Eigenschaften von Dämpfungsmaterialien und deren Verwendung

Im Maschinenbau kommen Dämpfungsmaterialien überall da zum Einsatz, wo es zu ungewünschten Vibrationen, Schwingungen, Stößen oder Geräuschen kommt. Bleiben diese Schwingungen unkontrolliert, kann das von Präzisionsverlusten und vorzeitigem Materialverschleiß bis hin zur Zerstörung der Maschine führen. Dämpfungsmaterialien erhöhen daher nicht nur die Lebensdauer und Leistung von Maschinen, sondern schützen diese häufig auch vor Schäden. Neben Schaumstoffen, Filz und Kautschuk (Gummi) werden auch spezielle Kunststoffe für die Herstellung von Dämpfungsmaterialien eingesetzt. Dieser Blogartikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Dämpfungsmaterialien und ihre Verwendung.

Was ist eine Schwingung?

Rein physikalisch betrachtet ist eine Schwingung eine zeitlich periodische Änderung einer physikalischen Größe um ihren Gleichgewichtszustand. Schwingungen lassen sich durch die Parameter Amplitude, Frequenz und Phase bzw. Phasenwinkel beschreiben. Eine Vibration ist eine periodische mechanische Schwingung, die in der Regel auch hörbar und fühlbar ist. Mechanische Schwingungen bzw. Vibrationen kommen vor allem bei rotierenden und oszillierenden Komponenten vor.

• (1) gedämpfte Schwingung
• (2) ungedämpfte (harmonische) Schwingung
• (3) angeregte, erzwungene Schwingung

Es gibt verschiedene Formen der Schwingung:

• Harmonisch: Der zeitliche Verlauf wird durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion beschrieben, ohne Dämpfung o.a. Einflüsse von außen.
• Angeregt: Eine Schwingung, die durch eine äußere, periodische Kraft angeregt wird (steigende Amplitude).  Die Erregerschwingung liegt im Resonanzbereich der Eigenschwingung. Je mehr sich die Erregerfrequenz der Eigenfrequenz annähert, desto stärker wird die resultierende Resonanz.
• Gedämpft: Die Amplitude einer gedämpften Schwingung nimmt aufgrund von Energieverlusten, z. B. durch Reibung oder Dämpfung, im Laufe der Zeit ab.

Eigenschwingung und Resonanz

Wirkt auf einen elastisch verformbaren Körper einmalig eine äußere Kraft ein tritt sog. Eigenschwingung auf. Diese Eigenschwingung wird durch die Rückstellkraft verursacht, die proportional zur Auslenkung ist und den Körper in seine Gleichgewichtslage zurückführt.

Werden jetzt zusätzlich zur Eigenschwingung weitere Kraftstöße mit gleicher Erregerfrequenz auf den Körper aufgebracht, überlagern sich Eigenschwingung und Erregerschwingung zu einer höheren Amplitude, ein sog. Schwingungsausschlag entsteht. Dieser kann zu Beschädigungen am System führen. An dieser Stelle greifen die schwingungsdämpfenden und schwingungsisolierenden Materialien.

Näheres zu den verschiedenen Formen der Schwingung finden Sie auch in unserem Artikel Eigenschwingungsverhalten von Federn.

Schwingungsdämpfung und Schwingungsisolation

Schwingungen kann man auf verschiedene Weise entgegenwirken. Die Schwingungsdämpfung ist der Versuch, den Ausschlag (Amplitude) einer Schwingung durch Energieentzug zu reduzieren.
Neben der Eigenschaft eines verwendeten Materials durch elastische Verformung und innere Reibung eine dämpfende Wirkung zu erzielen, können zusätzlich angekoppelte hydraulische, pneumatische bzw. elektrische Dämpfer oder andere mechanisch dämpfende Elemente zum Einsatz kommen.

Durch Dämpfung wird die Schwingungsenergie in Wärme umgewandelt. Die Amplitude der Schwingungen reduziert sich, wodurch Vibrationen abgeschwächt und so besser kontrollierbar werden. Die Dämpfung trägt somit erheblich zur Verbesserung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Maschinen und Maschinenkomponenten bei. Da die Dämpfung in der Regel durch eine Umwandlung der kinetischen Energie in Wärme erfolgt, kann sich das dämpfende Material aber bei Überlastung überhitzen, was von der Veränderung der Dämpfungseigenschaften bis hin zum zum Ausfall des überlasteten Dämpfers führen kann.

