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Die Erfindung betrifft einen Schwingungstilger.
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Aus dem Stand der Technik sind Schwingungstilger zum Absorbieren bzw. Dämpfen von Körperschallschwingungen eines vibrierenden Körpers bekannt. Zum Dämpfen einer solchen Vibration bzw. Schwingung wird der Schwingungstilger mit dem zu bedämpfenden Körper gekoppelt. Um die Schwingung effektiv zu dämpfen muss dabei die sogenannte Eigenfrequenz des Schwingungstilgers auf die zu eliminierende Schwingungsfrequenz des Körpers eingestellt werden.
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DE 31 13 268 C2 beschreibt einen Schwingungsabsorber zur Körperschalldämpfung mit einem Wellenleiter in Form eines sich in Wellenlaufrichtung verjüngenden, Steifigkeitssprünge aufweisenden Hornteils, welcher zumindest mit dem breiteren Ende mit einem zu bedämpfenden Körper kraftschlüssig verbindbar ist und welcher zumindest im Bereich des schmaleren Endes ein Dämpfungsmaterial aufweist.
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DE 19 78 883 U beschreibt einen Drehschwingungsdämpfer für Wellen mit einem konzentrisch zur Wellendrehachse liegenden Triebteil und zwei konzentrisch zum Triebteil angeordneten Dämpfungsmassen, von denen eine elastisch an das Triebteil gekoppelt ist.
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DE 10 2007 052 316 B3 beschreibt einen Schwingungstilger zur Anordnung an einer Kardanwelle, umfassend eine Nabe, an welcher mittels eines ersten Elastomerbereichs eine erste Tilgermasse angeordnet ist, wobei an der Nabe durch einen zweiten Elastomerbereich eine zweite Tilgermasse angeordnet ist, welche relativ zur ersten Tilgermasse bewegbar ist.
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Die Frequenzen der Schwingungen des zu bedämpfenden Körpers können jedoch eine große Bandbreite aufweisen. Ebenfalls können die Schwingungen des zu bedämpfenden Körpers stochastischer oder impulshafter Natur sein oder bei mehreren diskreten Frequenzen auftreten. Ferner kann der zur Verfügung stehende Bauraum zum Anbringen des Schwingungstilgers an den zu bedämpfenden Körper beschränkt sein. Zudem kann die Herstellung und Montage eines an die zu bedämpfenden Schwingungen und an den zur Verfügung gestellten Bauraum angepassten Schwingungstilgers sehr aufwendig sein.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Schwingungstilger bereitzustellen, der in einem großen Frequenzbereich bzw. bei stochastischer oder impulshafter Schwingungsanregung gute Tilgungseigenschaften aufweist, der kompakt in der Bauweise ist, einfach auf einer Struktur zu applizieren ist und der in der Herstellung einfach an die jeweiligen Betriebsbedingungen anpassbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Schwingungstilger bereitgestellt, der ein Befestigungselement zum Befestigen an ein Bauteil, eine Mehrzahl ringförmiger Tilgermassen, und eine Mehrzahl Federelemente aufweist, wobei die Mehrzahl Tilgermassen und die Mehrzahl Federelemente einen Tilgerhauptkörper bilden, wobei die Tilgermassen ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei zwischen zwei Tilgermassen jeweils ein Federelement angeordnet ist, und wobei der Tilgerhauptkörper über eines der Federelemente derart mit dem Befestigungselement verbunden ist, dass die Mehrzahl Tilgermassen in einer axialen Richtung, insbesondere einer gemeinsamen axialen Richtung, schwingfähig sind.
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Zudem können die einzelnen Tilgermassen auch vertikal zu der gemeinsamen axialen Richtung schwingungsfähig sein. Die gemeinsame axiale Richtung ist beispielsweise vertikal zu der zu bedämpfenden Oberfläche ausgerichtet. Die gemeinsame axiale Richtung kann aber auch in einer beliebigen Richtung zu der zu bedämpfenden Oberfläche bzw. Struktur ausgerichtet sein.
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Der Schwingungstilger kann mittels des Befestigungselements mit einem Bauteil verbunden sein. Eine Schwingung oder Vibration des Bauteils ist folglich mittels des Befestigungselements auf den Tilgerhauptkörper übertragbar. Dazu ist der Tilgerhauptkörper über eines der Federelemente mit dem Befestigungselement verbunden. Das Befestigungselement kann den Tilgerhauptkörper, insbesondere vollständig in radialer Richtung, umgeben, wobei das Befestigungselement, ebenso wie die Tilgermassen, ringförmig gebildet sein kann. Das Befestigungselement kann einen Flanschring aufweisen, mittels dem das Befestigungselement an dem Bauteil befestigbar ist, etwa mittels Verschrauben oder Vernieten. Die Verbindung zwischen Bauteil und Befestigungselement ist jedoch nicht auf eine Schraub- oder Nietverbindung beschränkt sondern kann grundsätzlich als jedwede lösbare, bedingt lösbare oder unlösbare Verbindung, wie beispielsweise Verkleben oder Verschweißen, gebildet sein. Ebenfalls ist eine Verklipsung möglich. Das Befestigungselement kann aus Metall oder Kunststoff bestehen.
