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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsstangenstruktur eines Motors, die einen Kolben und eine Kurbelwelle miteinander koppelt.
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Technischer Hintergrund
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Während des Betriebs eines Motors ist seine Verbindungsstange zyklisch diversen Arten von Verformung ausgesetzt, wie etwa Ausdehnung und Kontraktion, Verbiegung und Verdrehung. Es ist bekannt, dass die durch solche Arten von Verformung verursachte Resonanz eine der Ursachen von Störgeräuschen und Schwingungen des Motors ist. Um Schwingungen, die mit einer bestimmten Frequenz auftreten und eine solche Resonanz verursachen, zu unterdrücken, ist eine Technik vorgeschlagen worden, bei der die Verbindungsstange und deren Verbindungsstück mit dynamischen Absorbern ausgestattet wird, die in einer Phase schwingen, die der Phase der Schwingungen im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
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Beispielsweise offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-161322 eine Verbindungsstangenstruktur, bei der zur Unterdrückung von Schwingungen von zwei bestimmten Frequenzen dynamische Absorber an zwei Stellen vorgesehen sind, nämlich an der Verbindungsstange und an ihrem Verbindungsstück. Konkret ist zur Unterdrückung von einer bei der Ausdehnung und Kontraktion der Verbindungsstange auftretenden Resonanz von 3,3 kHz ein erster dynamischer Absorber im Inneren eines Kolbenstifts, der mit einem kleineren Endteil der Verbindungsstange gekoppelt ist, vorgesehen. Um zusätzlich Schwingungen in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 2 kHz, die sich - nachdem die durch die Ausdehnung und Kontraktion der Verbindungsstange verursachte Resonanz unterdrückt worden ist - als nächstes bemerkbar machen können, zu unterdrücken, ist ein zweiter dynamischer Absorber an einem mit einer Kurbelwelle gekoppelten größeren Endteil der Verbindungsstange vorgesehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Bei der in der
JP 2015-161 322 A offenbarten Verbindungsstangenstruktur sind dynamische Absorber vorgesehen, mit denen bestimmte Frequenzen unterdrückt werden können. Somit können zwar mit den jeweils festgelegten Frequenzen auftretende Resonanzen hochpräzise unterdrückt werden, aber es ist notwendig einen dynamischen Absorber für jede Frequenz vorzusehen. Um Resonanz über einem weiten Frequenzbereich unterdrücken zu können, müssen deshalb zusätzliche dynamische Absorber - etwa ein dritter und vierter dynamischer Absorber - vorgesehen werden. Aus diesem Grund ist es unumgänglich, dass die Struktur der Verbindungsstange und ihres Verbindungsstücks komplexer gestaltet und das Gewicht der Struktur erhöht wird. Da die maximale Anzahl von dynamischen Absorbern, die überhaupt vorgesehen werden können, begrenzt ist, ist darüber hinaus auch der Frequenzbereich, in dem Resonanz unterdrückt werden kann, begrenzt.
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Angesichts dessen unterliegt die vorliegende Erfindung der Aufgabe, eine Verbindungsstange bereitzustellen, die Resonanz in einem weiten Frequenzbereich unterdrücken kann und gleichzeitig eine simple Struktur hat, die das Gewicht der Verbindungsstange kaum erhöht.
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Die
US 2 281 349 A zeigt eine Verbindungsstange zur Koppelung eines sich im Inneren eines Motors hin und her bewegenden Kolbens mit einer rotierenden Kurbelwelle, wobei die Verbindungsstange eine stabförmige Stange, einen an einem Ende der Stange vorgesehenen und über einen Kolbenstift mit einem Kolben drehbar verbundenen kleineren Endteil und einen an dem gegenüberliegenden Ende der Stange vorgesehenen und über einen Kürbelzapfen mit der Kürbelwelle drehbar verbundenen größeren Endteil umfasst, wobei die Stange mit einem Reibungserzeugungsbereich versehen ist, in dem Reibung durch Verformung der Stange erzeugt wird.
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US 4 254 743 A offenbart ein Betriebsverfahren eines Verbrennungsmotors, um mechanische Energie im Motorzylinder während des Verbrennungsteils des Motorzyklus durch automatische Einstellung des Motorzylindervolumens zu erhalten.
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Lösung des Problems
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Die hierin offenbarte Technik betrifft eine Verbindungsstange, die einen sich im Inneren eines Motors hin und her bewegenden Kolben und eine rotierende Kurbelwelle miteinander koppelt.
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Die Verbindungsstange umfasst eine stabförmige Stange, einen kleineren Endteil, der an einem Ende der Stange vorgesehen und über einen Kolbenstift drehbar mit einem Kolben gekoppelt ist, und einen größeren Endteil, der an einem anderen Ende der Stange vorgesehen und über einen Kurbelzapfen drehbar mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Die Stange ist mit einem Reibungserzeugungsbereich versehen, in dem Reibung durch Verformung der Stange erzeugt wird.
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Genau genommen ist bei dieser Verbindungsstange die Stange mit einem Reibungserzeugungsbereich versehen, in dem Reibung durch Verformung der Stange erzeugt wird. Wenn sich die Stange verformt, wird somit durch die Reibung Reibungswärme in dem Reibungserzeugungsbereich erzeugt. Infolgedessen wird die Energie, die auf die Stange einwirkt, verringert, wodurch die Schwingung der Stange unterdrückt werden kann. Solange Reibung entsteht, können viele verschiedene Arten von Verformung (Ausdehnung und Kontraktion, Verbiegung, Verdrehung usw.) bewältigt und Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich unterdrückt werden. Da es ausreicht, einfach den Reibungserzeugungsbereich vorzusehen, ist eine komplizierte Struktur unnötig und das Gewicht der Verbindungsstange wird kaum erhöht. Verglichen mit dem Fall, in dem - wie in der bekannten Technik - ein dynamischer Absorber im Inneren des Kolbenstifts angeordnet ist, hat die Struktur, bei der die Stange mit einem den Reibungserzeugungsbereich bildenden Dämpfer versehen ist, zusätzlich den Effekt, dass das Gewicht, wenn sich der Kolben hin und her bewegt, reduziert werden kann.
