Motorschwingungen besser reduzieren

Der Verkehr stockt und zwingt den Autofahrer zum Bremsen, er schaltet jedoch nicht in einen niedrigeren Gang. In solchen Fällen ist oftmals ein Brummen zu hören: Die Torsionsschwingung verursacht das unangenehme Geräusch. Sie tritt auf, da sich die Kurbelwelle bei Verbrennungsmotoren nie ganz gleichförmig dreht. Diese Drehschwingung belastet das Getriebe, im schlimmsten Fall leidet die Lebensdauer des Motors – er geht früher kaputt.

Auch in anderen Antriebssträngen, die mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt sind, kommt es zu dem unerwünschten Effekt – etwa in Schiffen oder Produktionsmaschinen. Grundsätzlich gibt es zwar Lösungen, um ihn ausgleichen. Da die Motoren jedoch immer effizienter werden, nehmen auch die Schwingungen zu – die bestehenden Ausgleichssysteme kommen an ihre Grenzen. Ein Beispiel: Beim PKW geht der Trend zu weniger Zylindern oder aber dazu, einzelne Zylinder zeitweise abzuschalten. Dies hat zur Folge, dass der Motor weniger rund läuft und vermehrt Torsionsschwingungen auftreten. Bei Schiffen entstehen sie, wenn im Hafen von Schweröl oder Dieselantrieb auf Gas umgeschaltet wird, um die Emissionen zu reduzieren.

Eine mögliche Lösung, um die Torsionsschwingungen effizient zu tilgen, ist ein Fliehkraftpendel. Dieses hängt nicht an einer Schnur, sondern ist an einer rotierenden Scheibe befestigt. Es wird daher auch nicht durch die Schwerkraft angetrieben, sondern durch die Fliehkraft. Wie schnell es schwingt, hängt von der Stärke der Fliehkraft ab. Durch seine Schwingung gleicht das Pendel das Torsionsmoment aus – und beruhigt so das Grundsystem. Während Fliehkraftpendel in Flugzeugen schon seit Jahrzehnten eingesetzt werden, sind sie in Autos erst seit 2008 zu finden. Bislang sind diese Pendel passiv. Das heißt: Die Motordrehzahl bestimmt die Pendelfrequenz, das Pendel kann nur in eben dieser drehzahlabhängigen Frequenz schwingen. Experten sprechen von einer Schwingungsfrequenz erster Ordnung.

Ein Pendel anstelle von zweien

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt haben – neben zahlreichen anderen schwingungsreduzierenden Systemen – nun ein Pendel entwickelt, das semiaktiv ist. Es kann nicht nur mit der einen festen drehzahlabhängigen Frequenz schwingen, also erster Ordnung, sondern auch mit halber Frequenz, also mit 0,5ter Ordnung – und so die Torsionsschwingungen in einem breiteren Frequenzbereich ausgleichen. »Unser Pendel deckt den Bereich ab, den sonst zwei Pendel abdecken würden – eins für die erste und eins für die 0,5te Ordnung«, sagt Daniel Schlote, Wissenschaftler am LBF. »Zwei Pendel wären jedoch aus Platzgründen in einem Auto nicht zu realisieren. Der Bereich der Schwingungen, der ausgeglichen werden kann, wird daher erheblich erweitert.« Das Pendel lässt sich auf zwei Arten umschalten: Entweder es wird gesteuert umgeschaltet. In diesem Fall misst das System die Drehzahl. Anhand von Vorgaben, welche Ordnung in welchem Drehzahlbereich dominiert, schaltet es auf die dominierende Ordnung um und pendelt entsprechend. Oder das System misst die Amplitude der Schwingung und berechnet daraus selbstständig, welche Ordnung vorherrscht.

Einen Demonstrator des Pendels haben die Forscher vom LBF bereits entwickelt. Vom 8. bis 12. April stellen sie ihn auf der Hannover-Messe vor (Halle 2, Stand D15). In einem weiteren Schritt wollen die Experten das Pendel noch kompakter gestalten und den Umschaltmechanismus zwischen erster und 0,5ter Ordnung optimieren.