DE10138250A1 - Bauteil in Sandwichbauweise und Verwendung desselben - Google Patents
Bauteil in Sandwichbauweise und Verwendung desselbenInfo
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Abstract
Die Erfindung stellt ein sehr einfaches aber wirkungsvolles Konzept dar, um von außen angeregte mechanische Schwingungen (Vibrationen) bei Sandwich-Leichtbauteile zu dämpfen, ohne die statischen Eigenschaften der Bauteile zu beeinflussen. Die passiven Dämpfungselemente, deren Masse selbst vernachlässigt werden kann, werden in das Sandwich-Bauteil integriert und basieren auf Energiedissipation durch Reibung. Bei einer unerwünschten Schwingungsanregung kommt es entweder zu Relativverschiebungen zwischen einzelnen Bauteilen der erfundenen Elemente selbst (Ausführung 1) oder zu Relativverschiebungen zwischen dem Dämpfungselement und der zu dämpfenden Struktur (Ausführung 2). Die Relativverschiebungen führen auf Reibkräfte im Reibkontakt und schließlich zu einer Energiedissipation (Schwingungsdämpfung).
Description
Die beantragte Erfindung ist dem allgemeinen Gebiet der Mechanik und speziell dem Gebiet der
Schwingungstechnik in Verbindung mit Leichtbau zuzuordnen.
Strukturen aus Kohle-, Glas- oder Aramidfaser verstärkten Kunststoffen in Sandwichbauweise bilden
einen entscheidenden Bestandteil bei Leichtbaukonstruktionen in Luft- und Raumfahrt, in der
Fahrzeugtechnik aber auch im allgemeinen Maschinenbau. Je nach Einsatz können solche Strukturen
sehr hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Auslegung dieser Bauteile hinsichtlich
dynamischer Belastungen erfolgt bisher meistens über eine Erhöhung der Festigkeit. Dies führt zu einer
dem Leichtbauprinzip entgegenwirkenden Massenzunahme (z. B. durch Versteifungen, oder zusätzliche
Verbindungselemente).
Die Erfindung stellt ein sehr einfaches aber wirkungsvolles Konzept dar, um von außen angeregte
mechanische Schwingungen (Vibrationen) bei Sandwich-Bauteilen zu dämpfen, ohne die statischen
Eigenschaften der Bauteile zu beeinflussen. Die passiven Dämpfungselemente, welche auf
Energiedissipation durch Reibung beruhen, befinden sich dabei zwischen den Deckschichten der
Sandwich-Bauteile, da eine äußere Anwendung von Dämpfungsmaßnahmen in den meisten Fällen aus
konstruktiven und betrieblichen Gründen nicht möglich ist. Das Grundprinzip der Reibungsdämpfung
kommt in anderer Form z. B. bei Turbinenschaufeln zur Anwendung [RD1]. Die Theorie der Dämpfung in
Reibfugen, die nicht im Kraftfluß liegen, ist in [RD2] beschrieben.
Ziel der beantragten Erfindung ist die passive mechanische Dämpfung von Sandwich-Bauteilen
unabhängig von deren Einsatzbereich.
Das spezielle technische Problem, das zu der Erfindung führte, sind die hohen dynamischen Belastungen
einer Rumpfschale, welche während einer Simulation im Rahmen der Entwicklung eines
Demonstratorfahrzeugs für die Raumfahrt analysiert wurden.
Die gezielte Nutzung von Energiedissipation durch trockene (Coulombsche) Reibung in
Konstruktionsfugen, die nicht im Kraftfluß liegen, bietet eine effektive Möglichkeit, Schwingungsamplituden
zu reduzieren und damit vorzeitiges Werkstoffversagen zu verhindern und/oder Strukturmasse
einzusparen.
Das Prinzip der Reibungsdämpfung verdeutlicht Bild 1. Schon kleine Schwingungen des in Bild 1
dargestellten Balkens führen zu Relativbewegungen zwischen dem Bauteil (I) und dem Reibelement (II).
Diese Relativverschiebungen bewirken Reibkräfte, welche schließlich eine Energiedissipation hervorrufen
und damit die Schwingungen unterdrücken.
Bei der Erfindung wird der oben beschriebene Dämpfungseffekt im Inneren von Sandwich-Bauteilen
folgendermaßen ausgenutzt: bei einer Schwingung und der damit zwangsläufig auftretenden Verformung
des Bauteils kommt es zu Relativverschiebungen zwischen einzelnen Bauteilen des erfundenen
Dämpfungselements selbst (Ausführung 1) oder zwischen dem Dämpfungselement und der zu
dämpfenden Struktur (Ausführung 2). Die Relativverschiebung führt auf eine Reibkraft im Reibkontakt und
schließlich zu einer Energiedissipation. Die Masse der zusätzlichen Dämpfungselemente kann
vernachlässigt werden. Die statischen Eigenschaften der Struktur werden nicht beeinflußt.
