YNAMIK UND SCHWINGUNGEN - ids.uni-hannover.de · Arbeitsgruppe Kontaktmechanik und Reibung > Elastomerreibungseffekte auf verschiedenen Längenskalen > Wechselwirkung Reifenreibung

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>> INHALT

• EinleitungEinleitungEinleitungEinleitung • LehrangebotLehrangebotLehrangebotLehrangebot • ForschungForschungForschungForschung Versuchseinrichtungen Arbeitsgruppe Kontaktmechanik und Reibung

> Elastomerreibungseffekte auf verschiedenen Längenskalen > Wechselwirkung Reifenreibung und Reifenakustik > Stick-Slip- und Verschleißuntersuchungen an Scheibenwischerblättern > Einflüsse auf den Reibwert von Elastomeren auf rauen Oberflächen Arbeitsgruppe Aktorik, Piezo- und Ultraschalltechnologie

> Piezoelectric Self-Sensing Systems > Unterdrückung von Bremsenquietschen mit Piezoelementen > Schwingungsdämpfung mit Piezoelementen > Formgedächtnislegierungen in der Aktorik > Energy Harvesting mit piezoelektrischen Biegewandlern > Ultrasonic Levitation Systems > Entwicklung eines adaptiven Verstellpropellers Arbeitsgruppe Schwingungstechnik und Maschinendynamik

> Schwingungsdämpfung in rotierenden Maschinen > Untersuchung von verstimmten Schaufelkränzen > Wirbelstromdämpfung > Magnetführungen für Werkzeugmaschinen > Dynamik von Bohrsträngen > Schaufelschwingungen mit Reibelementen

• Lageplan und KontaktLageplan und KontaktLageplan und KontaktLageplan und Kontakt

Das Institut für Dynamik und Schwingungen der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover ist Teil der Fakultät für Maschinenbau. Am Institut arbeiten zurzeit 17 wissenschaftliche Angestellte, die von 10 weiteren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern im Sekretariat und in der Metall- und Elektronikwerkstatt unterstützt werden. In der Lehre arbeiten wir eng mit dem Institut für Kontinuumsmechanik und dem Institut für Robotik zusammen. Die Forschungsprojekte des Institutes für Dynamik und Schwingungen werden in den drei Arbeitsgruppen - Kontaktmechanik und Reibung - Aktorik, Piezo- und Ultraschalltechnik - Schwingungstechnik und Maschinendynamik bearbeitet. Besondere Schwerpunkte unserer Arbeit sind die Modellierung, Simulation und Optimierung von Reibkontakten in Kraftfahrzeugen sowie die Untersuchung reibungserregter Schwingungen. Daneben arbeiten wir an Themen aus dem Bereich der Schwingungsdämpfung, wobei aktive Systeme genauso betrachtet werden wie Reibungsdämpfer für Turbinenschaufelkränze. Fragestellungen der automobilen Lichttechnik bearbeiten wir im Rahmen des Hannoverschen Zentrums für optische Technologien und in Kooperation mit dem L-LAB. Als Teil des Mechatronik-Zentrums Hannover untersuchen wir außerdem Magnetführungen und neuartige Antriebstechnologien. Es werden sowohl grundlagenorientierte Projekte wie auch anwendungsbe-zogene Probleme bearbeitet. Typisch für unsere Arbeit ist die enge Wechsel-wirkung von theoretischen Untersuchungen und experimenteller Validierung an eigenen Versuchsständen. Hierzu steht eine hervorragende experimentelle Ausrüstungen sowie eine eigene Versuchstandsfertigung zur Verfügung.

Vorwort

>> INSTITUT FÜR DYNAMIK UND SCHWINGUNGEN Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek 0511 / 762-4162 [email protected]

Bei der Gründung der Höheren Gewerbeschule im Jahre 1831, aus der die heutige Leibniz Universität Hannover hervorgegangen ist, war die Mechanik noch kein eigenständiges Fach. Sie wurde durch K. von Karmasch, dem ersten Direktor, im Rahmen der technologischen Ausbildung mit vertreten. Aber schon wenige Jahre später, nämlich seit den vierziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts, war die Mechanik als selbständiges Fach in Lehre und For-schung etabliert. Herausragende Hochschullehrer bis zum Zweiten Weltkrieg waren die Profes-soren A. Ritter (1857-1870), B. Keck (1871-1900), L. Prandtl (1901-1904), M. Weber (1905-1912) und A. Pröll (1913-1945). Im Jahre 1946 wurde das In-stitut für Mechanik als Teil der damaligen Technischen Hochschule gegründet. Prof. O. Flachsbart (1946-1957) gelang der schwierige Neuanfang in For-schung und Lehre. Sein Nachfolger Prof. E. Pestel (1957-1977) hat diese Ar-beit mit außerordentlichem Erfolg weitergeführt. Großen Anteil an dem wei-teren Ausbau des Instituts hatte Prof. O. Mahrenholtz (1966-1982). Mit sei-nem Wirken fallen die Einrichtung eines zweiten Lehrstuhles für Dynamik und Schwingungstechnik sowie der verstärkte Ausbau der experimentellen Ein-richtungen zusammen. Die Professoren J. Wittenburg (1977-1979) und H. Springer (1987-1990) arbeiteten auf den Gebieten Mehrkörpersysteme und Maschinendynamik. Prof. I. Teipel (1968-1998) vertrat das Gebiet der Strö-mungsmechanik. Sie alle haben zusammen mit zahlreichen Mitarbeitern das Institut für Mecha-nik zu einer Institution entwickelt, die sich modernen Fragestellungen der Wis-senschaft sowie unterschiedlichen Problemen der Industrie mit Erfolg widmet. Heute werden die Gebiete Elasto- und Plastomechanik, Dynamik und Me-chatronik durch die Professoren D. Besdo (1978-2006), K. Popp (1981-2005) und B. Heimann (1992-2008) in zahlreichen Einzel- und Verbundvorhaben bearbeitet. Aus dem Institut für Mechanik gingen im Jahr 2005 das Institut für Dynamik und Schwingungen (Prof. Popp), das Institut für Kontinuumsmechanik (Prof. Besdo) und das Institut für Robotik (Prof. Heimann) hervor. Nach dem plötzlichen Tod von Prof. Popp im April 2005 wurde das Institut für Dynamik und Schwingungen kommissarisch von Prof. F.-W. Bach geleitet. Seit April 2007 befindet sich das Institut unter der Leitung von Prof. Wallaschek.