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Alternativ zu einem ringförmigen Befestigungselement kann auch ein stift- oder stabförmig gebildetes Befestigungselement vorgesehen werden, wobei dann der Tilgerhauptkörper das Befestigungselement umgebend gebildet sein kann. In diesem Fall kann das stift- oder stabförmig gebildete Befestigungselement eine, vorzugsweise axiale, Ausnehmung oder Bohrung aufweisen, mittels der das Befestigungselement an dem Bauteil befestigbar ist, etwa mittels Verschrauben, Vernieten oder jedweder lösbaren, bedingt lösbaren oder unlösbaren Verbindung, wie beispielsweise Verkleben oder Verschweißen. Allen Befestigungselementen kann gemeinsam sein, dass sie eine Fixierung des Tilgerhauptkörpers ermöglichen, sodass dieser insbesondere senkrecht zu der zu bedämpfenden Oberfläche schwingen kann. Dies ist insbesondere für zu bedämpfende, schwingende Plattenoberflächen sinnvoll. Je nach dem zu bedämpfenden Bauteil bzw. der zu bedämpfenden Schwingung kann die Mehrzahl Tilgermassen derart gebildet sein, dass jede Tilgermasse eine andere Masse aufweist als die übrigen Tilgermassen. Die Änderung der Massen kann dabei im Wesentlichen einer Linearfunktion, quadratischen oder - vorzugsweise - einer Exponentialfunktion folgen. Die Tilgermassen können in einer Reihenfolge angeordnet sein, die der Zu- bzw. Abnahme der Massen der Tilgermassen entspricht, d.h. dass bei mehr als 2 Tilgermassen die Masse der Tilgermassen von der größten Masse zu der kleinsten Masse stufenweise abnehmen kann. In einem Querschnitt entlang der axialen Richtung können die Tilgermassen rechteckige oder quadratische Querschnittsflächen, oder auch runde, ovale oder vieleckige Querschnittsflächen aufweisen. Diese Querschnittsflächen der Tilgermassen können von der größten Masse zu der kleinsten Masse stufenweise abnehmen. Diese Querschnittsflächen der Tilgermassen können jedoch auch zueinander identisch sein. Die Mehrzahl Federelemente kann derart gebildet sein, dass jedes Federelement eine andere Steifigkeit aufweist als die übrigen Federelemente. Die Änderung der Steifigkeit kann dabei im Wesentlichen einer Linearfunktion, quadratischen oder - vorzugsweise - einer Exponentialfunktion folgen. Die Tilgermassen können in einer Reihenfolge angeordnet sein, die der Zu- bzw. Abnahme der Steifigkeit der Federelemente entspricht, d.h. dass bei mehr als 2 Federelementen die Federsteifigkeit der Federelemente von der größten Federsteifigkeit zu der kleinsten Federsteifigkeit stufenweise abnehmen kann. Grundsätzlich kann die Ab- bzw. Zunahme der Masse der Tilgermassen und/oder die Ab- bzw. Zunahme der Steifigkeit der Federelemente des Schwingungstilgers auch gemäß einer anderen mathematischen Funktion erfolgen. Die Tilgermassen können aus einem metallischen Werkstoff bzw. einer Legierung gebildet sein, wie etwa einem Stahl. Die Tilgermassen können jedoch auch aus einem Kunststoff gebildet sein. Zur Erhöhung der Dichte kann der Kunststoff metallische oder mineralische Füllstoffe wie z.B. Sand oder Quartz beinhalten. Die Federelemente können aus einem Kunststoff gebildet sein, insbesondere aus einem Elastomer. Die Federelemente können an die Tilgermassen und/oder das Befestigungssystem angespritzt bzw. anvulkanisiert sein. Der Schwingungstilger kann 3, 4, 5, 6 oder mehr Tilgermassen aufweisen. Der Schwingungstilger kann 3, 4, 5, 6, oder mehr Federelemente aufweisen. Die Anzahl der Tilgermassen kann der Anzahl der Federelemente entsprechen.
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Der Schwingungstilger kann aufgrund der unterschiedlichen Massen der Tilgermassen und/oder der unterschiedlichen Steifigkeiten der Federelemente über einen breiten Frequenzbereich eine hohe Resistanz (d.h. Realteil der Impedanz) und damit ein Dämpfungsvermögen aufweisen, wodurch der Schwingungstilger vorteilhafterweise derart an den Frequenzbereich eines schwingenden Bauteils anpassbar ist, dass der Schwingungstilger über einen breiten Frequenzbereich die Schwingungen des Bauteils optimal dämpfen kann. Dies gilt insbesondere für den Resonanzfrequenzbereich des Bauteils oder mehrere ausgeprägte Resonanzen des Bauteils bzw. der zu bedämpfenden Struktur. Mit dem Begriff Schwingungen kann vorliegend auch eine Vibration und/oder eine Erschütterung, insbesondere eine periodisch wiederkehrende Erschütterung, insbesondere des Bauteils, gemeint sein. Das Bauteil kann dabei beispielhaft ein Element einer größeren Vorrichtung, eine Wand und/oder der Boden und/oder die Decke eines Gebäudes, ein Teil eines Kraftfahrzeuges, wie etwa die Karosserie, oder aber auch ein Teil eines Schiffes, wie etwa der Schiffsrumpf, sein.
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Insbesondere wenn die Tilgermassen und die Federelemente derart angeordnet sind, dass die Massen und Steifigkeiten ausgehend von dem Befestigungselement in abnehmender Reihenfolge verlaufen, kann mittels des Schwingungstilgers eine effektive Schwingungsdämpfung erreicht werden. Diese große Schwingungsdämpfung kann ermöglicht werden, da eine von dem Bauteil auf den Schwingungstilger übertragene Schwingungsenergie von einem hohen Wellenwiderstand bzw. einer hohen Impedanz zu einem niedrigeren Wellenwiderstand bzw. einer niedrigen Impedanz entlang der abnehmenden Massen und/oder der abnehmenden Steifigkeiten gewandelt werden kann. Aufgrund der niedrigeren Steifigkeit der Federelemente und/oder der niedrigeren Massen der Tilgermassen in einem Bereich der von dem Befestigungselement beabstandet ist, kann bei Schwingungsanregung eine höhere Schwingungsdämpfung aufgrund einer größere dynamischen Auslenkung bzw. Schnelle der Tilgermassen erfolgen.
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Das Verhältnis der über den Frequenzbereich integrierten Resistanz zum Gewicht des Schwingungstilgers kann dabei höher sein, als das entsprechende Verhältnis bei einem Ein-Massen-Schwingungstilgers mit gleicher Gesamtmasse.
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Die Impedanz bzw. der Wellenwiderstand des Schwingungstilgers kann an die Impedanz des Bauteils derart angepasst sein, dass ein optimaler Schwingungsübergang von dem Bauteil auf den Schwingungstilger gewährleistet ist. Mit anderen Worten kann ein Impedanzunterschied zwischen dem Schwingungstilger und dem Bauteil so eingestellt sein, dass am Bauteil auftretende Schwingungen an der Grenzfläche von Bauteil und Schwingungstilger weitgehend ohne Reflexion auf den Schwingungstilger übergehen können. Der Schwingungsübergang kann dabei von dem Bauteil über das Befestigungselement auf den Tilgerhauptkörper erfolgen.
