Geräusch- und Schwingungsanalyse und -kontrolle

Jeder, der in der Automobilindustrie gearbeitet hat, ist wahrscheinlich mit dem Akronym NVH vertraut, das für Noise, Vibration & Harshness steht - ein Begriff, der sich auf das allgemeine Ziel bezieht, Autos zu entwerfen, die leiser und glatter fahren, was zu einem qualitativ hochwertigeren, zuverlässigeren Produkt führt. Die Beschäftigung mit NVH-Problemen geht weit über die Automobilindustrie hinaus auf fast jede Art von Teil, Gerät oder Struktur und ist heute zu einem allgemeinen Anliegen der meisten Produktdesigner geworden.

Dieser Artikel ist eine allgemeine Erörterung von Geräusch- und Schwingungskontrolle sowie Analysetechniken aus dem Blickwinkel einer Person, die viele Jahre lang als Berater auf diesem Forschungsgebiet tätig war. Bei Boyd streben wir danach, unseren Kunden mit diesem Beratungs- und Problemlösungsansatz bei der Lösung ihrer Probleme unter die Arme zu greifen. Hierbei bedienen wir uns einer systematischen und analytischen Denkweise, um die Leitdynamik eines Problems zu verstehen und so die geeignetsten Gegenmaßnahmen empfehlen zu können.

In einigen extremen Fällen kann ein NVH-Problem zu einer Betriebsstörung oder einer mechanischen Störung des Geräts führen. Aber in vielen Fällen steht das NVH-Problem in Verbindung mit einem wahrgenommenen Qualitätsproblem. Abbildung 1 ist eine einfache Darstellung der Quell-Antwort-Beziehung, in der eine typische NVH-Bedingung als eine Kombination von Anregungsquellen dargestellt wird, die in irgendeiner Weise mit der Dynamik der Struktur interagieren, um die übertragene Schwingungs- und/oder Geräuschbedingung zu erzeugen, die wiederum vom Produktbenutzer entweder günstig oder nicht wahrgenommen wird. Hier wird die Wahrnehmung eines qualitativ hochwertigen Produkts nicht nur durch das Gesamtniveau der emittierten Vibrationen oder abgestrahlten Geräusche beeinflusst, sondern auch durch die subjektive Natur dieser Ergebnisse für den Produktbenutzer.

Im besten Fall werden viele dieser potenziellen NVH-Probleme frühzeitig im Konstruktionszyklus durch spezifische Design- und Komponentenentscheidungen vermieden, so dass die Geräusch- und Vibrationsquellenpegel auf ein akzeptables Niveau gut kontrolliert werden und die Fertigungsschwankungen auf ein Minimum reduziert werden. Das Ergebnis ist, dass NVH auf der Quellebene kontrolliert wird, was offensichtlich der Wunsch aller Produktdesigner ist. Oft ist dies keine wirtschaftliche Option, oder das Erreichen dieses Ziels ist leichter gesagt als getan, da es oft sehr schwierig ist zu verstehen, wie sich bestimmte Konstruktionsentscheidungen auf die Betriebsleistung auswirken, die dann die Geräusch- und Vibrationseigenschaften beeinflusst. Oft wird das NVH-Problem erst entdeckt, nachdem das Design eingefroren wurde, und die Optionen zur Kontrolle des Problems sind auf Gegenmaßnahmen vom Typ "Add-on" beschränkt.

Arten von Anregungskräften können in vielen Formen auftreten. Viele Produkte enthalten rotierende Motoren, Lüfter, Zahnräder usw., bei denen die Unwucht rotierender Bauteile oder die Fehlausrichtung von Antriebswellen zu unerwünschten Anregungskräften führen. Diese sind diskreter Natur und enthalten normalerweise einen prominenten Peak bei der grundlegenden Rotationsgeschwindigkeit plus harmonische Vielfache dieses Tons. Bei einem Betriebsventilator entstehen beispielsweise auch Störungen bei einem Vielfachen der Grunddrehzahl mal der Anzahl der Lüfterblätter.

