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Hintergrund
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In vielen - teilweise auch ganz unterschiedliche Bereichen - gibt es schwingfähige Strukturen, deren Schwingungsanregung durch bekannte Maßnahmen der Schwingungsminderung, wie z.B. Reibdämpfung, die Anbringung von Zusatzgewichten oder den Einsatz von rheologischen Flüssigkeiten, aktive Dämpfungssysteme, bspw. Piezodämpfer, oder die Kopplung mit zusätzlichen Feder-Masse-Systemen, vermieden oder reduziert wird und/oder bei denen eine Schwingungsminderung vorteilhaft sein kann, beispielsweise um die Lebensdauer zu verlängern, Geräuschemissionen zur verringern und/oder die Gefahr einer Funktionsbeeinträchtigung zu reduzieren.
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Beispiele für solche schwingfähigen Strukturen sind Teile, Abschnitte und Komponenten von Motoren, z.B. Elektro- und/oder Verbrennungsmotoren, insbesondere von KFZ-Motoren oder Schiffsmotoren, von Turbinen, von Fertigungsmaschinen, z.B. zum Fräsen und/oder Drehen, von Triebwerken, insbesondere Flugtriebwerken, von Antrieben, beispielsweise Raketenantrieben, von Bauwerken, z.B. Gebäuden oder Brücken, von Automobilen, von Flugzeugen, von Raketen, von Satelliten, von irgendwelchen Verkehrsmitteln oder auch damit in Kontakt stehende Teile, Abschnitte und/oder Komponenten.
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Be s ehre ibung der Erfindung
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Der vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine besonders effektive Art der Schwingungsminderung bereitzustellen, die vorteilhaft in ganz unterschiedlichen Bereichen zur Schwingungsminderung bei schwingfähigen Strukturen angewendet werden kann.
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Diese Ausgabe wird durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zur Minderung einer Schwingung einer schwingfähigen Struktur eine Struktur mit mindestens einer Mode, die auch als Eigenschwingung bezeichnet werden kann, in welcher die Struktur schwingen und/oder angeregt werden kann, und ein oder mehrere Körper, die zur Ausführung von Stoßkontakten, insbesondere für einen Impulsaustausch zwischen dem/den Körper(n) und der Struktur, derart in Bezug auf die Struktur, und damit auch in Bezug auf die Mode der Struktur, angeordnet sind, dass der bzw. die Körper solange, wie die Struktur in der mindestens einen Mode angeregt ist bzw. in dieser (teilweise) schwingt oder vibriert bzw. schwingen oder vibrieren würde, unaufhörlich Stoßkontakte mit dieser ausführt bzw. ausführen, so dass die maximale Schwingungsamplitude in der Mode um mindestens 5%, 20%, 30%, 40% oder 50% verringert ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Wesentlichen durch den kontinuierlichen, stoßbasierten Impulsaustausch, insbesondere mittels durch im Wesentlichen elastische Stöße, Schwingungen, wie Vibrationen, besonders effektiv vermieden oder gemindert werden können. Die Schwingungsamplituden können dabei insbesondere mit einer vergleichsweise geringen Gesamtmasse aller Körper signifikant reduziert werden, ohne dass dabei die Körper gleichzeitig an der Steller der maximalen Modenamplitude angeordnet sein müssen, was in Abhängigkeit der konkreten Struktur, z.B. einer Brücke, mitunter aufgrund geometriescher oder struktureller Beschränkungen nicht oder nur schwierig umsetzbar sein kann.
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Indem der Impulsaustausch zwischen der Struktur und den ein oder mehreren Körpern durch im Wesentlichen elastische Stöße, insbesondere mit höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 10%, besonders vorzugsweise höchstens 5% Energiedissipation, z.B. durch Reibung, erfolgen kann, können Schwingungen besonders effektiv mit nur geringen Zusatzmassen des oder der Körper reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur ein Teil oder Abschnitt eines Motors, insbesondere Elektro- und/oder Verbrennungsmotors, insbesondere KFZ-Motors oder Schiffsmotors, einer Turbine, einer Fertigungsmaschine, insbesondere zum Fräsen und/oder Drehen, eines Triebwerks, insbesondere Flugtriebwerks, eines Antriebs, beispielsweise eines Raketenantriebs, eines Bauwerks, insbesondere Gebäudes oder Brücke, eines Automobils, eines Flugzeugs, einer Rakete, eines Satelliten oder irgendeines Verkehrsmittels oder ein damit in Kontakt stehendes Teil oder ein damit in Kontakt stehender Abschnitt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Gesamtmasse aller Körper mindestens 100-mal, vorzugsweise mindestens 1000-mal, insbesondere mindestens 10000-mal kleiner ist als die in der betreffenden Mode schwingende, sich bewegende und/oder zum Schwingen angeregte Masse der Struktur. Die in der jeweiligen Mode schwingende, sich bewegende und/oder zum Schwingen angeregte Masse der Struktur ist dabei die Masse des desjenigen Teils der Struktur, der in der in der Mode, deren Ausprägung zumindest gemindert werden soll, schwingt bzw. schwingen würde. Diese Masse kann für unterschiedliche Moden unterschiedlich sein.