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Die Verbindungsstange umfasst zusätzlich einen zumindest an der Stange angebrachten Dämpfer, wobei der Reibungserzeugungsbereich durch mindestens teilweises Pressen des Dämpfers und der Stange vorgesehen wird.
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Der Reibungserzeugungsbereich kann durch Verarbeitung der Verbindungsstange selbst vorgesehen werden. Alternativ kann der Reibungserzeugungsbereich auf eine einfachere Weise vorgesehen werden, nämlich indem ein Dämpfer auf solche Weise an der Verbindungsstange angebracht wird.
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Genau genommen ist der Dämpfer durch einen ersten fixierten Bereich und einen zweiten fixierten Bereich, die voneinander beabstandet sind, an der Verbindungsstange angebracht. Der erste fixierte Bereich und der zweite fixierte Bereich weisen unterschiedliche Montagefestigkeiten auf. In mindestens einem der zwei fixierten Bereiche kann Gleitreibung entstehen.
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Dank dieser Konfiguration kann Reibung von unterschiedlicher Reibungskraft über einen weiten Bereich der Stange erzeugt werden. Daher können Schwingungen über einen noch weiteren Frequenzbereich unterdrückt werden.
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In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste fixierte Bereich, in dem Gleitreibung entstehen kann und der eine niedrige Montagefestigkeit aufweist, in der Nähe des kleineren Endteils angeordnet ist und der zweite fixierte Bereich, der eine hohe Montagefestigkeit aufweist, in der Nähe des größeren Endteils angeordnet ist.
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Gemäß dieser Konfiguration kann der Reibungserzeugungsbereich in der Nähe des kleineren Endteils, der einen relativ hohen Verformungsgrad aufweist, vorgesehen werden. Daher können Schwingungen noch effektiver unterdrückt werden, da eine hohe Reibungswärme erzeugt wird.
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Der Dämpfer ist ein sich gebogen entlang der Stange erstreckendes flaches Element, wobei beide Enden des Dämpfers an der Stange angebracht sind und ein mittlerer Bereich des Dämpfers an die Stange gepresst ist.
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In diesem Fall ist der mittlere Bereich des Dämpfers in einem Zustand, in dem der mittlere Bereich über einen weiten Bereich in Oberflächenkontakt mit der Stange steht, an die Stange gepresst. Daher kann ein Reibungserzeugungsbereich, in dem Gleitreibung entstehen kann, in einem mittleren Bereich der Stange vorgesehen werden.
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Des Weiteren kann der Dämpfer ein sich gebogen entlang der Stange erstreckendes flaches Element sein, wobei ein mittlerer Bereich des Dämpfers an der Stange angebracht ist und beide Enden des Dämpfers an die Stange gepresst sind.
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In diesem Fall sind die Enden des Dämpfers an die Stange gepresst und Reibungserzeugungsbereiche, in denen Gleitreibung entstehen kann, können an beiden Enden der Stange vorgesehen werden.
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Darüber hinaus kann der Dämpfer in ein im Inneren der Stange ausgebildetes Langloch pressgepasst sein.
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Auch in diesem Fall ist der Dämpfer an eine Innenfläche des Langlochs gepresst. Daher kann die Stange mit einem Reibungserzeugungsbereich, in dem Gleitreibung entstehen kann, versehen werden.
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Vorteile der Erfindung
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Mithilfe der offenbarten Verbindungsstange kann Resonanz in einem weiten Frequenzbereich unterdrückt werden. Gleichzeitig hat die Verbindungsstange eine simple Struktur, die das Gewicht der Verbindungsstange kaum beeinträchtigt.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung, die als Beispiel einer bekannten Konfiguration die Umgebung von Verbindungsstangen in einem bekannten Motor zeigt.
- 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines der Kolbenstifte und einer der Verbindungsstangen, die in 1 als Beispiel einer bekannten Konfiguration gezeigt sind.
- 3 ist eine Querschnittsansicht der in 2 als Beispiel einer bekannten Konfiguration gezeigten Verbindungsstange.
- 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung einer Verbindungsstange gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
- 5 ist eine Querschnittsansicht der in 4 gezeigten Verbindungsstange.
- 6A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen eines Verifikationsexperiments.
- 6B ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen eines Verifikationsexperiments.
- 6C ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Ergebnissen eines Verifikationsexperiments.
- 7 ist eine schematische Darstellung eines Hauptteils einer Verbindungsstange gemäß einer ersten Variation.
- 8 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 7 gezeigten Linie VIII-VIII.
- 9 ist eine schematische Darstellung eines Hauptteils einer Verbindungsstange gemäß einer zweiten Variation.
- 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 9 gezeigten Pfeillinie X-X.
- 11 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils einer Verbindungsstange gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
- 12 ist eine Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines Variationsbeispiels der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
- 13 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils einer Verbindungsstange gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung dient im Wesentlichen zu Zwecken der Veranschaulichung und unterliegt nicht der Absicht, die vorliegende Erfindung, deren Einsatzmöglichkeiten oder deren Verwendungszwecke in jeglicher Weise einzuschränken. Soweit nicht anders vermerkt entsprechen in der nachfolgenden Beschreibung auf Richtungen verweisende Begriffe (wie „longitudinal“, „lateral“ und „vertikal“) den in 1 mit Pfeilen angedeuteten Richtungen. In dieser Zeichnung verläuft die Kurbelwelle in Längsrichtung (longitudinal).