Geschichte

>> GESCHICHTE DER MECHANIK AN DER LEIBNIZ UNIVERSITÄT HANNOVER

>> VORLESUNGEN

Studium

>> GRUNDSTUDIUM

Technische Mechanik I - IV für Studierende der Studiengänge Maschinenbau, Mechatronik, Produktion und Logistik, Metalltechnik [Wallaschek, Wriggers, Jacob] Ebene und räumliche Statik, Spannungen und Verformungen in einfachen elastischen Körpern, Kinematik, Kinetik, Schwingungslehre Technische Mechanik I+II für Studierende der Studiengänge Elektrotechnik, Wirtschafts-ingenieur und Technical Education Elektrotechnik [Wallaschek, Wriggers, Jacob] Statik, Festigkeitslehre, Kinematik, Kinetik

>> HAUPTSTUDIUM

Maschinendynamik [Wallaschek] Analyse maschinendynamischer Strukturen, Ersatzmodelle, Torsions-schwingungen, Einführung in die Rotordynamik, Berechnungsverfahren für Mehrfreiheitsgradsysteme, praktische Anwendungen, Dämpfungsfragen, Schwingungsisolierung

Mehrkörpersysteme [Wallaschek, Panning] Newton-Euler-Gl., Lagrangesche Gl., Formalismen für MKS, Stabilitäts-probleme, Anwendungsbeispiele

Nichtlineare Schwingungen [Wallaschek, Panning] Freie, selbsterregte, parametererregte und fremderregte Schwingungen, chaotische Bewegungen, technische Anwendungen

Schwingungsmessung, Signalanalyse und aktive Systeme (ehem. Schwingungsschutz und Schwingungsmessung) [Wallaschek] Beschreibung und Charakterisierung von Schwingungen, Grundlagen der Schwingungsmesstechnik, Sensoren zur Messung mechanischer Schwingungen, Grundlagen der Signalanalyse, Fouriertransformation und Wavelet-Analyse, Aktive Systeme, Fallstudien

Piezo und Ultraschalltechnik [Littmann] Grundlagen der Ultraschalltechnik, technischer Einsatz von Ultraschall, piezoelektrische Werkstoffe, Ultraschallaktoren und -sensoren, Modellbildung, Messtechnik

Fahrzeug-Fahrweg-Dynamik [Kröger] Systemdynamik von Fahrzeugen: Modellbildung, stochastische Störungen, Zufallsschwingungen, Fahrsicherheit und Fahrkomfort, aktive Komponen-ten, Magnetschwebetechnik

Fahrzeugreifen [Wies] Reifenkonstruktion und Materialeinsatz, Gebrauchseigenschaften, Normen und Richtlinien, Reifenfertigung, Materialeigenschaften, Reibung, stationäre und instationäre Reifenführungskräfte, Reifenmechanik, Reifenkennlinien, Reifenversuche, Reifenmodelle und Simulation

Fahrzeugakustik [Bernhard, Saemann] Grundlagen der Akustik, Schallwahrnehmung, Akustische Messtechnik und Messverfahren, Normen und Richtlinien, Fahrzeuggeräusche, Schalldämpfung und Schalldämmung im Fahrzeug, Aktive Maßnahmen zur Luft- und Körperschallkompensation

Weitere Vorlesungen werden von externen Lehrbeauftragten angeboten: Grundlagen der Fahrzeugtechnik [Kücükay] Schienenfahrzeuge [Köhler] Betrieb und Instandhaltung von öff. Fahrzeugen [Kretschmer]

Studium

>> VORLESUNGEN

>> Popp, K.; Schiehlen, W.: Fahrzeugdynamik Eine Einführung in die Dynamik des Systems Fahrzeug - Fahrweg. Teubner Stuttgart 1993 (Als Nachdruck im Institut erhältlich, eine englische Neuauflage ist im Springer-Verlag geplant).

>> Magnus, K.; Popp, K.; Sextro, W.: Schwingungen Eine Einführung in die physikalischen Grundlagen und die theoretische Behandlung von Schwingungsproblemen. Vieweg + Teubner Verlag Stuttgart 8. Auflage 2008

>> Heimann, B.; Gerth, W.; Popp, K.: Mechatronik Komponenten-Methoden-Beispiele. Hanser Fachbuchverlag Leipzig 3. Auflage 2006.

>> Wördenweber, B.; Wallaschek, J.; Boyce, P.; Hoff-

mann, D.D.: Automotive Lighting and Human Vision Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007

>> Steinhilper, W.; Röper, R. (Hrsg.): Konstruktions-

elemente des Maschinenbaus 2 Grundlagen von Maschinenelementen für Antriebsauf-gaben. Springer-Verlag Berlin Heidelberg Spinger-Lehrbuch 7. Auflage 2008

>> LEHRBÜCHER

Studium

Fallwerk Fallwerk Fallwerk Fallwerk für Crashuntersuchungen an Fahrzeugkomponenten (Masse 80-300 kg, max. Geschwindigkeit 45 km/h; Offset-, Pfahl-, Schrägaufprall 0-30°)

Bremsenprüfstand Bremsenprüfstand Bremsenprüfstand Bremsenprüfstand für Kfz-Bremse mit Achsschenkel (max. 1500 Nm, 500 U/min, automatische Steuerung)

TribometerTribometerTribometerTribometer IIII zur Untersuchung von technischen Reibpaarungen (Normalkräfte bis 200 N, Geschw. 0,1 mm/s - 3000 mm/s, 2 FHG möglich)

Tribometer IITribometer IITribometer IITribometer II (Druck bis 20 bar, max. 700 U/min; Temperaturen bis 800°C)

