Schwingungen

Schwingungen sehen auf dem Wasser schön aus, sorgen bei der Produktion jedoch für erhebliche Probleme. Mit Schwingungsdämpfern lassen sich diese Probleme deutlich abmildern. Bild: @ geralt (CC0-Lizenz)/ pixabay.com

Stoßdämpfer ist vielen Verbrauchern – zumindest allen Autofahrern – ein Begriff. Oft wird angenommen, dass dieser als Federung für mehr Fahrkomfort sorgt. Allerdings hat der Stoßdämpfer eine ganz andere Aufgabe, der eine wesentlich höhere Bedeutung zukommt. Dessen Zweck besteht darin, Schwingungen zu absorbieren, die beim Autofahren für eine Verringerung der Haftung sorgen – und somit die Verkehrssicherheit negativ beeinflussen würden.

Schwingungen treten aber nicht nur im Straßenverkehr auf. Überall dort, wo Massen mit Motorkraft bewegt werden, Unternehmen gefräste Werkstücke herstellen oder Bauwerke Wind und Wetter ausgesetzt sind, kann es zu Schwingungen kommen. Das Problem: Ab einem gewissen Grad sind Schwingungen nicht nur störend, sie haben Nachteile für:

  • die Standsicherheit
  • die Arbeitsgenauigkeit oder
  • den Fertigungsprozess als Ganzes.

Schwingungsdämpfer können diese Effekte minimieren. Welche Möglichkeiten haben Ingenieure und Maschinenbau entwickelt?

Was ist ein Schwingungsdämpfer?

Wie die Bezeichnung vermuten lässt, handelt es sich bei einem Schwingungsdämpfer um ein Bauteil/Gerät, welches in erster Linie die Aufgabe hat, Schwingungsenergie aufzunehmen. Durch diese Absorption verringert der Dämpfer die Amplitude der Schwingung. Je nach Aufbau erreicht der Schwingungsdämpfer ganz unterschiedliche Zielsetzungen.

Der heute in der Fahrzeugtechnik verwendete hydraulische Schwingungsdämpfer arbeitet mit einem ruhenden Gegenstück, was die frequenzunabhängige Absorption der Schwingungsenergie erlaubt. Besteht das Ziel im Eliminieren nur bestimmter Schwingungen, ist die Verwendung sogenannter Resonanzsysteme eine mögliche Option.

Schwingungsdämpfer für Maschinen können heute unter anderem als:

  • Gummipuffer (Einschraubelemente)
  • Vertikalschwingungsdämpfer für Wandmontagen
  • elektrodynamischen Schwingungsdämpfer
  • Drehschwingungsdämpfer
  • Ausgleichswelle

bereitgestellt werden. Wesentliches Kriterium für die Auswahl der Dämpfer ist der gewünschte Einsatzzweck. Beispiel: In der Fräs-/Zerspanungstechnik sind laut dem Institut für Fertigungstechnik auf Uni-Hannover.de sogenannte Ratterschwingungen seit je her ein Problem, welches die Schnitt bzw. Zerspanungsleistung negativ beeinflusst. Diese negativen Auswirkungen des Arbeitsprozesses lassen sich beispielsweise durch den Einsatz elektrodynamischer Schwingungsdämpfer reduzieren und damit die Fertigungsleistung erhöhen sowie die Fehlerquote verringern.

Materialien für industriell genutzte Schwingungsdämpfer

Schwingungsdämpfer
Ratterschwingungen sind bei Fräsmaschinen durchaus problematisch, jedoch mit Schwingungsdämpfern mittlerweile recht gut beherrschbar! @ blickpixel (CC0-Lizenz)/ pixabay.com

Hydraulisch-pneumatische Dämpfungselemente sind nur eine Variante, wie sich Schwingungen reduzieren lassen. In der Entwicklung und Herstellung moderner Schwingungsdämpfer kommt heute eine breite Palette verschiedener Materialien zum Einsatz. Eine herausragende Stellung nehmen Elastomere ein, die aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit Schwingungen ausgezeichnet dämpfen können.

