Betriebsgeräusche bei Einsatz von Kleinstmotoren minimieren

Schwingungsdämpfung in Antrieben

Reflexionsarmer Raum (TU Dresden) Bild: FAULHABER

Moderne Kleinstantriebe werden in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt. Oft ist dabei neben der mechanischen Güte das Betriebsgeräusch ein wesentlicher Faktor bei der Auswahl des Antriebes. Da das menschliche Gehör Geräusche sehr individuell wahrnimmt, ist für einen laufruhigen Antrieb ohne störenden Lärm einiges zu beachten. So gibt es sowohl Möglichkeiten im Antrieb selbst Schwingungen zu vermeiden oder zu dämpfen, als auch in der eigentlichen Anwendung. Motorart, Getriebe, Halterung, Sitz und Ausführung des Antriebes und Gestaltung von Flächen sind dabei die Schlagworte. Oft lässt sich durch die richtige Auswahl von Montageort, Befestigung oder Gehäusegestaltung ein Großteil des Betriebsgeräusches eliminieren.

Moderne Kleinstantriebe sind mindestens ebenso flexibel einsetzbar wie ihre größeren Brüder. Allerdings unterscheiden sie sich in vieler Hinsicht deutlich von ihnen aufgrund physikalischer Gegebenheiten. So erlaubt das große Verhältnis von Oberflächen zu Volumen kurzzeitig hohe Überlast, ohne den Kleinstantrieb zu schädigen. Die Fertigung von Zahnrädern, Lagern usw. ist allerdings schwieriger, da kleinste Strukturen mit geringsten Toleranzen notwendig sind, um Funktion und Laufruhe sicherzustellen. Der Kleinstantriebsexperte Faulhaber hat zwar jahrzehntelange Erfahrungen in Aufbau und Verhalten bestimmter Baugruppen bezüglich des Betriebsgeräusches, dennoch stellt jede neue Anwendung auch wieder neue Herausforderungen. Der Hersteller unterstützt daher seine Kunden nicht nur bei der Antriebsauswahl, sondern auch bei der Gestaltung des Montageumfeldes in der Anwendung. Denn nur im Zusammenspiel von Antrieb, Montageort und -ausführung kann man eine optimale Laufruhe erzielen. Im Folgenden werden dazu die wichtigsten Grundlagen erläutert.

Ursachen von „Lärm“

Geräusche werden vom Menschen individuell bewertet; was den einen stört, überhört der andere. Dieses Empfinden kann man messtechnisch nur ansatzweise nachbilden z.B. über Bewertungskurven und Messungen per Kunstkopf. Die Art der Geräuschbewertung spielt im folgenden Text jedoch keine Rolle, da es hier um die Minderung von Vibration und Lärm geht. Sie ist daher nur für eine abschließende Bewertung nach Abschluss aller getroffenen Maßnahmen wichtig. Wie immer gilt: Man kann nur messen und bewerten, was da ist und Schall, der durch geschickte Auslegung erst gar nicht entsteht, stört auch niemanden.

Wirkungsweg bei der Geräuschentstehung in einem Lautsprecher Bild: FAULHABER

Wirkungsweg bei der Geräuschentstehung in einem Lautsprecher

Schall ist einfach betrachtet eine Schwingung von Massepunkten, die Energie erfordert. Physikalisch direkt messbar und zumindest zum großen Teil auch abschirmbar sind zwei Arten von Schall: der Körperschall, also Schwingungen in festen oder flüssigen Körpern und der Luftschall, d.h. Schwingungen von Gasmolekülen. Nur letzterer wird direkt über das Ohr auch auf größere Entfernungen registriert, Körperschall dagegen ist nur bei direktem Körperkontakt wahrzunehmen. Ihn spürt man in Form von Vibration. Werden die Schwingungen im Körper z.B.über die Knochen zum Ohr weitergeleitet, ist Körperschall im Einzelfall auch als Geräusch wahrnehmbar. Wird der Körperschall jedoch durch Oberflächen in Luftschall transformiert, kann auch er weitreichende Wirkung entfalten. Beide Arten von Schall müssen auf unterschiedliche Weise bekämpft werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, beispielsweise Schall erst gar nicht entstehen zu lassen, die Schallquelle zu isolieren oder die Vibrationsenergie der beteiligten Massepunkte in Wärme umzuwandeln.

