Rieß, Sebastian Werner (2024)
Schwingungs- und Lärmreduktion an Kreissägeblättern mit strukturintegrierten vibroakustischen Metamaterialien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027881
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Kreissägen sind aufgrund ihrer einfachen Bedienbarkeit und hohen Schnittleistung in Industrie und Handwerk weit verbreitet. Der Lärm beim Sägen entsteht maßgeblich durch Schwingungen des Stammblatts und belastet die bedienende Person sowie Personen im direkten Umfeld. Konventionelle Maßnahmen zur Reduktion des Sägelärms reichen oft nicht aus, um die gesetzlich definierte Auslöseschwelle für den Tageslärmexpositionspegel zu unterschreiten. Aus diesem Grund sind neuartige Lärmreduktionsmaßnahmen erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip vibroakustischer Metamaterialien (VAMM) auf Kreissägeblätter angewendet, mit dem Ziel die Stammblattschwingungen und den abgestrahlten Schall zu reduzieren. VAMM bestehen aus einem Resonator-Array, das zur Ausbildung eines Stoppbandfrequenzbereichs für elastische Wellen führt und werden bereits zur Schwingungs- und Lärmreduktion an nicht rotierenden Strukturen erforscht. Die vorliegende Arbeit adressiert das bislang unbekannte Verhalten von VAMM in rotierenden, plattenartigen Systemen. Üblicherweise werden VAMM durch das Aufbringen von Resonatoren auf die zu beruhigende Struktur realisiert, was für Sägeblätter ungeeignet ist. Daher werden im Rahmen der Arbeit die Grundlagen für die Anwendung einer neuartigen Klasse von VAMM, sogenannter strukturintegrierter VAMM, geschaffen, die durch das Herausarbeiten von Resonatoren aus der zu beruhigenden Struktur realisiert werden. Die speziellen Eigenschaften strukturintegrierter VAMM werden anhand analytischer Rechnungen und numerischer Parameterstudien analysiert. Es wird gezeigt, dass strukturintegrierte VAMM zu einer Reduktion der Biegesteifigkeit der Zielstruktur führen, jedoch breitere Stoppbänder ohne das Hinzufügen von zusätzlicher Masse ermöglichen. Das Verhalten strukturintegrierter VAMM in rotierenden Systemen wird experimentell am Beispiel einer Kreisplatte untersucht. Das Stoppband ist auch bei Drehzahlen von 3000 U/min nachweisbar und bleibt über der Drehzahl konstant. Schließlich wird ein Sägeblatt mit einem Durchmesser von 305 mm mit VAMM numerisch ausgelegt, gefertigt und experimentell, hinsichtlich des strukturdynamischen Verhaltens und der akustischen Abstrahlung, im nicht rotierenden und rotierenden Zustand sowie beim Sägen untersucht. Das Stoppband wird auf den Frequenzbereich von 1900 Hz bis 2300 Hz ausgelegt, da das Sägeblatt hier beim Sägen die höchsten Schallleistungspegel emittiert. Verglichen werden das VAMM-Sägeblatt sowie das VAMM-Sägeblatt in einer gedämpften Ausführung mit einem konventionellen und einem nach Stand der Technik lärmreduzierten Sägeblatt. Für das nicht rotierende Sägeblatt wird innerhalb des gemessenen Stoppbandbereichs von 1900 Hz bis 2500 Hz eine Amplitudenreduktion für Strukturschwingungen von > 20 dB gegenüber dem konventionellen Sägeblatt erreicht. Unter Rotation wird das Stoppband bis 3000 U/min in Strukturdynamikmessungen nachgewiesen. Die Schallleistung des nicht rotierenden Sägeblatts bei Anregung mit einem Impulshammer wird im Stoppbandbereich um bis zu 17,8 dB(A) gegenüber dem konventionellen Sägeblatt reduziert. Beim Sägen wird eine Reduktion des Gesamtschallleistungspegels um 7,1 dB(A) erzielt. Die maximale Reduktion der Schallleistung wird bei etwa 2000 Hz und erhöhten Zahnquerkräften erreicht und beträgt 16,8 dB(A). Die Reduktion der Strukturschwingungen und des abgestrahlten Schalls durch VAMM ist größer als die Reduktion, welche mit dem nach Stand der Technik lärmreduzierten Sägeblatt erzielt wird. Die vorliegende Arbeit leistet einen direkten Beitrag zur Entwicklung einer neuartigen Technologie zur Reduktion des Lärms beim Sägen. Ferner sind die Ergebnisse auf zahlreiche weitere Anwendungsfälle übertragbar, in welchen Transversalschwingungen dünnwandiger Rotoren reduziert werden sollen. Der Stand der Wissenschaft und Technik wird hinsichtlich der Auslegung und der Eigenschaften strukturintegrierter VAMM, deren Verhalten in rotierenden Systemen und deren Anwendung auf Kreissägeblätter erweitert.

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