Schwingungsisolation auf der anderen Seite bedeutet, das Auftreten von Schwingungen idealerweise komplett von einem System fernzuhalten oder entstandene Schwingungen ggf. auf ein anderes System zu übertragen. Dies erfolgt in der Regel durch den Einbau von elastischen Schwingungsisolatoren. Die Schwingungsisolierung ist effektiv, wenn die Eigenfrequenz des schwingungsisolierten Systems kleiner als die niedrigste Frequenzkomponente der Störschwingung ist. Schwingungsisolatoren können z.B. sein: Stahlfedern, Gummipuffer, Dämmplatten aus Kork, Gummi, Filz, Sand etc.]

Es gibt verschiedene Arten der Schwingungsisolation:

• Aktive Schwingungsisolation: Die Umgebung einer Maschine wird vor Schwingungen geschützt.
• Passive Schwingungsisolation: Die Maschine selbst wird vor Schwingungen der Umgebung geschützt.

Ein weiteres Prinzip insbesondere an Großgeräten/Großmaschinen ist die Schwingungstilgung. Durch Anbringen eines massebehafteten Zusatzschwingers wird hierbei die Energie der Erregung entzogen und die Schwingbewegung des Hauptsystems getilgt.

Was sind Dämpfungsmaterialien?

Dämpfungsmaterialien werden verwendet, um Vibrationen, Geräusche (Schwingungen) in Maschinen zu absorbieren oder reduzieren. Es gibt Dämpfungsmaterialien für z.B. folgende Arten der Dämpfung:

• Schwingungsdämpfung / Vibrationsdämpfung: Bewegungen von vibrierenden Geräten und Maschinen werden gedämpft. Die verwendeten Materialien sind elastisch. Sie werden zwischen der Quelle der Vibration und dem zu schützenden Objekt platziert.
• Reduziert unerwünschte mechanische Schwingungen, z.B. PU-Beschichtung auf Oberflächen.
• Schalldämmung: Absorbiert / Isoliert Schallwellen, um den Geräuschpegel zu reduzieren. Materialien zur Schalldämmung sind oft weich und porös. Dadurch können sich Schallwellen im Material brechen, verfangen sich, und können absorbiert werden.
• Mechanische Dämpfung z.B. Stoßdämpfung: Plötzliche Stöße und Belastungen u.a. einwirkende Kräfte werden abgefangen und verteilt. Dadurch werden empfindliche Komponenten vor Beschädigung geschützt. Stoßdämpfungsmaterialien sind elastisch und können in hohem Maße Energie aufnehmen.

Bei MISUMI gibt es ein breites Sortiment an Dämpfungsmaterialien für unterschiedlichste Einsatzbereiche. Die nachfolgende Übersicht gibt eine kleine Hilfestellung bei der Auswahl der passenden MISUMI-Komponente:

Generell haben viele Kunststoffe auch dämpfende Eigenschaften. Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften von Kunststoffen im Maschinenbau in unserem Artikel Eigenschaften von Kunststoffen: Welche Kunststoffe sind für den Maschinenbau geeignet?.

Welches Material eignet sich zur Schwingungsdämpfung?

Materialien reagieren unterschiedlich stark auf Schwingungen. Ein Merkmal, das sich auf die Schwingung auswirkt, ist die Härte. Die Härte gibt an, wie widerstandsfähig ein Material gegen das Eindringen eines anderen Materials ist. Je höher der Härtewert, desto widerstandsfähiger ist das Material gegenüber Verformung. Die Härte wird in unterschiedlichen Härteverfahren bestimmt, z.B. Härte nach Rockwell oder Härte nach Shore. Erfahren Sie mehr über die unterschiedlichen Härteprüfungen in unserem Artikel Härtegrade und Härteprüfung im Vergleich.

