Schwingungstechnik Lärm und Vibration vermeiden

Beim Aufstellen von Anlagen und Geräten muss darauf geachtet werden, dass die Maschinen im laufenden Betrieb möglichst wenig Lärm und Vibrationen erzeugen. Über genaue Berechnungen und die richtigen Matten und Lagerungen lassen sich Schwingungen und Luftschall wirksam reduzieren.

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• Schwingungen und Vibrationen von Maschinen und Anlagen wirken sich negativ aus: Zum einen kann das zu Defekten führen, zum anderen leiden Mitarbeiter unter der Lärmbelastung.

• Der Lärm in Räumen lässt sich reduzieren, indem Luftschall und Nachhall mithilfe von Absorptionsmatten absorbiert werden.

• Spezielle Lagerungen kommen zum Einsatz, um Schwingungen zu dämpfen. Dazu eignen sich je nach Anwendung unter anderem Flächenlager, Kautschuk-Puffer oder hydraulische Lager.

Untersuchungen bestätigen immer wieder, wie sehr Lärm die menschliche Gesundheit und Lebensqualität beeinträchtigen kann. Vor allem Mitarbeiter, die Maschinen und Anlagen bedienen, leiden häufig unter Lärmbelastung. Ursachen können Vibrationen von Aggregaten wie Motoren und Pumpen sein oder auch impulshaltige Anregungen, die bei Maschinentypen wie Stanzen und Pressen entstehen. Störend ist zudem spürbarer Luftschall, der durch Materialschwingungen von Maschinen sowie durch Strömungsgeräusche oder elektrische Felder wie Netzbrummen erzeugt wird.

Nicht nur auf den Menschen, auch auf seine Umgebung wirken sich Schwingungen und Vibrationen negativ aus. Bei Anlagen- und Maschinenteilen können sie zu Funktionsausfällen und Defekten führen, selbst zerstörerische Effekte an Gebäuden sind nicht selten.

Mit Absorptionsmatten Luftschall absorbieren

Was wir als Geräusch wahrnehmen, ist eine Kombination von Frequenzen, gemessen in Hertz. Eine Frequenz gibt die Schwingungen pro Sekunde an, die auf unsere Ohren treffen. Dort werden Sie über die verschiedenen Stationen im Ohr weiterverarbeitet. Die zweite entscheidende Kenngröße ist der Schalldruck (Schallpegel), der in Dezibel (dB) gemessen wird. Schall besteht aus mechanischen Schwingungen, die sich in unterschiedlichen Materialien anders verhalten, und wird als Luftschall über die Luft und als Körperschall von Raum zu Raum durch Wände, Decken und Böden übertragen. Bei der Übertragung über die Luft nimmt der Mensch die Schwingungen als Lärm wahr. Werden die Schwingungen über Festkörper weitergetragen, sind sie als Vibrationen zu spüren. Vibrationen regen aber auch Bauteile an, die dann wieder Luftschall und damit Lärm erzeugen.

Um Lärm in Räumen zu reduzieren, müssen Luftschall und Nachhall absorbiert werden. Dazu dienen Absorptionsmatten aus zum Beispiel schwer entflammbarem Melaminharzschaum, die an Wände und Decken gehängt oder geklebt werden. Je tiefer die Frequenzen absorbiert werden sollen, desto dicker müssen die Matten sein. Auch Umwelteinflüsse wie UV-Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Brandschutz sowie die mechanische Belastung spielen bei der Auswahl der Absorber eine Rolle.

