Verwendung eines probabilistischen Klettverschlusses als Reibungselement

Jun 18, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19399 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Probabilistische Verbindungselemente sind biologisch inspirierte Klemmvorrichtungen, die durch Stiele auf jeder Oberfläche ineinandergreifen. Aufgrund der dynamischen Eigenschaften des Befestigungsmechanismus kommt es in einer vibrierenden Umgebung zwangsläufig zu Reibung zwischen den Stielen. In dieser Studie wurde die Verwendung des probabilistischen Befestigungselements als Vibrationsreduzierungskomponente mit Vorteilen durch reibungsinduzierte Dämpfung untersucht. Die dynamische Steifigkeit und der Verlustfaktor des probabilistischen Verbindungselements wurden aus der Vibrationswechselwirkung mit einer mechanischen Struktur abgeleitet. Dies ermöglichte die Bestimmung der Energiedissipation aufgrund der Reibung im Klettverschluss aus der Wellenausbreitungsanalyse. Mit zunehmender Schwingungsamplitude nahm der Verlustfaktor des Befestigungselements allmählich zu, da die Reibung zwischen mehreren Schäften zunahm. Bei der Anwendung probabilistischer Verbindungselemente wurde die Vibrationserzeugung und -übertragung im Vergleich zur Schraubverbindung aufgrund der inhärenten Reibungskontakte reduziert. Mit diesem einzigartigen Vorteil bietet das probabilistische Befestigungselement potenzielle Anwendungen, wenn eine große Dämpfung mit zusätzlichem Vorteil bei reduziertem Gewicht erforderlich ist.

Die Anforderungen an die Geräusch- und Vibrationsreduzierung steigen, um die Leistung mechanischer Systeme wie elektronischer Geräte und Automobile zu verbessern. Die Reduzierung unnötiger Vibrationen ist ein wichtiger Designfaktor für die Überprüfung der Haltbarkeit, Genauigkeit und Qualitätsleistung eines Maschinensystems. Vibrationsenergie wird von Betriebskomponenten wie Motoren, Motoren und Kompressoren über Befestigungselemente auf die Umgebung übertragen. Befestigungselemente in zusammengebauten Strukturen reduzieren die Vibrationsübertragung und verhindern Brumm-, Quietsch- und Rasselgeräusche (BSR). Das BSR-Geräusch entsteht durch Reibungskontakte zwischen benachbarten Komponenten1. Die Biegewellenenergieübertragungsanalyse ist erforderlich, um den Einfluss der Gelenke auf das Schwingungsverhalten zu analysieren2. Beim Wellenansatz wurden mehrere Kombinationen aus Rippentiefe und Bolzenabstand berücksichtigt. Der Lärm im Fahrzeug wurde gemessen, wenn Züge mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über denselben Gleisabschnitt ohne Schotter fuhren, der mit zwei Arten von Schienenbefestigungen ausgestattet war3. Die Spektren des Innenschalls zeigten entsprechend der Steifigkeit der Schienenbefestigungen das Frequenzband der Luft- und Körperschallentstehung. Um den BSR-Lärm zu verhindern, wurden mehrere wirksame Entwurfspraktiken vorgeschlagen4. Empfohlen wurden die Befestigungen entlang der Verkleidungsfläche und hybride Befestigungssysteme, die sowohl tragende als auch nichttragende Verbindungen umfassen.

Gewindebolzen werden aufgrund verschiedener Vorteile wie einfacher Bedienung, geringer Kosten und hoher Zugfestigkeit häufig verwendet. Insbesondere bei Queranregungen verlieren die Bolzenverbindungen durch Selbstlockerung ihre Klemmkraft5. Das Lösen der Schrauben führt zum Versagen der Fügeverbindungen. Es ist wichtig, die Zuverlässigkeit der Schrauben zu erhöhen, indem ein Selbstlockern verhindert wird6. Toh et al.7 bewerteten die Klemmkraft der Schraube im Unterarm des Fahrzeugs anhand der Vibrationsresonanzfrequenz. Die dynamische Steifigkeit der Schraubverbindung wurde in laminierten Verbundwerkstoffen durch die Biegewellenausbreitungsanalyse8 bewertet. Um die Schwingungsdämpfungsleistung von Schraubverbindungen zu erhöhen, wurden viskoelastische Dämpfungsmaterialien verwendet9.