Axialdichtungsprüfstand Axialdichtungsprüfstand Axialdichtungsprüfstand Axialdichtungsprüfstand (Reibkräfte bis 500 N, Geschw. von 0,1 mm/s bis 125 mm/s, Temperaturen bis 250°C)

DauerfestigkeitsprüfstandDauerfestigkeitsprüfstandDauerfestigkeitsprüfstandDauerfestigkeitsprüfstand, hydraulischer Einachsprüfstand (Maximalkraft 17 kN, Frequenz bis 50 Hz, Verfahrweg bis 200 mm)

Schwingungslabor Schwingungslabor Schwingungslabor Schwingungslabor (Schwingungsfundamente, Schwingungserreger und -aufnehmer, Scanning-Laservibrometer, Modalanalyse-System LMS CADA-X)

Schaufelprüfstand Schaufelprüfstand Schaufelprüfstand Schaufelprüfstand (evakuierte Kammer, maximale Drehzahl 5.000 U/min)

PiezoPiezoPiezoPiezo----MessplattformenMessplattformenMessplattformenMessplattformen für dynamische Bodenkräfte (max. 80 kN)

ReibmobilReibmobilReibmobilReibmobil Reibuntersuchungen im Rollkontakt bei Normalkraft- und Schlupf-vorgabe

KältekammerKältekammerKältekammerKältekammer Reibuntersuchungen auf verschiedenen Oberflächen im Tempe-raturbereich von -20°C bis +50°C

MagnetlaborMagnetlaborMagnetlaborMagnetlabor (Magnetführung für Werkzeugmaschinen, Magnetkraftmessun-gen bis 20 kN, 1-FHG-Magnetteststand zur Reglerauslegung)

PiezolaborPiezolaborPiezolaborPiezolabor (Breitband-Verstärker, Impedanzanalysatoren, 4-Kanal-Funktions-generator, Strom- und Spannungssensoren, NI-Multifuntions-System)

UltraschalllaborUltraschalllaborUltraschalllaborUltraschalllabor (Phase-Gain-Analysator, Laservibrometer, luftgelagerter Schwingtisch)

SensorSensorSensorSensor---- und Aktorlabor und Aktorlabor und Aktorlabor und Aktorlabor (dSpace-Systeme, Leistungsverstärker, 2-Kanal-Funkti-onsgenerator, Prüfstand für Ultraschallschwingungsantriebe)

VersuchsfahrzeuVersuchsfahrzeuVersuchsfahrzeuVersuchsfahrzeugegegege (Audi Q7, BMW 545i)

>> VERSUCHSEINRICHTUNGEN

Forschung

Adhäsionsprüfstand für Effekte auf der Nanoskala

Dichtungsprüfstand für Bauteiluntersuchungen auf der Makroskala

Tribometerprüfstand für Hysterese- und Schwingungs-effekte auf der Mikroskala

Neben ihren herkömmlichen Einsatzbereichen als Dichtungen und Membrane ersetzen Bauteile aus Elastomerwerkstoffen zunehmend metallische Bauteile, da sie Vorteile bei der Herstellung, Gewicht und Kosten aufweisen.

Bisher unzureichend erforscht ist jedoch das zeitabhängige tribologische Verhalten von Elastomeren, insbesondere Verschleiß und Reibungseffekte sowie der Einfluss von Schmierung. Auch der Einfluss der Oberflä-chenbeschaffenheit auf die tribologischen Eigenschaften eines Elastomerwerkstücks ist weitgehend unerforscht. Gegenstand dieses

Projekts ist es, das Verständnis des tribologi-schen Verhaltens von Elastomeren insbeson-dere im Mikro- und Nanobereich zu erweitern

und ihren Einfluss auf das Verhalten auf der Makrolängenskala von Bauteilen und –gruppen zu untersuchen. Ziel ist es am Beispiel von axial bewegten Dichtungen die industrielle Entwicklung von Bauteilen aus Elastomer-werkstoffen zu verbesseren und auf eine wissenschaftliche Grundlage zu stel-len. Die Material- und somit auch die Reibeigenschaften von Elastomerwerkstoffen sind in hohem Maße tem-peraturabhängig. Im Rahmen eines weiteren Projekts wird theoretisch und experimentell die Tempera-turentwicklung im Gleit- und Rollkontakt von

Elastomerbauteilen untersucht. Hierfür steht eine Thermogra-phiekamera zur Verfü-gung.

Kontaktmechanik und Reibung

>> ELASTOMERREIBUNGSEFFEKTE AUF VERSCHIEDENEN LÄNGENSKALEN Dipl.-Ing. Matthias Wangenheim 0511 / 762-4163 [email protected]

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Gleitgeschwindigkeit v [mm/s]Kontaktdruck p [bar]

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Die fortschreitende Technologie in der Fahrzeug-technik sowie die zunehmende Sensibilisierung des Umweltbewusstseins führen zu einer ständigen Re-duktion des Verkehrslärms. Der Anteil der Rei-fen/Fahrbahn-Geräusche am Gesamtfahrgeräusch eines PKW steigt mit zunehmender Fahrzeugge-schwindigkeit und kann ab einer Geschwindigkeit von 50 km/h die dominierende Schallquelle am Fahrzeug darstellen. Durch eine Abnahme der fahr-zeugseitigen Geräuschanteile entsteht ein steigender Handlungsbedarf bei der Reduktion von Rollgeräu-schen. Das Rauheitsprofil der Fahrbahn, die inhomogene Massenbelegung, die inhomogene Federsteifigkeit und Biegesteifigkeit des Fahrzeugreifens sowie auf-tretende Gleitbewegungen im Bereich des Rei-fen/Fahrbahn-Kontakts führen zu mechanischer Schwingungsanregung des Reifens und somit zu Körperschall, der sekundär in Luftschall abgestrahlt wird. Im Rahmen des EU-Projektes SILENCE wird ein bestehendes Reifen- und Kon-taktmodell weiterentwickelt. Ziel ist es, die bestimmenden Parameter der Rei-fen/Fahrbahn-Interaktion sowie deren Einflussgrößen zu untersuchen. Insbe-sondere wird der Einfluss der Reibung zwischen dem Fahrzeugreifen und der Fahrbahn analysiert. Das Modell dient Reifenherstellern bei der Konstruktion lärmarmer Fahrzeugreifen.


