Glossar – zentrale Begriffe verständlich erklärt

Diagramme Schwingungstechnik

Schwingungstechnik, Schwingungsisolierung, Schwingungsdämpfung – egal, wie Sie es nennen wollen, Bilz ist Ihr Experte auf diesem Gebiet. Damit auch Sie im Bilde sind, haben wir im Folgenden einige zentrale Begriffe rund um das Thema für Sie zusammengestellt und verständlich erklärt.

 

Schwingung

Schwingungen sind zeitliche Änderungen von Zustandsgrößen (z.B. Wege, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten etc.), ausgehend von einem Mittel- oder Gleichgewichtswert bzw. einer Ruhelage. Dabei gibt es je nach Art ihres Verlaufs verschiedene Typen.

 

Typen von Schwingungen

Periodische Schwingung: Bei dieser Art von Schwingung kann der Verlauf aufgrund der vorangegangen Regelmäßigkeit genau vorausgesagt werden, z.B. bei der harmonischen Schwingung, deren Verlauf einer Sinusfunktion entspricht. Auch deterministische Schwingung genannt.

Stochastische Schwingung: Diese werden auch nicht-deterministische oder Zufalls-Schwingungen genannt und sind nicht vorhersehbar.

Erschütterungen/Stöße: Wesentliche Merkmale des Stoßes sind seine Dauer, sein Verlauf und seine Intensität. Bei der Stoßisolierung wird der Störimpuls, der aus einer über eine kurze Zeit wirkenden hohen Kraftspitze besteht, durch die elastische Verformung des Isolators in einen länger dauernden, aber mit nur kleinen Restkräften verbundenen Impuls verwandelt.

Körperschall sind mechanische Schwingungen, die sich in einem festen Körper ausbreiten. Dabei kann man den abgestrahlten Luftschall hören.

Vibrationen sind periodische mechanische Schwingungen von Körpern.

 

Schwingungsisolierung

Schwingungsisolierung bedeutet die Entkopplung von Störkräften und Schwingungen. Dieser Effekt wirkt stets in beide Richtungen, also von der Maschine zur Umgebung als auch in die entgegengesetzte Richtung (siehe auch Arten der Isolierung). Die Begriffe Schwingungstilgung und Schwingungsdämpfung (nicht zu verwechseln mit Dämpfung!) werden oft synonym gebraucht.

 

Dämpfung D

ist die physikalische Eigenschaft eines Isolators, dem Schwingungssystem Energie zu entziehen, die dabei in Wärme umgewandelt wird. Dadurch werden die Schwingungen auf ein zulässiges Maß begrenzt. Bei der Dämpfung D handelt es sich eine dimensionslose Größe.

 

Belastung

Wichtig bei der Auswahl und Berechnung der geeigneten Schwingungsisolierung ist die Art der Belastung. Diese setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen:

  1. statische Belastung, verursacht durch das Gewicht der Maschine und des Werkstücks
  2. dynamische Belastung, verursacht durch die Bewegung der Schwingung. Einheit: Newton (N)

 

Amplitude

AmplitudeMaximale Auslenkung einer harmonischen Schwingung von der Ruhelage aus (1). Peak-to-Peak (2). Effektivwert ( RMS = Abkürzung für Root Mean Square, Quadratisches Mittel; 3), Periodendauer (4)
Einheiten: 1, 2 und 3: Meter (m), 4: Sekunde (s)

 

Frequenz f

ist das Maß für die Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit ist Hertz (Hz).

 

Eigenfrequenz = Resonanzfrequenz

ist die Frequenz, mit der ein Körper nach einmaliger Anregung frei um seine Gleichgewichtslage schwingt.

 

Erreger- oder Störfrequenz

ist die Frequenz, mit der ein System bei einer erzwungenen Schwingung angeregt wird. Oft ist sie gleich der Maschinendrehzahl oder Hubzahl.