In jüngster Zeit wurden die herkömmlichen Befestigungsmethoden durch Klebstoffe ersetzt. Die Klebeverbindung hat den Vorteil, dass sich das Bauteil im Vergleich zu den geschweißten Teilen nur minimal verzieht10. Die Klebeverbindung sorgt im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungselementen oder Punktschweißen für eine verbesserte Steifigkeit, da sie eine kontinuierliche Verbindung statt lokaler Punktkontakte erzeugt. Dadurch wurden gleichmäßig über eine große Fläche verteilte Spannungen im Verbindungselement erzeugt11. Der Klebstoff zeigte eine gute Energieabsorptionsleistung und bewirkte effiziente Geräusch- und Vibrationsdämpfungseigenschaften12. Aufgrund der Vorteile bei der Anwendung auf Verbundstrukturen nehmen die Anwendungen von Klebeverbindungen rasant zu. Klebeverbindungen sind für Systeme, die wieder zusammengebaut werden müssen, nur begrenzt anwendbar.

Velcro® ist ein probabilistischer Klettverschluss, der von verschiedenen Naturarten inspiriert ist, darunter Holz, Klettensamen und Spinnenbein13. Mit den steigenden Anforderungen an Befestigungsvorrichtungen wurden verschiedene Arten neuartiger probabilistischer Befestigungselemente vorgeschlagen14. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht das Dual-Lock®-Befestigungssystem aus einem Polyolefin-Träger, der mit kleinen pilzförmigen Stielen bedeckt ist. Aufgrund der stoßfesten Verbindungsleistung flexibler Materialien wird dieses probabilistische Befestigungssystem in verschiedenen Verbindungsanwendungen in der Automobilindustrie eingesetzt, darunter Zierleisten, Dachhimmel, Schiebedach und Türverkleidungen. Der Lärm vakuumunterstützter Geräte wurde durch die Verwendung von Klettverschluss als Schichtdämpfungsmaterial reduziert15.

Dual-Lock-Verschluss bestehend aus einer Polyolefin-Rückseite, die mit kleinen pilzförmigen Stielen bedeckt ist.

Das hyperelastische nichtlineare Verhalten von Verbindungselementen wurde als Funktion der Reibung und Verschiebungen gemessen16. In Scherrichtung wurde die Reibungsdynamik von Klettsystemen anhand typischer Parameter wie Antriebsgeschwindigkeit, aufgebrachte Last und scheinbare Kontaktfläche untersucht17. Eine Studie zu den Schältests wurde anhand der Verhaltensmerkmale des Klettverschlussmechanismus durchgeführt18. Kürzlich wurde ein neuartiger Klettverschluss aus dünnen Nickel-Titan-Drähten entwickelt. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Befestigungselemente, wie z. B. die Anpassung der Festigkeit durch thermische Energie, die Reproduzierbarkeit und die Robustheit der Befestigung, wurden anhand der Superelastizität von Nickel-Titan-Mikrodrähten untersucht19. Es wurden nur wenige Studien zu den dynamischen Eigenschaften probabilistischer Verbindungselemente als vibrationsreduzierende Komponente durchgeführt. Damit die probabilistischen Verbindungselemente auf verschiedene Betriebssysteme angewendet werden können, müssen die dynamischen Eigenschaften untersucht werden. Chowdhury et al.20 untersuchten die Auswirkung der Schwingungsamplitude auf den Reibungskoeffizienten für verschiedene Materialien. Mit zunehmender Schwingungsamplitude verringerte sich der Reibungskoeffizient des Materials, was bedeutet, dass die Fähigkeit des Materials, Schwingungsenergie in andere Energie, beispielsweise Wärmeenergie, umzuwandeln, abnahm. Da die Stiele, aus denen das probabilistische Befestigungselement besteht, ineinander verschlungen sind und zusammengehalten werden, kommt es aufgrund des Spannungs- und Druckverhaltens in einer Vibrationsumgebung zu Kontakten. Die Relativbewegung zweier Objekte führt zu einer lokalen Dämpfung durch Reibung, die durch den vibrierenden Kontakt entsteht. Die erzwungene Reaktion eines Vibroimpact-Systems wird wie folgt analysiert21:

Dabei ist u die Verschiebung in Bewegungsrichtung, m die Masse des bewegten Körpers, k die lineare Federkonstante, n der Wert für den Hertzschen elastischen Punktkontakt und \(\lambda\) der Dämpfungsfaktor. Der Dämpfungsfaktor berechnet sich wie folgt:

wobei α der Restitutionskoeffizient ist. Um die Reibungseigenschaften zu charakterisieren, müssen die Dämpfungseigenschaften und Auswirkungen der Hystereseschleife für die mehreren Stiele im probabilistischen Befestigungselement bewertet werden.