>> WECHSELWIRKUNG REIFENREIBUNG UND REIFENAKUSTIK M.Sc. Dipl.-Ing.(FH) Gunnar Gäbel 0511 / 762-4115 [email protected]

Neben dem Haupteinsatzgebiet im Bereich der Dichtungstechnik gibt es eine Vielzahl anderer Anwendungsgebiete für Elastomere, die bis heute weitgehend unerforscht sind. Dazu gehört unter anderem der Einsatz herkömmlicher Scheibenwischer in Kraftfahrzeugen. Diese Paarung von Gummi und Glas sorgt insbesondere im Bereich einer abtrocknenden Scheibe zu unerwünschten Stick-Slip-Schwingungen, die sich in Form von Rattern und Quietschen bemerkbar machen. Die Geräuschbelästigung schränkt den Fahrkomfort in der Fahrgastzelle drastisch ein. In diesem Projekt werden daher spezielle Beschichtungen erprobt, die den Verschleiß der Wischerblätter vermindern und somit den erwünschten ruhigen Lauf und Komfort für die Insassen über lange Zeit konstant hoch halten. Die Beschichtungen werden dabei von externen Industriepartnern entwickelt und aufgebracht. Mit dem auf dem Bild zu sehenden Prüfstand ist es möglich, lineare Bewegungen eines Scheibenwischerblattes auf einem Glaszylinder durchzuführen. Die Anpresskraft wird dabei durch eine Wegvorgabe realisiert. Zwei Kraftaufnehmer ermöglichen das Messen der Normal- sowie Reibkraft, so dass sich auf einfache Weise der Reibwert µ ermitteln lässt. Anhand der gewonnenen Messwerte können Stick-Slip- und unmittelbar damit verbundene akustische Effekte untersucht werden.


>> STICK-SLIP- UND VERSCHLEIßUNTERSUCHUN-GEN AN SCHEIBENWISCHERBLÄTTERN Dipl.-Ing. Philipp Grönefeld 0511 / 762-5999 [email protected]

Hochgeschwindigkeitsprüfstand „HiLiTe“

Einen entscheidenden Beitrag zur Fahrsicherheit liefert der Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn. Diese kraftschlüssige Verbindung überträgt Antriebs-, Brems- und Seitenkräfte, die dem Fahrer auch in kritischen Fahrsituationen erlauben sollen, die Kontrolle über das Fahrzeug zu behalten. Da sich eine Verbesserung der Reifeneigenschaften, wie z.B. Nassgriff, Trockenbremsen und Rollwiderstand direkt auf das Fahrzeugverhalten überträgt, ist es von all-gemeinem Interesse, die Vorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt zu verstehen, um notwendige Rückschlüsse zur Verbesserung der Reifeneigenschaften zu gewinnen. Dieses Verbesserungspotenzial findet sich in der Konstruktion des Reifens, in der Profilgestaltung und auch in den verwendeten Gummi-mischungen. Um verschiedene Einflüsse auf den Reibwert von Gummi auf typischen Fahr-bahnoberflächen zu untersuchen und somit weitere Möglichkeiten zur Ver-besserung aufzuzeigen, steht der Hochgeschwindigkeitslinearprüfstand „HiLiTe“ zur Verfügung, der Geschwindigkeiten bis zu 10m/s realisiert. An die-sem Prüfstand werden Profilausschnitte untersucht, um u.a. den Einfluss der Temperatur, der Geschwindigkeit, der Anpresskraft und des Fahrbahnbelages auf den Reibwert zu untersuchen. Neben der Untersuchung von Profilausschnitten eines Reifens sind auch belie-bige andere Reibpartner, wie z.B. Förderbänder, Skier oder auch Schuhe denkbar.


>> EINFLÜSSE AUF DEN REIBWERT VON ELASTOMEREN AUF RAUEN OBERFLÄCHEN Dipl.-Ing. Stefan Ripka 0511 / 762-5999 [email protected]

Applications based on so-called self-sensing techniques using piezoelectric materials are integrated by a piezoelectric transducer that can perform the function of a sensor and actuator at the same time, known as “Self-Sensing Actuator” (SSA), a driving system that provides energy to the actuator, and an electronic circuit able to separate the sensing signal from the driving signal. We incorporate the advantages of such systems into some of our research projects. The aim is to improve the performance by adding self-optimizing ca-pabilities. Ultrasonic wire bonding Ultrasonic wire bonding is a friction welding process using piezoelectric transducers for the excitation of me-chanical vibrations used to make electrical interconnec-tions in microelectronic systems. Self-sensing tech-niques can be use to make a better estimation of the parameters for good quality bonding. We analyse the electrical impedance parameters during the welding process in order to obtain reliable information about the mechanical properties of the elements to be bonded and the variations during the process. Piezoelectric tactile sensors We are investigating different techniques to characterise the mechanical properties of tissue using resonant trans-ducers incorporated in a self-sensing system. Our aim is to develop a medical application to differentiate healthy from tumour tissue in order to provide more reliable in-formation to the surgeon.

