Allgemeines über Schwingungsisolierung

• Allgemeines über Schwingungsisolierung

Die Reduzierung von Schwingungs- und Körperschallübertragung bekommt in fast allen Bereichen der Technik immer größere Bedeutung. Der Einsatz zweckmäßiger Isolation bedeutet Schutz von Menschen und Sachwerten. Schwingungsisolation ist somit ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz. Die Auswahl der optimalen Lösung erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Lieferant und Anwender. Nur ein breites Angebot an Produkten gewährleistet für jede Aufgabenstellung eine optimale Schwingungsisolierung bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand.

Einleitung

Durch die Schwingungsisolierung soll im ersten Fall eine Übertragung periodischer, stoßförmiger oder stochastischer Kräfte von einer Maschine (Quelle) in umgebende Strukturen vermindert werden. Hierbei spricht man vom Schutz vor Schwingungsemission oder auch Quellenisolierung. Im zweiten Fall sollen Menschen, Gebäude oder Maschinen (Empfänger) vor Schwingungen aus der Umgebung geschützt werden. Hierbei spricht man vom Schutz vor Schwingungsimmission oder auch Empfängerisolierung. In beiden Fällen entsteht durch den Einsatz von Schwingungsisolatoren ein Masse-Federsystem. Dieses System wird durch die Eigenschaften der Schwingungsquelle, des Aufstellortes und der Isolatoren beeinflusst. Von Schwingungsisolierung spricht man, wenn es um die Reduktion tieffrequenter mechanischer Schwingungen im Frequenzbereich bis ca. 100Hz geht. Wenn von Körperschalldämmung gesprochen wird, ist der akustisch interessante Bereich von 15Hz – 20.000Hz gemeint.

Die Abstimmung der Schwingungsisolierung

Die Übertragung der durch Schwingungen verursachten Kräfte folgt bei periodischer Anregung der unten abgebildeten Übertragungsfunktion. Der Übertragungsfaktor gibt an, in welchem Maße Erregerkräfte über die Isolation an die Umgebung weitergegeben werden. Als Abstimmungsverhältnis wird der Quotient der Erregerfrequenz zur Eigenfrequenz des gelagerten Systems bezeichnet. In der Praxis entspricht die Erregerfrequenz häufig der Drehzahl von rotierenden Maschinenteilen mit einer stets vorhandenen Restunwucht. Die Eigenfrequenz ergibt sich aus der gefederten Masse des Systems und der Steifigkeit der Isolatoren. Wenn beide Werte die gleiche Größe annehmen, gerät das schwingende System in Resonanz. Eine unzulässige Amplitudenüberholung kann in solchen Fällen nur mit einer entsprechenden Dämpfung D verhindert werden.

In der Praxis sind Abstimmungsverhältnisse von 3 bis 5 anzustreben. Unterhalb von 3 würde die Isolationswirkung, aufgrund der Resonanznähe, schon bei geringen Drehzahlschwankungen stark beeinflusst. Oberhalb des Wertes 5 würde eine nur geringfügige Verbesserung der Isolationswirkung durch einen aus wirtschaftlicher Sicht nicht vertretbaren Mehraufwand an Material erreicht. Bei der Abstimmung oberhalb der Resonanz spricht der Bautechniker oft von einer tiefen Abstimmung, während der Maschinenbauer in diesem Fall von einer überkritischen Lagerung spricht. Bei der Abstimmung unterhalb der Resonanz spricht der Bautechniker von einer hohen Abstimmung und der Maschinenbauer von einer unkritischen Lagerung.

Der Isolierwirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Isolierung wird auch als Isolierfaktor bezeichnet. Dieser Isolierfaktor K lässt sich über das Abstimmungsverhältnis mittels der in der Formelsammlung stehenden Formel berechnen. Der Isolierfaktor K gibt sozusagen den Übertragungsfaktor als Prozentwert der Verminderung von dynamischen Erregerkräften wieder. Für die in der Praxis sinnvollen Abstimmungsverhältnisse 3 bis 5 ergeben sich so K-Werte von 87,5% bis 95,8%.

Die Eigenfrequenz

Wie oben bereits erwähnt, ergibt sich die Eigenfrequenz aus der Steifigkeit der Isolatoren und der Masse eines gelagerten Systems. Bei der Verwendung von Federn mit linearer Kennlinie kann die Eigenfrequenz nach der unten angegebenen einfachen Formel berechnet werden. Die Formel ist für die Elemente mit nicht linearer Kennlinie, z.B. Gummiisolatoren, nur annäherungsweise gültig. Weiterhin ist zu beachten, dass die Beziehung nicht dimensionsecht ist und die einzelnen Größen in der genannten Dimension eingegeben werden müssen. Sie können Eigenfrequenzwerte auch der hier eingefügten Tabelle entnehmen.