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- Durch die Verbindungsstange verursachte Schwingungen -
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Unter Betrachtung eines bekannten Motors 100 als Beispiel wird nun erläutert, wie durch die Verbindungsstange verursachte Schwingungen entstehen.
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1 veranschaulicht einen Teil des bekannten Motors 100, welcher Kolben 110, Verbindungsstangen 120 und eine Kurbelwelle 130 beinhaltet. Des Weiteren veranschaulicht 2 vergrößert einen der Kolben 110 und eine der Verbindungsstangen 120. 3 ist eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Verbindungsstange 120.
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Der Motor 100 ist ein bekannter Motor, der in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist und eine Vielzahl von Zylindern hat, die in einer Reihe in Längsrichtung - also in die Richtung, in die die Kurbelwelle verläuft - angeordnet sind. Jeder der Zylinder umfasst einen zylinderförmigen Zylinder 101, der in seinem oberen Bereich mit einem Brennraum versehen ist. In jeden der Zylinder 101 ist jeweils einer der Kolben 110 gleitbar eingefügt. Jeder der Kolben 110 hat eine Oberseite, die eine Unterseite des dazugehörigen Brennraums definiert.
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Die Verbindungsstange 120 ist ein beispielsweise aus Stahl geschmiedetes Metallbestandteil mit hoher Steifigkeit. Die Verbindungsstange 120 umfasst eine stabförmige Stange 121, einen kleineren Endteil 122, welcher an einem Ende der Stange 121 angeordnet ist, und einen größeren Endteil 123, welcher an dem anderen Ende der Stange 121 angeordnet und größer als der kleinere Endteil 122 ist. Zur Gewichtseinsparung ist je eine entlang einer Mittellinie verlaufende Aussparung 121a mittig auf der Vorder- und Rückseite der Stange 121 ausgebildet. Die Stange 121 hat im Querschnitt im Wesentlichen die Form des Buchstaben „I“ und umfasst Rippen 121b und 121b an beiden Seiten der Aussparungen 121a.
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Der kleinere Endteil 122 und der größere Endteil 123 haben beide eine zylindrische Form, deren Mittellinie sich in Längsrichtung erstreckt. Ein schmales Stiftloch 122a ist in dem kleineren Endteil 122 ausgebildet und perforiert den kleineren Endteil 122 longitudinal. Ein breites Stiftloch 123a, das einen größeren Durchmesser als das schmale Stiftloch 122a hat, ist in dem größeren Endteil 123 ausgebildet und perforiert den größeren Endteil 123 longitudinal. Der größere Endteil 123 kann an seinem vertikalen Mittelabschnitt in zwei Bestandteile mit einem halbkreisförmigen Querschnitt aufgeteilt werden, nämlich in einen oberen Teil 123U des größeren Endteils 123 und einen unteren Teil 123L des größeren Endteils 123. Der größere Endteil 123 wird in ein Stück zusammengesetzt, indem der untere Teil 123L mit dem oberen Teil 123U zusammengebracht wird und die beiden Teile mit Bolzen befestigt werden.
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Bolzenaugen (boss parts) 111 sind am Boden des Kolbens 110 vorgesehen. Beide Enden des säulenförmigen Kolbenstifts 112 sind rotierbar durch die Bolzenaugen 111 gestützt. Ein Mittelteil des Kolbenstifts 112 ist rotierbar in das schmale Stiftloch 122a eingefügt, wodurch der kleinere Endteil 122 über den Kolbenstift 112 rotierbar mit dem Kolben 110 gekoppelt ist.
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Die Kurbelwelle 130 hat einen Kurbelzapfen 131, der an einer in Radialrichtung vom Rotationszentrum der Kurbelwelle 130 entfernten Stelle angeordnet ist. Der Kurbelzapfen 131 ist rotierbar in das breite Stiftloch 123a eingefügt, wodurch der größere Endteil 123 über den Kurbelzapfen 131 rotierbar mit der Kurbelwelle 130 gekoppelt ist.
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Die Bereiche zwischen den Bolzenaugen 111 und dem Kolbenstift 112, der Bereich zwischen dem kleineren Endteil 122 und dem Kolbenstift 112 und der Bereich zwischen dem größeren Endteil 123 und dem Kurbelzapfen 131 werden mit einem Schmiermittel versehen, um in diesen Bereichen Schmiermittelschichten zu bilden. Durch die Schmiermittelschichten wird gewährleistet, dass die Verbindungsstange 120 ruckfrei arbeitet.
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Wenn der Motor 100 in Betrieb ist, wird ein Verbrennungszyklus (Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Ausstoßtakt) im Brennraum eines jeden der Zylinder wiederholt und jeder der Kolben 110 bewegt sich im Inneren des dazugehörigen Zylinders 101 hin und her. Die hin- und hergehende Bewegung der Kolben 110 wird über die Verbindungsstangen 120 auf die Kurbelwelle 130 übertragen. Infolgedessen rotiert die Kurbelwelle 130 und ihre Triebkraft wird an die Antriebsräder des Fahrzeugs abgegeben.
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Während des Arbeitstakts wird der Kolben 110 mit einer großen Kraft nach unten zu der Kurbelwelle 130 geschoben. Somit wirkt eine große Belastung auf die Verbindungsstange 120. Wie mit den Pfeilen in 2 und 3 verdeutlicht, wird die Stange 121 dadurch zyklisch auf unterschiedliche Arten verformt: Die Stange 121 dehnt sich und kontrahiert vertikal, wird lateral und vertikal verbogen und um ihre Mittellinie herum verdreht. Diese zyklischen Verformungen werden von Schwingungen, die die Stange 121 mit unterschiedlichen Frequenzen erzittern lassen, begleitet. Da diese Schwingungen Resonanz zur Folge haben, werden problematische Schwingungen und Störgeräusche in dem Motor 100 verursacht.
