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Vibration Definition und Beschreibung

Die Konstruktionen und konstruktionstechnischen Anforderungen von Fahrzeugen haben sich in den vergangenen Jahren drastisch geändert.

Fahrzeuge sind heute steifer und schirmen stärker als früher gegen Einflüsse von der Straße ab. Die Strukturen heutiger Fahrzeuge sind weniger anfällig gegen viele der auftretenden Vibrationen, die bei Fahrzeugen älterer Bauart auftraten. Dennoch sind auch in modernen Fahrzeugen Vibrationen spürbar, wenn zwischen einem sich drehenden Teil und der Karosserie des Fahrzeugs keine Entkopplung gegeben ist.

In modernen Fahrzeugen gibt es nicht so viele Abschirmungspunkte gegen Straßeneinflüsse. Wenn ein Bauteil eine ausreichend starke Vibration erzeugt, kann die vorhandene Abschirmung überwunden werden. Dann muss das Bauteil repariert oder ausgetauscht werden.

Ob unerwünschte Geräusche auftreten oder nicht, bestimmt den Eindruck des Kunden von der Gesamtqualität des Fahrzeugs.

Vibrationen sind die wiederholte Bewegung eines Gegenstands in horizontaler oder vertikaler Richtung. Folgende Bauteile erzeugen die Mehrzahl der Vibrationen in einem Fahrzeug:

Rotierende Teile erzeugen Vibrationen, wenn kein Rundlauf gegeben ist (bei fehlender Auswuchtung oder Schlag). Während der Vibrationsdiagnose ist die zulässige Unwucht bzw. Rundlaufabweichung als ein TOLERANZBEREICH und nicht als eine TECHNISCHE VORGABE anzusehen. Mit anderen Worten, je weniger Unwucht oder Rundlaufabweichung, um so besser.

Drehende Bauteile werden Anlass zu einer Beanstandung über Vibrationen geben, wenn diese vom Fahrgastraum nicht ordnungsgemäß isoliert wurden: Im Falle eines kollabierten Motorlagers der Motoraufhängung können Motorzündimpulse als eine Vibration erkannt werden.

Ein vibrierendes Bauteil schwingt bei konstanter Frequenz (km/h, mph oder 1/min). Messen Sie die betreffende Schwingungsrate. Wurde die Rate/Geschwindigkeit ermittelt, ordnen Sie die Schwingung einem Bauteil zu, das mit gleicher Rate/Geschwindigkeit arbeitet. So ermitteln Sie die Ursache. Vibrationen werden in der Regel über die Karosseriestruktur auf andere Bauteile übertragen. Nur weil der Sitz vibriert, heißt das jedoch noch nicht, dass der Sitz die Ursache der Vibrationen ist.

Vibrationen bestehen aus folgenden drei Elementen:

In der vorigen Abbildung ist ein nicht ausgewuchtetes Rad die Quelle. Der Übertragungsweg ist der Weg, den die Vibrationen durch die Radaufhängung in die Lenksäule nehmen. Das Ziel ist das Lenkrad. Dort spürt der Kunde die Vibrationen und reklamiert diese. Wenn Sie eines der drei Elemente ausschalten, wird die Störung in der Regel behoben. Sie müssen anhand der vorliegenden Informationen entscheiden, bei welchem Element eine Reparatur am sinnvollsten ist. Wenn Sie den Lenksäule mit einer Strebe stabilisieren, verschwinden die Vibrationen unter Umständen. Dies ist jedoch keine praktikable Lösung. Am wirksamsten lässt sich das Problem logischerweise durch Auswuchtung des Rades beseitigen.

Vibrationen können auch Geräusche verursachen. Nehmen Sie beispielsweise ein Fahrzeug, bei dem der Auspuff Kontakt mit dem Unterboden hat. Quelle der Vibrationen sind die Motorzündimpulse, die durch die Abgasanlage wandern. Der Übertragungsweg ist eine anliegende Auspuff-Aufhängung. Das Ziel ist der Rahmen. Das Bodenblech vibriert und fungiert als großer Lautsprecher, der Geräusche erzeugt. Am sinnvollsten ist es hier, den Übertragungsweg zu beseitigen. Wenn Sie die Abgasanlage ausrichten und den direkten Kontakt um Rahmen aufheben, beseitigen Sie den Übertragungsweg.

Folgende 2 Punkte sind die wichtigsten Bestandteile der Vibrationsdiagnose:

Die wiederholte Auf- und Ab- bzw. Vor- und Zurückbewegung eines Bauteils ist Ursache der meisten Kundenbeanstandungen aufgrund von Vibrationen. In folgenden Bauteilen bemerkt der Kunde am häufigsten Vibrationen:

Die Vibrationsdiagnose umfasst folgende einfache Grundschritte:

1. Die Schwingbewegung messen und in Form von Zyklen pro Sekunden bzw. Minute quantitativ beschreiben.
2. Die ermittelte Frequenz der Rotationsgeschwindigkeit eines Bauteils, das mit derselben Rate oder Geschwindigkeit arbeitet, zuordnen.
3. Die Bauteile auf Umstände, die Schwingungen entstehen lassen, untersuchen und testen.