Die Körperschalldämmung

Bei den Berechnungen für die Schwingungsisolierung kann das Fundament unter den Isolierelementen als sehr steif angenommen werden. Dies ist erfahrungsgemäß zulässig, weil die Schwingamplituden des Aufstellungsortes im Verhältnis sehr klein sind. Diese Annahme ist bei Betrachtungen in Verbindung mit Körperschall nicht mehr erfüllt. Bei Körperschallberechnungen sind die dynamischen Kenngrößen des Fundaments, ebenso wie die der Isolatoren, in die Gleichung mit einzubeziehen. Die Bestimmungsgrößen und das Verhalten der beteiligten Einzelsysteme kann hier nur durch ihre komplexen Größen beschrieben werden. In der Praxis hat sich zur Angabe der Körperschallpegeldifferenz das Körperschalldämmmaß DK durchgesetzt. Dies beruht zum großen Teil auf den messtechnisch am einfachsten zu erfassenden Werten. Das Körperschalldämmmaß lässt sich anhand der im Anhang stehenden Formel nach VDI 2081-78 berechnen.

Elemente zur Schwingungsisolierung

Elastomere sind wegen ihrer hohen elastischen Verformbarkeit und ihres kleinen Elastizitätsmoduls geeignete Federmaterialien. Im Vergleich zu Metallfedern besitzen sie eine größere Materialdämpfung. Die Federkennlinie ist im Allgemeinen nichtlinear, kann aber für die Praxis bei Betriebsbelastung linearisiert werden. Steifigkeit und Dämpfung hängen vom Grundwerkstoff und den Komponenten der Beimischung ebenso wie von der Formgebung ab. Auch die Umgebungstemperatur hat einen Einfluss auf die Kennwerte. Die dynamische Steifigkeit ist üblicherweise größer als die statische Steifigkeit. Mit Elastomerfedern werden üblicherweise Eigenfrequenzen zwischen 6Hz und 20Hz in vertikaler Richtung erreicht.

Platten und Matten aus Gummi oder Polyurethan zum Unterlegen von Rahmen und Fundamenten gehören auch zur Gruppe der Elastomerfedern.

Metallfedern sind unempfindlich gegenüber höheren Temperaturen und widerstehen den meisten organischen Substanzen und Lösungsmitteln. Zur Schwingungsisolierung werden Metallfedern aus Federstahldrähten mit rundem oder eckigem Querschnitt hergestellt. Die dynamische und die statische Steifigkeit unterscheiden sich bei Stahlfedern kaum. Sie besitzen keine Materialdämpfung, und Körperschall wird ohne zusätzliche Maßnahmen leichter übertragen als bei der Gruppe der Elastomerfedern. Mit Metallfedern können üblicherweise Eigenfrequenzen zwischen 1,5Hz und 7Hz in vertikaler Richtung erreicht werden.

Luftfedern besitzen einen von Gas gefüllten Raum mit elastischen Seitenwänden. Bei einer Belastungsänderung verändert sich das eingeschlossene Volumen und eine Druckänderung tritt ein. Die Federkennlinie von Luftfedern sind in den meisten Fällen nichtlinear. Die Übertragung von Körperschall wird durch sie genauso gut verhindert wie bei den Elastomerfedern. Die erreichbaren Eigenfrequenzen liegen in dem Bereich von Stahlfedern.

Die Auswahl

Bei der Auswahl einer geeigneten Schwingungsisolierung müssen die Einbaubedingungen und die Umwelteinflüsse am Einsatzort berücksichtigt werden. Aus isolationstechnischer Sicht orientiert sich die Wahl in erster Linie an der auftretenden Belastung und der erforderlichen Eigenfrequenz des zu lagernden Systems. Eventuell ist noch eine Dämpfung erforderlich, um eine Resonanzkatastrophe zu verhindern. Hierbei sei noch erwähnt, dass prinzipiell durch Dämpfung eine Isolierung im Wirkungsgrad verschlechtert wird. Die erforderliche Eigenfrequenz ergibt sich aus der Zielvorgab des Isolierfaktors oder des erforderlichen Dämmmaßes. Bei der Erregung sollte die für das System niedrigste Erregerfrequenz zur Berechnung herangezogen werden. Für die Aufstellung bzw. Montage ist zu beachten, dass die Isolationselemente ihrer zulässigen Belastung nach gleichmäßig belastet werden. Bei unsymmetrischem Schwerpunkt und flächigem Isolationsmaterial kann dies z.B. durch teilflächige Auslegung oder durch Verwendung von Material unterschiedlicher Belastungsgrade erreicht werden.

Unser Service

Bei der Auswahl der richtigen Schwingungsisolierung sind wir Ihnen gerne behilflich. Unser Service erstreckt sich über die Beratung, das Erstellen von Montageanweisungen und das Anfertigen von Montage- und Verlegeplänen. Das Spezialwissen unserer Fachberater und Partner aus Praxis und Entwicklung ermöglicht uns, Ihnen jederzeit maßgeschneiderte Lösungen anzubieten.

Anwendungsgebiete für unser Lieferprogramm zur optimalen Schwingungsisolierung und Körperschalldämmung

Produkte aus Polyurethan belastbar bis 60.000 kg/m², Gummi, Gummi-Metall-Elemente, Stahlfederisolatoren, Blockelemente und Luft-Gummi-Isolatoren inklusive Auslegung, Platzierung und Berechnung.

 

Beispiel für eine doppelelastische Lagerung:

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