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Als Gegenmaßnahme zur Unterdrückung solcher Schwingungen, die mit einer bestimmten Frequenz auftreten und eine solche Resonanz verursachen, werden derzeit dynamische Absorber an der Verbindungsstange und deren Verbindungsstück angebracht. Allerdings ist es bei dieser Methode - wie vorstehend beschrieben - notwendig, mehrere dynamische Absorber anzubringen. Darüber hinaus ist auch der Frequenzbereich, in dem Resonanz unterdrückt werden kann, begrenzt.
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Daher haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Methode zur Schwingungsunterdrückung entwickelt, bei der die auf die Verbindungsstange einwirkende Belastung mithilfe von Reibungswärme zerstreut wird. Konkret wird die Stange mit Bereichen (Reibungserzeugungsbereichen) versehen, die sich relativ zueinander verschieben, während sie aneinander liegen, und dadurch Reibung erzeugen. Infolgedessen wird durch die Verformung der Stange Reibung in den Reibungserzeugungsbereichen erzeugt. Dadurch kann die auf die Verbindungsstange einwirkende Belastung in Reibungswärme umgewandelt und zerstreut werden.
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Um diese Methode zur Schwingungsunterdrückung zu verifizieren, wurde ein Verifikationsexperiment durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund von diversen Verformungen der Stange erzeugte Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich mithilfe der Methode zur Schwingungsunterdrückung unterdrückt werden können. Konkrete Beispiele sind nachfolgend beschrieben.
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- Erste Ausführungsform -
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4 und 5 zeigen eine Verbindungsstange 20 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Verbindungsstange 20 und die oben beschriebene Verbindungsstange 120 des bekannten Motors sind untereinander austauschbar und haben denselben grundlegenden Aufbau.
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Genau genommen ist die Verbindungsstange 20 ein beispielsweise aus Stahl geschmiedetes Metallbestandteil mit hoher Steifigkeit. Die Verbindungsstange 20 umfasst eine stabförmige Stange 21, einen kleineren Endteil 22, welcher an einem Ende der Stange 21 angeordnet ist, und einen größeren Endteil 23, welcher an dem anderen Ende der Stange 21 angeordnet und größer als der kleinere Endteil 22 ist. Je eine Aussparung 21a, die an ihren beiden Seiten längliche Rippen 21b und 21b hat, ist mittig auf der Vorder- und Rückseite der Stange 21 ausgebildet. Die Stange 21 hat im Querschnitt im Wesentlichen die Form des Buchstaben „I“.
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Ein schmales Stiftloch 22a ist in dem kleineren Endteil 22 ausgebildet. Ein breites Stiftloch 23a, das einen größeren Durchmesser als das schmale Stiftloch 22a hat, ist in dem größeren Endteil 23 ausgebildet. Der größere Endteil 23 wird in ein Stück zusammengesetzt, indem ein unterer Teil 23L des größeren Endteils 23 mit einem oberen Teil 23U des größeren Endteils 23 zusammengebracht wird und die beiden Teile mit Bolzen befestigt werden.
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Die Verbindungsstange 20 ist zusätzlich mit einer Dämpfungsplatte 50 (ein Beispiel für einen Dämpfer) versehen, die eine flache Form hat und an der Stange 21 und am oberen Teil des größeren Endteils 23 angebracht ist. Die Verbindungsstange 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit zwei Dämpfungsplatten 50 versehen: Eine der Dämpfungsplatten 50 ist an der Vorderseite der Verbindungsstange 20 und eine an deren Rückseite angebracht.
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Insbesondere sind die Dämpfungsplatten 50 beispielsweise aus Stahl gefertigte Metallplatten, die im Wesentlichen die Form des Buchstaben „Y“ oder des Buchstaben „T“ haben. Die Dämpfungsplatten 50 umfassen einen länglichen sich erstreckenden Teil 51, der sich entlang der Stange 21 erstreckt, und ein Paar Füße 52 und 52, die vom unteren Ende des sich erstreckenden Teils 51 ausgehend zu beiden Seiten hervorstehen. Der sich erstreckende Teil 51 hat im Wesentlichen dieselbe Form und dieselben Maße wie die Vorder- beziehungsweise Rückseite der Stange 21, sodass der sich erstreckende Teil 51 der Vorder- beziehungsweise Rückseite der Stange 21 entspricht und diese überdeckt. Die Füße 52 und 52 haben im Wesentlichen dieselbe Form und dieselben Maße wie die Seitenfläche des vorderen beziehungsweise hinteren oberen Teils des größeren Endteils 23, sodass die Füße 52 und 52 der Seitenfläche des vorderen beziehungsweise hinteren oberen Teils des größeren Endteils 23 entsprechen und diese überdecken.
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Erste Bolzendurchgangslöcher 53 sind in Randbereichen des oberen Endes und des mittleren Bereichs des sich erstreckenden Teils 51 ausgebildet. Zweite Bolzendurchgangslöcher 54 sind in den hervorstehenden Enden der beiden Füße 52 und 52 ausgebildet. Den ersten Bolzendurchgangslöchern 53 entsprechend sind erste Bolzenbefestigungslöcher 24 an mehreren Stellen der Rippen 21b der Stange 21 ausgebildet. Den zweiten Bolzendurchgangslöchern 54 entsprechend sind zweite Bolzenbefestigungslöcher 25 an zwei Stellen ausgebildet, nämlich jeweils eines in der Seitenfläche des vorderen oberen Teils und eines in der Seitenfläche des hinteren oberen Teils des größeren Endteils 23.
