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Die
Erfindung betrifft ein Dämpferelement, welches vorzugsweise
für den Einsatz in einer Anordnung zur Sicherung von Maschinen,
Anlagen oder Gebäuden gegenüber bei Erdbeben auftretenden
Erschütterungen vorgesehen ist, ohne dass jedoch der Einsatz
des Dämpferelements hierauf beschränkt wäre.
Sie bezieht sich insbesondere auf ein Dämpferelement, durch
welches eine Parallelschaltung zwischen einer Feder und einem viskosen
Dämpfer realisiert ist.
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Es
ist bekannt, Stützkonstruktionen, wie beispielsweise Rahmenkonstruktionen
von hohen Gebäuden, durch Versteifungselemente statisch
zu stabilisieren. Hierzu werden beispielsweise zur Bildung statisch
stabilisierender Stützdreiecke an beziehungsweise in den
Rahmenkonstruktionen diagonale Streben angeordnet. Ferner ist die
Verwendung von Spannseilen und Spannstangen gebräuchlich.
Entsprechende konstruktive Maßnahmen haben jedoch den Nachteil,
dass sie im Grunde nur zur Stabilisierung gegenüber auftretenden
statischen Lasten geeignet sind, jedoch im Hinblick auf dynamische
Belastungen, wie sie beispielsweise bei einem Erdbeben auftreten,
kaum stabilisierend wirken. Daher werden zur Stabilisierung von
Objekten beziehungsweise Gebäuden gegenüber dynamischen
Belastungen spezielle Dämpfer, zum Beispiel viskose Dämpfer,
eingesetzt.
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Beispielsweise
ist aus der
WO 01/73238
A2 eine Lösung bekannt geworden, bei der ein Viskodämpfer
vorzugsweise in schräger Lage zwischen einem horizontalen
und einem vertikalen Element der Stützkonstruktion beziehungsweise
der Rahmenkonstruktion eines Bauwerks angeordnet wird. Dieser Lösung
haftet jedoch der Nachteil an, dass sie eine sehr massive Auslegung
des Viskodämpfers erfordert, um im Falle wechselnder Druck-
und Zugbelastungen, wie sie für Erschütterungen
bei Erdbeben typisch sind, im Moment einer Druckbelastung ein Einknicken
des Dämpfers zu vermeiden.
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Zur
Vermeidung des vorgenannten Nachteils wird durch die
DE 10 2004 044 208 B4 eine
Lösung vorgeschlagen, bei welcher ein horizontales und
ein vertikales Stützelement eines technischen Objekts, wie
beispielsweise der Rahmenkonstruktion eines Bauwerks, über
Spannelemente, wie beispielsweise Spannseile oder Spannstangen,
und ein zwischen diesen Spannelementen angeordnetes spezielles Zusatzelement
mit Dämpfungswirkung verbunden werden. Bei dem genannten
dämpfenden Zusatzelement handelt es sich um ein als Parallelschaltung zwischen
mindestens einer Feder und mindestens einem viskosen oder viskoelastischen
Dämpfer wirkendes Element. Mit den bisher aus dem Stand
der Technik bekannten Möglichkeiten wäre ein solches
Zusatzelement beispielsweise durch die gemeinsame, zueinander parallele
Anordnung einer Schraubendruckfeder und eines viskosen oder viskoelastischen Dämpfers
herkömmlicher Ausbildung in einer gemeinsamen Einheit zu
realisieren. Ein entsprechendes Element würde jedoch aufgrund
der tatsächlichen körperlichen parallelen Anordnung
der Feder und des Dämpfers vergleichsweise viel Bauraum
benötigen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Dämpferelement zu schaffen, welches
hinsichtlich seiner Dämpfungswirkung vergleichbar einer
parallelen Anordnung einer Feder und eines Dämpfers wirkt,
dabei aber gegenüber den bisher dazu gegebenen Möglichkeiten
kompakter ausgebildet ist und geringere äußere
Abmessungen aufweist, so dass es sehr platzsparend zu verbauen ist.