Andere Faktoren wie Lagerlasten oder Lastschwankungen (oft elektrisch angetrieben) können zusätzliche Anregungseingaben erzeugen. Das Betriebsverhalten der hin- und hergehenden Bewegung von Bauteilen, insbesondere wenn es zu einem harten Aufprall zwischen den Teilen führt, kann sowohl zu einer erzwungenen Anregung bei der hin- und hergehenden Frequenz als auch zu einem Aufpralltransienten führen, der Energie über einen breiten Frequenzbereich aufnimmt. Sowohl der Pegel- als auch der Frequenzbereich des Kraftpegels werden durch die Masse der beteiligten Komponenten sowie die Härte zwischen den Kontaktpunkten beeinflusst (d. h. der Kontakt von Metall auf Metall führt zu einer Energieverteilung über einen sehr breiten Frequenzbereich). Die schnelle Start-Stopp-Bewegung von Komponenten unter normalen Betriebsbedingungen kann auch eine Quelle vorübergehender Lasten sein, die dazu neigen, die Struktur selbst anzuregen.

Ein Beispiel hierfür ist der Lese- / Schreibvorgang eines typischen Festplattenlaufwerks, das eine schnelle Drehbetätigung der Armbaugruppe durchläuft, während es sich während normaler Lese- / Schreibvorgänge von Spur zu Spur über das Festplattenmedium bewegt. Jede harte Start- und Stoppaktion ist wie ein Miniatur-Schlaghammer, der auf die Struktur trifft und alle ihre inneren Resonanzen unter Strom setzt. Dies ist insofern problematisch, als keine ausreichende Dämpfung im System vorhanden ist, um diese unerwünschte Bewegung des Schreib-/Lesekopfes schnell abzuleiten. Letztendlich können Off-Track-Fehler auftreten, die die Leistung des Geräts verlangsamen.

Um dieses Beispiel weiter auszuführen, unterliegt ein typisches Festplattenlaufwerk einer Sammlung von Anregungsquellen: dem rotierenden Spindelmotor, der die Scheibenplatten auf 7500 oder 10000 U / min dreht, dem drehbar betätigten Schwingspulenmotor, der die Armantriebsbaugruppe schwenkt, den Lagereffekten entweder des Armdrehpunkts oder des Spindellagers, die unerwünschte Störungen verursachen, und die luftinduzierte Anregung durch turbulenten Luftstrom aus den Spinnscheiben, die Luft über den Arm / die Aufhängungskomponenten drücken. Ziel ist es, diese Anregungskräfte auf Quellebene durch verschiedene Designentscheidungen zu steuern. So wurde beispielsweise eine deutliche Verbesserung der durch den Antrieb erzeugten Leerlaufgeräusche erreicht, als die Antriebsindustrie auf präzisere fluiddynamische Lager umstellte. Qualitativ bessere Komponenten, die nach höheren Qualitätsstandards hergestellt werden, reduzierten die Variation durch Verschärfung der Komponententoleranzen und trugen weiter zur Verringerung der Anregungsraten bei. Luftinduzierte Vibrationen sind ein Nebenprodukt der heute hergestellten Hochgeschwindigkeitsantriebe, aber selbst diese Quelle kann durch die Verwendung von Luftrichtvorrichtungen gesteuert werden, die dazu beitragen, turbulente Luftströmungen zu minimieren und so diese Quelle der Breitbandanregung zu den Scheibenplatten und dem Aktuator zu reduzieren.