In dieser Studie wurden Experimente durchgeführt, um die Fähigkeit zur Vibrationsreduzierung anhand der Reibungseigenschaften probabilistischer Befestigungselemente zu verstehen. Um die dynamischen Eigenschaften zu messen, wurde ein Vibrationstest für den Ausleger im Zusammenspiel mit der Befestigungshalterung durchgeführt. Der Einfluss des Befestigungselements wurde anhand der translatorischen Steifigkeit analysiert. Die Schwingungswechselwirkung wurde analysiert und zur Bewertung mit dem theoretischen Modell verglichen. Der Einfluss der Dehnungsdicke der Stiele auf das Verhalten der Verbindungselemente wurde untersucht. Auch die Schwingungsdämpfungsleistung des probabilistischen Verbindungselements wurde im Vergleich zu Polymermaterialien untersucht. Der Einfluss der durch die im Befestigungselement auftretenden Vibrationen verursachten Reibung auf die Vibrationsreduzierungsleistung wurde gemessen. Vibrationstests wurden mit zwei identischen Trägern durchgeführt, die durch das probabilistische Befestigungselement verbunden waren. Die Befestigungsleistung wurde mit der der Schraubverbindung verglichen.

Die Eigenschaften der Verbindungselemente beeinflussen die Schwingung der Tragkonstruktion. Um die Schwingungswechselwirkung zu analysieren, wurde die Schwingung der unterstützten Struktur analysiert

Dabei ist w die Querverschiebung, D die Biegesteifigkeit pro Längeneinheit und Mb die Masse pro Längeneinheit22. Für eine harmonische Schwingung von \(w(x,t) = {\text{Re}} \{ \hat{w}(x)e^{i\omega t} \}\) wird die Schwingungsantwort wie folgt analysiert

Dabei ist \(\hat{k}_{b}\) die Wellenzahl, \(\hat{A}_{i} \, (i = 1, \ldots , 4)\) jeweils die komplexen Amplituden. Die Randbedingungen des mit einer Punktkraft erregten Auslegerbalkens wurden wie folgt angegeben:

wobei F die am freien Ende wirkende Kraft ist, \(\hat{D} = D(1 + j\eta_{D} )\) die komplexe Biegesteifigkeit ist, \(\hat{S}_{t} = S_{t} (1 + j\eta_{{S_{t} }} )\) ist die translatorische Steifigkeit des Verbindungselements, \(\eta_{D}\) und \(\eta_{{S_{t} }}\) sind die entsprechenden Verlustfaktoren, a und b sind jeweils die Längen zwischen Befestigungselement und beiden Enden des Trägers. In dieser Studie wurde die Rotationssteifigkeit des Verbindungselements vernachlässigt. Unter Anwendung der acht Randbedingungen von Gl. (5) zu Gl. (4) Die Übertragungsfunktion wurde erhalten als

Dabei ist x1 die Position des auf dem Balken installierten Beschleunigungsmessers, \(\Lambda\) sind \(\phi\) die Amplitude und Phase der Übertragungsfunktion. Die Schwingungseigenschaften in Gl. (6) ist die Funktion der Velcro-Komplexsteifigkeit \(\hat{S}_{t}\). Die Gleichung wurde mit der Newton-Raphson-Methode23 gelöst. Die mit der numerischen Methode erhaltene komplexe Steifigkeit entsprach den viskoelastischen Eigenschaften in den gemessenen Frequenzbändern.