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Die Dämpfungsplatten 50 sind so angeordnet, dass sie den oberen Teil des größeren Endteils 23 und die Seitenfläche der Stange 21 bedecken. Die Dämpfungsplatten 50 werden fixiert, indem Bolzen B, von denen jeweils einer durch jedes der ersten und zweiten Bolzendurchgangslöcher 53 und 54 geführt wird, in den entsprechenden ersten und zweiten Bolzenbefestigungslöchern 24 und 25 festgeschraubt werden. Auf diese Weise werden die Dämpfungsplatten 50 auf die Stange 21 und den oberen Teil des größeren Endteils 23 gepresst.
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Alternativ können die ersten und zweiten Bolzenbefestigungslöcher 24 und 25 als Durchgangsbohrungen ausgestaltet sein und durch die Vorder- und Rückseite der Stange 21 dringen. In diesem Fall werden Bolzen, die durch jedes der ersten und zweiten Bolzendurchgangslöcher 53 und 54 der Dämpfungsplatte 50 auf einer Seite geführt worden sind, durch jedes der ersten und zweiten Bolzenbefestigungslöcher 24 und 25 und jedes der ersten und zweiten Bolzendurchgangslöcher 53 und 54 der Dämpfungsplatte 50 auf der anderen Seite geführt. Die Bolzen, die nun aus jedem der ersten und zweiten Bolzendurchgangslöcher 53 und 54 herausragen, werden mit Muttern festgeschraubt und fixiert.
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Jeder fixierte Bereich (erste fixierte Bereiche), der durch das Verbinden der ersten Bolzendurchgangslöcher 53 mit den ersten Bolzenbefestigungslöchern 24 entsteht, hat eine andere Montagefestigkeit als jeder fixierte Bereich (zweite fixierte Bereiche), der durch das Verbinden der zweiten Bolzendurchgangslöcher 54 mit den zweiten Bolzenbefestigungslöchern 25 entsteht. Die zweiten fixierten Bereiche weisen eine höhere Montagefestigkeit auf als die ersten fixierten Bereiche. Es sei angemerkt, dass die Montagefestigkeit die Stärke ist, mit der die Dämpfungsplatten 50 an der Verbindungsstange 20 angebracht sind. Bei der Verbindungsstange 20 gemäß dieser Ausführungsform entspricht die Axialkraft, mit der die Bolzen festgeschraubt sind, der Montagefestigkeit.
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Genau genommen weisen die zweiten fixierten Bereiche eine so hohe Montagefestigkeit auf, dass die Füße 52 und 52 nicht an dem größeren Endteil 23 reiben können. In Gegensatz dazu weisen die ersten fixierten Bereiche eine relativ niedrige Montagefestigkeit auf, sodass der sich erstreckende Teil 51 gleitend an der Stange 21 reiben kann. Demzufolge ist ein Bereich der Dämpfungsplatten 50 in der Nähe des kleineren Endteils 22 mit einem Reibungserzeugungsbereich 60, in dem Reibung infolge von Verformungen der Stange 21 entsteht, versehen. (In 4 und weiteren Zeichnungen ist ein Hauptbereich des Reibungserzeugungsbereichs 60 gezeigt.)
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Wenn die Verbindungsstange 20 einer großen Belastung ausgesetzt ist, sodass sich die Stange 21 verformt, entsteht folglich Reibungswärme aufgrund der Reibung eines anliegenden Bereichs, der sich in einem Bereich der Dämpfungsplatte 50 in der Nähe des kleineren Endteils 22 befindet, welcher so fixiert ist, dass in dem Bereich Gleitreibung entstehen kann. Infolgedessen wird die Energie, die auf die Stange 21 einwirkt, verringert, wodurch die Schwingung der Stange 21 unterdrückt werden kann.
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Reibung kann durch dreidimensionale Verformung des anliegenden Bereichs entstehen. Aus diesem Grund können viele verschiedene Arten von Verformung (Ausdehnung und Kontraktion, Verbiegung, Verdrehung usw.) bewältigt und Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich unterdrückt werden. Da Bereiche der Stange 21, in denen sich die Stange 21 verformt, einfach mit dem Reibungserzeugungsbereich 60 versehen werden, ist die Bereitstellung einer komplizierten Struktur unnötig und das Gewicht der Verbindungsstange wird kaum erhöht. Wenn sich der Kolben während des Betriebs des Motors hin und her bewegt, wirkt darüber hinaus das Gewicht der Umdrehung auf den größeren Endteil 23, während das Gewicht der hin- und hergehenden Bewegung auf den kleineren Endteil 22 wirkt. Verglichen mit dem Fall, in dem - wie in der bekannten Technik - ein dynamischer Absorber im Inneren des Kolbenstifts in der Nähe des kleineren Endteils angeordnet ist, hat die Struktur, bei der die Stange 21 mit den Dämpfungsplatten 50 ausgestattet ist, daher auch den Effekt, dass das Gewicht der hin- und hergehenden Bewegung reduziert werden kann.
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Indem die Montagefestigkeit an dem kleineren Endteil 22 der Stange 21 gering gehalten wird, während die Montagefestigkeit an dem größeren Endteil 23 der Stange 21 hoch gehalten wird, kann der Reibungserzeugungsbereich 60 in der Nähe des kleineren Endteils 22, das einen relativ hohen Verformungsgrad aufweist, vorgesehen werden. Daher können Schwingungen noch effektiver unterdrückt werden, indem eine hohe Reibungswärme erzeugt wird. Da Reibung von unterschiedlicher Reibungskraft über einen weiten Bereich der Vorder- und Rückseite der Stange 21 erzeugt werden kann, können Schwingungen über einen noch weiteren Frequenzbereich unterdrückt werden.
