Inerter

mini|Experimenteller Aufbau eines Zahnstangen-Ritzel-Inerters in Kombination mit einer Feder Ein Inerter ist ein mechanisches Bauelement, das zwei bewegliche Teile so miteinander verbindet, dass zwischen ihnen eine Trägheitskraft wirkt. Der Effekt eines Inerters ähnelt dem eines Schwingungstilgers, wobei ein Inerter ohne große Masse auskommt. Eine oberflächliche Ähnlichkeit besteht zwischen Inerter und Stoßdämpfer; allerdings bestehen hier fundamentale Unterschiede im Verhältnis zwischen Kraft und Beschleunigung sowie in der Verteilung der eingebrachten kinetischen Energie. Ein Inerter ist kein Dämpfer, da die Bewegungsenergie im Bauteil erhalten bleibt und nicht – wie beim Dämpfer – in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Funktionsweise Aus der Perspektive der Regelungstechnik ist ein Inerter die mechanische Entsprechung eines elektrischen Kondensators. Die Entsprechung zwischen mechanischen Netzen und elektrischen Netzen wird als Kraft-Strom-Analogie bezeichnet. Sowohl mechanische als auch elektrische Netze beinhalten Elemente zur Beeinflussung von Variablen. Die Variablen in elektrischen Netzen sind Spannung und Strom; in mechanischen Netzen sind es Kraft und Geschwindigkeit. Die Variablen – und die Elemente zu deren Regelung – verhalten sich in mechanischen und elektrischen Netzen analog zueinander. Stromfluss entspricht Kraft, Spannung entspricht Geschwindigkeit. Eine elektrische Spule entspricht einer Sprungfeder, ein elektrischer Widerstand entspricht einem Dämpfer. Ein herkömmlicher Schwingungstilger mit großer Masse entspricht einem Kondensator, bei dem ein Pol an die Erdung angeschlossen ist, da ein Schwingungstilger immer fest im Raum befestigt ist. Im Gegensatz dazu kann ein Inerter frei zwischen zwei beweglichen Teilen installiert werden und benötigt keine feste Verankerung.

Werden die beiden Befestigungspunkte des Inerters relativ zueinander bewegt, so erzeugt der Inerter eine Trägheitskraft, die proportional zur relativen Beschleunigung zwischen seinen beiden Anschlusspunkten ist. Technisch wird der Effekt meist dadurch erzielt, dass die lineare Bewegung der Anschlüsse über eine Zahnstange mit Ritzel oder eine Gewindespindel in die Rotation eines kleinen Schwungrades übersetzt wird. Durch die Getriebeübersetzung kann ein physisch sehr leichter Inerter eine scheinbare Masse simulieren, die sein tatsächliches Eigengewicht um das Vielfache übersteigt. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Masse eines Schwingungstilgers, die gegen eine Befestigung im Raum wirkt, sind beim Inerter beide Endpunkte frei beweglich.

Aufbau Der grundlegende Aufbau dient dazu, eine lineare Bewegung in eine Rotationsbewegung umzuwandeln, um die Trägheit eines rotierenden Schwungrads zu nutzen. Die drei häufigsten Bauformen sind folgende:

Zahnstangen-Ritzel-Inerter (Rack-and-Pinion): Eine Zahnstange greift in ein Ritzel ein, das über ein Getriebe ein Schwungrad antreibt. Wenn sich die Endpunkte relativ zueinander bewegen, wird die lineare Verschiebung der Stange in eine schnelle Rotation des Schwungrads übersetzt. Gewinde-Inerter (Ball-Screw): Eine Gewindespindel wandelt die lineare Bewegung über eine Mutter in Rotation um. Das Schwungrad ist oft axial direkt um die Spindel angeordnet, was eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht. Dieser Aufbau wurde bei Formel-1-Rennwagen eingesetzt. Flüssigkeit-Inerter (Fluid Inerter): Ein Hydraulikzylinder ist mit einem Kolben ausgestattet. Die verdrängte Flüssigkeit wird durch ein spiralförmiges Rohr geleitet, das entweder außen um den Zylinder gewickelt oder in den Kolben eingearbeitet ist. Die Flüssigkeit im dünnen Rohr wirkt wie ein flüssiges Schwungrad. Da das Hydrauliköl im Rohr viel schneller fließen muss, als sich der Kolben bewegt, entsteht durch die Beschleunigung der Flüssigkeitsmasse eine hohe Trägheitskraft.