>> PIEZOELECTRIC SELF-SENSING SYSTEMS M. Sc. David Oliva Uribe 0511 / 762-4128 [email protected]

Aktorik, Piezo- und Ultraschalltechnologie

Bremsenversuchsstand

Eine Fahrzeugbremse dissipiert kinetische Energie des Fahrzeuges durch Rei-bung. Hierbei ist sie hohen Belastungen ausgesetzt, und oftmals wird die Bremse zu Schwingungen angeregt. Diese reibungserregten Schwingungen mit dominierenden Frequenzen zwischen 1 und 5 kHz sind Ursache des Brem-senquietschens. Da das Bremsenquietschen vorwiegend bei langsamer Fahrt auftritt, wird es kaum durch andere Fahrgeräusche überdeckt und stellt daher ein Komfortproblem dar. Der Einsatz von Piezoelementen stellt eine Möglichkeit dar, das Quietschen zu unterdrücken. Piezoelemente sind in der Lage, mechanische Energie in elektri-sche Energie umzuwandeln und umgekehrt. Hierdurch ergibt sich die Mög-lichkeit, gezielt auf das dynamische Verhalten der Bremse einzuwirken. Es ist möglich, das Quietschen aktiv durch eine Feedback - Regelung zu unterdrü-cken. Hierbei wird das Schwingverhalten der Bremse beispielsweise durch ein Laservibrometer oder Beschleunigungssensoren aufgenommen und ein geeig-netes Spannungssignal wird an die Elektroden der Piezoaktoren angebracht. Eine erheblich kostengünstigere und einfachere Alternative stellt das sog. "shunt damping" dar. Hierbei werden die Piezoelemente mit geeigneten elekt-rischen Netzwerken zu beschalten. Im einfachsten Fall bestehen die Netzwerke aus passiven Widerständen und Induktivitäten, jedoch ist es oftmals notwen-dig, die Wirkung mit aktiven Elementen wie einer synthetischen negativen Ka-pazität zu erhöhen. Die Herausforderung des shunt damping besteht darin, die Elemente des Netzwerkes optimal auszulegen.

>> UNTERDRÜCKUNG VON BREMSEN-QUIETSCHEN MIT PIEZOELEMENTEN Dipl.-Ing. Marcus Neubauer 0511 / 762-4181 [email protected]


Auf eine Metallstruktur aufgebrachtes Piezo-Element

In fast jeder Maschine oder technischen Anlage treten während des Betriebs unerwünschte Schwingungen auf, die den Betrieb beeinträchtigen oder sich negativ auf die Lebensdauer auswirken können. Aus diesem Grund wird ver-sucht, diese unerwünschten Schwingungen zu unterbinden. Dies geschieht üblicherweise indem die Entstehung der Schwingungen, zum Beispiel durch Auswuchten oder das Vermeiden kritischer Drehzahlen, verhindert wird oder durch den Einsatz mechanischer Dämpferelemente mit denen die Schwin-gungsenergie dissipiert wird. Ein vielversprechender Ansatz zur Schwingungsdämpfung, der seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung steht, ist die Schwingungsdämpfung mit Piezoelementen. Zu diesem Zweck werden Piezo-elemente in die Struktur eingebaut oder, wie im Bild rechts dargestellt, auf die schwingungsge-fährdete Struktur aufgeklebt und dann mit einem elektrischen Netzwerk verbunden, so dass sie die Schwingungsenergie aus dem System dissipieren. Unterschieden werden dabei die passive Be-schaltung durch Netzwerke aus Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen, die semiaktive Beschaltung mit zusätzlichen externen Schaltnetzwerken sowie die aktive Regelung der Piezoelemente unter Verwendung von Sensoren und externer Energieversorgung. Gegenüber den herkömmlichen Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung und -vermeidung, hat die Verwendung von Piezoelementen den erheblichen Vorteil, dass keine großen zusätzlichen Massen und kaum Bauraum erforder-lich sind. Die Schwingungsdämpfung mittels Piezoelementen bietet sich also vor allem bei Leichtbaustrukturen an oder wenn Beschränkungen hinsichtlich des Bauraums oder des Gewichts bestehen. Grundsätzlich ist ihr Einsatz aber in nahezu allen Bereichen denkbar, angefangen bei der Vermeidung von Bremsenquietschen im Automobil, über die Präzisionserhöhung in Ferti-gungsmaschinen bis hin zu Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik.

>> SCHWINGUNGSDÄMPFUNG MIT PIEZOELEMENTEN Dipl.-Ing. Andreas Renner 0511 / 762-17851 [email protected]


Aktoren aus Formgedächtnislegierungen weisen die mit Abstand höchste Energiedichte aller Aktorprinzipien auf (über 1 kJ/kg). Das macht sie für dieje-nigen Antriebsaufgaben interessant, bei denen auf kleinem Bauraum eine hohe mechanische Arbeit aufgebracht werden muss. Zur Erzeugung be-grenzter Stellbewegungen mit unidirektionaler Kraftwirkung werden Formge-dächtnislegierungen in Drahtform eingesetzt. Der Formgedächtniseffekt tritt bei Legierungen mit reversibler martensitischer Phasenumwandlung auf. Ni-ckel-Titan, oft auch als NiTiNOL, Flexinol oder MuscleWire bezeichnet, ist we-gen der hohen Effektstabilität die am häufigsten eingesetzte Formgedächt-nislegierung. Die Beschreibung des Betriebsverhaltens und Abschätzung der Leistungsfähig-keit von Aktoren aus Formgedächtnislegierungen erfolgen über ein domänen-übergreifendes Simulationsmodell, das durch verschiedene Messungen verifi-ziert wird. Basierend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen kann ein systemspezifischer Ansteuerungs- und Regelungsentwurf erfolgen, um einen sicheren Betrieb innerhalb der Belastungs- und Leistungsgrenzen zu gewähr-leisten.

>> FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNGEN IN DER AKTORIK Dipl.-Ing. Florian Schiedeck 0511 / 762-4128 [email protected]


Mobile technische Geräte gewinnen immer mehr an Bedeutung. Eine Anfor-derung ist dabei, dass diese kabellos bzw. autark betrieben werden können. Energy Harvesting beschreibt eine Sammlung von physikalischen Wirkprinzi-pien, welche die in der direkten Systemumgebung vorhandenen Energiefor-men in elektrische Energie wandeln; somit werden Möglichkeiten für den energieautarken Betrieb gegeben. Eine mögliche Methode der Energiewandlung ist die Nutzung vorhandener Schwingungsenergie mittels piezoelektrischer Materialien. Deren hohe Leis-tungsdichte erweist sich von Vorteil, da so auch miniaturisierte Systeme reali-sierbar sind. Die in mechanischen Systemen üblicherweise vorliegende Schwingungsenergie, die sich durch Vibrationen oft störend auf das Gesamt-system auswirkt, kann durch die Wandlung der kinetischen in elektrische Energie zudem gedämpft werden.