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Verifikationsexperiment
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Im Rahmen eines Experiments wurde die Verbindungsstange 20 gemäß der ersten Ausführungsform an einem Motor angebracht und der Motor wurde unter vorbestimmten Bedingungen (z. B. Hubvolumen: ca. 2000 cc; Drehzahl: 2000 rmp; Motorbelastung: Pe900 kPa; Anziehdrehmoment des ersten fixierten Bereichs: 0,8 N; Anziehdrehmoment des zweiten fixierten Bereichs: 1 N) in Gang gesetzt. Die Schwingungsstärke wurde separat für jede Frequenz mit Hilfe eines an der Stange 21 angebrachten Beschleunigungssensors gemessen.
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6A bis 6C zeigen die Ergebnisse dieses Verifikationsexperiments. 6A zeigt die Messergebnisse longitudinaler Schwingungen. 6B zeigt die Messergebnisse lateraler Schwingungen. 6C zeigt die Messergebnisse vertikaler Schwingungen. Die Strichlinien deuten Messergebnisse an, die sich auf eine bekannte Verbindungsstange beziehen, die mit keinerlei Maßnahme zur Schwingungsunterdrückung versehen ist (Vergleichsbeispiel).
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Wie jede dieser Zeichnungen erkennen lässt, konnte verifiziert werden, dass longitudinale, laterale und vertikale Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich unterdrückt werden können. Folglich ist es deutlich geworden, dass dank dieser Methode zur Schwingungsunterdrückung Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich, die aufgrund von diversen Verformungen der Stange auftreten, unterdrückt werden können.
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Je nach den jeweiligen Spezifikationen sind verschiedene Konfigurationen einer Verbindungsstange, die diese Methode zur Schwingungsunterdrückung materialisiert, denkbar. Beispielsweise kann im Falle der Verbindungsstange 20 gemäß der ersten Ausführungsform die Dämpfungsplatte 50 nur für die Stange 21 vorgesehen sein oder nur auf deren Vorder- oder nur auf deren Rückseite angebracht sein. Die Anzahl und die Positionen der fixierten Bereiche können reguliert werden, ebenso wie die Montagefestigkeit. Das Material, aus dem der Dämpfer gefertigt ist, ist nicht auf Metall beschränkt und kann beispielsweise Keramik oder Harz sein.
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Nachstehend werden grundlegende Variationsbeispiele und andere Ausführungsformen einer solchen Verbindungsstange beschrieben.
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Erste Variation
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7 und 8 zeigen eine Variation der Verbindungsstange 20 (eine Verbindungsstange 20A) gemäß der ersten Ausführungsform. Dämpfungsplatten 50A gemäß dieser Variation haben die Form eines Streifens und sind in den Aussparungen 21a, von denen jeweils eine auf der Vorder- und eine auf der Rückseite der Stange 21 ausgebildet ist, angebracht. Die Dämpfungsplatten 50A sind jeweils mit einem ersten Bolzendurchgangsloch 53A mit einem kleinen Durchmesser versehen, welches in einem Endteil der jeweiligen Dämpfungsplatte 50A in der Nähe des kleineren Endteils 22 ausgebildet ist. Die Dämpfungsplatten 50A sind mit einem zweiten Bolzendurchgangsloch 54A versehen, welches einen größeren Durchmesser als das erste Bolzendurchgangsloch 53A hat und in einem Endteil der jeweiligen Dämpfungsplatte 50A in der Nähe des größeren Endteils 23 ausgebildet ist.
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Jede der Aussparungen 21a ist auf ihrer Bodenfläche mit einer anliegenden Fläche 27 versehen, die über einen weiten Bereich an der jeweiligen Dämpfungsplatte 50A anliegt. Dem ersten Bolzendurchgangsloch 53A und dem zweiten Bolzendurchgangsloch 54A entsprechend sind ferner ein erstes Bolzenbefestigungsloch 24A und ein zweites Bolzenbefestigungsloch 25A in der Bodenfläche der Aussparung 21a ausgebildet und dringen longitudinal durch die Aussparungen 21a.
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Die auf beiden Seiten der Stange 21 angeordneten Dämpfungsplatten 50A werden fixiert, indem Muttern N auf Spitzen von Bolzen B, von denen jeweils einer in das erste Bolzendurchgangsloch 53A auf der einen Seite, das erste Bolzenbefestigungsloch 24A und das erste Bolzendurchgangsloch 53A auf der anderen Seite und einer in das zweite Bolzendurchgangsloch 54A auf der einen Seite, das zweite Bolzenbefestigungsloch 25A und das zweite Bolzendurchgangsloch 54A auf der anderen Seite geführt werden und daraus hervorragen, festgeschraubt werden. Für die zweiten Bolzendurchgangslöcher und das zweite Bolzenbefestigungsloch werden ein größerer Bolzen B und eine größere Mutter N verwendet als für die ersten Bolzendurchgangslöcher und das erste Bolzenbefestigungsloch. Der größere Bolzen B und die größere Mutter N werden mit einem höheren Anziehdrehmoment festgeschraubt.