Die Härte wirkt sich auch auf die Elastizität aus, die wiederum Einfluss auf die Schwingungsfrequenz (die Anzahl Schwingungen pro Zeiteinheit) nimmt. Materialien mit hoher Härte haben eine geringere Elastizität. Die Schwingungsfrequenz vergrößert sich mit zunehmender Elastizität (Federkonstante) und kleiner werdender Masse des Körpers, siehe dazu auch folgende Übersicht über verschiedene Dämpfungsmaterialien:

• (1) Geldämpferhülse
• (2) Geldämpferplatte
• (3) Schwingungsdämpfende Gele
• (4) Gummibeschichtungsausführung
• (5) Gummi-Metall Elemente
• (6) RUBLOC
• (7) Schwingungsdämpfende Teller
• * Traglast (kg) bei Verwendung von 4 Stk.

Nachfolgend werden die hier dargestellten Dämpfungselemente im Detail vorgestellt:

Gummibeschichtungen

Flächig aufgebrachte Gummibeschichtungen sind eine effektive Dämpfungsmethode gegen Körperschall. Das elastische Material wandelt die auf das Material einwirkende kinetische Energie durch Verformung und innere Reibung in Wärme um und reduziert so die Schwingungsamplitude. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen typischen Aufbau eines Dämpfungselementes, mit einer Kombination aus vibrationsdämpfendem Gel und Gummibeschichtung.

• (1) Befestigung
• (2) Silikongel
• (3) Ethylenkautschuk

Die Ausführung mit vibrationsdämpfendem Gel und Gummibeschichtung ist für leichte Lasten und geringe Vibrationen ausgelegt. Das Gel absorbiert niedrige Frequenzen bei einer maximalen Arbeitslast von 25-35 kg und einer minimalen Nutzfrequenz von 13 Hz. Der Silikongrundkörper mit Ethylenkautschuk-Beschichtung ist witterungsbeständig und für den Außeneinsatz geeignet. Zudem bieten die Silikondämpfer eine längere Ermüdungslebensdauer als herkömmliche Gummidämpfer.

Gelbuchsen bzw. Geldämpferhülsen

Gelbuchsen sind speziell entwickelte Schwingungsdämpfungselemente, die aufgrund ihrer hohen Dämpfungseigenschaften besonders bei hohen Frequenzen und geringen Traglasten eingesetzt werden. Durch das weiche, gelartige Material absorbieren sie Vibrationen effektiv. Gelbuchsen können wie folgt verwendet werden:

• (1) Schraube
• (2) Unterlegscheibe
• (3) Gelbuchse
• (4) Zu dämpfendes Werkstück (eingespannt)
• (5) Hülse mit Innengewinde
• (6) Auflage bzw. Montagefläche (Befestigung auf unterschiedliche Arten möglich)

Vibrationsdämpfendes Gel

Vibrationsdämpfende Gele, insbesondere auf Silikonbasis, sind ideal zur Schwingungsreduktion bei Anwendungen, die ultraleichte bis mittlere Lasten und geringe Vibrationen aufweisen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Gummidämpfern bieten Silikongel-Dämpfer eine längere Lebensdauer und behalten ihre dämpfenden Eigenschaften auch unter dauerhafter Belastung.

Vibrationsdämpfende Gelplatten

Vibrationsdämpfende Gelplatten sind ideal für leichte Lasten und minimale Schwingungen, die von herkömmlichem Gummi nur schwer gedämpft werden. Sie sind wärmebehandelt, zeigen keine unerwünschten Resonanzen und erfordern eine gleichmäßige Lastverteilung. Diese Gelartikel sind ausschließlich für Vertikallasten geeignet, da seitliche Verschiebungen oder Verdrehungen ihre Wirksamkeit und Lebensdauer stark beeinträchtigen. Zudem sollten sie keiner mechanischen Spannung ausgesetzt werden.

• (1) Silikon
• (2) Klebstoff
• (3) Schutzpapier (linke Abbildung ohne Klebeschicht)

Vibrationsdämpfende Gummihalterungen

Vibrationsdämpfende Gummihalterungen eignen sich für leichte bis mittlere Lasten. Aufgrund ihrer Robustheit und hohen Tragfähigkeit werden Gummihalterungen häufig in Maschinen- und Fahrzeuganwendungen eingesetzt, wobei sie gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und äußere Umwelteinflüsse bieten.