Beim Entwurf von Energy Harvesting Systemen ist es wichtig, schon vor dem Bau des ersten Prototypen die richtige Topologie und die am besten geeigneten Komponenten zu wählen. Für den dabei praktizierten modellgestützten Entwurf ist ein gutes Systemverständnis ent-scheidend, mit dem die Eigenschaften des Sys-

tems schon in der Entwurfsphase vorausberechnet werden können. Das ab-gebildete Diagramm stellt beispielhaft die Ausgangsleistung eines Piezoele-ments in Abhängigkeit der elektrischen Last - also der mit Energie zu versor-genden Anwendung - und der Frequenz der genutzten Schwingung dar; die Eingangsamplitude der mechanischen Schwingung wird dabei konstant gehalten. Das zugrunde liegende Modell er-möglicht hierdurch eine gute à priori Bestim-mung der Betriebseigenschaften und stellt eine gute Unterstützung dar, um für eine gegebene Anwendung den am besten geeigneten Wand-ler auszuwählen.

>> ENERGY HARVESTING MIT PIEZOELEKTRISCHEN BIEGEWANDLERN Dipl.-Ing. Jens Twiefel 0511 / 762-4167 [email protected]


An acoustic wave can exert a force on objects immersed in the wave field. These forces are normally weak, but they can become quite large when using high frequency (ultrasonic) and high power waves. The forces can even be applied to levitate substances against gravity force. This technique is called acoustic levitation or ultrasonic levitation.

A new type of levitation system for disc-shaped objects (e.g. a common CD) is investi-gated and referred to as “self-excited standing wave acoustic levitation system”. The disc is levitated at distances of half wavelengths (cm-range), unlike near field levitation, on a standing wave created by the levitated disc itself.

In the next step, we want to develop a non-contact precision ultrasonic bear-ing. It consists of 3 transducers placed in a circle with 120 degree between each other. Bearing clearance is a few micro meter with sub-micro meter level accuracy. The transducers generate ultrasonic vibration which is then trans-ferred to the inner bearing rings. An intensive ultrasonic sound field is formed in the gap between inner bearing ring and the shaft which lifts the shaft.

>> ULTRASONIC LEVITATION SYSTEMS M. Sc. Su Zhao 0511 / 762-3166 [email protected]


shaft

Ultrasonic bearing

Transducer

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Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines autonomen und adaptiven Ver-stellpropellers. Das Verstellsystem soll den Wirkungsgrad des Systems um ca. 20 % gegenüber herkömmlichen Festpropellern steigern. Die Anströmung eines Propellers setzt sich im Wesentlichen aus der Flugzeug-geschwindigkeit (Fahrtwind) und der Rotationsbewegung (Umfangsge-schwindigkeit) zusammen (Abbildung 1). Um den Propeller in jedem Flugzu-stand optimal betreiben zu können, benötigt man einen variablen Anstellwin-kel, der bei steigender Geschwindigkeit steiler wird. Abbildung 1: Anströmung und Anstellwinkel an einem Propellerblatt

Der Propeller soll über ein integriertes Energy-Harvesting-System und ein in-ternes Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem verfügen (Abbildung 2). Der Pilot erhält so ein Verstellpropellersystem, das wie ein modernes Auto-matgetriebe bei einem PKW ohne manuellen Eingriff funktioniert und eine Energieeinsparung um ca. 20% ermöglicht. Abbildung 2: Verstellpropeller der Firma Silence Aircraft montiert an der Silence Aircraft Twister

Das Projekt AdaProp wird in Zusammenarbeit mit den Firmen Silence Aircraft GmbH und iXtronics GmbH durchgeführt.


>> ENTWICKLUNG EINES ADAPTIVEN VERSTELLPROPELLERS Dr.-Ing. Philipp Schlautmann 0173 / 5494704 [email protected]

Schwingungen von Bauteilen verschiedenster tech-nischer Anwendungen z.B. aus dem Bereich der Fahrzeugtechnik, der Fertigungstechnik, der Leicht-baustrukturen für Raumfahrtanwendungen und im Turbomaschinenbau lassen sich effizient durch die Umsetzung von Bewegungs- in Reibungsenergie dämpfen. Die hierzu notwendige Auslegung der Koppelstellen erfordert ein detailliertes Verständnis der physikali-schen Vorgänge in den Reibkontakten sowie die Modellierung der Dynamik des betrachteten Systems. Erst die Zusammenfüh-rung verschiedener Modellierungsaspekte ermöglicht eine Betrachtung des Gesamtsystems und die Umsetzung in entsprechende Softwarewerkzeuge. Zu den Modellierungsaspekten bei der Betrachtung rotierender Laufschaufeln zählen: • Strukturdynamik (Finite-Elemente-Berechnungen) • Kontaktmodellierung (Umsetzung grundlegender physikalischer Gesetzmä-ßigkeiten)

• Fluiddynamische Berechnungen (CFD): Modellierung der Anregungsmecha-nismen und Betrachtung der Struktur-Fluid-Wechselwirkung (Aeroelastik)

• Entwicklung numerischer Methoden zur Lösung des nichtlinearen Gesamt-modells

Zu den Zielen der entwickelten Verfahren zählen: • Beurteilung der Effizienz von Reibungsdämpfern • Simulation, Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen • Auslegung und Optimierung von Reibungsdämpfern und Koppelelementen • Betrachtung von Mistuning-Effekten

Schwingungstechnik und Maschinendynamik

>> SCHWINGUNGSDÄMPFUNG IN ROTIERENDEN MASCHINEN Dr.-Ing. Lars Panning 0511 / 762-4170 [email protected]

