Ursache und Wirkung von Schwingungen und Geräuschen bei Kleinstantrieben

Laufruhe erfordert tiefgreifende Analyse

Geräusche elektrischer Antriebe

Laufruhe ist heute ein gern verwendetes Wort, wenn es um Antriebe aller Art geht. Gerade bei Kleinstantrieben, die häufig in Geräten für sensible Bereiche eingebaut werden, ist ein leiser Lauf sehr wichtig. In Labor- oder Medizintechnik oder bei Büromaschinen dürfen Geräusche nicht stören aber auch andere Anwendungen inklusive komplexer Automatisierungstechnik stellen heute hohe Ansprüche an die Laufkultur. Nur, was ist die Definition von Lärm und woher kommt er? Schwingungen oder Vibration kann man messen, sie sind auch häufig Ursache für Schallabstrahlung, aber wann ist der Schall störend? Erst wenn man die Eigenschaften des menschlichen Ohres kennt, kann tatsächlich durch eine Messung des relevanten Schalls eine Aussage über eventuell störende Schallkomponenten getroffen werden, die landläufig „Lärm“ genannt wird.

Geräusche, die der Mensch wahrnimmt, werden in den meisten Fällen über die Luft übertragen. Dieser sogenannte Luftschall ist aber nur eine Form, die andere ist der Körperschall, also Schwingungen im festen oder flüssigen Material. Beide Formen können bei zu hohen Pegeln bzw. bestimmten Schwingungsanteilen vom Betroffenen als störend empfunden werden. Um Produkte für das menschliche Empfinden als laufruhig, leise oder „smooth“ zu gestalten, sind deswegen immer physikalische, biologische und psychische Komponenten aufeinander abzustimmen. Der Kleinantriebsspezialist FAULHABER analysiert daher nicht nur physikalisch die einzelnen Schwingungen und Geräusche der Kleinstantriebe, die Spezialisten bewerten die so ermittelten Daten auch nach den Gesichtspunkten der menschlichen Wahrnehmung. So entsteht als Endprodukt ein Antrieb, der die Bezeichnung laufruhig tatsächlich verdient.

Drei Haupt-Ursachen für Schwingungen

Quellen für Geräusche

Quellen für Schwingungen und Geräusche in einem elektrischen Kleinstantrieb

Da Schall auf Schwingungen von Gasen oder festen Körpern basiert, kommen für die Schwingungs-Anregung der Materie eine ganze Reihe von Ursachen in Frage. Teilweise werden die einzelnen Schwingungsformen ineinander umgewandelt und ergeben so besonders störende Anteile. Im Allgemeinen lässt sich die Anregung zum Schwingen bei elektrischen Kleinantrieben auf folgende drei Ursachen zurückführen:

Magnetische Anregung und Kommutierung

Die elektrisch-magnetische Anregung wird durch Ausdehnung bzw. Verformung über die Magnetfelddurchdringung von Draht und Magnetblech oder über die Kommutierung generiert. Im klassischen Stator eines Motors entstehen durch die magnetischen Wechselfelder Kräfte in radialer und tangentialer Richtung. Die räumlich und zeitlich schwankende magnetische Energiedichte erzeugt Pendel- und Rastmomente sowie Biegeverformungen, z.B. an den Zähnen der Blechpakte von Stator und Rotor. Diese wiederum führen zu Körperschallschwingungen und in Folge davon auch zu Luftschall. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann die Stärke der Anregung minimiert werden.

Kraftanregung am Stator

Kraftanregung am Stator einer elektrischen Maschine

Die Kommutierung führt ebenfalls zu radialen und tangentialen Kräften. Besonders bei rechteckigem Stromverlauf bilden sich lokal rechteckförmige Kräfte, die zu sprungartigen Schwingungsanregungen am Stator führen. Die so entstehenden Geräusche, oft als „Kommutierungsgeräusch“ bezeichnet, sind nicht zu unterschätzen. Abhilfe schafft nur eine Ansteuerelektronik mit sinusförmigen verlaufenden Strömen. Dabei sinkt zwar der Wirkungsgrad; Sinusansteuerung reduziert bzw. beseitigt aber den Kommutierungsanteil am Betriebsgeräusch weitgehend.