Vibrationsdämpfung

Downsizing erleichtert den Einbau doppeltelastischer Lagerungen

Richtige Lagerung dämpft Schwingungen

Um Schwingungen zu dämpfen und Vibrationen an industriellen Anlagen und Maschinen zu isolieren, kommen spezielle Lagerungen zum Einsatz, etwa Flächenlager aus Polyetheruretan-Schaum wie Sylomer und Sylodyn. Dieser Spezialschaum ist belastbar, federt bei Belastung ein und eignet sich gut als Unterlage eines Maschinenfundaments oder Maschinenrahmens. Die Einfederung ist maßgebend für die Isolierwirkung des Lagerwerkstoffs und kann für jeden Einsatzfall durch die Änderung der Lagergeometrie und des Werkstoffs angepasst werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Schwingungen und Vibrationen bieten sogenannte Schwingmetall-Elemente. Sie enthalten in der Regel Naturkautschuk, ein besonders kompaktes und elastisches Material, das in unterschiedlichen Härtegraden verfügbar ist. Gegenüber Stahlfedern besitzt der Naturkautschuk eine innere Dämpfung, welche Schwingungsamplituden reduziert. Neben Schwingmetall-Puffern und -Elementen gibt es beispielsweise hydraulische Lager speziell für Fahrzeuge mit variablen Drehzahlen (zum Beispiel Verbrennungsmotoren), um die Schwingungsübertragung vom Motor auf das Chassis und vom Chassis auf die Fahrerkabine zu senken. Bei empfindlichen Frachtgütern – etwa medizinischen Geräten, fragilen Bauelementen – bieten Schwingmetall-Elemente Schutz vor mechanischen Belastungen während des Transports.

Um schwingungstechnische Probleme zu beheben, gilt es zunächst die Störfrequenzen zu bewerten. Diese ist meist mit der Drehzahl der Maschine gekoppelt. Anschließend wird mit der Erfahrung des Planers und mithilfe spezieller Software berechnet, welche Lagerelemente für den jeweiligen Einsatz geeignet sind. Entscheidend sind beispielsweise bei einer Motor-Generator-Lagerung das Gewicht und die Abmessungen der Aggregate sowie die Erregerfrequenz, also die Drehzahl des Motors sowie Zylinderzahl und -anordnung.

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Auf die Federsteifigkeit kommt es an

Eine weitere wichtige Kenngröße ist die Eigenfrequenz, die sich aus der Masse der Maschine und der Federsteifigkeit der Lager ergibt. Während die Masse vorgegeben ist, lässt sich die Federsteifigkeit wählen – etwa durch den Einbau weicherer oder härterer Elemente. Um eine gute Isolierung zu erzielen und Resonanzerhöhungen zu vermeiden, sollte die Eigenfrequenz immer um den Faktor zwei bis drei kleiner als die Erregerfrequenz sein. Die richtig berechnete Federsteifigkeit ist daher ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl elastischer Lager. Wichtig ist zudem, dass die Schwingungsisolierung die Funktion und Leistung der Maschine nicht negativ beeinflusst.

Federauslegung

So berechnen Sie eine Stahlfeder

Schwingungstechniker werden häufig von Herstellern und Aufstellern von haustechnischen Geräten mit der Lagerung beauftragt. Ein typisches Einsatzgebiet ist beispielsweise die Entkoppelung von Blockheizkraftwerken (BHKW) in Kellern größerer Wohnanlagen. Die Experten berechnen im Auftrag des Kraftwerkherstellers, welche Lagerungselemente für die Erregerfrequenz erforderlich sind, um zu verhindern, dass die Schwingungen der Maschine auf den Rahmen und über den Fußboden auf das Gebäude übertragen werden. In der Regel wird das Gewicht der Motor-Generator-Einheit von vier Lagern abgefangen, zur Entkoppelung dienen hier zum Beispiel Schwingmetall-Topfelemente. Das BHKW kann je nach den akustischen Anforderungen am Aufstellort durch ein elastisches Beruhigungsfundament vom Gebäude entkoppelt werden.

Auch der Aufstellort der Maschine kann bei der Auswahl der Dämmmaterialien eine Rolle spielen. Sind beispielsweise ruhebedürftige Räume wie Büros in der Nähe, werden besonders gut isolierende Lagerelemente benötigt. Häufig kommen in solchen Fällen sogenannte KSD-Elemente zum Einsatz. Bei diesen doppelt elastischen Lagerungen ist zwischen zwei Schichten aus Elastomer eine schwere Zwischenmasse integriert. Damit isoliert man den Körperschall effektiv vom Baukörper und kann die Schallschutzanforderungen in den benachbarten Räumen einhalten. Um diese besonderen Anforderungen, wie die unmittelbare Nähe von ruhebedürftigen Räumen berücksichtigen zu können, empfiehlt sich eine umfassende Analyse, bei der neben dem Fachplaner auch ein Akustiker eingeschaltet werden sollte.

* Dipl.-Ing. Christopher Paul ist Anwendungstechniker Schwingungstechnik & Akustik bei der Sahlberg GmbH in 85622 Feldkirchen, Tel. (0 89) 9 91 35-0, info@sahlberg.de

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