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Somit können mittels des Schwingungstilgers die Schwingungen, Erschütterungen und/oder Vibrationen des Bauteils effektiv gemindert werden, wodurch insbesondere ein Abstrahlen von hörbaren Schallwellen durch das Bauteil minimierbar ist. Auch kann mittels des Schwingungstilgers die Ausbildung einer Resonanz des Bauteils stark gemindert oder vermieden werden.
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Der Schwingungstilger kann an die Impedanzen beliebiger Oberflächen bzw. Strukturen angepasst werden. Die Anpassung kann über die axiale und/oder radiale Erstreckung der Tilgermassen und/oder Federelemente erfolgen. Die Anpassung kann alternativ oder zusätzlich über die Anzahl der Tilgermassen und der Federelemente erfolgen. Entsprechend der Auslegung von Einmassenschwingern kann die Gesamtmasse des Schwingungstilgers etwa 10% der dynamischen Masse der zu bedämpfenden Struktur betragen. Eine effektive Dämpfungswirkung (d.h. ein Vorhandensein einer hohen Resistanz) kann eine Frequenzbereichsbreite von beispielsweise bis zu etwa 200 Hz, oder bis zu etwa 400 Hz oder aber größer als etwa 400 Hz betragen.
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Allgemein kann das Dämpfungsvermögen des Schwingungstilgers erhöht werden, wenn für die Federelemente ein Elastomer mit hoher Dämpfung verwendet wird. So kann der Dämpfungsfaktor des Elastomers im Bereich von 0,01 bis 0,5, im Bereich von 0,03 bis 0,3 oder im Bereich von 0,05 bis 0,2 liegen.
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Die Tilgermassen können jeweils etwa ringförmig ausgebildet sein, wodurch die Tilgermassen einfach ineinander verschachtelbar sind. Die Tilgermassen sind insbesondere jeweils kontinuierlich ringförmig ausgebildet. Im Querschnitt quer zur axialen Richtung können die Tilgermassen jeweils kreisförmig sein. Die Tilgermassen können also hohlzylindrisch oder hohlkegelförmig ausgebildet sein. Die Tilgermassen können im axialen Querschnitt aber auch oval, rechteckig, quadratisch, mehreckig oder sternförmig sein. Die Tilgermassen sind insbesondere jeweils als in axialer Richtung beidseitig offene Hohlkörper ausgebildet. Alle Tilgermassen können in der Form im Wesentlichen identisch sein und sich lediglich in der Größe unterscheiden. Zwischen zwei Tilgermassen ist dabei je eines der Federelemente angeordnet, so dass die Tilgermassen gegen- oder miteinander in einer axialen Richtung schwingbar sind. Mit axialer Richtung ist insbesondere die axiale Richtung des Schwingungstilgers, des Befestigungselements und/oder der Tilgermassen gemeint. Mit radialer Richtung ist insbesondere die radiale Richtung des Schwingungstilgers, des Befestigungselements und/oder der Tilgermassen gemeint. Die axiale Richtung kann der Richtung entsprechen, in der das vibrierende Bauteil im Wesentlichen Schwingungen an das Befestigungselement überträgt. Unter dem Begriff „ineinander verschachtelt“ kann verstanden werden, dass insbesondere im Fall eines äußeren, ringförmigen Befestigungselements eine (größere) Tilgermasse eine andere (kleinere) Tilgermasse umgibt. Mit anderen Worten kann „ineinander verschachtelt“ bedeuten, dass eine (kleinere) Tilgermasse in radialer Richtung in Bezug auf eine andere (größere) Tilgermasse weiter innenliegend angeordnet ist. Es kann eine innerste Tilgermasse geben, die selbst keine weitere Tilgermassen mehr umgibt. Diese innerste Tilgermasse kann als Vollkörper gebildet sein, wie etwa als ein Zylinder. Zudem kann eine äußerste Tilgermasse von dem Befestigungselement anstelle einer weiteren Tilgermasse umgeben sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Befestigungselement ringförmig gebildet ist. Alternativ dazu kann der Schwingungstilger derart gebildet sein, dass das Befestigungselement von den Tilgermassen bzw. von dem Tilgerhauptkörper umgeben ist, wobei dann eine innerste (größte) ringförmige Tilgermasse das Befestigungselement umgibt und die innerste Tilgermasse von den übrigen (kleineren) Tilgermassen umgeben ist, wobei eine äußerste Tilgermasse weder von einer anderen Tilgermasse noch von dem Befestigungselement umgeben ist. Der Schwingungstilger kann derart konfiguriert sein, dass der Tilgerhauptkörper in der axialen Richtung beidseitig nicht von dem Befestigungselement vorsteht, d.h. vollständig innerhalb der axialen Erstreckung des Befestigungselements angeordnet ist, wodurch die axiale Schwingfähigkeit der Tilgermassen bei kompakter Bauweise vorteilhaft gewährleistet werden kann.
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Die Federelemente können als ringförmige Elemente gebildet sein. Die Federelemente können kontinuierlich ringförmig ausgebildet sein. Die Federelemente können auch Ausnehmungen aufweisen und/oder segmentiert gebildet sein, wodurch die Federeigenschaften oder Dämpfungseigenschaften der Federelemente bei der Herstellung in einem weiten Bereich eingestellt werden können.
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Die Schwingungsrichtung des Tilgerhauptkörpers und/oder der Tilgermassen und/oder der Federelemente kann der Vibrationsrichtung oder Anregungsrichtung des Bauteils entsprechen und insbesondere der axialen Richtung bzw. der gemeinsamen axialen Richtung entsprechen. Um ein Schwingen des Tilgerhauptkörpers in der axialen Richtung zu ermöglichen, ist der Tilgerhauptkörper ausschließlich via eines der Federelemente mit dem Befestigungselement verbunden. Mit anderen Worten hat der Tilgerhauptkörper im Ruhezustand bzw. in einem nicht schwingenden Zustand keinen direkten Kontakt zum Bauteil oder zu einem anderen Bauelement. Dadurch kann die Schwingung der vom Bauteil auf das Befestigungselement übertragenen Vibration im Tilgerhauptkörper in eine sich in radialer Richtung ausbreitende Transversalschwingung bzw. Transversalwelle gewandelt werden.