Zur Beurteilung der Dämpfungseigenschaften der Klettverbindungen wurden die Vibrationsexperimente bei Raumtemperatur (21–23 °C) durchgeführt. Der Versuchsaufbau für den Vibrationstest ist in Abb. 2a dargestellt. Der Aluminiumträger wurde an einem Ende festgeklemmt. Die Länge, Breite und Dicke des Balkens betrugen 400, 30 bzw. 20 mm. Für die Schwingungsanregung sorgte ein Shaker am freien Ende. Die Tests wurden mit zufälliger Anregung für 17,3 Sekunden durchgeführt. Insgesamt wurden 50 Vibrationsantworten gemittelt, um die Frequenzantwortfunktionen zu erhalten. Die Vibrationsreaktionen des Balkens wurden mit Beschleunigungsmessern (Bruel und Kjaer, Typ 4507) 100 bzw. 400 mm vom eingespannten Ende gemessen. Die Befestigungsprobe wurde in Erregungsrichtung installiert, um den Träger 250 mm vom eingespannten Ende zu stützen. Wie in Abb. 2b dargestellt, war das in dieser Studie verwendete probabilistische Verbindungselement Dual-lock® (3M, Typ SJ3550). In den Experimenten wurden extrudiertes Polystyrol (EPS) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) verwendet, die häufig als Polymer-Schwingungsdämpfungsbehandlungen eingesetzt werden. Die Länge und Breite des probabilistischen Befestigungselements und der Polymerproben betrugen 20 bzw. 30 mm. Eine Zusammenfassung des Versuchsaufbaus ist in Tabelle 1 dargestellt. Um die durch Vibration verursachte Reibung zu untersuchen, wurden die dynamischen Eigenschaften bei allmählicher Dehnung des Verbindungselements bis zur Ablösung gemessen.

(a) Versuchsaufbau des Auslegerträgers mit Befestigungsprobe. (b) Probabilistische Befestigungselemente, extrudiertes Polystyrol (EPS) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM), wurden am Balken befestigt. (c) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Untersuchung der Auswirkungen der Befestigungsdicke. Als Translationssteifigkeit wurden Befestigungs- und Polymermaterialien analysiert.

Abb. 2c zeigt das Schema der Vibrationsexperimente, mit denen die dynamischen Eigenschaften gemessen wurden. Die Dicke des Befestigungselements ist wie folgt definiert:

Dabei ist h0 die Dicke, wenn das Befestigungselement am stärksten komprimiert ist, und \(\Delta\) die Dehnungslänge. Bei den Tests wurde die Dicke des Befestigungselements um 0,2 mm variiert, von 2,6 mm (das Befestigungselement befand sich bei maximaler Kompression) bis 4,8 mm (der Wert vor der vollständigen Ablösung). Das Federelement der Stütze hat einen wesentlichen Einfluss auf das Schwingungsverhalten der Struktur24. In dieser Studie wurde die Wirkung des probabilistischen Befestigungselements, das als Translationsfeder angenommen wurde, an einem einzelnen Ort durch die Wellenausbreitungsanalyse des vibrierenden Balkens untersucht.

Wie in Abb. 3 dargestellt, wurde auch ein einachsiger Vibrationstest durchgeführt, um die Hystereseschleifen der Polymermaterialien und des probabilistischen Befestigungselements zu messen. Zwischen der Probe und dem Kraftaufnehmer wurde eine flache Platte zur Messung der Verschiebung eingefügt. Die andere Seite der Probe wurde am festen Ende befestigt. Die Länge und Breite der Proben aus EPS, EPDM und probabilistischem Befestigungselement betrugen 25 mm bzw. 20 mm. Am Schüttler wurde ein Kraftaufnehmer installiert, um die auf die Probe ausgeübte Kraft zu messen. Zwei Lasersensoren wurden installiert, um die Verschiebung der Platte zu messen, die die Probenbewegung darstellte. Während die Probe mit 100 Hz angeregt wurde, wurden die Hystereseschleifen vom Kraftaufnehmer und vom Wegsensor erfasst.

Einachsiger Zug- und Drucktestaufbau zur Messung der Hystereseschleifen der Polymermaterialien und des probabilistischen Verbindungselements.