Im Allgemeinen beinhalten Strategien zur Minimierung des Anregungsquellenniveaus die Verwendung von leichten Komponenten zur Reduzierung der Kraft, die Minimierung von Unwucht und Fehlausrichtung zwischen Komponenten sowie präzisere Fertigungsmethoden, die unerwünschte Variationen beseitigen. Die Reduzierung von Hubkolbenlasten kann durch die Reduzierung der Masse beweglicher Bauteile oder den Einsatz von Trägheitsgegengewichten erreicht werden. Bei Getriebekomponenten sind die Auswahl hoher Kontaktverhältnisse (>2), die richtige Schmierung, die Auswahl der Getriebematerialien, das Zahnprofil und die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Wellenausrichtung Faktoren, die eine gute Getriebekonstruktion und -bedienung beeinflussen. Andere Methoden beinhalten die Änderung des tatsächlichen Betriebsprofils, wobei Abstriche bei Geschwindigkeit oder Leistung zugunsten besserer NVH-Eigenschaften gemacht werden (d. h. "leiser Modus" eines Lüfters, der mit einer langsameren Drehzahl läuft, die oft aktiv gesteuert wird, um den Kühlbedarf zu steuern, oder einer Kfz-Klimaanlage, deren Kühlung aufgrund weniger leistungsstarker Komponenten länger dauert. oder eine Festplatte, die langsam bis zum Stillstand verlangsamt und die Erregung auf Kosten längerer Suchzeiten minimiert).

Eine erzwungene Reaktionsbedingung liegt vor, wenn die Anregung deutlich unterhalb dieser Resonanzen im steifigkeitskontrollierten Bereich der Struktur auftritt, wo die Reaktion auf Anregungskräfte durch die Steifigkeit der Struktur gesteuert wird. Wir können auch eine erzwungene Reaktionsbedingung haben, wenn die Anregungseingänge weit über den Resonanzen im sogenannten massenkontrollierten Bereich der Antwort liegen. Hier wirkt die inhärente Übereinstimmung zwischen den Komponenten, um die Übertragung von Schwingungen zu isolieren und dazu zu neigen, das Ansprechverhalten zu reduzieren. Das Verhältnis von Ansprechbewegung zu Eingangsanregung wird als Übertragbarkeit bezeichnet. Siehe Abbildung 4 für eine vereinfachte Darstellung der Struktur sowie ein Beispiel dafür, wie Isolierung funktioniert, um die Anregungspegel bei höheren Frequenzen zu reduzieren. Hier wird die Struktur als geklumpte Masse dargestellt, die über ein Federelement (in diesem Fall eine viskoelastische Feder, die sowohl Steifigkeit als auch Dämpfungseigenschaften als Funktion der Verschiebung besitzt) an der Erde befestigt ist.

Bis zu diesem Punkt konzentrierte sich die Diskussion auf eine erzwungene Reaktion Art von Zustand, in dem Energie von der Quelle zum Empfänger durch einen strukturgetragenen Pfad geleitet wird. Aber was ist mit dem Fall, wenn der größte Teil der Energie durch einen direkten Luftweg geleitet wird? Hier sind Isolationsmethoden der Struktur unwirksam und Änderungen der Masse / Steifigkeit / Dämpfung sind nur dann hilfreich, wenn diese Modifikationen die Geräuschquellenpegel selbst reduzieren. Andere Techniken können angewendet werden, um mit abgestrahltem Lärm durch eine Kombination von akustischer Absorption und / oder Barrierebehandlungen umzugehen.

Absorber sind Zusatzbehandlungen aus porösen elastischen Materialien mit der Fähigkeit, einen Teil des abgestrahlten Lärms zu absorbieren und die reflektierte Schallwelle zu schwächen. Bei diesen Materialien kann es sich um faserige (d. h. Glasfaser- oder Polyester-) Mattierungsmaterialien oder um flexible Zellschaummaterialien verschiedener Art (Polyurethan, Polyimid, Polypropylen usw.) handeln. Absorber können auf verschiedene Dicken geschnitten werden (je dicker, desto besser bis zu niedrigeren Frequenzen mit längeren Wellenlängen absorbieren), um die Innenwände eines Gehäuses auszukleiden, das eine Rauschquelle einkapselt oder einen Luftkanal durch die Struktur erzeugt (vorzugsweise nicht in gerader Richtung, sondern durch einen gewundenen Pfad).

Absorber werden auch mit schlaffer Masse oder Septumschichten kombiniert, um Barrierebehandlungen zu schaffen, bei denen Lärm nicht durch die Struktur gelangen darf, sondern in das Gehäuse zurückreflektiert wird. Absorptionsbehandlungen können auch so konfiguriert werden, dass sie ein leichtes, perforiertes Haut- oder Prägemuster aufweisen, um die Absorptionsleistung mit niedrigerer Frequenz zu verbessern (auf Kosten der Hochfrequenzabsorption).