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Der Tilgerhauptkörper kann im Wesentlichen flach, insbesondere im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein.
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Obwohl das Befestigungselement zum Aufnehmen von Schwingungen des Bauteils in der axialer Richtung gebildet ist, kann der Tilgerhauptkörper in der axialen Richtung flach gebildet sein, da eine axial auf den Schwingungstilger treffende Schwingung bzw. Vibration mittels des Tilgerhauptkörpers in eine Transversalwelle bzw. eine Querwelle und/oder eine Schubwelle und/oder eine Scherwelle gewandelt werden kann. Der Schwingungstilger kann folglich trotz der Mehrzahl Tilgermassen und Federelemente in der axialen Richtung kompakt bzw. raumsparend gebildet sein und trotzdem gleichzeitig eine große Schwingungsdämpfung über einen breiten Frequenzbereich aufweisen. Der Tilgerhauptkörper kann auch plattenförmig ausgebildet sein. Die Tilgermassen, insbesondere die Mittelpunkte und/oder die Schwerpunkte davon, können im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht zu der gemeinsamen axialen Richtung verläuft.
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Jede Tilgermasse kann eine Masse aufweisen, die von den Massen der übrigen Tilgermassen abweicht, wobei die zum Befestigungselement am kürzesten beabstandete Tilgermasse die größte Masse aufweisen kann, und die zum Befestigungselement am längsten beabstandete Tilgermasse die kleinste Masse aufweisen kann.
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Derart gebildet kann der Tilgerhauptkörper in einem Bereich nahe eines Anregungsorts der Schwingung bzw. nahe des Befestigungselements, eine hohe Impedanz bzw. einen hohen Wellenwiderstand aufweisen. Insbesondere wenn die Tilgermassen in aufeinanderfolgender Reihenfolge eine immer geringere Masse aufweisen, kann die Impedanz mit zunehmendem Abstand zum Anregungsort bzw. zum Befestigungselement stetig abnehmen. Dies gilt insbesondere, wenn zugleich auch die Steifigkeiten der Federelemente mit dem Abstand zum Befestigungelement abnehmen. Somit kann mittels des Tilgerhauptkörpers eine größere Dämpfung von Schwingungen erreicht werden, da die Tilgermassen bei Vibration des Bauteils mit zunehmendem Abstand zum Befestigungselement eine zunehmende Schwingungsgeschwindigkeit und/oder eine zunehmende dynamische Auslenkung in der axialer Richtung aufweisen können.
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Jedes Federelement kann eine Steifigkeit aufweisen, die von den Steifigkeiten der übrigen Federelementen abweicht, wobei das zum Befestigungselement am kürzesten beabstandete Federelement die größte Steifigkeit aufweisen kann, und das zum Befestigungselement am längsten beabstandete Federelement die kleinste Steifigkeit aufweisen kann.
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Derart gebildet kann der Tilgerhauptkörper in einem Bereich nahe des Anregungsorts der Schwingung bzw. nahe des Befestigungselements eine höhere Impedanz aufweisen, als ein Bereich des Tilgerhauptkörpers der dem Befestigungselement ferner liegt. Dies gilt insbesondere, wenn zugleich auch die Tilgermassen mit zunehmendem Abstand zum Anregungsort der Schwingung eine abnehmende Masse aufweisen. Der derart gebildete Tilgerhauptkörper kann einen sich veränderlichen Wellenwiderstand bzw. eine sich veränderliche Impedanz aufweisen. Dadurch kann die Schwingungsenergie einer entlang des Tilgerhauptkörpers verlaufenden Transversalwelle aufgrund eines sich von einer hohen zu einer niedrigeren Impedanz wandelnden Tilgerhauptkörpers über einen breiten Frequenzbereich absorbiert bzw. gedämpft werden.
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Der Tilgerhauptkörper kann einen Elastomerkörper aufweisen, wobei der Elastomerkörper die Federelemente umfassen kann, und wobei die Tilgermassen zumindest teilweise in dem Elastomerkörper eingebettet sein können, insbesondere mittels einvulkanisieren.
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So kann der Tilgerhauptkörper einfach in einem Werkzeug hergestellt werden. So kann der Tilgerhauptkörper auch flach gebildet sein, wodurch der Schwingungstilger auch an einem Bauteil anordenbar ist, welches zu einem benachbarten Bauteil und/oder einer Wand und/oder einer physischen Barriere einen geringen Abstand aufweist. Die Tilgermassen können ferner derart von dem Elastomerkörper umgeben sein, dass der Elastomerkörper zugleich die Federelemente umfasst. Die Federelemente können einen Raum zwischen den Tilgermassen vollständig ausfüllend, insbesondere ringförmig, gebildet sein. Alternativ dazu können einzelne oder alle Federelemente auch segmentiert bzw. mit einer oder mehreren Ausnehmungen gebildet sein, wodurch eine Federkraft jedes Federelements einfach einstellbar sein kann. Durch das Einbetten der Tilgermassen in den Elastomerkörper können die Tilgermassen auch einfach vor Korrosion geschützt werden.
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Die Tilgermassen können in der axialen Richtung zumindest teilweise von dem Elastomerkörper bedeckt sein.
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So kann der Elastomerkörper eine Stopper-Funktion bzw. eine Anschlags-Funktion für jede Tilgermasse bereitstellen. Mit anderen Worten kann mittels des Elastomerkörpers eine maximale Verlagerungsstrecke bzw. dynamische Auslenkung für jede Tilgermasse vorgegeben sein. Insbesondere können die Tilgermassen in der axialen Richtung beidseitig zumindest teilweise von dem Elastomerkörper bedeckt sein. Der Elastomerkörper kann darüber hinaus als Korrosionsschutz für die Tilgermassen dienen.