Das entsprechende Dämpferelement soll ferner so gestaltet
sein, dass es nach dem Baukastenprinzip einfach und kostengünstig
für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall konfigurierbar
ist.
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Ein
die Aufgabe lösendes Dämpferelement wird durch
die Merkmale des Hauptanspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Aus-
beziehungsweise Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Dämpferelements sind durch die Unteransprüche
gegeben.
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Das
zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Dämpferelement
besteht aus einem viskosen Dämpfer und einer Feder, welche
in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist
in diesem Gehäuse auf oder parallel zur Mittelachse einer
Erstreckungsrichtung des Gehäuses in einem von dem Gehäuse
aufgenommenen viskosen Medium eine Kolbenstange geführt.
Diese Kolbenstange durchragt das Gehäuse auf einer Seite.
Ferner ist erfindungsgemäß ein viskoser Dämpfer
dadurch ausgebildet, dass in der Erstreckungsrichtung der Kolbenstange
im Wechsel sich von der beziehungsweise den Gehäusewänden
unter Verbleib eines Spaltes in Richtung zur Kolbenstange und sich von
der Kolbenstange unter Verbleib eines Spaltes in Richtung zu der
beziehungsweise den Gehäusewänden erstreckende
Scheiben angeordnet sind. Dabei wirkt die sich an einer Gehäusewand
oder einem Deckel des Gehäuses abstützende Feder
auf die, bezogen auf den Gehäusedurchtritt der Kolbenstange, letzte
Scheibe der Kolbenstange. An dem das Gehäuse durchragenden
Ende der Kolbenstange und an dem Gehäuse, vorzugsweise
der Außenseite der dem vorgenannten Ende der Kolbenstange
gegenüberliegenden Gehäusewand (Gehäuseboden),
sind Montagemittel zur Befestigung des Dämpferelements
an einem bestimmungsgemäßen Einbauort angeordnet.
Mittels des erfindungsgemäßen Dämpfers
wird die Energiedissipation, das heißt die Dämpfung
der auftretenden Zug- und Druckkräfte, durch die Bewegung
der Kolbenstange mit den sich von ihr gegen die Innenwand oder Innenwände
des Gehäuses erstreckenden Scheiben in dem mit dem mit
dem viskosen oder, genauer gesagt, hochviskosen Medium gefüllten
Gehäuse und den darin angeordneten, im Weiteren auch als
Gehäusescheiben bezeichneten Scheiben erreicht.
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Für
die Realisierung des erfindungsgemäßen Dämpferelements
kommen unterschiedliche Gehäuseformen in Betracht. Dies
ist der Grund, warum im Kontext der vorstehenden Erläuterungen
und in den Patentansprüchen im Zusammenhang mit den sich
in Richtung der Kolbenstange erstreckenden Scheiben von der oder
den Gehäuseinnenwänden gesprochen wird. Handelt
es sich bei dem Gehäuse etwa um eines, welches einen rechteckigen
oder quadratischen Querschnitt aufweist, wird man bezüglich
der Einfassung dieses Querschnitts, also des entsprechenden Mantels
des Gehäuses, wohl von mehreren Innenflächen sprechen
müssen. Dies gilt zumal es auch denkbar ist, dass eine
oder auch zwei Seiten des entsprechenden Gehäusequerschnitts auch
durch eine oder zwei auf die jeweils anderen Seitenflächen
aufgesetzte und mit ihnen zum Beispiel durch Verschweißen
verbundene Seitenwand beziehungsweise Seitenwände ausgebildet
sein kann beziehungsweise sein können. Hingegen wird ein
Gehäuse mit einer zylindrischen Querschnittsform, in der
Art eines verschlossenen Rohres, vorzugsweise nur einen diesen Querschnitt
einfassenden Mantel und somit eine entsprechende Innenfläche
beziehungsweise Gehäuseinnenwand aufweisen, von welcher
ausgehend sich die Gehäusescheiben in Richtung der Kolbenstange
erstrecken.