 

Abstimmungsverhältnis

Das Verhältnis von Störfrequenz zu Eigenfrequenz bezeichnet man als Abstimmungsverhältnis. Allgemein kann gesagt werden, dass der Wirkungsgrad einer Isolierung umso besser wird, je tiefer die Eigenfrequenz des Isolators liegt, d.h. je größer das Verhältnis der Stör- zur Eigenfrequenz ist. In der Regel wird ein Abstimmungsverhältnis zwischen 3 und 4 angestrebt.

 

Resonanz / Resonanzverstärkung

Wenn die Eigenfrequenz nahe bei der Erregerfrequenz liegt oder sogar gleich ist (Abstimmungsverhältnis = 1), spricht man von Resonanz. Das Schwingsystem aus Maschine und Isolator reagiert mit besonders großen Amplituden. Die Schwingung wird nicht reduziert, sondern verstärkt (Resonanzverstärkung).

 

Aktuatoren

sind Elemente, die ein Eingangssignal in eine andersartige Ausgangsgröße umwandeln. Meist wird dabei mechanische Arbeit umgewandelt. Sie greifen damit aktiv in das Regelungssystem ein und/oder geben Sollgrößen vor.

 

Aktive / passive Schwingungsisolatoren

Passive Schwingungsisolatoren weisen bei Anregung im Bereich der Eigenfrequenz eine Verstärkung der Schwingungsamplitude auf. Diese Resonanzverstärkung ist abhängig von der Dämpfungseigenschaft der Isolatoren.

Aktive Schwingungsisolatoren erzeugen durch eine geeignete Regelung eine um 180° phasenverschobene Gegenkraft (siehe auch Phasenverschiebung), wobei die Isolatoren hier als Aktuatoren wirken. Dadurch wird die Resonanzverstärkung im Bereich der Eigenfrequenz der Isolatoren minimiert.
Isolatoren werden umgangssprachlich auch oft als Schwingungsdämpfer bezeichnet.

 

Freiheitsgrade

Freiheitsgrade (auch Degrees of Freedom, DOF) sind die möglichen Bewegungsrichtungen eines Systems. Ein fester Körper hat 6 Freiheitsgrade, denn man kann den Körper in drei voneinander unabhängige Richtungen (X, Y, Z) bewegen und jeweils um die drei Achsen drehen.

 

COG = Center of Gravity = Schwerpunkt

Die Lage des Maschinenschwerpunktes ist wichtig für die statische Lagerung und Auswahl der Aufstellpunkte bei der Schwingungsisolierung.

 

Arten der Isolierung

Quellenisolierung ist die schwingungsisolierte Lagerung einer Maschine, deren Schwingungskräfte dadurch vermindert werden. Dabei werden auch die Umgebung, wie z.B. benachbarte Maschinen, das Gebäude sowie die Menschen vor den Störkräften geschützt.

Bei der Empfängerisolierung gilt es, erschütterungsempfindliche Maschinen (z.B. Messmaschinen) vor störenden Bodenschwingungen zu schützen.

 

Phasenverschiebung

Der physikalische Begriff der Phasenverschiebung bedeutet, dass zwei harmonische Schwingungen gegeneinander phasenverschoben sind, wenn deren Periodendauern zwar übereinstimmen, die Zeitpunkte ihrer Nulldurchgänge aber nicht. Eine Phasenverschiebung um 180° wird bei aktiven Isolatoren (z.B. Active Isolation System ™) eingesetzt, um Schwingungen zu isolieren und Resonanzverstärkung zu minimieren.

 

Direkte Isolierung

Direkte Isolierung bedeutet, dass Schwingungsisolatoren direkt unter oder in der Maschine angebracht werden, in der Regel an gleicher Stelle wie bereits vorhandene Aufstellpunkte. Die direkte Isolierung setzt voraus, dass das Maschinenbett bzw. der Grundrahmen eine ausreichende Eigensteifigkeit besitzt und sich aufgrund der elastischen Lagerung nicht verwindet.

 

Indirekte Isolierung

Bei Maschinen, deren Eigensteifigkeit für eine direkte Isolierung nicht ausreicht, muss zwischen Maschine und Isolatoren eine entsprechend starr ausgelegte Zwischenkonstruktion eingebracht werden, z.B. Stahlplattform, Gussplatte oder ein Blockfundament aus Beton (Fundamentisolierung).