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Die Tilgermassen können konzentrisch zueinander angeordnet sein.
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Mittels eines derart gebildeten Tilgerhauptkörpers kann der Schwingungstilger eine über einen breiten Frequenzbereich (z.B. von etwa 0,5 bis etwa 100 Hz, oder von etwa 100 Hz bis etwa 800 Hz) eine Resistanz mit mehreren Maxima bzw. eine im Durchschnitt nahezu konstante Resistanz aufweisen.
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Zumindest eine Tilgermasse kann exzentrisch zu einem Mittelpunkt des Tilgerhauptkörpers angeordnet sein.
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Durch eine derartige Konfiguration kann, je nach Anwendungsfall, die Effektivität des Schwingungstilgers erhöht werden. Insbesondere können mit einer derartigen asymmetrischen Konfiguration rotatorische Massenträgheitsmomente der Tilgermassen ausgenutzt werden. Hierbei können die Federelemente auf Schub, Zug-Druck und/oder Torsion beansprucht werden. Ein derartig gebildeter Tilgerhauptkörper kann an spezielle Dämpfungsanforderungen der zu bedämpfenden Struktur anpassbar sein.
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Die Federelemente können durch Umspritzen der Tilgermassen gebildet sein.
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So kann der Tilgerhauptkörper bzw. der Schwingungstilger kostengünstig und einfach hergestellt werden, insbesondere wenn die Tilgermassen und/oder das Befestigungselement in ein Werkzeug bzw. eine Form gegeben werden und mittels Umspritzen der Tilgermassen und/oder des Befestigungselements mit einem Elastomer der gesamte Tilgerhauptkörper bzw. Schwingungstilger in einem Fertigungsschritt gebildet werden kann.
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An dem Befestigungselement kann ein Sicherungselement als Verliersicherung für die Tilgermassen angeordnet sein, wobei das Sicherungselement insbesondere eine Platte, ein Netz oder eine Mehrzahl Fäden oder Drähte umfasst.
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Hierzu und/oder insbesondere auch zum Schutz vor einem übermäßigen Ausschwingen einzelner Tilgermassen, kann an dem Befestigungselement eine Platte, ein Netz oder eine Mehrzahl Fäden oder Drähte als Sicherungselement vorgesehen sein. Jedoch können auch andere geeignete Strukturen für diesen Zweck vorgesehen werden. Insbesondere bei einem ringförmigen Befestigungselement kann das Sicherungselement über ein oder über beide axialen Enden davon gespannt sein.
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Die Tilgermassen können in der axialen Richtung verjüngend ausgebildet sein, und sich benachbarte Tilgermassen können sich in der axialen Richtung hinterschneiden.
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Unter dem Begriff „in der axialen Richtung verjüngend“ kann im Rahmen dieser Anmeldung verstanden werden, dass die Tilgermasse auf einer Stirnseite eine größere Außenabmessung aufweist als die ihr gegenüberliegende Stirnseite in der axialen Richtung betrachtet. Insbesondere kann darunter verstanden werden, dass eine innere Abmessung der Tilgermasse, wie etwa ein Innenradius oder eine Seitenlänge, in der axialen Richtung abnehmend gebildet ist. Mit anderen Worten kann eine Wandung einer solchen ringförmigen Tilgermasse einen Neigungswinkel gegenüber der axialen Richtung aufweisen, so dass die Wandung nicht parallel zur axialen Richtung verläuft. Beispielsweise können die Tilgermassen die Form eines Hohlkegelstumpfs aufweisen, oder eines Hohlpyramidenstumpfs.
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Insbesondere wenn eine dem Befestigungselement benachbarte erste Tilgermasse einen Bereich oder Abschnitt des Befestigungselements in der axialen Richtung formschlüssig hinterschneidet, kann derart eine Verliersicherung gebildet sein. An dem Befestigungselement kann dazu ein Anschlag, wie etwa ein Anschlagring oder eine Anschlagnase gebildet sein, der in radialer Richtung vorsteht. So kann auch bei einem Bruch dieses betreffenden Federelements das maximale Ausschwingen bzw. die maximalen axiale Auslenkung der dem Befestigungselement benachbarten ersten Tilgermasse begrenzt sein. Die von dieser ersten Tilgermasse umgebene Tilgermasse kann dann auch bei einem Bruch dieses betreffenden Federlements formschlüssig von der ersten Tilgermasse gehalten sein. Nach diesem Prinzip können sich die Tilgermassen aufgrund des Hinterschnitts gegenseitig halten, wodurch eine sehr effektive Verliersicherung gewährleistet ist.
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Der Tilgerhauptkörper kann zumindest drei Federelemente und zumindest drei Tilgermassen aufweisen.
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Ein derart gebildete Tilgerhauptkörper kann eine hohe Resistanz über einen breiteren Frequenzbereich aufweisen, obwohl der Tilgerhauptkörper flach und somit platzsparend gebildet sein kann.
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Zumindest eine der Tilgermassen und/oder eines der Federelemente kann in axialer Richtung zumindest ein Loch aufweisen.
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Vorteilhafterweise kann durch das zumindest eine Loch eine effektive akustische Abstrahlung des Schwingungstilgers durch einen hydrodynamischen Kurzschluss in axialer Richtung unterbunden werden. Das zumindest eine Loch kann sich in axialer Richtung durch die Tilgermasse und/oder das Federelement hindurch erstrecken. Beispielsweise können 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Löcher entlang eines zur Tilgermasse und/oder zum Federelement konzentrischen Kreises in gleichmäßigen Abständen in der Tilgermasse und/oder in dem Federelement ausgebildet sein. Es können sämtliche Tilgermassen und/oder Federelemente diese Löcher aufweisen, oder nur eine Teilmenge davon.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Schwingungstilgersystem bereitgestellt, aufweisend zumindest zwei Schwingungstilger, wobei die Befestigungselemente derart ausgebildet sind, dass die Schwingungstilger stapelbar sind, und wobei im gestapelten Zustand der Schwingungstilger sämtliche Befestigungselemente über eines der Befestigungselemente im Wesentlichen starr mit dem Bauteil verbindbar sind.