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Eine
bevorzugte Ausbildungsform der Erfindung weist die zuletzt beschriebene
Gehäuseform auf. Bei dem Gehäuse des Dämpferelements
handelt es sich entsprechend dieser Ausbildungsform um einen Hohlzylinder,
welcher an dem von der Kolbenstange durchragten Ende von einem Deckel
verschlossen ist. Die Feder ist dabei als eine an dem betreffenden
Ende konzentrisch um die in der axialen Längsrichtung des
Hohlzylinders geführte Kolbenstange herum angeordnete Schraubendruckfeder ausgebildet.
Der viskose Dämpfer und die Schraubendruckfeder bewegen
sich unabhängig von der Art der auf das Dämpferelement
wirkenden Kraft (Zug- oder Druckkraft) jeweils in einer Richtung
und wirken somit parallel.
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Zur
wechselweisen Anordnung der Gehäusescheiben und der sich
von der Kolbenstange zu der beziehungsweise den Gehäuseinnenwänden
erstreckenden Scheiben sind entsprechend einer praxisgerechten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Dämpfers in dem
Gehäuse ausgehend von dem der Durchtrittsöffnung
für die Kolbenstange gegenüberliegenden Gehäuseboden
und an der Kolbenstange, ausgehend von einer ersten, mit der Kolbenstange,
an ihrer dem aus dem Gehäuse herausragenden Ende gegenüberliegenden
Seite fest verbundenen Scheibe abwechselnd Distanzelemente aufgestapelt. Dabei
liegen die Scheiben auf den entsprechenden Distanzelementen auf
oder bilden mit ihnen eine Einheit aus. Vorzugsweise ist die unterste
Scheibe der Kolbenstange innerhalb des Gehäuses unterhalb
der untersten Gehäusescheibe angeordnet und liegt im montierten,
noch unverbauten Zustand des Dämpferelements auf dem Gehäuseboden
auf. Da die Kolbenstange mit der daran befestigten untersten Scheibe
vergleichbar einem Stempel ist, sollen insoweit auch im Kontext
anderer Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen
Dämpferelements die Begriffe Kolbenstange und Stempel synonym
verwendet und die sich von dem Stempel in Richtung der ihn umgebenden
Gehäuseinnenfläche beziehungsweise Innenflächen
erstreckenden Scheiben auch als Stempelscheiben bezeichnet werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen
Dämpferelements ist darin zu sehen, dass dieses, insbesondere
entsprechend der zuletzt beschriebenen grundsätzlichen
Ausbildungsform mit den Distanzelementen, nach dem Baukastenprinzip
sehr variabel ausgebildet und konfiguriert werden kann. Dabei bestimmen
die Dimensionierung des Gehäuses, die Art und Menge des
in das Gehäuse eingebrachten viskosen Dämpfungsmittels,
die Anzahl der Scheiben und ihr Abstand zueinander sowie die Bemessung
der zwischen den Scheiben und der Kolbenstange beziehungsweise der
oder den Gehäuseinnenwänden verbleibenden Spalte
das Dämpfungsverhalten des Elements. Somit kann dieses
sehr einfach für den jeweiligen Einsatzfall beziehungsweise
Einsatzzweck ausgelegt werden.
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Vorzugsweise
ist die Menge des viskosen Mediums so bemessen, dass in der Einbaulage
des Dämpferelements die letzte Scheibe der Kolbenstange
vollständig von dem Medium bedeckt ist und der Bauraum
für die Feder oberhalb der Füllstandsoberfläche
des viskosen Mediums einen Freiraum als Reservoir für das
viskose Medium ausbildet. Durch das Vorhandensein dieses Reservoirs
sind zusätzliche Dichtungselemente entbehrlich, da auch
bei einer eventuellen Schrägstellung des Dämpferelements bis
zu einer bestimmten Neigung (in Abhängigkeit der Größe
des genannten Reservoirs) nicht die Gefahr eines Austretens des
viskosen Mediums besteht. Insoweit ist es ausreichend, oberhalb
des Durchtritts der Kolbenstange durch das Gehäuse eine
Manschette vorzusehen, um das Eindringen von Verschmutzungen in
das Dampferelement zu verhindern.