Andere fortschrittlichere Arten von luftgestützten Geräten wie Schalldämpfer, Resonatoren und Luftrichtrichter können in eine Struktur integriert werden, um den abgestrahlten Geräuschpegel eines Betriebsgeräts zu minimieren. Resonatoren wirken wie schmalbandige Ausschussfilter, die eine Verbesserung eines bestimmten Frequenzbereichs bieten, der durch die Geometrie des Resonanzhohlraums und der Verbindungsöffnung definiert ist. Luftrichtmaschinen helfen, die turbulente Natur der Luft durch eine Öffnung oder einen Kanal zu minimieren, indem sie den Luftstrom durch eine Wabenstruktur aus parallelen Rohren mit spezifizierter Länge und Durchmesser leiten.

Wenn Anregungsenergie im Resonanzbereich der strukturellen Reaktion vorhanden ist, tritt ein Resonanzzustand auf, bei dem diese natürlichen Instabilitäten der Struktur die Eingangsenergie auf ein übermäßiges Niveau verstärken können, insbesondere wenn die Art der Anregungskräfte diskret oder harmonisch ist. Wenn es nicht möglich ist, entweder den Ort der Resonanzen (durch Masse- / Steifigkeitsänderungen) oder die Art der Eingangsanregung zu verschieben, dann ist die Erhöhung des inhärenten Dämpfungsniveaus das Ziel. Dies kann durch eine Vielzahl von Add-on-Geräten erreicht werden, die in einer Vielzahl von Methoden arbeiten können. Mechanische Dämpfung bezieht sich definitionsgemäß auf die Übertragung von Schwingungsenergie auf Wärme mit irgendwelchen Mitteln. Dämpfung kann in vielen Formen auftreten:

Der Konstrukteur muss alle Aspekte der für ein typisches Betriebsgerät vorhandenen Anregungsquellen berücksichtigen, verstehen, wie die strukturelle Reaktion des Geräts diese Quellen beeinflusst, und frühzeitig im Konstruktionszyklus kluge Design- und Komponentenentscheidungen treffen, um unerwünschte Geräusch- und Vibrationseigenschaften zu vermeiden. Oft müssen Kompromisse bei Design und Fertigung eingegangen werden, um sowohl Leistungs- als auch Kostenziele zu erreichen.

Die Eliminierung aller Geräusch- und Vibrationsprobleme auf Quellenebene ist aus verschiedenen Gründen oft nicht zu erreichen: Präzisionskomponenten sind unerschwinglich, es ist schwierig, Fertigungsschwankungen und Toleranzstapel zu kontrollieren, oder einfach, dass diese Faktoren nicht früh im Konstruktionszyklus berücksichtigt wurden, wenn Änderungen möglich waren. Daher ist eine Form der Modifikation der strukturellen Dynamik des Geräts erforderlich, und die attraktivste Option ist oft eine Form von umgewandelter zusätzlicher Gegenmaßnahme, die die strukturelle Übertragung von Vibrationen isolieren, den abgestrahlten Luftschall blockieren oder erfassen oder die unerwünschte Resonanzverstärkung dämpfen kann. Das Verständnis der grundlegenden Natur einer bestimmten NVH-Erkrankung ist der Ausgangspunkt, um zu wissen, welche Arten von Behandlungen am besten geeignet sind.

Die detailliertere und nuanciertere Aktivität beinhaltet dann die Optimierung dieser Steuergeräte, da jedes auf die Besonderheiten der Struktur im Frequenz- und Temperaturbereich der Anwendung zugeschnitten sein muss. Dies zu erreichen und gleichzeitig andere Produktanforderungen (wie RoHS-Konformität, Entflammbarkeitsbewertungen und Kostenbeschränkungen usw.) zu erfüllen, ist die Herausforderung für den heutigen Produktdesigner. In zukünftigen White Papers werden wir einen tieferen Einblick in den Optimierungsprozess verschiedener konvertierter Lärm- und Vibrationslösungen von Boyd geben.