Bewährte Methoden

Sind Maßnahmen gegen die Schallentstehung wie optimales Auswuchten oder Vermeiden von Verwirbelungen im Kühlluftstrom etc. nicht ausreichend, kommt die Dämmung oder Dämpfung infrage. Die Dämmung ist eine Schall- oder Schwingungsisolation, hingegen wandelt die davon streng zu unterscheidende Dämpfung Schwingungsenergie in Reibungswärme um. Schaumstoff, Filz, Elastomere usw. haben besonders hohe Werte der inneren Reibung, dämpfen also besonders gut. Um effektiv zu wirken, müssen solche Materialien an Schwingungsbäuchen sitzen, also an den Orten maximaler Verformung und damit größter Reibung. An schallabstrahlenden Oberflächen angebracht, wird das Material oft als „Dämmung“ bezeichnet, obwohl es primär dämpfend wirkt. Klassisches Beispiel sind Antidröhnmatten in Kfz-Türen. Luftschall lässt sich so nur unzureichend mindern, hier sind vielmehr Stoffe wie Siebe, Netze Schaumstoffe etc. gefragt, in denen die Luftteilchen schwingen können und ihre Schallenergie zu Wärme „zerrieben“ wird. Die bekannten Dämmmatten aus Musikstudios mit ihren pyramidenförmigen Oberflächen sind hier das klassische Beispiel.

Luftschall kann auch durch Kapselung des gesamten Antriebs deutlich gemindert werden, die Ausbreitung des Schalls wird dabei begrenzt, also eingedämmt. Daher die Bezeichnung Schalldämmung. Zu beachten sind dabei von der Kapselung selbst verursachte Probleme wie Resonanzen und Hohlraumresonanzen. Wird die Kapselung zusätzlich mit dämmendem – oder richtiger mit dämpfendem – Material ausgekleidet mindert das die beiden obigen Probleme oft effektiv.

In der Praxis

Schema zur Antriebsentkoppelung Bild: FAULHABER

Schema zur Antriebsentkoppelung

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten die oben angeführten Arten der Schall- und Vibrationsminderung in die Praxis umzusetzen. Eine kleine Auswahl effektiver Methoden soll hier im Prinzip erläutert werden:

Öffnungen in größeren Flächen reduzieren die Schallabstrahlung ebenso wie Versteifungsrippen an dünnen Gehäuseflächen. In beiden Fällen wird der Lautsprecher- oder Membraneffekt der jeweiligen Fläche reduziert, das Geräusch nimmt ab. Die Übertragung lässt sich durch weichelastische Zwischenlagen reduzieren, z.B. Einlegen einer Gummischeibe zwischen Motor und Gehäuse. Auch eine Kupplung mit weichelastischem Einsatz reduziert die Übertragung von Schwingungen vom Motor auf das Getriebe oder die Anlagenteile. Diese Art der Entkopplung wirkt im Prinzip wie eine Lautsprecherspule ohne abstrahlende Membran. Eine höhere Gerätemasse im Bereich der Antriebsbefestigung ist ebenfalls günstig, es dürfen dabei aber keine störenden Resonanzen auftreten; es muss daher sehr sorgfältig abgestimmt werden.

Prüfaufbau zur Gleichlaufprüfung bei Kleinantrieben Bild: FAULHABER

Prüfaufbau zur Gleichlaufprüfung bei Kleinantrieben

Soll ein Gerät möglichst geräuscharm laufen, so sind neben einem optimierten Antrieb, der selbst möglichst wenig Luft- und Körperschall also Vibrationen abstrahlt, auch konstruktive Maßnahmen im Gerät erforderlich. Oft lassen sich schon mit einfachen Mitteln erhebliche Verbesserungen erreichen. Wird Wert auf eine besonders hohe Laufkultur gelegt, kann der Anwender auf die umfangreiche Erfahrung des Antriebsherstellers zurückgreifen und so für praktisch jeden Einsatzfall wirksame Dämmungs- oder Dämpfungsvorschläge erhalten. Wird dies schon zu Anfang der Entwicklung beachtet, lassen sich mit wenig Kosten und ohne großen Aufwand meist beachtliche Ergebnisse erzielen.

Alle Bilder: FAULHABER

Über FAULHABER
Die FAULHABER-Gruppe mit ihren 1.400 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marken der FAULHABER-Gruppe gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Bestückungsautomaten, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44-mm-DC-Kleinstmotor kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben, bietet das Unternehmen zuverlässige Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.
Literatur: Thomas Bertolini und Thomas Fuchs: Schwingungen und Geräusche elektrischer Kleinantriebe, Süddeutscher Verlag onpact, ISBN 978-3-86236-017-8
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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