Mit folgenden Schritten veranschaulichen Sie das Prinzip von Vibrationen:

1. Befestigen Sie einen Messstab mit einer Zwinge an einem Tisch. Er muss ca. 50 cm (20 in) über die Tischkante hinausragen.
2. Ziehen Sie das Ende des Stabes nach unten und lassen Sie es los. Beobachten Sie die Bewegung des Stabes.

Die Bewegung des Stabes erfolgt in sich wiederholenden Zyklen. Der Zyklus beginnt in der mittleren Position, setzt sich bis zum unteren Maximum des Weges fort, dann zurück über die mittlere Position bis zum oberen Maximum zurück zum Ausgangspunkt des Zyklus.

Der Zyklus wiederholt sich mit derselben Rate oder Frequenz. In diesem Fall mit circa 10 Zyklen pro Sekunde. Wenn wir die Frequenz messen, um die Anzahl der kompletten Zyklen des Messstabes in einer Minute zu ermitteln, erhalten wir 10 Zyklen x 60 Sekunden = 600 Zyklen pro Minute (z/min).

Zudem haben wir eine bestimmte Schwingungsstrecke oder Amplitude ermittelt (der gesamte Weg des Messstabes von ganz oben bis ganz unten). Wiederholen Sie das Experiment wie folgt:

1. Befestigen Sie einen Messstab erneut mit einer Zwinge an einem Tisch. Diesmal muss er ca. 25 cm (10 in) über die Tischkante hinausragen.
2. Ziehen Sie das Ende des Stabes nach unten und lassen Sie es los. Beobachten Sie die Bewegung des Stabes.

Der Stab vibriert mit viel höherer Frequenz: 30 Zyklen pro Sekunde (1800 Zyklen pro Minute).

Das Wort 'Zyklus' hat denselben Stamm wie das Wort 'Zirkel' (deutsch: Kreis). Ein Kreis beginnt und endet am selben Punkt. Er beschreibt also einen Zyklus. Vibrationen bestehen immer aus sich wiederholenden Zyklen.

Die Frequenz ist als die Rate definiert, bei der ein Ereignis während eines bestimmten Zeitraums auftritt. Bei einer Vibration ist das Ereignis ein Zyklus; der Zeitraum misst 1 Sekunde. Daher wird die Frequenz in Zyklen pro Sekunde angegeben.

Die offizielle Einheit für Zyklen pro Sekunde lautet Hertz (Hz). Dies ist die am weitesten verbreitete Art der Messung der Frequenz. Wenn Sie die Hertz mit 60 multiplizieren, erhalten Sie die Zyklen bzw. Umdrehungen pro Minute (U/min).

Amplitude ist der Maximalwert der periodisch variierenden Größe. In der Vibrationsdiagnose nennen wir ihn die Größe der Störung. Bei einer schweren Störung ist die Amplitude große; bei einer kleineren Störung ist sie klein.

Die Amplitude wird anhand der Größe der tatsächlichen Bewegung oder der Verschiebung ermittelt. Zur Veranschaulichung können Sie die von einem unrund laufenden Rad bei 80 km/h (50 mph) verursachte Vibration der dieses Rades bei 40 km/h (25 mph) gegenüberstellen. Mit steigender Geschwindigkeit wächst auch die Amplitude.

Freie Schwingung ist die Fortsetzung der Schwingung in Abwesenheit einer von außen wirkenden Kraft. Im Beispiel mit dem Messstab vibrierte der Stab nach Loslassen des Endes weiter.

Eine erzwungene Schwingung liegt vor, wenn ein Gegenstand aufgrund einer von außen wirkenden Kraft fortlaufend schwingt.

Ein rotierender Gegenstand mit einer Unwucht erzeugt eine Zentrifugalkraft. Mit Hilfe der folgenden Schritte veranschaulichen Sie die Entstehung der Zentrifugalkraft:

1. Binden Sie eine Mutter an einen Faden.
2. Lassen Sie den Faden hängen. Die Mutter hängt aufgrund der Schwerkraft lotrecht nach unten.
3. Lassen Sie den Faden kreisen. Die Mutter dreht sich im Kreis.