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Bei
dem viskosen Medium handelt es sich vorzugsweise um Silikonöl
oder Bitumen. Hierbei beträgt die Breite der Spalte zwischen
den Stempelscheiben und dem Gehäuse und zwischen den Gehäusescheiben
und dem Stempel gemäß praxisgerechter Ausbildungsformen
zwischen 3 und 10 mm. Vorzugsweise ist außerdem die Feder
mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Spannvorrichtung
vorgespannt. Bei der Spanneinrichtung kann es sich beispielsweise
um ein oberhalb der letzten Stempelscheibe an der Kolbenstange ausgebildetes
Gewinde handeln, welches mit einer Mutter zur Verstellung der Vorspannung
und einer Kontermutter in Eingriff gebracht ist. Denkbar sind aber
auch Splinte, die in an unterschiedlichen axialen Positionen der
Kolbenstange angeordnete Bohrungen einschiebbar sind, oder die Verwendung
von Distanzklemmen oder Vorspannschrauben. Ferner ist die Erfindung
vorteilhaft ausgebildet, indem an den Innenflächen des
Gehäuses oder der gegebenenfalls vorhandenen Distanzelemente
für die Gehäusescheiben jeweils eine Gleitfläche
ausgebildet ist. Bei den eingangs erwähnten Montagemitteln
an dem aus dem Gehäuse herausragenden Ende der Kolbenstange
und an dem Gehäuse handelt es sich vorzugsweise um Spannlaschen zur
Verbindung des Dämpferelements mit Spannseilen oder Spannstangen.
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Aspekte
der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
nochmals näher erläutert werden. Die zugehörige 1 zeigt
hierzu eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen
Dämpferelements in einer Schnittdarstellung.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 1 des
Dämpferelements als ein, an einer offenen Seite mit einem
Deckel 9 verschlossener Hohlzylinder ausgebildet. Aus einer
Durchtrittsöffnung 11 des Deckels 9 ragt
das Ende einer entlang der axialen Mittelachse 20 des Zylinders
beziehungsweise Gehäuses 1 geführten
Kolbenstange 3 heraus. Im Inneren des Gehäuses 1 erstrecken
sich, ausgehend von der Kolbenstange 3, mehrere zueinander beabstandete
Scheiben 61 –6n unter Verbleib eines Spalts 81 –8n zu
der Innenwand 4 des zylindrischen Gehäuses 1.
Die Scheiben 61 –6n beziehungsweise Stempelscheiben sind
an der Kolbenstange 3 mittels Muttern oder anderer geeigneter
Verbindungen befestigt. Sie sind, bezogen auf die axiale Erstreckung des
zylinderförmigen Gehäuses 1, im Wechsel
mit Scheiben 51 –5n (Gehäusescheiben) angeordnet,
welche sich unter Verbleib einer Durchtrittsöffnung für den
Stempel 3 und je eines Spalts 71 –7n von der Innenwand 4 des zylindrischen
Gehäuses 1, auf der Innenwand 4 umlaufend,
in Richtung der Kolbenstange 3 erstrecken. Im Bereich der
wechselweise angeordneten Gehäusescheiben 51 –5n und
Stempelscheiben 61 –6n ist das Gehäuse 1 mit
einem hochviskosen Medium 15, vorzugsweise mit Silikonöl
oder Bitumen, gefüllt. Die Menge des viskosen Mediums 15 ist
dabei so bemessen, dass die in Richtung des Durchtritts der Kolbenstange 3 durch
den Gehäusedeckel 9 letzte Scheibe 6n der Kolbenstange 3 in der
bestimmungsgemäßen Einbaulage des Dämpferelements vollständig
von dem viskosen Medium 15 überdeckt und oberhalb
der Füllstandsoberfläche des viskosen Mediums 15 ein
Freiraum 16 verbleibt. Durch diesen Freiraum 16 ist
für das viskose Medium 15 ein Reservoir ausgebildet
und somit auch im Falle eines Schrägeinbaus des Dämpferelements
verhindert, dass das Medium aus dem Gehäuse herausläuft.