Bei der Auslegung von Turbinen soll auf der einen Seite ein schadensfreier Be-trieb garantiert werden, auf der anderen Seite sollen die Turbinen möglichst energieeffizient arbeiten. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, wer-den die Turbinenschaufeln strömungsmechanisch optimiert und immer hö-heren Belastungen ausgesetzt. Neben den statischen Belastungen an den Turbinenschaufeln durch die Flieh-kraft werden diese durch das inhomogene Strömungsfeld auch dynamisch angeregt, was im Fall der Resonanz zu erheblichen Amplituden führen kann. Um die resultierenden Belastungen zu reduzieren, werden oft so genannte Koppelelemente, z.B. Deckbandkopplungen oder Reibelemente zwischen den einzelnen Schaufeln, eingesetzt. Nichtlineare Reibkräfte zwischen den Koppel-elementen und den Turbinenschaufeln führen zu einer Dissipation von Energie oder einer Verschiebung der Eigenfrequenzen, wodurch die Amplituden der Schwingung gezielt verringert werden können. Aufgabe dieses Projektes ist es, die Dynamik der beschaufelten Scheibe und der Koppelemente zu bestimmen. Dabei soll insbesondere geklärt werden, wie eine Verstimmung der Eigenfrequenzen der einzelnen Schaufeln oder anderer Systemparameter sich auf die Dynamik der gesamten Struktur auswirkt. Dieses so genannte „Mistuning“ wird z.B. durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen und kann zu einer Lokalisierung der Schwingungsenergie in einzelnen Schau-feln und zu entsprechenden Belastungen für diese führen. Zusätzlich wird untersucht, wie eine gezielte Anordnung der verstimmten Schaufeln sich auf die Schwingungsamplituden auswirkt. Durch die Weiterentwicklung einer Si-mulation kann mittels Monte Carlo Simulationen (Zufallsexperimenten) oder einer Sensitivitätsanalyse die statistische Verteilung der Schaufelamplituden bestimmen werden (siehe Ab-bildung) Die Verifizierung der Ergebnisse dieser Simulation erfolgt mittels eines rotierenden Versuchsstandes, welcher mit Zusatzmassen verstimmt wer-den kann.

>> UNTERSUCHUNG VON VERSTIMMTEN SCHAUFELKRÄNZEN Dipl.-Ing. Andreas Hohl 0511 / 762-4181 [email protected]


Versuchsstand

Magnetfeldsimulation

Prinzipskizze

Wird ein elektrischer Leiter relativ zu einem magnetischen Feld bewegt, werden die Elektronen im Leiter auf Grund der Lorentz-Kraft abgelenkt und so genannte Wirbelströme induziert. Dieser Stromfluss unterliegt ebenfalls der Wirkung des magnetischen Feldes, sodass der Leiter eine seiner ursächlichen Bewegung entgegengesetzte Kraft erfährt. Dieser Effekt wird bereits erfolgreich zur verschleißfreien Abbremsung von Zügen eingesetzt und lässt sich ebenfalls zur Schwingungsdämpfung nutzen.

Mit dem Prinzip der Wirbelstromdämpfung können mechanische Komponenten kontaktlos bedämpft werden. Damit ergibt sich gegenüber anderen Dämpferelementen ein Vorteil, da auch an sehr leichten und elastischen Strukturen wie Membranen Dämpfungskräfte eingebracht werden können. Außerdem führt die kontaktlose Dämpfung nur zu einer sehr geringen Veränderung der

Eigenfrequenzen und der Schwingungsformen der Struktur, sodass sich das Verfahren gut dazu eignet die Dämpfung zu erhöhen, ohne die dynamischen Eigenschaften stark zu verändern. Da viele Bauteile bereits aus einem geeigneten elektrischen Leiter (Stahl, Aluminium,…) bestehen, lässt sich durch gezieltes Anbringen eines Magneten in der Nähe des Bauteils bereits eine Dämpfungswirkung erreichen. Mögliche Anwendungsbereiche erstrecken sich von Leichtbaustrukturen (z.B. Solarsegel) bis hin zu schweren Strukturen wie die Beschaufelung von Dampfturbinen. Zur Berechnung der Dämpfungswirkung müssen die Verteilung der magnetischen Flussdichte und der sich einstellenden Wirbelströme ermittelt werden. Diese hängen nichtlinear voneinander ab, sodass eine iterative Lösung notwendig ist. Vereinfachte lineare Ansätze führen jedoch schon zu einer sehr guten Approximation der gemessenen Dämpfungswirkung.

>> WIRBELSTROMDÄMPFUNG Dipl.-Ing. Jacob Laborenz 0511 / 762-4173 [email protected]


Bei schnellen Werkzeugmaschinen stellt Ver-schleiß in den Linearführungen zunehmend ein Problem dar, da dadurch die Lebensdauer und die Genauigkeit beeinträchtigt wird. Ein be-rührungsfreies Führungsprinzip, wie das des magnetischen Schwebens, vermeidet Verschleiß von Grund auf. Zur Zeit wird eine Hochgeschwindigkeits-Werk-zeugmaschine aufgebaut, die über eine mag-netgeführte Achse verfügt. Mit einer Achsbe-schleunigung von 5g ist die Maschine weltweit wegweisend für diese neue Technologie. Die aktiven Eigenschaften der Magnetführung können weiterhin als Feinposi-tionierungseinrichtung zur Steigerung der Genauigkeit sowie zur aktiven Schwingungskompensation eingesetzt werden. Während die dynamische Steifigkeit einer Magnetführung im niedrigen Fre-quenzbereich prinzipbedingt niedriger ist als diejenige einer Rollenführung, stellt insbesondere die einstellbare hohe Dämpfung einen großen Vorteil dar. Die Nutzung dieser Eigenschaften für den Fräsprozess ist ein Forschungs-schwerpunkt für die Zukunft. Die Komponenten zum Aufbau der Magnetführung sind Eigenentwicklungen des Instituts für Dynamik und Schwingungen. Die Technik ist vollkommen modular aufgebaut und zum Schaltschrankeinbau geeignet. So ist es möglich, auch andere Probleme mit Hilfe der Magnetschwebetechnik zu lösen.