Die Ausführung 1 wird durch folgendes Beispiel erläutert: ein schichtweise aufgebautes Reibelement liegt
zwischen den Deckschichten einer Sandwich-Struktur (hier der Einfachheit halber als Biegebalken
dargestellt), siehe Bild 2. An den entsprechenden Stellen, wo die Integration der Reibelemente erfolgt,
wird das Wabenmaterial ausgespart, ähnlich der Anwendung von ,Heat-Pipes' zur Wärmeabfuhr zwischen
Sandwich-Deckschichten. Einen Querschnitt des Reibelementes zeigt Bild 3. Das Reibelement befindet
sich in Abhängigkeit der dominanten Eigenform der Schwingung vorzugsweise im Bereich der kleinsten
Krümmungsradien, d. h. größtmöglichen Relativverschiebungen.
Bei Verformung der Struktur aufgrund äußerer Schwingungsanregung kommt es zwangsläufig zu einer
Verschiebung der Reibkörper innerhalb des Dämpfungselements gegenüber eines festen Rahmens, siehe
Bild 2, was schließlich Reibkräfte und somit Energiedissipation hervorruft (Schwingungsdämpfung). Bild 6
zeigt das Foto eines Probebauteils aus einer derzeit durchgeführten Voruntersuchung, bei dem ein
solches Reibelement nach Ausführung 1 in eine Sandwich-Struktur integriert wurde. Im Test konnte eine
signifikante Erhöhung der Dämpfung festgestellt werden.
Bild 4 zeigt ein Beispiel für das Dämpfungskonzept nach Ausführung 2: Hier handelt es sich um
innenliegende Reibelemente (hier zylinderförmige Hohlkörper (Hülsen)), welche sich zwischen den
Wabenwänden des Sandwichkerns vorzugsweise im Bereich größtmöglicher Verformung befinden, siehe
auch Bild 5. Bei Verformung des Sandwich-Bauteils (Balken, Platte, Schale etc.) verschieben sich diese
Elemente zwangsläufig gegenüber den Wabenwänden, also gegenüber der Struktur. Diese
Relativverschiebung führt über den Reibkoeffizienten schließlich zu einer Reibkraft und somit zu einer
Energiedissipation (Schwingungsdämpfung).
Bild 7 zeigt das Foto eines Probebauteils aus einer Voruntersuchung. In dem hier gezeigten Beispiel
wurden Reibhülsen in die Aluminiumwaben zwischen die Pre-Preg-CFK-Deckschichten einer Sandwich-
Struktur integriert (Möglichkeit für Ausführung 2). Auch für diese Ausführung konnte im Test eine
signifikante Erhöhung der Dämpfung festgestellt werden.
Die hier beschriebenen passiven Dämpfungselemente für Sandwichstrukturen haben folgende Vorteile:
- - Die Dämpfungselemente sind anwendbar auf alle festen Materialien (Metall, Kunststoff, GFK, CFK, Kevlar, entsprechender Verbund)
- - Die Dämpfungselemente bestehen aus wenigen festen Komponenten
- - Das Dämpfungskonzept kann auch bei Temperaturen eingesetzt werden, wo die meisten auf Öl- oder elastischen Bauteilen (z. B. Gummi) basierenden Einrichtungen versagen
- - Die Dämpfungselemente sind einfach in Herstellung und Anwendung
- - Es werden keine Elektronik, keine Sensoren, keine Aktuatoren, keine Regelungstechnik benötigt (im Gegensatz zu aktiven Systemen, wie z. B. Dämpfung auf Basis von Piezoaktuatoren)
- - Die Dämpfungselemente besitzen eine geringe Masse
- - Das Dämpfungskonzept ist wartungsfrei
- - Das Dämpfungskonzept ist kostengünstig
Es sind uns keine integrierten passiven Dämpfungselemente für Sandwichstrukturen bekannt.
[RD1] Balmer, Bert: "Erhöhung der Dämpfung von Turbinenschaufeln durch Reibelemente",
Fortschrittsbericht, VDI Reihe 11, Nr. 197, Düsseldorf 1993
[RD2] Klamt, Klemens: "Zur optimalen Schwingungsdämpfung durch trockene Reibung in lokalen und ausgedehnten Fügestellen", Fortschrittsbericht, VDI Reihe 11, Nr. 134, Düsseldorf 1990.
[RD2] Klamt, Klemens: "Zur optimalen Schwingungsdämpfung durch trockene Reibung in lokalen und ausgedehnten Fügestellen", Fortschrittsbericht, VDI Reihe 11, Nr. 134, Düsseldorf 1990.
Claims (1)
- Schwingungsdämpfer für Sandwich-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Bauteil (Dämpfungselement) in eine Sandwich-Struktur zwischen die Deckschichten integriert ist und daß bei äußerer mechanischer Schwingungsanregung des Sandwich-Bauteils auftretende Reibkräfte zwischen den Elementen des Dämpfers selbst oder zwischen den Elementen des Dämpfers und der zu dämpfenden Struktur (Bauteil) zu einer Energiedissipation und damit zu einer Unterdrückung der Schwingungsamplituden des Sandwich-Bauteils führen.
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