RUBLOC

Der Vibrationsdämpfer RUBLOC® ist eine Handelsmarke von Rubloc Imexin und eignet sich für leichte bis mittlere Lasten mit geringer bis mittlerer Vibration. Durch die spezielle Zusammensetzung aus schmutzabweisendem Chloroprenkautschuk wird die Verschmutzung von Werkstoffoberflächen, die mit dem Dämpfer in Kontakt kommen, minimiert, während die übrigen Eigenschaften denen von herkömmlichem Chloroprenkautschuk entsprechen. Dank der diagonalen Ausbreitung der Schwingungen innerhalb der Platten wird eine hohe Dämpfungswirkung erzielt.

Schallschutz / Schallisolation

Schallschutz oder Schallisolierung bezieht sich auf Maßnahmen, die Schallübertragung verhindern oder reduzieren. Bei der Schallisolation geht es darum, den Schall zu reduzieren. Das geschieht entweder durch Reflexion des Schalls oder durch dessen Absorption.

Die Beschaffenheit der Oberfläche beeinflusst dabei zu einem großen Teil die Möglichkeiten Schall zu reflektieren oder zu brechen. Vergleichbar mit der Reflexion eines Lichtstrahles in der Optik reflektieren glatte Oberflächen den Schall direkt zurück in den Raum, mit dem Ergebnis, dass der Schall nahezu in gleicher Stärke zurückgeworfen wird. Raue oder strukturierte Oberflächen hingegen brechen die Schallwellen und streuen diese diffus in verschiedene Richtungen. Dieses Prinzip machen sich Schallschutz-Lösungen wie z.B. Akustikplatten oder Schaumstoffe zu Nutze. Die Wellenenergie des Schalls wird durch diese Diffusion in kleinere Energiemengen unterteilt und durch Verfangen im Material entsprechend abgeschwächt. Es gibt auch spezielle Akustikschaumstoffe und Faserplatten, welche die Schallwellenenergie komplett absorbieren. Schalldämmwerkstoffe eignen sich zur Absorption hoher Frequenzen, sind für niedrigen Tonfrequenzen aber weniger geeignet. Bei niedrigen Frequenzen sind Silikon-Gelmatten, Gummipuffer o.a. besser geeignet. Während Silikon-Gelmatten eine hervorragende und effektive Schwingungsdämpfung aufweisen sind Gummipuffer durch ihre Vielfältigkeit an Ausführungen, Varianten und Materialien für sehr viele Anwendungen verfügbar.

Nachfolgend ist das Verhalten der verschiedenen Dämpfungsoptionen dargestellt:

• (1) Motor / Kompressor (Schall- und Vibrationsquelle)
• (2) Schwingungsdämpfende Werkstoffe
• (3) Schalldämmwerkstoffe
• (4) Schallisolierende Werkstoffe (Reflexion)

Beispiel - Einsatz von Platten zur Schall- und Stoßdämpfung

Bei MISUMI gibt es Platten aus verschiedensten Materialien, z.B. Polyurethankautschuk (PU / PUR), rückprallarmer Polyurethankautschuk, antistatisches Polyurethan, Nitrile Butadien Rubber (NBR), Polyurethanschaumstoff, Filz, Keramik oder Polyethylen-Schaumstoff.

Schaumstoffplatten und Gummiplatten eignen sich dabei besonders für die Dämpfung allgemein und für die Schalldämpfung insbesondere. Dank Verfügbarkeit in verschiedenen Shore-Härten kann eine Vielzahl an Anwendungen abgedeckt werden. Schaumstoffplatten oder Gummiplatten können so z.B. die Schallemissionen einer Anlage senken. Sie eignen sich weiterhin zur Dämpfung transportierender Bauteile in Förderanlagen oder als seitliche Führung, um Bauteile und Transportgut beim Anstoßen vor Beschädigung zu schützen. Vor allem Hartgummiplatten bzw. rückprallarme Platten aus Gummi oder Schaumstoff reduzieren diese Aufprallenergie.

Konfigurieren Sie Ihre Bauteile

Mit dem MISUMI-Konfigurator können Sie Wellen und andere Bauteile frei konfigurieren.

Wählen Sie die Bauteile-Art und stellen Sie die gewünschten Spezifikationen und Merkmale ein.