Geschichte Das Konzept wurde von Malcolm C. Smith, Professor für Regelungstechnik an der Universität Cambridge, entwickelt. Smith stellte erste Überlegungen zum Inerter bereits 1997 an. Er erkannte eine Lücke in der traditionellen Mechanik-Formelwelt, in der es für Federn und Dämpfer zweipolige Bauteile gab, für die Masse jedoch nicht. Den ersten funktionsfähigen Prototyp bastelte Smith kurz nach der Idee mit Meccano-Bauteilen. Dieser einfache Aufbau aus Zahnstange, Ritzel und Schwungrad war ein Beweis, dass das Prinzip funktionieren würde: Trotz einer geringen physischen Masse von unter einem Kilogramm besaß das Gerät einen Trägheitswiderstand von etwa 250 kg, wenn man beide Enden gegeneinander bewegte. Die vollständige Beschreibung und Benennung als Inerter erfolgte in Smiths wissenschaftlichem Aufsatz mit dem Titel Synthesis of Mechanical Networks: The Inerter.

Bekannt wurde der Inerter in den Jahren 2007 und 2008 aufgrund von Geschehnissen im Formel-1-Rennsport. Bei der Spionageaffäre in der Formel 1 2007 wurde öffentlich, dass Zeichnungen des Inerters von McLaren in die Hände von Renault gekommen waren. Da die Ingenieure bei Renault die Funktion des Geräts trotz der Zeichnungen nicht verstanden, wurde das Team in diesem speziellen Punkt nicht bestraft. Bereits 2005 hatte McLaren Inerter zur Fahrwerkskontrolle eingesetzt. Um das Geheimnis zu wahren, verwendete McLaren den Tarnnamen „J-Dämpfer“ (englisch J-Damper). Das „J“ hatte keine technische Bedeutung und sollte lediglich Verwirrung stiften, da das Gerät kein Dämpfer, sondern ein Energiespeicher ist. Die Verbindung zwischen dem J-Dämpfer und der Erfindung von Malcolm Smith wurde erst 2008 von Motorsport-Journalist Craig Scarborough aufgedeckt.

Anwendung Die erste und bekannteste Anwendung fand der Inerter in Formel-1-Rennwagen. Inerter-basierte Systeme – auch als TMDI (Tuned Mass Damper Inerter) bezeichnet – werden zum Schutz großer Bauwerke vor Wind- und Erdbebenlasten eingesetzt: bei Brücken, hohen Schornsteinen und besonders schlanken Wolkenkratzern. Über den Motorsport hinaus wird die Technologie für PKW und Lastwagen sowie für schwere Militär- und Geländefahrzeuge adaptiert. In der Luftfahrt werden Inerter zur Stabilisierung kritischer Schwingungen eingesetzt. Sie dienen in Hubschraubern zur Isolierung des Rumpfes gegenüber den Vibrationen des Hauptrotors. Inerter helfen dabei, das Flattern der Fahrwerk-Räder beim Starten und Landen von Flugzeugen zu unterdrücken. Sie werden zur Unterdrückung von Vibrationen in den Türmen und an den Rotorblättern von Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt. Auch zur Stabilisierung von Motorrädern können Inerter eingesetzt werden.

Eine weitere Entwicklung ist der mechatronische Inerter (EH-TMDI), der Schwingungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Mechatronische Inerter werden zur Schwingungsisolierung von optischen Tischen eingesetzt. Derzeit wird daran geforscht, bei Fahrgestellen von Hochgeschwindigkeitszügen den Sinuslauf bei hoher Geschwindigkeit mit Inertern zu kontrollieren.

Weblinks Video von Giordano Scarciotti: Interview mit Erfinder Malcolm C. Smith auf YouTube Video von Giordano Scarciotti: ausführliche Erklärung der Funktionsweise und Anwendung auf YouTube Video von Scott Mansell: The Genius Tech NASA Stole from Formula 1 bei YouTube

Einzelnachweise

Kategorie:Maschinenelement