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Auf diese Weise wird jede der Dämpfungsplatten 50A durch Oberflächenkontakt über einen weiten Bereich auf die Bodenfläche der jeweiligen Aussparung 21a gepresst. Der Abschnitt der Dämpfungsplatten 50A in der Nähe des kleineren Endteils 22 ist mit dem Reibungserzeugungsbereich 60, in dem Gleitreibung entstehen kann, versehen. Im Fall der Verbindungsstange 20A gemäß dieser Variation kann eine weitere Gewichtseinsparung erreicht werden und Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich können mit Hilfe einer simplen Struktur unterdrückt werden. Diese Konfiguration ist des Weiteren insofern vorteilhaft, als die Dämpfungsplatten 50A in den Aussparungen 21a angeordnet sind - und somit kein Hindernis darstellen - und die Bolzen B auf stabile Weise festgeschraubt werden können.
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Zweite Variation
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9 und 10 zeigen eine Verbindungsstange 20 (eine Verbindungsstange 20B) gemäß einer zweiten Variation. In dieser Variation sind Dämpfungsplatten 50B nicht auf der Vorder- und Rückseite der Stange 21, sondern jeweils eine auf der linken und auf der rechten Seitenfläche der Stange 21 angebracht. Jede der Dämpfungsplatten 50B hat die Form eines Streifens, der der linken beziehungsweise der rechten Seitenfläche der Stange 21 entspricht und diese überdeckt. Jede der Dämpfungsplatten 50B ist in einem in der Nähe des kleineren Endteils 22 angeordneten Endteil mit einem ersten Bolzendurchgangsloch 53B und in einen in der Nähe des größeren Endteils 23 angeordneten Endteil mit einem zweiten Bolzendurchgangsloch 54B versehen.
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Anliegende Flächen 28, die über einen weiten Bereich an den Dämpfungsplatten 50B anliegen, sind je auf der linken und rechten Seitenfläche der Stange 21 vorgesehen. Dem ersten Bolzendurchgangsloch 53B und dem zweiten Bolzendurchgangsloch 54B entsprechend sind ferner ein erstes Bolzenbefestigungsloch 24B und ein zweites Bolzenbefestigungsloch 25B in der Quermitte der linken und rechten Seitenfläche der Stange 21 ausgebildet und dringen durch die Stange 21.
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Die auf der linken beziehungsweise rechten Seitenfläche der Stange 21 angeordneten Dämpfungsplatten 50B werden fixiert, indem Muttern N auf den Spitzen von Bolzen B, von denen jeweils einer in das erste Bolzendurchgangsloch 53B auf der einen Seite, das erste Bolzenbefestigungsloch 24B und das erste Bolzendurchgangsloch 53B auf der anderen Seite und einer in das zweite Bolzendurchgangsloch 54B auf der einen Seite, das zweite Bolzenbefestigungsloch 25B und das zweite Bolzendurchgangsloch 54B auf der anderen Seite geführt werden und daraus hervorragen, festgeschraubt werden. Der Bolzen in den zweiten Bolzendurchgangslöchern und in dem zweiten Bolzenbefestigungsloch ist mit einem höheren Anziehdrehmoment festgeschraubt als der Bolzen in den ersten Bolzendurchgangslöchern und in dem ersten Bolzenbefestigungsloch.
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Demzufolge werden die Dämpfungsplatten 50B durch Oberflächenkontakt über einen weiten Bereich auf die linke beziehungsweise rechte Seitenfläche der Stange 21 gepresst und der Reibungserzeugungsbereich 60, in dem Gleitreibung entstehen kann, wird in der Nähe des kleineren Endteils 22 vorgesehen. Im Fall der Verbindungsstange 20B gemäß dieser Variation können die Dämpfungsplatten 50B breiter gestaltet werden als im Fall der Verbindungsstange 20A gemäß der ersten Variation. Dadurch kann die Verbindungsstange 20B mit einem weiten Reibungserzeugungsbereich 60 versehen werden. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass genügend Freiraum um die Köpfe der Bolzen B und die Muttern N geschaffen werden kann, was eine hervorragende Bearbeitbarkeit mit sich bringt.
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- Zweite Ausführungsform -
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11 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbindungsstange 20 (eine Verbindungsstange 20C). In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform werden die Dämpfungsplatten auf die Stange 21 gepresst. Somit wird von der Axialkraft der Bolzen Gebrauch gemacht. In der zweiten Ausführungsform wird dagegen von der elastischen Kraft der Dämpfungsplatten Gebrauch gemacht.
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Die Dämpfungsplatten und die Verbindungsstange haben dieselbe grundlegende Struktur wie in der ersten Variation. Zum Beispiel haben Dämpfungsplatten 50C die Form eines Streifens und je eine Dämpfungsplatte 50C ist in einer der Aussparungen 21a, von denen jeweils eine auf der Vorder- und eine auf der Rückseite der Stange 21 ausgebildet ist, angebracht. Allerdings sind die Dämpfungsplatten 50C der Verbindungsstange 20C kreisbogenförmig in Dickenrichtung des Streifens gebogen und umfassen beispielsweise ein aus Stahl gefertigtes elastisches Federelement.
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Die Dämpfungsplatten 50C sind in ihren in der Nähe des kleineren Endteils 22 angeordneten Endteilen jeweils mit einem ersten Bolzendurchgangsloch 53C und in ihren in der Nähe des größeren Endteils 23 angeordneten Endteilen jeweils mit einem zweiten Bolzendurchgangsloch 54C versehen. Das zweite Bolzendurchgangsloch 54C kann denselben oder einen größeren Durchmesser haben als das erste Bolzendurchgangsloch 53C.