Bei Schleifkommutierung wiederum kommt es zu Schwingungen, die aus dem System Feder-Kohlebürste beim Übergang von Lamelle zu Lamelle entstehen. Ebenso können Schwingungen dadurch generiert werden, dass die Bürste zu Schwingungen über unterschiedliche Reibwerte und damit Reibkräfte auf dem Kollektor angeregt wird, ähnlich wie bei einem Geigenbogen, der über die Saite streicht. Dies macht sich durch Pfeifgeräusche im Bereich 3 bis 10 kHz bemerkbar.

Mechanisch erzeugte Schwingungen

Die mechanische Anregung durch Unwucht im Läufer oder nicht vollständig symmetrische Lagerung ist eine weitere Quelle für Schwingungen. Gleitlager können bei intermittierender mechanischer Berührung von Welle und Lauffläche Geräusche verursachen. Dies gilt vor allem bei Anlauf, zu großer Radialkraft, unrunder Welle bzw. Lagerbuchse und Schiefstand der Welle. Die Folge der Berührungen sind Schwingungen mit sehr vielen Frequenzen im Hörbereich, bei denen vor allem die Drehfrequenz und deren Vielfache besonders stark hervortreten.

Bei Kugellagern rollen Wälzkörper auf einem Innen- bzw. Außenring mit mechanischer Berührung ab. Bei idealer Lauffläche aller Partner entsteht ein breites Frequenzspektrum wegen elastischer Verformungen durch umlaufende Kräfte. Bei radialer Lagerluft, Schäden an den Oberflächen der Laufbahnen durch Fertigungsfehler oder Materialermüdung bzw. Überlastschäden können die Kugeln der idealen Laufbahn nicht mehr folgen. Bei manchen Drehzahlen laufen sie dann u.U. sogar im Gleichtakt auf einer Wellenlinie statt auf einer Kreisbahn, was zu selbsterregten Axialschwingungen des Lagerschildes führt. Unvermeidbare Unwucht im Rotor führt zwangsläufig durch die hohe Drehzahl von 10. bis 100.000 U/min bei Kleinstantrieben zu erheblichen Fliehkräften, d.h. zu umlaufenden Radialkräften. So ergeben sich größere oder kleinere radiale Auslenkungen der Lagerstelle, die sich auch als rütteln oder taumeln bemerkbar machen können und ebenfalls schwingungsanregend wirken.

Einfluss von Zusatzkomponenten

Die ebenfalls rein mechanische Erregung durch Zusatzkomponenten wie Getriebe, bei denen Zahnflankenspiel, Lastwechsel an Zahnflanken mit elastischer Verformung etc. zu teilweise erheblichen Laufgeräuschen führen können, ist eine weitere mögliche Schallquelle. Da bei Kleinstantrieben die Getriebe naturgemäß sehr klein ausfallen, sind die Räder immer mit nur wenigen Zähnen im Eingriff (geringe Überdeckung). Zahnschrägungen, die die Überdeckung fördern, sind ebenfalls nur selten anzutreffen. So macht sich selbst ein nur minimal schwankendes Radienverhältnis deutlich bemerkbar und erzeugt Drehschwingungen an den Wellen und Radialschwingungen an den Lagern. Die Schwingung ist das Produkt aus Drehzahlfrequenz und der Zähnezahl und deren Vielfache. Sie liegen daher im gut hörbaren Bereich. Spiel im Getriebe führt zu Stößen bei Einschalten und Drehrichtungsumkehr. Ein Flankenspiel der Zahnräder wirkt ebenfalls anregend. Die im Getriebe entstehenden Geräusche kann man aber über die Schmierstoffwahl bzw. Materialauswahl z.B. Metall/Kunststoffräder minimieren.

