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Lärm und Schwingungen

21.02.2006

Die neu oder weiter zu entwickelnden Systeme zur Reduzierung von Lärm in der Fahrerkabine werden komplexer, das Optimierungspotential geringer, theoretische Ansätze auf Basis von Simulationsrechnungen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Mit Hilfe vibro-akustischer Ersatzmodelle wird die Geräuschentstehung, -Übertragung und -emission berechenbar. Jan Scholten und Filip Baranski, Ruhr-Universität Bochum, Arbeitsgruppe Baumaschinentechnik, setzen sich in ihrer Forschungstätigkeit mit Entwicklungsmethoden zur Geräusch- und Schwingungsreduzierung in der Fahrerkabine auseinander.
Die Richtlinien des europäischen Parlamentes und des Rates über „Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (Vibrationen bzw. Lärm)“, 2002/44/EG und 2003/1 O/EG legen Grenzwerte für die Vibrations- und Lärmexposition fest. Darüber hinaus regelt die viel diskutierte und in erster Stufe bereits umgesetzte Emissions-Richtlinien 2000/14/EG die „Geräuschemission von zur Verwendung im Freien vorgesehenen Geräten und Maschinen“. Eine erneute Reduzierung der vorgegebenen Grenzwerte um weitere drei dB ist mit 2006 festgeschrieben. Die verschärften Anforderungen stellen insbesondere die Hersteller vor Schwierigkeiten, die kettengetriebene Maschinen oder Maschinen und Geräte mit einer prozessimmanenten und damit unvermeidbaren Emission produzieren. Hier werden die heute bestehenden Grenzen der technischen Realisierbarkeit leiserer Maschinen und Komponenten erreicht.

Messtechnische Entwicklungsmethoden
Unabhängig davon, ob die Motivation zur akustischen und schwingungstechnischen Optimierung der Produkte allein aus gesetzlichen Vorgaben oder aus einem Verständnis der Baumaschinenhersteller zur Selbstverpflichtung resultiert, es fehlt bislang an durchgängigen ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen, die es erlauben, insbesondere das akustische Systemverhalten bereits im Entwicklungsprozess zuverlässig zu bewerten. Aus dieser Tatsache und den erkannten Grenzen des derzeit technisch Machbaren ist ein konkreter Forschungs- und Entwicklungsbedarf abzuleiten. Eine messtechnisch gestützte systematische Analyse basiert in der Regel auf dem Bild des akustischen Istzustandes im Kabineninneren in Form des, vorzugsweise drehzahl- und damit anregungsabhängigen, Schalldruckspektrums im Bereich des Fahrerkopfes. Die Erfahrung zeigt, dass unabhängig vom Einhalten zulässiger Expositionsgrenzwerte, ein möglichst ausgeglichenes Schalldruckspektrum anzustreben ist. Aufgrund psychoakustischer Einflüsse beeinträchtigen bei 2000 Umdrehungen pro Minute das momentane Wohlbefinden und damit mittelfristig die Gesundheit des Maschinenbedieners. Messergebnisse lassen erkennen, dass einzelne Bauteile oder Baugruppen Eigenfrequenzen aufweisen, die mit den Erregerfrequenzen direkt oder mit einem ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenzen zusammenfallen. Mit Hilfe von systematisch vorzunehmenden Beschleunigungs- und Schallintensitätsmessungen sind diese Bauteile zu identifizieren und durch gezielte konstruktive, werkstofftechnische oder auch die Anbindung betreffende Maßnahmen in ihrem Eigenschwingverhalten zu modifizieren.