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Mittels dieser Stapelung von Schwingungstilgern kann eine Schwingungsdämpfungsleistung auf einfache Weise vervielfacht werden. Mittels der modularen Anordnung bzw. Stapelung mehrerer Schwingungstilger kann das Schwingungstilgersystem besser an verschiedene Dämpfungsanforderungen und Raumverhältnisse angepasst werden. Der Schwingungstilger ist insbesondere derart konfiguriert, dass auch im gestapelten Zustand eine Schwingfähigkeit der Tilgermassen in der axialen Richtung gewährleistet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungstilgers bereitgestellt, mit den Schritten: Bereitstellen eines Befestigungselements, Bereitstellen einer Mehrzahl ringförmiger Tilgermassen, und Bereitstellen eines Elastomermaterials zum Ausbilden einer Mehrzahl Federelemente, Bilden eines Tilgerhauptkörpers mittels eines ineinander verschachtelten Anordnens der Tilgermassen, wobei zwischen zwei Tilgermassen jeweils ein Federelement ausgebildet wird, Verbinden des Tilgerhauptkörpers und des Befestigungselements mittels eines der Federelemente.
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Die voranstehenden Erläuterungen zum Schwingungstilger und zum Schwingungstilgersystem gelten entsprechend auch für das Verfahren zur Herstellung eines Schwingungstilgers.
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Das Ausbilden der Mehrzahl Federelemente, das Bilden des Tilgerhauptkörpers, das Anordnen des jeweils einen Federelements zwischen zwei Tilgermassen und/oder das Verbinden des Tilgerhauptkörpers und des Befestigungselements mittels eines der Federelemente kann das Umspritzen der Mehrzahl ringförmiger Tilgermassen mit dem Elastomermaterial und Vulkanisieren des Elastomermaterials umfassen. Das Elastomermaterial kann eine Mischung sein. Das Umspritzen und Vulkanisieren kann in einem Werkzeug, insbesondere in einem Vulkanisationswerkzeug, erfolgen, in dem die Tilgermassen angeordnet sind. Das Umspritzen und Vulkanisieren kann ferner in einem einzigen Herstellungsschritt bzw. einem einzigen Arbeitsschritt erfolgen. Insbesondere können die Federelemente hierbei an die bereitgestellten ringförmigen Tilgermassen anvulkanisiert werden. Ferner kann hierbei eines der Federelemente bzw. der Tilgerhauptkörper an das Befestigungselement anvulkanisiert werden. Das Elastomermaterial kann während und/oder nach dem Umspritzen geschäumt werden, bevor es vulkanisiert wird. Das Elastomermaterial der Federelemente kann Polyurethan umfassen. Die Federelemente können aus einem Polyurethan-Schaumstoff gebildet sein.
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Im folgenden werden einige Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, und dass einzelne Merkmale der Ausführungsformen im Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden können. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform des Schwingungstilgers;
- 2 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungstilgers;
- 3 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungstilgers, aufweisend ein Sicherungselement;
- 4 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungstilgers, wobei die Wandungen der einzelnen Tilgermassen einen Winkel gegenüber der axialen Richtung aufweisen;
- 5 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, wobei einige Tilgermassen exzentrisch angeordnet sind;
- 6 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, wobei das Befestigungselement mittig angeordnet ist;
- 7 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, wobei die Tilgermassen unterschiedliche Materialstärke aufweisen;
- 8 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, wobei der Schwingungstilger 10 modular ausgeführt ist;
- 9 ein Vergleichsdiagramm der Resistanz eines konventionellen Einmasseschwingers im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Schwingungstilgers aufgetragen über der Frequenz.
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1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform des Schwingungstilgers 10. Der Schwingungstilger 10 umfasst ein Befestigungselement 12 und einen Tilgerhauptkörper 14. Der Tilgerhauptkörper 14 kann mittels Umspritzen einer Mehrzahl Tilgermassen 16, 16a gebildet sein. Die Tilgermassen 16 sind ringförmig gebildet und ineinander verschachtelt angeordnet. Unter dem Begriff ineinander verschachtelt kann vorliegend insbesondere ineinander liegend und/oder ineinander angeordnet gemeint sein. Der Tilgerhauptkörper 14 kann eine äußere, dem Befestigungselement 12 benachbarte Tilgermasse 16 und eine innere Tilgermasse 16a aufweisen. Die innere Tilgermasse 16a der in den 1 bis 3, 5, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist als ein mittig in dem Tilgerhauptkörper 14 angeordneter, zylindrischer Vollkörper gebildet und umgibt als solcher keine weitere Tilgermasse 16.
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Zwischen zwei Tilgermassen 16, 16a ist jeweils ein Federelement 18 angeordnet. Die zum Befestigungselement 12 benachbart angeordnete, äußere Tilgermasse 16 ist über eines der Federelemente 18 mit dem Befestigungselement 12 derart verbunden, dass die Mehrzahl Tilgermassen 16, 16a in einer axialen Richtung 20 schwingfähig sind, also in axialer Richtung beidseitig einen Freiraum aufweisen.
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Mittels Umspritzen der Tilgermassen kann zugleich auch die Mehrzahl Federelemente 18 und/oder der Elastomerkörper gebildet sein, der die Federelemente 18 umfassen kann. Dadurch kann der Tilgerhauptkörper 14 in einem Herstellungsschritt gebildet werden. Zudem kann gleichzeitig auch der Tilgerhauptkörper an das Befestigungselement 12 angespritzt werden, wodurch ein äußeres Federelement 18 gebildet sein kann. Alternativ dazu kann der Tilgerhauptkörper 14 bzw. das äußere Federelement 18 auch auf andere Weise mit dem Befestigungselement 12 verbunden werden, etwa mittels einer anderen stoffschlüssigen Verbindung, wie z.B. mittels Verkleben. Grundsätzlich kann auch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung in Betracht kommen, wie etwa ein Einhaken des Tilgerhauptkörpers 14 in das Befestigungselements 12.