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Dem ersten Bolzendurchgangsloch 53C und dem zweiten Bolzendurchgangsloch 54C entsprechend sind ferner ein erstes Bolzenbefestigungsloch 24C und ein zweites Bolzenbefestigungsloch 25C in der Bodenfläche der Aussparung 21a ausgebildet und dringen longitudinal durch die Aussparung 21a. In einem Zustand, in dem die hervorstehenden Seiten der gebogenen Mittelabschnitte der Dämpfungsplatten 50C auf die Bodenfläche der jeweiligen Aussparung 21a gerichtet sind, werden die Dämpfungsplatten 50C, die an beiden Seiten der Stange 21 angeordnet sind, fixiert, indem Muttern N auf den Spitzen von Bolzen B, von denen jeweils einer in das erste Bolzendurchgangsloch 53C auf der einen Seite, das erste Bolzenbefestigungsloch 24C, und das erste Bolzendurchgangsloch 53C auf der anderen Seite und einer in das zweite Bolzendurchgangsloch 54C auf der einen Seite, das zweite Bolzenbefestigungsloch 25C und das zweite Bolzendurchgangsloch 54C auf der anderen Seite geführt werden und daraus hervorragen, festgeschraubt werden. Bei dieser Konfiguration werden die Bolzen B in beiden Lochreihen steif - also so, dass keine Reibung entstehen kann - mit demselben Anziehdrehmoment festgeschraubt.
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Demzufolge werden die mittleren Bereiche der Dämpfungsplatten 50C in einem Zustand, in dem sie über einen weiten Bereich in Oberflächenkontakt stehen, auf die Bodenflächen der Aussparungen 21a gepresst und der Reibungserzeugungsbereich 60, in dem Gleitreibung entstehen kann, wird im mittleren Bereich der Stange 21 vorgesehen. Die Verbindungsstange 20C kann besonders effektiv bei Verformungen eingesetzt werden, die durch eine longitudinale Verbiegung der Stange 21 entstehen, wodurch der mittlere Bereich der Stange 21 stark verformt wird.
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Variation
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12 zeigt eine Variation der zweiten Ausführungsform der Verbindungsstange 20 (eine Verbindungsstange 20D). In dieser Variation sind gebogene Dämpfungsplatten 50D andersherum an der Stange 21 angebracht. Das heißt, dass die Dämpfungsplatten 50D so an der Stange 21 angebracht sind, dass die konkav gewölbten Seiten ihrer gebogenen Mittelabschnitte auf die Bodenfläche der jeweiligen Aussparung 21a gerichtet sind.
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Konkret ist jeweils ein Bolzendurchgangsloch 55 in den longitudinalen mittleren Abschnitten der Dämpfungsplatten 50D ausgebildet. Den Bolzendurchgangslöchern 55 entsprechend ist ein Bolzenbefestigungsloch 29 in der Bodenfläche der Aussparung 21a ausgebildet und dringt longitudinal durch die Aussparung 21a. In einem Zustand, in dem die konkav gewölbten Seiten der gebogenen Mittelabschnitte der Dämpfungsplatten 50D auf die Bodenfläche der jeweiligen Aussparung 21a gerichtet sind, werden die Dämpfungsplatten 50D, die an beiden Seiten der Stange 21 angeordnet sind, fixiert, indem eine Mutter N auf der Spitze eines Bolzens B, der in das Bolzendurchgangsloch 55 auf der einen Seite, das Bolzenbefestigungsloch 29 und das Bolzendurchgangsloch 55 auf der anderen Seite geführt wird und daraus hervorragt, festgeschraubt wird.
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Demzufolge werden die beiden Enden der Dämpfungsplatten 50D durch Linien- oder Oberflächenkontakt auf die Bodenfläche der Aussparung 21a gepresst. Bereiche der Dämpfungsplatten 50D in der Nähe der beiden Enden der Stange 21 sind mit den Reibungserzeugungsbereichen 60, in denen Gleitreibung entstehen kann, versehen.
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- Dritte Ausführungsform -
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13 zeigt eine dritte Ausführungsform der Verbindungsstange 20 (eine Verbindungsstange 20E). In dieser Ausführungsform wird ein stabförmiges Element (Dämpfungsstange 70) als Dämpfer verwendet. Der Reibungserzeugungsbereich 60 wird durch Presspassung des Dämpfers vorgesehen.
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Konkret ist ein Langloch 71, das sich so erstreckt, dass es durch einen Bereich zwischen dem schmalen Stiftloch 22a und dem breiten Stiftloch 23a dringt, im Inneren der Stange 21 ausgebildet. Die Dämpfungsstange 70 umfasst einen metallischen Stabkörper 70a, der durch das Langloch 71 geführt werden kann, und pressgepasste Teile 70b, die voneinander beabstandet an beiden Enden der Dämpfungsstange 70 angebracht sind. Die pressgepassten Teile 70b haben einen Außendurchmesser, der größer ist als der Innendurchmesser des Langlochs 71.
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Die Dämpfungsstange 70 ist in das Langloch 71 pressgepasst und im Inneren der Stange 21 fixiert. Dadurch werden die pressgepassten Teile 70b an beiden Enden der Dämpfungsstange 70 auf die Innenfläche des Langlochs 71 gepresst. Die Reibungserzeugungsbereiche 60, in denen Gleitreibung entstehen kann, sind an beiden Enden der Stange 21 vorgesehen.
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Die Verbindungsstangen in jeder der Ausführungsformen und Variationen sind allesamt mit dem Reibungserzeugungsbereich 60 versehen. Daher entsteht Reibungswärme durch die Verformung der Stange 21 und die auf die Verbindungsstange einwirkende Belastung kann in Reibungswärme umgewandelt und zerstreut werden. Infolgedessen können Schwingungen der Stange 21, die aufgrund von verschiedenen Arten von Verformung entstehen, und Resonanz, die in einem weiten Frequenzbereich entsteht, unterdrückt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Verbindungsstange
- 21
- Stange
- 22
- kleinerer Endteil
- 23
- größerer Endteil
- 50
- Dämpfungsplatte (Dämpfer)
- 60
- Reibungserzeugungsbereich