Abb. 4a zeigt die Schwingungsübertragungsfunktionen des Auslegers mit dem probabilistischen Befestigungselement. Abbildung 4 zeigt die Funktionen für ausgewählte Dehnungsdickenwerte (0, 1, 1,6 und 2 mm) aus den durchgeführten Tests. Die gemessenen Schwingungsantworten wurden verglichen und zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit den vorhergesagten Werten unter Verwendung von Gl. (6). Bei Messungen ohne probabilistisches Befestigungselement war die Dämpfung vernachlässigbar gering. Das probabilistische Befestigungselement erhöhte die Dämpfung und die Eigenfrequenzen aufgrund der Stützsteifigkeit.

(a) Vergleich der vorhergesagten und gemessenen Vibrationsreaktionen des Auslegers für verschiedene Dicken des probabilistischen Befestigungselements. (b) Die Steifigkeits- und Verlustfaktoren des probabilistischen Befestigungselements, berechnet aus den gemessenen Vibrationsreaktionen.

Mit zunehmender Dicke des Befestigungselements auf bis zu 1,0 mm nahm die Resonanzfrequenz ab. Ablösungen der Stiele vom festen Ende führten zu einer Verringerung der Steifigkeit der Befestigungselemente. Wenn die Dicke über die Werte von 1,0 mm hinaus zunahm, nahm die Resonanzfrequenz des Auslegerbalkens zu. Dies stellte die erhöhte Steifigkeit des Befestigungselements dar. Der Anstieg der Steifigkeit des Befestigungselements setzte sich fort, bis der Dickenwert 1,6 mm betrug. Als die Dicke weiter zunahm, verringerte sich die Resonanzfrequenz aufgrund von Stielablösungen und daraus resultierenden Ablösungen.

Wie in Abb. 4b dargestellt, wurden die dynamischen Eigenschaften des probabilistischen Verbindungselements aus den gemessenen Vibrationsreaktionen berechnet. Im maximal komprimierten Zustand des Befestigungselements war die Steifigkeit am größten. Mit zunehmender Dehnungsdicke auf 1 mm wurde die Steifigkeit geringer. Mit zunehmender Dicke nahm die Steifigkeit allmählich zu. Mit dem Auftreten einer teilweisen Ablösung mit zunehmender Dicke auf 2 mm wurde die Steifigkeit vernachlässigbar gering. Die Verlustfaktoren wurden mit minimaler Abhängigkeit vom Kompressionsstatus auf 0,3 berechnet. Der größte Verlustfaktor wurde erhalten, wenn die Dehnungsdicke 2 mm betrug.

Die gemessenen dynamischen Eigenschaften wurden im Bereich von 100 bis 1600 Hz gemittelt, und die repräsentativen Eigenschaften des probabilistischen Verbindungselements sind in Abb. 5 dargestellt. Die Abbildungen 5a und b zeigen den Einfluss der Verbindungselementdicke auf die Durchschnittswerte und Standardabweichungen der Dynamik Steifigkeit und Verlustfaktor. Die Ergebnisse zeigen eine große Übereinstimmung mit den Ergebnissen, die anhand der Schwingungsresonanzfrequenzen beobachtet wurden. Abb. 5c–e zeigen die Stämme der Probe des probabilistischen Verbindungselements. Wie in Abb. 5c und d dargestellt, entfalteten sich die verformten Stiele und die Steifigkeit nahm mit der Dehnung des Befestigungselements stark ab. In diesem Bereich nahm die Steifigkeit ab. In Abb. 5e verzahnten sich die Köpfe der probabilistischen Befestigungselemente oben und unten bei einer Dicke von 1,8 mm und führten zu einer leichten Erhöhung der Steifigkeit. Dieser lokale Anstieg der Steifigkeit wurde durch die Eigenschaften des Kopfes verursacht und hatte zur Folge, dass sich die probabilistischen Befestigungselemente nicht lösten13,17. Mit der weiteren Zunahme der Dicke kam es zur Trennung der Köpfe. Wie in Abb. 5b dargestellt, wurden die Verlustfaktoren mit 0,3 für die Probendicke von 1,6 mm gemessen. Der Verlustfaktor erhöhte sich ab der Dicke von 1,8 mm, wo die Kopftrennungen auftraten, auf 0,6. Wenn das probabilistische Befestigungselement zusammengedrückt oder gespannt wurde, unterdrückte es wirksam das Auftreten relativer Kontakte zwischen den beiden Strukturen mit zunehmender Steifigkeit.