Fahrlader und Muldenkipper
Fahrlader und Muldenkipper für den Einsatz im Tunnel- und Bergbau sind extremen Belastungen ausgesetzt. Damit sich diese nur in einem vertretbaren Maß auf die Fahrer übertragen, werden teilweise umfangreiche Messungen durchgeführt, die eine Bewertung der Schwingungsbelastung und ggf. die Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen erlauben. Um ein umfassendes Bild von den im Betrieb auftretenden Beschleunigungen (Amplituden, Frequenzen) zu bekommen, denen der Fahrer ausgesetzt ist, werden die Messungen nicht nur für unterschiedliche Fahr- und Arbeitszustände der Maschinen sowie für verschiedene Beladungszustände durchgeführt, sondern auch diverse Fahrstrecken bewertet. Die hieraus abzuleitenden Belastungskollektive und die an allen relevanten Stellen der Struktur, einschließlich am Kopf des Maschinenführers, aufgezeichneten Beschleunigungen bilden die Grundlage zur Optimierung des schwingungsfähigen Systems. Die dynamische Mehrkörper-Simulation einschließlich schwingungsfähiger Ersatzmodelle für den menschlichen Körper, gehört zum Stand der Technik. Im Fokus stehen die forschungsseitigen Bemühungen zur Erarbeitung einer Methodik für die entwicklungsbegleitende vibro-akustische Simulation. Für das Beispiel der akustischen Kabinenoptimierung ist nach dem heutigen Stand der Arbeiten bereits eine Bewertung der wesentlichen Strukturelemente der Kabine unter akustischen Gesichtspunkten vor dem Bau von Prototypen oder ersten Praxiserfahrungen mit Vorserienmodellen möglich.
Der Ermittlung der Lasten kommt eine besondere Bedeutung zu, dies gilt insbesondere für baumaschinentechnische Anwendungen, bei denen neben den periodischen teilweise stark impulshaltige sowie stochastische Anregungen zu berücksichtigen sind. Die Anregungen sind entweder durch eine analytische Abschätzung, eine Mehrkörpersimulation oder auf der Grundlage von Messungen zu typisieren und zu quantifizieren. Dabei sind sowohl die kinematischen Größen Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung, als auch Kräfte und Momente als Anregung zu verstehen. Zur Ermittlung der Systemantwort wird die tatsächliche Anregung in zu überlagernde harmonische Teilanregungen mit bestimmter Frequenz, Amplitude und Phasenlage zueinander zerlegt und mit den modalen Eigenformen und -frequenzen zusammengeführt.

Erweiterte Anwendung der Methodik
Den Fahrwerken kettengetriebener Baumaschinen kommt in der Diskussion um die Geräuschemission eine besondere Bedeutung zu. Der periodisch wiederkehrende dynamische Kontakt der umlaufenden Kette mit treibenden und führenden Antriebskomponenten in Verbindung mit dem komplexen Fahrwerksaufbau bedingt einen ebenso komplexen akustischen Systemzustand. Im Akustiklabor der Arbeitsgruppe Baumaschinentechnik wird dieser in einer reproduzierbaren und einer Parametervariation gegenüber offenen Weise an einem Versuchsfahrwerk ermittelt. In der weitestgehend reflexionsfreien Mess-Umgebung können darüber hinaus sämtliche Untersuchungen zur Validierung der simulationsgestützten Entwicklungsmethodik durchgeführt werden. Die Anwendung der Methodik beschränkt sich im Rahmen der Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe Baumaschinentechnik nicht nur auf die Bewertung und Optimierung einzelner Fahrwerkskomponenten, sondern verfolgt das Ziel der Simulation des Gesamtsystems, gewissermaßen die Entwicklung des virtuellen akustischen Fahrwerks-Prototypen. Dabei kommt sowohl der vereinfachten Abbildung der komplexen Struktur als auch der Erfassung der impulsartigen Schwingungsanregung eine besondere Bedeutung zu. Sind der Entwicklung akustisch optimierter Fahrwerke beim heutigen Stand der Technik noch klare Grenzen gesetzt, so wird die auf diese Problemstellung erweiterte Entwicklungsmethodik dazu beitragen, diese zukünftig zu überwinden.

Autor/in:
Redaktion Bauzeitung
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