Hierdurch sind besondere abdichtende Maßnahmen zur Verhinderung
eines Verlusts an viskosem Medium im Bereich des Deckels 9 entbehrlich.
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In
dem Freiraum 16 ist die Feder 2 angeordnet. Hierbei
handelt es sich, entsprechend dem Ausführungsbeispiel,
um eine Schraubendruckfeder, welche auf die letzte Stempelscheibe 6n drückt und sich auf der anderen
Seite an dem das Gehäuse 1 verschließenden
Deckel 9 abstützt. Dabei ist es vorgesehen, dass
die Feder 2 bereits bei der Montage des Dämpferelements
mittels einer oberhalb des Deckels 9 angeordneten Spannvorrichtung 17 mit
einer Vorspannung beaufschlagt wird. Die Spanneinrichtung 17,
aber auch das Innere des Gehäuses 1 sind mittels
einer Manschette 19 vor Verschmutzung geschützt.
Sowohl an dem aus dem Gehäuse 1 herausragenden
Ende der Kolbenstange 3 als auch auf der Außenseite
des diesem herausragenden Ende gegenüberliegenden Gehäusebodens 12 ist
jeweils eine Spannlasche 10, 10' zur Befestigung
des Dämpferelements an einem Einbauort angeordnet. Beim Einsatz
des Dämpferelements werden an diesen Spannlaschen 10, 10' vorzugsweise Spannseile
oder Spannstangen befestigt und mit der vor Schwingungen zu schützenden
Konstruktion, beispielsweise der Rahmenkonstruktion eines Gebäudes,
verbunden. Die wechselweise Anordnung von Gehäusescheiben 51 –5n und
Stempelscheiben 61 –6n ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mittels Distanzelementen 131 –13n , 141 –14n realisiert, wobei die erste Stempelscheibe 61 , also die Scheibe, welche an der dem
herausragenden Ende abgewandten Seite des Stempels 3 angeordnet
ist, fest mit der Kolbenstange 3 verbunden ist. Im unverbauten
Zustand des Dämpferelements liegt diese Scheibe 61 , anders als in der Figur dargestellt,
vorzugsweise auf dem Gehäuseboden 12 auf. Auf
dem Gehäuseboden 12 liegt ferner ein zylinderförmiges
Distanzelement 131 auf, welches
mit seiner kreisförmigen Außenfläche
entlang der Gehäuseinnenwand 4 angeordnet ist.
Auf der Oberseite des Distanzelements 131 ,
also auf seiner dem Gehäusedeckel 9 zugewandten
Seite, ist die erste Gehäusescheibe 51 angeordnet,
welche entweder auf dem Distanzelement 131 aufliegt
oder mit diesem eine Einheit ausbildet und eine Durchtrittsöffnung
für die Kolbenstange aufweist. Neben der Kolbenstange ragt
durch diese Durchtrittsöffnung, unter Verbleib eines Spalts 81 zu der Gehäusescheibe 51 , ein Distanzelement 141 hindurch, welches auf der ersten Stempelscheibe 61 aufsteht und an dessen Oberseite,
also wiederum an der dem Gehäusedeckel 9 zugewandten
Seite, die nächste Stempelscheibe 62 angeordnet
ist, wobei auch diese auf dem die Kolbenstange 3 umfassenden
Distanzelement 141 lediglich aufliegt
oder mit ihm verbunden ist.