>> MAGNETFÜHRUNGEN FÜR WERKZEUGMASCHINEN Dipl.-Ing. Cord-Christian Neuber 0511 / 762-4169 [email protected]

Bohrstrang mit Bohrmeißel (Foto: Baker Hughes)

Um Zugang zu Erdölreserven zu erlangen, werden Bohrungen vorgenommen, die oft mehrere Kilometer tief sind. Dazu wird üblicherweise die Technik des Rotary-Bohrens verwendet, bei dem der gesamte Bohrstrang durch einen über Tage befindlichen Motor in Rotation versetzt wird. Am unteren Ende des Bohrstranges befindet sich der Bohrmeißel, mit dessen Hilfe im Bohrlochgrund Gestein abgetragen wird. Aufgrund seiner großen Länge stellt der Bohrstrang ein schwingungsfähiges System dar, das Axial-, Lateral- und Torsionsschwingungen ausführen kann. Durch die dynamischen Kräfte, die beim Bohren auf den Bohrstrang wirken, wie z.B. die Wechselwirkungen zwischen Gestein und Bohrkopf und die Rei-bungskräfte zwischen Bohrstrang und Bohrlochwand, werden unterschiedli-che Schwingungsformen angeregt. Häufig beobachtete Phänomene sind un-ter anderem Stick-Slip-Schwingungen um die Drehachse des Bohrstrangs so-wie Whirl, eine Form der Lateralschwingung.

Bohrstrangschwingungen führen zu einer Ver-minderung der Effizienz des Bohrprozesses und stellen eine Ursache für das vorzeitige Ausfallen einzelner Komponenten des Bohrstrangs dar. Aus diesem Grund gilt es, unerwünschte Schwingun-gen zu vermeiden bzw. Gegenmaßnahmen zu entwickeln. In Kooperation mit der Firma Baker Hughes wird ein Projekt zur Untersuchung von Bohrstrangschwingungen bearbeitet. Ziel ist es, anhand von analytischen und experimentellen Modellen des Bohrstrangs die Entstehungsursa-chen einzelner Schwingungsphänomene zu erforschen und mögliche Wechselwirkungen zwi-schen verschiedenen Schwingungsformen aufzu-zeigen.

>> DYNAMIK VON BOHRSTRÄNGEN Dipl.-Ing. Jens Rudat 0511 / 762-2364 [email protected]


Die Rotorbeschaufelung axialer Turbomaschinen ist im Betrieb thermomecha-nisch hoch beansprucht. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit und zur Erhöhung der Lebensdauer, d.h. zur Reduzierung der HCF-Belastung, ist es zwingend erforderlich, die im Betrieb auftretenden Schwingungsamplituden der Beschaufelung zu minimieren. Dies geschieht entweder durch eine ge-zielte Frequenzabstimmung, so daß ein resonanzfreier Betrieb der Beschaufe-lung gewährleistet wird, oder durch das gezielte Einbringen von Reibkontak-ten in das mechanische System, z.B. durch Reibelemente. In diesen Reibkon-takten kommt es infolge von Relativbewegungen und den resultierenden dy-namischen Reibkräften zur Energiedissipation, woraus sich sich eine stark nichtlineare Dämpfung der Schaufelschwingungen ergibt. Im Rahmen der Projekte, die zu diesem Thema bearbeitet, werden nichtlineare Modelle der Turbinenbeschaufelung unter Berücksichtigung der Rotorscheibe und der Reibkontakte auf Basis der EMKS-Methode entwickelt und in Form von rechenzeiteffizienten Programmsystemen umgesetzt. Diese rechenzeiteffi-zienten Programmsysteme erlauben die Durchführung von gezielten Parame-terstudien zur Optimierung des dynamischen Verhaltens der Beschaufelung unter Berück-sichtigung von Kontaktnichtli-nearitäten. Die experimentelle Validierung der entwickelten Programmsysteme erfolgt durch am Institut verfügbare Standversuche sowie in einem ebenfalls am Institut verfüg-baren rotierenden Versuchs-stand (siehe Foto).


>> SCHAUFELSCHWINGUNGEN MIT REIBELEMENTEN Dipl.-Ing. Christian Siewert 0511 / 762-4168 [email protected]

Turbinenprüfstand

Leitung: Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek

Sekretariat: A. Crohn, Tel.: 0511 / 762-4161, Fax: -4164

Oberingenieur: Dipl.-Ing. M. Wangenheim, Tel.: 0511 / 762-4163

>> Anreise mit dem PKW:>> Anreise mit dem PKW:>> Anreise mit dem PKW:>> Anreise mit dem PKW:

Autobahn A2 bis Herrenhausen,

dann die B6 stadteinwärts bis

zum Bremer Damm, weiter

gemäß Lageplan

>> Anreise mit der Bahn:>> Anreise mit der Bahn:>> Anreise mit der Bahn:>> Anreise mit der Bahn:

Vom Hauptbahnhof zu Fuß

zum Kröpcke (5 Minuten),

dann Linie 4 oder 5 in Richtung

Garbsen oder Stöcken bis

Haltestelle Schneiderberg.

Lageplan

>> INSTITUT FÜR DYNAMIK UND SCHWINGUNGEN Appelstr. 11 30167 Hannover www.ids.uni-hannover.de

Institut für Dynamik und Schwingungen

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HerauHerauHerauHerausgeber, Druck: sgeber, Druck: sgeber, Druck: sgeber, Druck: Institut für Dynamik und Schwingungen

Appelstr. 11 30167 Hannover

Redaktion:Redaktion:Redaktion:Redaktion: Dipl.-Ing. Andreas Renner

Dipl.-Ing. Cord-Christian Neuber

Gestaltung: Gestaltung: Gestaltung: Gestaltung: Dipl.-Des. Martina Heskamp Tel.: 0511 / 8564213

Stand:Stand:Stand:Stand: Mai 2008

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YNAMIK UND SCHWINGUNGEN - ids.uni-hannover.de · Arbeitsgruppe Kontaktmechanik und Reibung > Elastomerreibungseffekte auf verschiedenen Längenskalen > Wechselwirkung Reifenreibung