezoelektrischen 31-Effekts ein Moment in die Biegefeder einleitet. Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung dieser adaptiven Tilger beruht auf der Erzeugung einer mechanischen Vorspannung im Material der Biegefeder durch eine elektrische Spannung, welche sich ebenfalls auf die Steifigkeit auswirkt, ähnlich wie dies beim Stimmen eines Saiteninstruments passiert. Bei eingeschaltetem Kompressor kann der adaptive Tilger hinzugeschaltet sowie die Erregerfrequenz zur Demonstration der Adaptivität über einen Drehregler manuell verändert werden.

Kundennutzen

Je nach Anwendung und Leistungsbedarf empfehlen sich für die Verwendung der adaptiven Tilger die verschiedenen Konzepte. Hierbei kann ein Spektrum von einigen wenigen bis zu mehreren hundert Hertz und Newton abgedeckt werden.
Beim Verwenden von adaptiven Tilgern ergeben sich folgende wesentliche Vorteile:

  • Erweiterter Betriebsfrequenzbereich
  • Erhöhte Prozessstabilität
  • Vermindertes Gewicht gegenüber herkömmlichen Tilgern
  • Erhöhte Betriebsfestigkeit des Gesamtsystems