Schallbewertung durch den Menschen

Hörempfinden als Digramm

Hörempfinden als Digramm: Kurven gleicher Lautheit

Tasten und Gehör sind die Sinne, mit denen der Mensch störende Schwingungen aus der Umgebung wahrnehmen kann. Hier spielt immer die subjektive Bewertung eine wichtige Rolle abhängig von der einzelnen Person. So wird von manchen Menschen bei Autos oder Motorrädern ein tiefer, sonorer Klang als „schön“ empfunden, obwohl er für andere schon an Lärmbelästigung grenzt. „Wat den Eenen sin Uhl‘, ist den Annern sin Nachtigall“ sagt der Volksmund dazu. Es müssen daher bei der Betrachtung der Laufkultur von Kleinstantrieben immer die Einsatzbedingungen und das nähere Umfeld der Personen mit einbezogen werden. Grundsätzlich kann man aber folgende Grundregeln aufstellen:

Der für Körperschall wichtige Tastsinn lässt sich nur schwer beschreiben. Die Sensoren in Finger, Füßen, Wange etc. sind sehr ungleich verteilt und damit auch die Wahrnehmungsfähigkeit. Der so direkt wahrgenommene Körperschall spielt bei Kleinantrieben aber auch eine eher untergeordnete Rolle. Das menschliche Gehör dagegen ist ein Präzisionssensor mit sehr großem Wahrnehmungsbereich. Er überstreicht etwa sechs Zehnerpotenzen der Schwingungsamplitude, von der frequenzabhängigen Wahrnehmungsgrenze bis hin zur Schmerzgrenze. Hinzu kommen ein altersabhängiger Frequenzbereich, eine sehr individuelle Bewertung von Frequenzgemischen bzw. zeitlichen Veränderungen von Geräuschen. Auch der Stereoeffekt spielt eine nicht unbedeutende Rolle. Aus diesem Grund lässt sich die Wirkung von Luftschall auf den Menschen messtechnisch nur unvollständig abbilden. Eine Möglichkeit dem natürlichen Hörempfinden nahe zu kommen ist die Kunstkopftechnik, bei dem in eine menschliche Büste anstelle der Ohren zwei Mikrofone eingesetzt werden. Damit können die für das Hörempfinden maßgeblichen Filterungen und Reflexionen am Schulter-Kopfbereich mitgemessen werden.

Hörgerechte Beurteilung

Bewertungskurven für die hörgerechte Beurteilung von Luftschallaufnahmen (Bilder: Faulhaber)

Für eine gute Bewertung gemessener Schallwerte ist daher ein breiter Erfahrungspool wichtig. So steigt die Hörschwelle zu tiefen Frequenzen hin an; zwischen 1000 und 4000 Hz ist die durchschnittliche Empfindlichkeit am größten. Unter 15 Hz und über 20 kHz werden Schwingungen dagegen gar nicht registriert. Aus diesen und weiteren Randbedingungen lassen sich sogenannte Bewertungskurven erstellen, die bestimmte Frequenzbereiche dämpfen oder verstärken, um den physiologischen Gegebenheiten Rechnung zu tragen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass sich die vom Menschen wahrgenommene Laufruhe eines Kleinstantriebes nur sehr unzureichend durch physikalische Faktoren objektiv messen und belegen lässt. Schwingungen, die die Grundlage der Schallabstrahlung darstellen, kann man hingegen messtechnisch aufspüren und durch geeignete Maßnahmen minimieren. Eine endgültige Bewertung des Gesamtklangbildes einer Antriebseinheit erfordert aber eine langjährige Erfahrung und gute Kenntnisse der Ansprüche, die im jeweiligen Einsatzumfeld gefordert werden. Zusammen mit einem Baukastensystem und gegebenenfalls individuellen Änderungen bei Antrieb oder der Einsatzumgebung des Antriebs lassen sich dann praktisch immer zufriedenstellende Ergebnisse bei der Laufkultur erreichen.

Andreas Zeiff

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

Dietrich Homburg

Dietrich Homburg

Dietrich Homburg gründete 1980 das Redaktionsbüro Stutensee, um kleinen und mittelständischen Unternehmen aus dem Bereich der Automatisierungstechnik eine Möglichkeit zu bieten, professionell in der Fachpresse aufzutreten.

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