ISOTILDAM - Isolation, Tilgung, Dämpfung - Die Lösung von Schwingungsproblemen von Maschinen, Anlagen, Gebäuden
ISOTILDAM - Isolation, Tilgung, Dämpfung - Die Lösung von Schwingungsproblemen von Maschinen, Anlagen, Gebäuden

MKS Berechnungen

Maschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen werden heutzutage aus Kosten- und Flexibilitätsgründen möglichst leicht aufgebaut. Dadurch werden diese Maschinen und deren Teile dynamisch weicher und schwingungsanfälliger. Durch den Betrieb solcher Maschinen treten innerhalb dieser erhebliche Schwingungen auf, weil einerseits  Biege- und Torsionseigenformen bei tieferen Eigenfrequenzen aufgrund des leichten Maschinenbaus auftreten und andererseits die Betriebsdrehzahlbereiche aus Produktivitätsgründen immer breitbandiger werden. Da die Materialdämpfung dieser Maschinen im Allgemeinen sehr gering (D≤2%) ist, werden bei der Übereinstimmung einer Eigenfrequenz mit einer Erregerfrequenz resonanzartige Maschinenschwingungen hervorgerufen. Die Teile der Maschinen verformen sich während der Bearbeitung eines Werkstückes elastisch. Wird die Bearbeitungsstufe verändert oder abgeschlossen, dann schwingt die Maschine aus. Dadurch entstehende Massenkräfte gehen nach außen oder beeinflussen die Funktionalität und Produktivität der Maschine.

Unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften kann eine Maschine in Leichtbauweise auf speziellen Elementen mit elastischen und insbesondere mit dämpfenden Eigenschaften so gelagert werden, dass neben einer gewünschten Schwingungsisolierung das dynamische Verhalten der Maschine vorteilhaft beeinflusst wird, um das Eigenschwingverhalten der Maschine erheblich zu verbessern. Solche speziellen Elemente können auch innerhalb des Maschinenkörpers eingebaut werden, denn die Dämpfung wirkt sich auf ein schwingungsfähiges System (z. B. auf eine Maschine) global aus. Dämpfung ist Umwandlung von Bewegungsenergie in andere, für das Schwingungssystem nicht mehr relevante Eigenformen oder Wegführen von Energie außerhalb der betrachteten Grenze des Schwingungssystems. Beides kann mit dem Begriff “Energiedissipation“ (Energieabstrahlung) beschrieben werden.

Zur Reduzierung der Schwingungen, die

  • innerhalb einer Maschine entstehen und Produktion und Qualität negativ beeinflussen
  • von einer Maschine ausgehen und Störungen in der Umgebung dieser Maschine hervorrufen
  • von der Umgebung auf ein empfindliches Gerät oder auf ein Gebäude übertragen werden

stehen die folgenden Grundprinzipien zur Verfügung.

Mechanische Schwingungen können durch die Anwendung der Grundprinzipien der Schwingungsreduzierung oder durch deren Kombination oder durch konstruktive Maßnahmen beeinflusst werden:

  1. Schwingungsisolierung (SI), Körperschallisolierung (KSI) und Stoßisolierung (StI)
  2. Schwingungsdämpfung
  3. Schwingungstilger (ungedämpft, gedämpft)
  4. Relativdämpfer
  5. Kombination dieser Grundprinzipien
  6. Konstruktive Maßnahmen.

Es ist meistens sinnvoll, ein komplexes, schwingungsfähiges System als ein relativ einfaches Ersatzsystem abzubilden, um dynamische Eigenschaften dieses System beschreiben und berechnen zu können. Dafür sollen bestimmte Parameter, wie dynamische Massen, Steifigkeiten, Dämpfungskoeffizienten vorliegen oder messtechnisch am originalen System ermittelt werden. Ferner sind bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen. Werden diese Voraussetzungen erfüllt und sind die bestimmten Parameter des schwingungsfähigen Systems und des Aufstellortes bekannt, dann kann eine Abhilfemaßnahme zur Reduzierung der Schwingungen des schwingungsfähigen Systems oder der Umgebung durch Verwendung von MKS Programmen rechnerisch ermittel werden. Die Voraussetzungen, die erfüllt werden müssen, sind:

  1. Untergrund muss theoretisch unendlich, praktisch ausreichend steif sein.
  2. Das Objekt, bei dem eine Maßnahme zur Schwingungsreduzierung zu realisieren ist, muss ausreichend  steif sein, um davon einen starren Körper modellieren zu können.
  3. Massenverteilung und Anordnung der elastischen und dämpfenden Elemente als Maßnahme sind symmetrisch.
  4. Die vertikalen Bewegungen sollen von den horizontalen Bewegungen und von den Kippbewegungen bei der Übereinstimmung des Massenschwerpunktes mit dem Steifigkeitsschwerpunkt entkoppelt werden.
  5. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems, der elastischen und dämpfenden Elemente und des Aufstellortes müssen linear sein, sonst sind nichtlineare Berechnungen nur im Zeitbereich möglich.

Mit diesem relativ sehr einfachen Ersatzsystem können die Relativbewegungen zwischen dem Werkstück und Werkzeug berechnet werden. Durch die Optimierung der Parameter der ausgelegten Maßnahme werden diese Relativbewegungen minimiert.

a) Schwinggeschwindigkeiten des Werkzeuges bei verschiedenen Dämpfungsgraden der elastischen und dämpfenden Aufstellung

b) Dazugehörige Amplitudenspektren