Leiser durch Laser - HANSER automotive

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O E M S U P P L I E R 2 014
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W E T T B E W E R B S - U N D WA C H S T U M S S T R AT E G I E N
Leiser durch Laser
Deutschland ist nicht nur das Land der Dichter und Denker, sondern auch das
Land der Tüftler und Erfinder. Das mittelständische Unternehmen Polytec ist zwar
schon lange keine Garagenfirma mehr, aber das Tüfteln haben die Mitarbeiter
nicht verlernt. Mit einer hochpräzisen und berührungslos messenden Lasermess
technik zur Erkennung unerwünschter Schwingungen, der scannenden LaserDoppler-Vibrometrie, ist das Unternehmen weltweit führend.
muss man verhindern, dass sich Flächen im Innen- und Außenbereich
durch Schwingungen zu Lautsprechern
verwandeln. Hier kommt die Laser Vibrometrie ins Spiel.
Laser Vibrometrie macht
Schwingungen sichtbar
sichtlich ihrer akustischen Eigenschaften zu optimieren.
Die Ursachen für Geräusch stecken
naturgemäß in jedem Fahrzeug: Der
Verbrennungsmotor mit Ansaugtrakt
und Abgasanlage, Getriebe, Nebenaggregaten wie Klimaanlagen oder die
Bremsen sind wichtige Geräuschquellen. Wie verhindert man also, dass diese Elemente Schall an die Umwelt oder
die Insassen abgeben. Man muss die
Übertragungswege kennen und durch
geeignete Maßnahmen unterbrechen.
Da dies nicht vollständig möglich ist,
Zum einen wird die Resonanzfrequenz gezielt verstimmt. Wie bei einer
Gitarrenseite, die ihre Tonhöhe abhängig von der freien Länge verändert,
lässt sich diese Verstimmung auch
durch eine leichte Veränderung der
Form, der Befestigungspunkte oder
durch Veränderung des Materials erreichen. Einfach ausgedrückt: Je steifer,
desto höher die Frequenz und je weicher, desto tiefer die Frequenz. Zum
anderen sind Dämmung und Dämpfung, also die Vernichtung der Schwin-
Bilder: Polytec
D
as Prinzip ist einfach. Ein Laser
wird auf ein Ziel gerichtet.
Durch den Doppler-Effekt wird
seine Frequenz entsprechend der
Schwinggeschwindigkeit verschoben.
Kennt man die Frequenzverschiebung,
kennt man auch die Höhe und Frequenz
der Schwingung. Tastet man eine Oberfläche punktweise ab, erhält man eine
Schwingform. Aus der Schwingform
lässt sich erkennen, wo das Messobjekt
wie stark schwingt beziehungsweise
Schall abstrahlt. Dieses Prinzip der scannenden Laser Vibrometrie nutzen die
Automobilindustrie und ihre Zulieferer
weltweit, um Bauteile und ganze Fahrzeuge schon in der Entwicklung hin-
Laser Vibrometrie
von Polytec macht
Autos leiser.
Wie kann dieses Verfahren helfen?
Dazu ein Beispiel: Eine Türverkleidung
wird durch Motorschwingungen angeregt und strahlt Schall in den Innenraum ab. Bei manchen Frequenzen
kommt es zur Resonanz, also zu einer
Übereinstimmung einer der Schwingformen der Verkleidung mit einer Anregungsfrequenz. In der Praxis hört man
bei einer bestimmten Motordrehzahl
ein Dröhnen im Innenraum. Das Ergebnis einer Lasermessung zeigt, in welcher Form die Verkleidung, abhängig
von der Anregungsfrequenz, schwingt.
Diese Schwingform macht die Messung sichtbar und ermöglicht so gezielte Gegenmaßnahmen.
© Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.oem-supplier.eu ; Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
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Als innovatives HochtechnologieUnternehmen entwickelt, produziert
und vertreibt Polytec seit mehr als
45 Jahren optische High-Tech-Lösungen für Forschung und Industrie.
Das im badischen Waldbronn
ansässige Unternehmen agiert international und beschäftigt weltweit
350 Mitarbeiter.
Schwingungsanalyse an einer Rohkarosserie.
gungsenergie möglich. Dazu muss in
der Regel zusätzliches Material eingebaut werden. Das erhöht aber das
Fahrzeuggewicht und damit auch die
CO2 -Emmission.
Dieses kleine Beispiel zeigt die Bedeutung einer Messtechnik, die solche
Schwingungsphänomene quantitativ
und qualitativ erfasst und vor allem für
den Ingenieur nachvollziehbar darstellt.