Dynamische Eigenschaften probabilistischer Verbindungselemente, (a) Steifigkeit und (b) Verlustfaktor. Variationen der Probenform je nach Dickenvariation: (c) 0 mm, (d) 1,0 mm und (e) 1,6 mm.

Bei Kontakten zwischen den Bestandteilen induziert die Hystereseschleife die Dissipation der Schwingungsenergie21. Die Hystereseschleifen des Polymermaterials und des probabilistischen Befestigungselements, die in einer vibrierenden Umgebung erzeugt werden, sind in Abb. 6 dargestellt. Wie in Abb. 6a und b gezeigt, verhielten sich die Hystereseschleifen für EPS und EPDM linear für die kleine Verformung, die aufgrund der äußeren Einflüsse auftrat Vibration. EPS und EPDM hatten unabhängig von der Verschiebung eine nahezu konstante Steifigkeit. Wie in Abb. 6c dargestellt, änderte sich die Steifigkeit des probabilistischen Befestigungselements in Abhängigkeit von der Verschiebung. Wenn die Verschiebung groß war, erhöhte die Kollision zwischen den großen Stielen die Steifigkeit, was zur Vergrößerung der Fläche der Hystereseschleife beitrug. Aus den Hystereseschleifen wurde das Dämpfungsverhältnis für EPDM, EPS und das probabilistische Befestigungselement mit 0,087, 0,056 bzw. 0,405 berechnet. Da es sich bei dem probabilistischen Befestigungselement um eine Struktur handelt, in die Köpfe eingreifen, hing die Energiedissipation aufgrund von Reibung von der Form und Eigenschaft des Kopfes ab. Darüber hinaus verursachte die zunehmende Schwingungsamplitude größere Reibungskontakte zwischen den Köpfen, was zu einer größeren Fläche der Hystereseschleife führte. Die Hystereseschleife stellte die mechanischen Eigenschaften für eine Einzelfrequenzschwingung dar. In dieser Studie wurden Strahlvibrationsexperimente durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften der Polymermaterialien und probabilistischen Verbindungselemente im breiten Frequenzband anhand der Vibrationsübertragungsfunktion abzuleiten.

Hystereseschleifen von (a) EPS, (b) EPDM und (c) dem probabilistischen Verbindungselement.

Vibrierende Stiele im probabilistischen Befestigungselement unterliegen Reibungskontakten. Um die Dämpfungsleistung der Kontakte zu überprüfen, wurden Vibrationsexperimente mit zunehmenden Antwortgrößen durchgeführt. Um die Stärke der Vibration zu kontrollieren, wurde die Eingangskraft des Rüttlers von 0,60 auf 1,70 N erhöht. Um die Dämpfungsleistung durch die Reibungskontakte zu untersuchen, wurden die dynamischen Eigenschaften des probabilistischen Befestigungselements und der Polymermaterialien verglichen. Abbildung 7a zeigt die Vibrationsreaktion des Auslegers, der mit dem probabilistischen Befestigungselement befestigt ist, und die Auswirkungen der Erregungsgröße. Mit zunehmender Erregungsgröße verringerten sich Resonanzfrequenz und Schwingungsamplitude. Die Abbildungen 7b und c zeigen die durchschnittlichen dynamischen Eigenschaften und Standardabweichungen, die aus den Vibrationstests ermittelt wurden. Die viskoelastischen Eigenschaften von Polymermaterialien wurden unabhängig von der Anregungsintensität als konstant geschätzt. Die Schwingungsdämpfungsleistung der Polymermaterialien hing von der Temperatur ab25. In dieser Studie haben wir uns auf die unterschiedlichen Dämpfungsmechanismen der probabilistischen Verbindungselemente aus Polymermaterialien konzentriert. Vibrationstests wurden bei Raumtemperatur (21–23 °C) durchgeführt. Wie in Abb. 7b gezeigt, war die Steifigkeit des probabilistischen Befestigungselements viel größer als die der Polymermaterialien. Mit zunehmender Anregungsenergie nahm die Steifigkeit des probabilistischen Verbindungselements ab. Wie in Abb. 7c dargestellt, betrugen die Verlustfaktoren des probabilistischen Befestigungselements, des EPS und des EPDM im Fall der kleinsten Vibrationsstärke 0,253, 0,116 bzw. 0,099. Darüber hinaus stieg der Verlustfaktor des probabilistischen Befestigungselements im Fall der größten Vibrationsstärke auf 0,384, während die Verlustfaktoren für EPS und EPDM mit 0,117 bzw. 0,108 vernachlässigbare Schwankungen aufwiesen. Die zunehmende Dämpfungsleistung des Befestigungselements war in lauter Umgebung viel größer als die der Polymermaterialien. Der in Abb. 7c gezeigte vorhergesagte Verlustfaktor wurde durch Anwendung der Eigenschaften von Dual-Lock, n = 1,2 und α = 0,2 s/m, abgeleitet. Der durch Gl. vorhergesagte Verlustfaktor (1) nahm mit zunehmender Schwingungsamplitude ebenfalls zu. Da sich mehrere Stiele miteinander verschränken, wurde die Hystereseschleife erzeugt, die eine hervorragende Leistung bei der Vibrationsenergiedissipation aufwies. Durch den Vergleich mit den Polymermaterialien zeigten die vorgestellten Experimente die große Vibrationsdämpfungsleistung des probabilistischen Befestigungselements.

