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Fraunhofer-Allianz Adaptronik

Weiches Piezolager mit Stellwegvergrößerung

Zur Lagerung und aktiven Kontrolle der Körperschallausbreitung eines Klimakompressors ist ein weiches aktives Interface auf Basis von Piezostapelaktoren entwickelt worden.

In der Anwendung handelt es sich um einen Kompressor in einem Klimagerät einer Straßenbahn, die über dem Fahrerstand untergebracht ist. Im Betrieb verursacht der Kompressor Vibrationen, die über das Dach der Straßenbahn in die Fahrerkabine übertragen werden und dort als Lärm belasten. Durch eine aktive Lagerung werden die Vibrationen des Kompressors isoliert und die Übertragung in das Bahndach behindert. Auf diese Weise wird die Lärmemission in den Kabineninnenraum reduziert.

Der für eine erfolgreiche Schwingungsreduzierung aus experimentellen Untersuchungen abgeschätzte Aktorstellweg beträgt mindestens 130 µm. Aufgrund dieses für Piezoaktoren hohen Hubs und des zusätzlich geforderten geringen Lagerbauraums, war die Umsetzung eines neuen Aktorkonzepts vorteilhaft.

Bei diesem Konzept drücken Piezoaktoren auf zwei großflächige Druckstempel, die wiederum auf ein Wirkmedium (2-Komponenten-Elastomer) pressen. Beide sind in einer Aluminium-Druckkammer angeordnet, die eine Ausdehnung des Elastomers nur über eine vordefinierte Öffnung mit kleinerer Druckfläche erlaubt. Die Wegvergrößerung wird dabei über das Verhältnis der Druckflächen definiert.

Abb. 1: Prototyp; HxBxT: 45x140x60 mm³; Gewicht: 630 g; Leistungsaufnahme: je nach Betriebsart ca. 5 W.
Abb. 2: Position der Beschleunigungsaufnehmer (links, gestrichelte Linie Kompressor); Kompressor mit 3 Lagern (rechts).

Dieser Aufbau hat entscheidende Vorteile:

  • Der Stellweg der Piezostacks wird von 45 µm eines Einzelaktors auf >1 mm erhöht. Damit können kostengünstige Standardaktoren aus dem Kfz-Einspritzbereich verwendet werden.
  • Durch die verwendete Stempelanordnung ist es möglich, die Kraftrichtung der Aktoren um 90° umzulenken. Dies bietet die Möglichkeit, die Aktoren horizontal einzubauen, und resultiert in einer geringen Bauhöhe des Lagers.
  • Eine aufwendige Dichtung wird, im Vergleich mit einem hydraulischen Medium, durch die Verwendung eines Elastomers als Übertragungsmedium nicht benötigt.
  • Das Lager ist modular ausgestaltet und damit auf weitere Anwendungen gut übertragbar. Erhöhten Stellweg- oder Kraftanforderungen kann durch serielle oder parallele Zuschaltung von Modulen begegnet werden.

Der dargestellte Lagerprototyp (Abb. 1) stellt eine Kraft von 35 N in einem Frequenzbereich von 0 – 1 kHz bereit.
Im Anwendungsfall der Kompressorlagerung wurden mittels drei Lagern die vom Kompressor übertragenen Vibrationen sowohl in einem breiten Frequenzbereich als auch bei einzelnen, selektierbaren Frequenzen um bis zu 15 dB gesenkt (Abb. 2).