Allerdings sind Gummielemente nicht das einzige Material, welches die Industrie zur Schwingungsdämpfung nutzt. Je nach Einsatzbereich und Auflast werden heute auch Metalle in der Schwingungsdämpfung benutzt – in Form von Drahtseildämpfern oder wenn es um säurefeste Niederfrequenz-Dämpfungselemente geht. Für Schwingungsdämpfer werden zudem laut Mecanocaucho.com mittlerweile folgende Materialien eingesetzt:

  • Elastomere
  • rostfreie Stähle
  • Aluminium
  • Gussmaterialien usw.

Dabei werden die einzelnen Dämpfungselemente nur selten aus nur einem Material gefertigt. In der Praxis sind Kombiprodukte, die ein elastisch verformbares Material mit anderen Materialien verbinden, eher die Regel, wie auf elektroniknet.de berichtet wird. In welcher Form diese Kombination entsteht, hängt letztlich vom geplanten Einsatzzweck für den Schwingungsdämpfer ab.

Welche Qualitätsmerkmale sind dabei wichtig?

Schwingungsdämpfende Eigenschaften lassen sich heute mit einer großen Zahl verschiedener Materialien erreichen. Entscheidend für deren Einsatz ist aber weniger die Frage nach der elastischen Verformbarkeit. Vielmehr muss es darum gehen, dass gewisse technische Anforderungen durch die Schwingungsdämpfer erfüllt werden können.

Es steht hier beispielsweise die Frage im Raum, ob ein Bauteil in allen drei Raumachsen eine Schwingung reduzieren kann – oder dies nur in einer Ebene möglich ist. Darüber hinaus kommt eine wichtige Anforderung hinzu: Der Schwingungsdämpfer muss den Belastungen auch auf lange Sicht gewachsen sein. Beispiel: Großklimageräte üben auf Untergrund und Schwingungsdämpfer erhebliche Belastungen aus. Dämpfungselemente mit geringer maximaler Gewichtskraft können hier unter Umständen nach wenigen Betriebsstunden versagen.

Die Belastungstoleranz eines Schwingungselements ist aber nur eine Seite der Medaille. Verschiedene Industriezweige arbeiten mit aggressiven Chemikalien wie Säuren oder Laugen und Salzen. Darüber hinaus treten in der Fertigung hohe Temperaturen auf. Schwingungsdämpfer müssen diesen Herausforderungen standhalten und dürfen ihre Eigenschaften unter dem Einfluss von Chemikalien oder höheren Temperaturen nicht verändern. Spezifische Materialeigenschaften sind daher genauso wichtig wie die Belastungsgrenzen des Schwingungsdämpfers.

Fazit: Moderne Schwingungsdämpfer für höhere Produktivität

Der Stoßdämpfer ist nur ein Beispiel, wie Schwingungen gedämpft werden können. Gerade industrielle Fertigungsprozesse profitieren heute wesentlich vom Einsatz der Schwingungsdämpfer. Es ist inzwischen nicht nur möglich, Motoren schwingungsarm zu lagern. Mittlerweile werden ganze Maschinen so aufgestellt, dass eine Übertragung der Schwingungen deutlich reduziert wird. Dies sorgt letztlich dafür, dass die Bausubstanz geschont wird und die Maschinen auch besser abreiten können.

Aus Sicht der Unternehmen ist die Dämpfung der schwingenden Maschinenbauteile in den einzelnen Produktionsschritten mindestens genauso wichtig. Lässt sich mithilfe der Schwingungsdämpfung eine höhere Genauigkeit bei reduziertem Materialverbrauch und höherer Lebensdauer der Maschinenteile erreichen, ergibt sich daraus letztlich ein Vorteil, der sich am Ende bei den Betriebsausgaben bemerkbar macht.