Denn Schwingungen sind überall und
breiten sich über eine Karosserie je
nach Frequenzbereich aus. Leichtbau
ist eine wichtige Maßnahme für die Erreichung der Klimaziele. Leichtbau mit
konventionellen Mitteln heißt aber
auch, mit weniger und damit dünnwandigeren Materialien zu arbeiten. Für die
Akustiker schafft das neue Herausforderungen. Betrachtet man den Motor,
sind Leichtbau-Ölwannen zwar gut für
das Gewicht, aber schlecht für die
Akustik. Auch hier müssen Maßnahmen zur Versteifung und Dämpfung ergriffen werden.
Computersimulation bietet
neue Möglichkeiten
Die Computersimulation eröffnet neue
Möglichkeiten für die Lösung solcher
Problemstellungen. Ist ein Prototyp
vorhanden, wird die Ölwanne in einer
experimentellen Modalanalyse hinsichtlich ihrer Schwingungseigenschaften untersucht. Dazu wird das Bauteil
künstlich mit einem Schwingerreger in
allen Frequenzen angeregt. Die Ölwanne reagiert darauf mit Eigenschwingungen. Es ist das gleiche Prinzip wie
bei einer Glocke. Wird sie angeschlagen, klingt sie in einer Frequenz, ihrer
Eigenfrequenz. Der Schlag enthält alle
Frequenzen und die Glocke sucht sich
die passende Frequenz aus. In der experimentellen Modalanalyse passiert
das gleiche. Um die Eigenfrequenzen
genau zu messen, ist es wichtig, dass
zusätzliche Massen das Schwingverhalten nicht verändern. Deshalb setzt
man den Laser ein, der ja das Bauteil
nicht beeinflusst. Denn Licht hat keine
Masse.
Kennt man die Eigenfrequenzen und
die Verteilung der Schwingungen, die
Eigenform, wird im Computermodell
das Bauteil so verändert, dass es auf
die Anregungen des Motors ohne unerwünschte Schallabstrahlung reagiert. Die Schallabstrahlung hängt direkt mit der Schwinggeschwindigkeit
oder Schwingschnelle an der Oberfläche zusammen. Das Laservibrometer
misst diese Größe direkt und der Simulationsingenieur kann auf die Daten zurückgreifen. Mit diesem hybriden Verfahren, also der Verwendung der
Messdaten als Eingangsdaten für die
Computersimulation, lassen sich sehr
genaue Vorhersagen über die zukünftige Geräuschentwicklung machen.
Es ist leicht zu verstehen, dass man
dieses Verfahren in allen Fällen verwendet, in denen Flächen hinsichtlich
ihrer Schallabstrahlung bewertet und
optimiert werden. Die Laser Vibrometrie liefert dem Ingenieur einfach und
anschaulich die notwendigen Daten.
Und so leistet der Laser der badischen
Tüftler seinen Beitrag zu leisen, sparsamen und komfortablen Fahrzeugen. W
j
Polytec GmbH
www.polytec.com
Jörg Sauer ist als Produktmanager
Vibrometrie bei der Polytec GmbH in
Waldbronn tätig.
Unsere berührungslos arbeitenden
Messsysteme zur Analyse von
Schwingungen und Oberflächento
pografien sowie zur industriellen Längen- und Geschwindigkeitsmessung
finden in allen Bereichen Anwendung,
in denen höchste Genauigkeit und
rückwirkungsfreie Messungen erforderlich sind. Auf dem Gebiet der optischen Schwingungsmessung mit Laservibrometern nehmen wir eine weltweit führende Position ein. Die Anwendungen reichen von der
Mikrosystemtechnik bis zum Großmaschinenbau, vom Automobilsektor
über Luft- und Raumfahrt, bis hin zur
Medizintechnik und den Life Sciences.
In der Fahrzeug- und Motorenentwicklung tragen Laservibrometer von Polytec entscheidend zur Effizienzsteigerung, zur Verkürzung der Entwicklungszeiten und zur Kostensenkung
bei. Typische Anwendungen sind:
WW Experimentelle Modalanalyse
WW FE-Test-Korrelation
WW NVH: Akustik- und Schwingungsoptimierung
WW Entwicklung von Motoren, Antrieben und Bremsen
WW Qualitätsprüfung in der Produktion.
Durch neue und innovative Produkte
und Serviceleistungen schaffen wir
Werte, welche die Wettbewerbsfähigkeit unserer Kunden erhöhen.
Polytec GmbH
Postfach 161
76337 Waldbronn
Telefon: +49 (0) 7243/6 04-0
Telefax: +49 (0) 7243/6 99 44
Web: www.polytec.com
E-Mail: [email protected]
FIRMENPROFIL
Polytec GmbH
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