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Das Befestigungselement 12 kann im Querschnitt entlang der axialen Richtung winkelig bzw. im Wesentlichen L-förmig gebildet sein und insbesondere einen Flanschring mit einer Mehrzahl Bohrungen 22 aufweisen. Mittels der Bohrungen 22 kann das Befestigungselement 12 an ein Bauteil (in 1 nicht dargestellt) angeschraubt und/oder angenietet und/oder verklipst werden. Grundsätzlich kann das Befestigungselement 12 jedoch auch mittels anderer Verfahren an dem Bauteil anbringbar sein.
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Sobald das Befestigungselement 12 an dem Bauteil angebracht ist und das Bauteil zu vibrieren beginnt, kann eine Schwingung bzw. Vibration via das Befestigungselement 12 auf den Tilgerhauptkörper 14 übertragen werden, der schließlich zu schwingen beginnt und über einen breiten Frequenzbereich die Schwingungen des Bauteils bzw. einer Struktur tilgen bzw. bedämpfen kann. Insbesondere kann auch die Impedanz bzw. der Wellenwiderstand des Schwingungstilgers an die Impedanz des Bauteils angepasst sein. Dadurch kann eine Reflexion von Schwingungen beim Übergang vom Bauteil auf den Schwingungstilger 10 und/oder das Befestigungselement 12 weitestgehend minimiert werden.
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Die Tilgermassen 16, 16a können aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein, wie etwa aus einem Stahl. Jedoch kommen auch andere geeignete Werkstoff in Betracht, wie beispielhaft ein Elastomer. Die Federelemente 18 können aus einem Elastomer oder aus einem anderen geeigneten Kunststoff gebildet sein.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungstilgers 10. Das Befestigungselement 12 des Schwingungstilgers 10 ist vorliegend an einem Bauteil 24 angebracht. Der Schwingungstilger weist vorliegend vier Tilgermassen 16 und eine Tilgermasse 16 a auf. Die Tilgermassen 16, 16a sind konzentrisch angeordnet und weisen jeweils eine Materialstärke bzw. Querschnittsflächen auf, die den Materialstärken bzw. Querschnittsflächen der übrigen Tilgermassen entspricht. Trotzdem kann jede Tilgermasse 16, 16a eine Masse aufweisen, die von den Massen der übrigen Tilgermassen abweicht. Dies kann mittels zu- bzw. abnehmender Abmessungen, insbesondere Durchmesser, der Tilgermassen 16, 16a erreicht werden, obwohl die Materialstärke gleich bleibt. So kann die zum Befestigungselement am kürzesten beabstandete Tilgermasse die größte Masse aufweisen, und die zum Befestigungselement am weitesten beabstandete Tilgermasse die kleinste Masse aufweisen. 2 zeigt zudem, dass der Tilgerhauptkörper 14 zum Bauteil 24 beabstandet ist, so dass der Tilgerhauptkörper 14 in der axialen Richtung 20 nach oben und unten schwingungsfähig ist.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, bei dem ein Sicherungselement 26 auf dem Befestigungselement 12 angebracht ist. So werden die maximalen Auslenkungen der Tilgermassen 16, 16a beschränkt, wodurch eine Beschädigung des Tilgerhauptkörpers 14 und/oder ein Verlust einzelner Tilgermassen 16, 16a bei einem Bruch eines Federelements 18 unterbunden ist. Dennoch hat der Tilgerhauptkörper 14 unterhalb des Sicherungselements 26 ausreichend Raum zum Schwingen, so dass der Tilgerhauptkörper 14 in der axialen Richtung 20 schwingungsfähig ist. Das Sicherungselement 26 ist vorliegend als eine Platte gebildet, die an dem Befestigungselement 12 angebracht ist.
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Der Schwingungstilger 10 kann ferner eine schwingungsabsorbierende Schicht 28 aufweisen, die an dem Bauteil 24 angebracht ist. Die schwingungsabsorbierende Schicht 28 kann bei starken Auslenkungen der Tilgermassen 16, 16 a ein Aufschlagen auf das Bauteil 24 und eine eventuell damit einher gehende Lärmentwicklung und/oder Beschädigung am Bauteil 24 verhindern, sowie starke Schwingungsausschläge zusätzlich dämpfen. Dennoch hat der Tilgerhauptkörper 14 ausreichend Raum um in der axialen Richtung 20 zu schwingen. Die absorbierende Schicht 28 kann aus einem Elastomer oder einem anderen geeigneten Stoff, wie etwa Schaumstoff, gebildet sein. Die absorbierende Schicht 28 kann vor dem Anbringen des Schwingungstilgers 10 an dem Bauteil 24 angebracht werden. Alternativ kann die absorbierende Schicht 28 an dem Befestigungselement 12 angebracht sein.
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4 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, bei der die Wandungen der einzelnen Tilgermassen 16 einen Winkel gegenüber der axialen Richtung 20 aufweisen, d.h. die Wandungen sind nicht parallel zur axialen Richtung 20 angeordnet. Das Befestigungselement 12 weist einen Anschlag 30 auf, an dem bei einer sehr starken Auslenkung des Tilgerhauptkörpers 14 oder bei einem Bruch des entsprechenden Federelements 18 die zum Befestigungselement 12 benachbarten Tilgermasse 16 derart anschlägt, dass die maximales Auslenkung der Tilgermasse 16 durch den Anschlag 30 vorgegeben ist bzw. ein Verlust des Tilgerhauptkörpers 14 oder der Tilgermasse 16 verhindert ist. Die zum Befestigungselement 12 benachbarten Tilgermasse 16 gibt ihrerseits an der Position ihrer maximalen Auslenkung eine maximale Auslenkung der ihr benachbarten Tilgermasse 16 vor bzw. verhindert den Verlust davon bei einem Bruch des entsprechenden Federelements 18.. Diese Prinzip setzt sich bis zur innersten Tilgermasse 16 fort, so dass alle Tilgermassen vor einer übermäßigen Auslenkung bzw. einem Verlust geschützt sind. Mit anderen Worten halten sich die einzelnen Tilgermassen 16 gegenseitig mittels eines Hinterschnitts, wobei die äußere Tilgermasse 16 den Anschlag 30 hinterschneidet.