Die Zentrifugalkraft zwingt die Mutter nach außen. Dadurch entsteht die Zugkraft, die Sie in der Hand spüren. Ein Rad mit einer Unwucht verhält sich ähnlich. Die Mutter stellt die Unwucht im Rad dar. Der Faden ist der Reifen, das Rad und die Radaufhängung. Mit wachsender Fahrgeschwindigkeit ist die störende Kraft des Rades mit der Unwucht in Lenkrad, Sitz und Boden zu spüren. Die Störung ist periodisch (Hz), und die Amplitude wächst. Bei höheren Geschwindigkeiten steigen die Frequenz und die Amplitude. Wenn sich das Rad dreht, drückt die Unwucht (oder Zentrifugalkraft) das Rad zusammen mit dem Federbein abwechselnd nach oben und unten - je einmal pro Umdrehung.

Die Eigenfrequenz ist die Frequenz, bei der ein Gegenstand schwingt oder vibriert. Glocken, Gitarrensaiten und Stimmgabeln sind Beispiele für Gegenstände, die nach Anregung durch eine äußere Kraft mit einer bestimmten Frequenz schwingen.

Radaufhängungssysteme und sogar Motoren in ihren Lagern schwingen ebenfalls bei bestimmten Frequenzen. Deshalb sind manche Beanstandungen dieser Art mit bestimmten Fahrgeschwindigkeiten oder Motordrehzahlen gekoppelt.

Die Steifigkeit und die Eigenfrequenz eines Materials stehen in einer Beziehung zueinander. In der Regel gilt: Je steifer ein Material, desto höher seine Eigenfrequenz. Das gilt natürlich auch umgekehrt. Je weicher ein Material, desto geringer seine Eigenfrequenz. Umgekehrt gilt, dass je größer die Masse ist, desto niedriger ist die Eigenfrequenz.

Alle Gegenstände haben eine Eigenfrequenz. Die Eigenfrequenz einer typischen Kfz-Radaufhängung bewegt sich im Bereich zwischen 10 und 15 Hz. Diese Eigenfrequenz ist Folge der Konstruktion der Radaufhängung. Die Eigenfrequenz ist bei allen Geschwindigkeiten gleich. Mit wachsender Drehzahl des Rades (bei höherer Fahrgeschwindigkeit) wächst die Frequenz der durch den Reifen verursachten Störung. Mitunter entspricht die Frequenz eines unrund laufenden Rades der Eigenfrequenz der Radaufhängung. Dann beginnt die Radaufhängung zu vibrieren. Der Punkt, in dem die beiden Frequenzen übereinstimmen, wird als Resonanz bezeichnet.

Die Amplitude der Schwingung ist im Resonanzfall am größten. Die Vibration ist auch unter- und oberhalb der problematischen Drehzahl bzw. Geschwindigkeit spürbar, im Resonanzfall ist sie jedoch am stärksten ausgeprägt.

Als Dämpfung wird die Fähigkeit eines Gegenstandes oder Materials bezeichnet, Vibrationen zu kompensieren. Ein solcher Gegenstand ist beispielsweise der Stoßdämpfer. Der Stoßdämpfer hat die Aufgabe, die Schwingungen der Radaufhängung zu kompensieren.

Zwei verschiedene Schwingungen, deren Frequenz relativ nah beieinander liegt, bewirken einen Zustand, der als Überlagerung bzw. Phasenverschiebung bezeichnet wird. Eine Überlagerungsschwingung nimmt periodisch an Intensität oder Amplitude zu, während das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Sie kann das vertraute Dröhngeräusch erzeugen, das bei einigen Fahrzeugen zu hören ist.

Eine Überlagerung kommt dann zustande, wenn 2 Schwingungskräfte ihre Amplitude addieren. Es kann aber auch der gegenteilige Effekt eintreten: Die Amplituden werden voneinander subtrahiert. Das Addieren und Subtrahieren von Amplituden bei ähnlichen Frequenzen wird als Schwebung bezeichnet. In vielen Fällen lässt sich dieser Zustand durch Beseitigung einer der beiden Störungen aufheben.

Als Ordnung wird bezeichnet, wie oft ein Ereignis während 1 Umdrehung des rotierenden Teils auftritt.

So erzeugt ein Rad mit 1 Erhebung beispielsweise in jeder Umdrehung des Rades eine Störung. Dies wird als Schwingung erster Ordnung bezeichnet.

Ein ovaler Reifen mit 2 Erhebungen erzeugt pro Umdrehung zwei Störungen. Dies wird als Schwingung zweiter Ordnung bezeichnet. Drei Erhebungen erzeugen eine Schwingung dritter Ordnung usw. Zwei Schwingungen erster Ordnung können einander hinsichtlich der Gesamtamplitude der Störung verstärken oder abschwächen. Zwei Vibrationen ersten Grades entsprechen nicht einer Vibration zweiten Grades. Aufgrund der Zentrifugalkraft wird ein nicht ausgewuchtetes Bauteil immer mindestens eine Vibration ersten Grades erzeugen.