Einfluss der Erregungsgröße auf die Schwingungsantwort mit. (a) Gemessene Vibrationsreaktion des Auslegers, der mit dem probabilistischen Befestigungselement gestützt wird. Vergleich der dynamischen Eigenschaften des probabilistischen Verbindungselements und der Polymermaterialien: (b) Steifigkeit und (c) Verlustfaktoren.

Um die Übertragungsreduzierungsleistung der Vibrationsquelle beim Anbringen des probabilistischen Befestigungselements an der Struktur zu untersuchen, wurde ein Vibrationstest an der Verbindungsstruktur mit der in Abb. 8 gezeigten Einstellung durchgeführt. Der Vibrationstest wurde durch Verbinden zweier identischer Elemente durchgeführt Stahlträger mit Befestigungselement und Befestigung an einem Ende an einem Vibrationsrüttler. Wie in den vorherigen Experimenten lieferte der Shaker 17,3 Sekunden lang die zufällige Anregung. Insgesamt wurden 50 Vibrationsreaktionen gemittelt, um die Vibrationsreaktionen zu erhalten. Die Länge, Breite und Dicke des Balkens betrugen 180, 30 bzw. 1 mm. Die Vibrationsreaktionen des Balkens wurden mit Beschleunigungsmessern bei 0 bzw. 270 mm vom eingespannten Ende gemessen. Wie in Abb. 8c dargestellt, wurde zur Befestigung der beiden Balken derselbe Dual-Lock wie im vorherigen Experiment verwendet. Zum Vergleich der Schwingungsübertragungsleistung wurden drei herkömmliche Schrauben und Muttern aus rostfreiem Stahl verwendet, um die beiden Träger an derselben Stelle zu befestigen. Der Bolzendurchmesser betrug 5 mm. Die Bolzensteigung betrug 0,8 mm.

(a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus (b) und dessen Bild zur Untersuchung der Vibrationsübertragungsreduzierungsleistung der Verbindungselementprobe. (c) Bilder des probabilistischen Befestigungselements und der Bolzen, die die Träger verbinden.

Die Vibrationsreaktion der Struktur wurde durch die Schraubenklemmkraft beeinflusst. Der in dieser Studie verwendete Anregungsbereich reicht jedoch bis zu 3200 Hz, sodass der Effekt der Änderung der Vibrationsreaktion je nach Befestigungszustand der Schraube außer in sehr extremen Situationen vernachlässigbar war. Der Hochfrequenzmodus wurde nur beeinträchtigt, wenn der Schraubenanzug völlig locker war. Abbildung 9 zeigt die Vibrationsreaktion bei Variation des Schraubenanzugsdrehmoments. Die Schrauben wurden mit einem Drehmomentschlüssel (Tohnichi) angezogen. Wenn das Anzugsdrehmoment der Schraube größer als 2 Nm war, zeigte die Biegeschwingungsreaktion der Trägerstruktur keine Schwankungen. Als repräsentativer Wert wurde das Anzugsdrehmoment von 7 Nm herangezogen und zum Vergleich herangezogen.

