Drehschwingung

Definition und Grundprinzip

Eine Drehschwingung, auch Torsionsschwingung genannt, ist eine in der Technik wichtige mechanische Schwingung. Im Gegensatz zur translatorischen Schwingung, bei der sich ein Körper geradlinig bewegt, schwingt ein System bei der Drehschwingung um seinen rotatorischen Freiheitsgrad, also durch eine wiederkehrende Drehbewegung.

Beim Einmassen-Schwinger hängt die Schwingungsdauer oder Periode von zwei Größen ab: der Steifigkeit der Drehfeder und dem Rotations-Trägheitsmoment der angekoppelten Drehmasse. Je nach Aufbau bestimmen diese Größen somit wesentlich das Schwingungsverhalten.

Mehrmassensysteme

Beim Mehrmassen-Schwinger bestehen die drehmomentübertragenden Elemente zwischen den einzelnen Massen in der Regel aus Bauteilen wie Wellen oder Kupplungen. Zwischen diesen Drehfedern befinden sich Drehträgheiten, zum Beispiel Zahnräder oder Schwungmassen.

Für die technische Auslegung eines Antriebssystems ist es wichtig, die Eigenschaften solcher Drehschwingungen zu berechnen. Dazu gehören insbesondere die Eigenfrequenzen, also die charakteristischen Frequenzen freier Schwingungen, und die Eigenformen, also die zugehörigen Bewegungsmuster der einzelnen Massen.

Erwünschte und unerwünschte Anwendungen

Drehschwingungen können erwünscht sein, wenn sie als Zeitnormal benötigt werden. Ein Beispiel ist die schwingende Unruh in mechanischen Uhren.

In Fahrzeugen oder Schiffsantrieben mit Verbrennungsmotor sind Drehschwingungen dagegen häufig unerwünscht. Sie werden oft durch die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle angeregt. In mechanischen Antriebssystemen können sie Bauteilversagen, störenden Schall oder Vibrationen verursachen.

Bei Schienenfahrzeugen wird für einen besonderen Fall der Begriff Rollieren verwendet. Dabei drehen sich die beiden Räder eines Radsatzes gegeneinander. Dadurch entsteht eine Torsionsschwingung in der Radsatzwelle. Die Drehschwingungen verursachen Verschleiß, der durch einen Rollierschutz verhindert werden kann.

Möglichkeiten zur Dämpfung

Unerwünschte Drehschwingungen müssen entsprechend gedämpft werden. Dazu werden häufig Dämpferelemente in den Antriebsstrang eingebunden. Beispiele sind spezielle elastische Kupplungen, etwa ein Zweimassenschwungrad, sowie zusätzliche Schwungmassen, die als Schwingungstilger bezeichnet werden.

Drehschwingungen in Systemen, die eigentlich gleichmäßig laufen, können außerdem mithilfe von Magnetspulen stabilisiert werden. Diese bringen Schwingungen im Gegentakt auf und wirken dadurch der vorhandenen Drehschwingung entgegen.