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5 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des Schwingungstilgers 10, bei der einige der Tilgermassen 16 exzentrisch angeordnet sind. Dadurch kann der Tilgerhauptkörper 14 beispielhaft spezielle Dämpfungsanforderungen des Bauteils 24 angepasst werden. Insbesondere können hierdurch rotatorische Massenträgheitsmomente der Tilgermassen 16 für die Schwingungstilgung ausgenutzt werden.
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6 und 7 zeigen eine Schnittansicht zweier Ausführungsformen des Schwingungstilgers 10, bei der die Tilgermassen 16 jeweils eine voneinander abweichende Materialstärke bzw. Querschnittsfläche aufweisen. Dadurch kann zusätzlich zu den zu- bzw. abnehmenden Abmessungen bzw. Durchmessern der einzelnen Tilgermassen 16, 16a eine Variation in der Masse der jeweiligen Tilgermasse 16 erreicht werden. Bei beiden Ausführungsformen ist die jeweils schwerste Tilgermasse 16 benachbart zum Befestigungselement 12 angeordnet.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist ferner das Befestigungselement 12 mittig angeordnet. Das hier vorliegende Befestigungselement 12 ist zylinderförmig bzw. hohlzylinderförmig gebildet. Die Mittelachse des Befestigungselements ist vorliegend koaxial zu der gemeinsamen axialen Schwingungsrichtungrichtung der Tilgermassen.
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In 7 ist ferner an dem Befestigungselement 12 ein Sicherungselement 26 angebracht, welches als ein Netz gebildet ist (dargestellt mittels einer gestrichelten Linie). Das Netz kann aus einem Drahtgeflecht oder aus Synthetikfasern gebildet sein.
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8 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform, bei der mehrere Schwingungstilger 10 übereinander bzw. in Reihe angeordnet sind bzw. gestapelt sind und derart ein Schwingungstilgersystem 36 bilden. Bei einem derartigen modularen Aufbau weist das Schwingungstilgersystem 36 eine vervielfachte schwingungsdämpfende Wirkung verglichen mit einem einzelnen Schwingungstilger 10 auf. Die Schwingungstilger sind über ihre Befestigungssysteme miteinander verbunden, z.B. mittels Schrauben, Klipsen, Verrasten etc.
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Zum Ausbilden des Schwingungstilgersystems 36 kann ein erstes Befestigungselement 12a auf dem Bauteil 24 angebracht sein. Dieses Befestigungselement 12a kann mit einem Flanschring mit Bohrungen für Schrauben oder Nieten gebildet sein. Weitere Befestigungselemente 12b, 12c können zum Einstecken in das jeweils darunter liegende Befestigungselement 12a, 12b gebildet sein. Die weiteren Befestigungselemente 12b, 12c können auch auf eine andere formschlüssige, stoffschlüssige oder kraftschlüssige Weise, insbesondere mittels nach dem Stand der Technik bekannten Techniken, wie z.B. mittels Nieten, Schrauben, Klipsen, Verrasten, Verkleben, Verschweißen etc., mit dem jeweils darunter liegenden Befestigungselement 12a, 12b verbunden sein. Diese Verbindung kann eine lösbare, eine bedingt lösbare oder eine unlösbare Verbindung sein. Jedes Befestigungselement 12a, 12b, 12c kann mit einem Tilgerhauptkörper 14 verbunden sein. Dabei kann es sich um gleichartige Tilgerhauptkörper 14 handeln. Alternativ kann jedoch das Schwingungstilgersystems 36 auch mehrere unterschiedliche Tilgerhauptkörper 14 aufweisen, so dass jedes Befestigungselement 12a, 12b, 12c mit einem anderen Tilgerhauptkörper 14 verbunden ist.
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Das in 8 gezeigte Schwingungstilgersystems 36 zeigt drei Befestigungselemente 12, jedoch können auch lediglich zwei oder mehr als drei Befestigungselemente 12 modular zusammengesetzt sein. Es ist auch ein Schwingungstilgersystem 36 mit mittig angeordneten Befestigungselementen 12, wie beispielsweise in 6 gezeigt, denkbar. In einer derartigen Konfiguration können die Befestigungselemente 12 beispielsweise mittels einer einzigen, gemeinsamen Befestigungsschraube mit dem Bauteil 24 verbunden werden.
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9 zeigt ein Diagramm der Resistanz (in N*s/mm) aufgetragen über der Frequenz (in Hz). Die durchgezogene Kurve 32 zeigt dabei die Resistanz einer Ausführungsform des Schwingungstilgers 10. Die gepunktete Kurve 34 zeigt die Resistanz eines herkömmlichen Ein-Massen Schwingungstilgers mit vergleichbarer Gesamt-Tilgermasse.
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Das Diagramm zeigt deutlich die Vorteile der Ausführungsform des Schwingungstilgers 10: Der Schwingungstilger 10 weist vorliegend in einem Frequenzbereich von 200 bis 600 Hertz (Hz) einen Wellenwiderstand zwischen etwa 2 Newton*Sekunde/Millimeter (N*s/mm) und etwa 4 Newton*Sekunde/Millimeter (N*s/mm) auf. Der herkömmliche Schwingungstilger kann demgegenüber lediglich über einen sehr schmalen Frequenzbereich eine Schwingung dämpfen, nämlich etwa im Bereich von 200 bis 280 Hz.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schwingungstilger
- 12
- Befestigungselement
- 12a
- Befestigungselement eines Schwingungstilgersystems
- 12b
- Befestigungselement eines Schwingungstilgersystems
- 12c
- Befestigungselement eines Schwingungstilgersystems
- 14
- Tilgerhauptkörper
- 16
- Tilgermasse
- 16a
- innere Tilgermasse
- 18
- Federelement
- 20
- axiale Richtung
- 22
- Bohrung
- 24
- Bauteil
- 26
- Sicherungselement
- 28
- absorbierende Schicht
- 30
- Anschlag
- 32
- Kurve
- 34
- Kurve
- 36
- Schwingungstilgersystem