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In
der vorbeschriebenen Weise sind im Wechsel Distanzelemente 131 –13n mit
darauf ruhenden Gehäusescheiben 51 –5n und Distanzelemente 141 –14n mit
darauf ruhenden Stempelscheiben 61 –6n angeordnet beziehungsweise gestapelt,
wobei die jeweiligen Distanzelemente 131 –13n , 141 –14n jeweils auf der vorhergehenden Scheibe 51 –5n , 61 –6n aufstehen.
Dabei ist oberhalb der letzten Gehäusescheibe 5n ein sich gegen den Gehäusedeckel
abstützendes Distanzteil 18 angeordnet, durch
welches die zuvor in das Gehäuse 1 eingebrachten
Distanzelemente 131 –13n und Gehäusescheiben 51 –5n in
ihrer Lage fixiert werden. Auf die letzte Stempelscheibe 6n drückt hingegen die sich
ebenfalls am Gehäusedeckel 9 abstützende
und vorzugsweise unter Vorspannung gehaltene Schraubendruckfeder 2.
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Durch
diesen Aufbau des erfindungsgemäßen Dämpferelements
wird die Schraubendruckfeder 2 gedrückt, wenn
an den axialen Enden des Bauteils Zugkräfte angreifen.
Wird nun das Dämpferelement über Spannstangen
oder Spannseile mit einer vor Schwingungen zu schützenden
Konstruktion verbunden, so wird diese vor dynamischen Schwingungen, wie
sie beispielsweise bei einem Erdbeben auftreten, dadurch geschützt,
dass die abwechselnd auftretenden Druck- und Zugkräfte
durch den viskosen Dämpfer beziehungsweise die Feder 2 gedämpft
werden. Dabei ist das kompakte Bauteil sehr einfach für
den jeweiligen Einsatzfall dimensionierbar und konfigurierbar. Neben
der Bemessung des Gehäuses 1 kann über
die Menge des viskosen Mediums 15 sowie die Anzahl der
Gehäuse- und Stempelscheiben 51 –5n , 61 –6n , deren Abstand zueinander und die
Bemessung der zwischen den Stempelscheiben 61 –6n und dem Gehäuse 1 beziehungsweise
der zwischen den Gehäusescheiben 51 –5n und dem Stempel 3 verbleibenden
Spalte 71 –7n , 81 –8n das dynamische Dämpfungsverhalten
des Bauteils beeinflusst werden. Beim Verbauen des Bauteils wird
dieses durch das weitere Spannen der Feder 2 und das Ziehen
der an die obere und die untere Lasche 10, 10' angreifenden Spannbänder
oder Spannstangen in die endgültige Position gebracht.
In diesem Zustand kann das Dämpferelement dann mittels
der Spannvorrichtung 17 bis zum endgültigen Einbau
fixiert werden. Die Führung des Bauteils in der Querrichtung
erfolgt dabei durch die Quersteifigkeit der Schraubendruckfeder 2.
Gegebenenfalls kann zusätzlich zwischen den Stempelscheiben 61 –6n und
den Distanzelementen 131 –13n für die Gehäusescheiben 51 –5n eine
Gleitfläche vorgesehen sein.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Feder
(Schraubendruckfeder)
- 3
- Kolbenstange
beziehungsweise Stempel
- 4
- (Gehäuse-)innenwand
beziehungsweise -innenwände
- 51–5n
- Scheibe
(Gehäusescheibe)
- 61–6n
- Scheibe
(Stempelscheibe)
- 71–7n, 81–8n
- Spalt
- 9
- Deckel
- 10,
10'
- Montagemittel
(Spannlasche)
- 11
- Durchtrittsöffnung
- 12
- Gehäuseboden
- 131–13n, 141–14n
- Distanzelement
- 15
- viskoses
Medium
- 16
- Freiraum
- 17
- Spannvorrichtung
- 18
- Distanzteil
- 19
- Manschette
- 20
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 01/73238
A2 [0003]
- - DE 102004044208 B4 [0004]