Vibrationsverhalten des Balkens entsprechend dem Anzugsdrehmoment der Schrauben.

Die Vibrationsübertragungsfunktionen sind in Abb. 10 dargestellt. Das Gewicht des im Experiment verwendeten Dual-Lock betrug 0,98 g. Die Schraube und die Mutter waren mit 2,18 g bzw. 1,23 g schwerer. Da das probabilistische Verbindungselement eine geringere dynamische Steifigkeit aufwies als die Schraubverbindung, waren die gemessenen Schwingungsresonanzfrequenzen der verbundenen Träger kleiner. Als Ergebnis der Berechnung des Q-Faktors für den ersten Peak wurden 3,34 bzw. 11,41 für Schrauben und probabilistische Verbindungselemente erhalten. Da das probabilistische Befestigungselement aufgrund der Reibung eine hohe Dämpfungsleistung aufweist, wurde die Stärke der Vibrationen am verbundenen Träger im Vergleich zu denen, die durch die Schraubverbindung zusammengefügt wurden, deutlich reduziert. Für die Schwingungsstärke von 10 bis 3200 Hz zeigte die probabilistische Verbindung eine Reduzierung der Schwingungsübertragung um 6,1 dB im Vergleich zur Schraubverbindung.

Schwingungsreaktion der mit verschiedenen Befestigungselementen zusammengesetzten Balkenstruktur – Wahrscheinlichkeitsrechnung schneller und mit Schraube.

Bei einem probabilistischen Befestigungselement handelt es sich um eine Klemmvorrichtung, die in die jeweiligen Oberflächen eingreift und durch Reibung in einer vibrierenden Umgebung eine hohe Energiedissipation ermöglicht. Es wurde eine Studie durchgeführt, um die dynamischen Eigenschaften des probabilistischen Verbindungselements als Komponente zur Vibrationsreduzierung zu untersuchen. Vibrationstests wurden für unterschiedliche Dehnungsdicken des probabilistischen Befestigungselements und die Erregungsgröße durchgeführt. In dieser Studie wurde die Wirkung des als Translationsfeder angenommenen Befestigungselements an einer einzelnen Stelle auf einen vibrierenden Balken mithilfe der Wellenausbreitungsanalyse untersucht. Die komplexe Steifigkeit im Frequenzbereich wurde abgeleitet. Es wurde eine Variation der komplexen Steifigkeit aufgrund des Schaftkontaktverhaltens beobachtet. Die Vibrationsdämpfung des probabilistischen Verbindungselements wurde mit den Polymermaterialien verglichen. Da die Reibung und der Aufprall im Inneren des Befestigungselements je nach Vibrationsstärke variierten, nahm auch die Vibrationsdämpfungsleistung des Befestigungselements mit zunehmender Vibrationsstärke zu. Die Vibrationsübertragung wurde gemessen, indem die beiden Balken durch das probabilistische Befestigungselement verbunden wurden. Bei Verwendung des probabilistischen Verbindungselements anstelle der Schraubverbindung wurde die Vibrationsreflexion und -übertragung im gesamten Frequenzband reduziert. Diese Ergebnisse legen den Vorteil des probabilistischen Befestigungselements bei der Verhinderung unerwünschter Vibrationskontakte und -reaktionen montierter Strukturen nahe.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Arbeit wurde durch den von der koreanischen Regierung finanzierten Zuschuss des Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) (MOTIE) (Nr. 202100000000912) unterstützt.

Fakultät für Maschinenbau, Hanyang-Universität, 222 Wangsimni-Ro, Seongdong-Gu, Seoul, 04763, Republik Korea

Semin Kwon, Jonghoon Jeon, Seungjeok Yoo und Junhong Park

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Dieser SK und JP schlugen die Studie vor. SK, JJ und SY führten die Experimente durch und analysierten die experimentellen Daten. SK und JP haben den Artikel geschrieben. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Junhong Park.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kwon, S., Jeon, J., Yoo, S. et al. Verwendung von probabilistischem Klettverschluss als reibungsinduzierte Vibrationsdämpfungsbehandlung. Sci Rep 12, 19399 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23946-8

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Eingegangen: 06. Juni 2022

Angenommen: 08. November 2022

Veröffentlicht: 12. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23946-8

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