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Alternativ oder zusätzlich ist in einigen Ausführungsformen die in der jeweiligen Mode schwingende, sich bewegende und/oder zum Schwingen angeregte Masse höchstens 200000-mal, vorzugsweise höchstens 100000-mal, insbesondere höchstens 50000-mal größer ist als die Gesamtmasse aller Körper.
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In einigen Ausführungsformen liegt die Gesamtmasse aller Körper zwischen dem 5000-fachen und dem 50000-fachen, vorzugsweise dem 15000-fachen und dem 40000-fachen, insbesondere dem 20000-fachen und dem 35000-fachen der in der jeweiligen Mode schwingenden, sich bewegenden und/oder zum Schwingen angeregten Masse.
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In einigen Ausführungsformen ist oder sind an der Struktur nur in solchen Bereichen der oder die Körper angeordnet, in denen die Amplitude der Mode ohne Körper, mindestens 0,1%, vorzugsweise mindestens 1% und/oder höchstens 100%, 50%, 20%, 10%, 5%, 1%, 0,5%, 0,2% der maximalen Amplitude der Mode (deren Schwingungsanregung durch den oder die Körper gemindert wird) beträgt.
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Der oder die Körper können Ellipsoide, insbesondere Kugeln, Zylinder und/oder Quader umfassen oder (jeweils) sein.
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Der oder die Körper können in einer Kavität, insbesondere einer geschlossenen Kavität, innerhalb der Struktur oder an der Struktur angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen beträgt das Bewegungsspiel mindestens eines der ein oder mehreren Körper, insbesondere aller Körper, in mindestens einer Richtung, insbesondere in ein, zwei oder drei unabhängigen Richtungen, oder in allen Richtungen höchstens das 2-fache, vorzugsweise höchstens das 1-fache, insbesondere höchstens das 0,5-fache einer, insbesondere maximalen, Querschnittsabmessung des Körpers und/oder beträgt mindestens das 0,05-fache, vorzugsweise mindestens das 0,1-fache, insbesondere mindestens das 0,2-fache einer, insbesondere maximalen, Querschnittsabmessung des Körpers.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung.
- 2, 3 zeigen den Effekt und die Effektivität der Schwingungsminderung mithilfe von Stoßkontakten und Impulsüberträgen.
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Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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1 zeigt eine Anordnung 10 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Anordnung umfasst eine schwingfähigen Struktur 12 (in 1 nur bereichsweise dargestellt). In der Struktur 12 befindet sich eine Kavität 14, in welcher ein Körper 14, beispielsweise aus Metall oder Keramik, spielbehaftet zur freien Bewegung in wenigstens eine Richtung angeordnet ist.
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Im Bespiel der 1 ist der Körper 14 kugelförmig und die Kavität 14 quaderförmig.
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Die Struktur 12 kann ein Teil oder Abschnitt eines Motors, insbesondere Elektro- und/oder Verbrennungsmotors, insbesondere KFZ-Motors oder Schiffsmotors, einer Turbine, einer Fertigungsmaschine, insbesondere zum Fräsen und/oder Drehen, eines Triebwerks, insbesondere Flugtriebwerks, eines Antriebs, beispielsweise eines Raketenantriebs, eines Bauwerks, insbesondere Gebäudes oder Brücke, eines Automobils, eines Flugzeugs, einer Rakete, eines Satelliten oder irgendeines Verkehrsmittels ist oder ein damit in Kontakt stehendes Teil oder damit in Kontakt stehender Abschnitt sein.
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Die Struktur 12 umfasst mindestens eine Mode oder Eigenschwingung, in der die Struktur 12 bei ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch zu Schwingungen oder Vibrationen angeregt werden kann. Im Beispiel der 1 schwingt die Struktur 12, wenn Sie in der Mode angeregt ist, in X-Richtung hin und her.
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Der Körper 16 ist zur Ausführung von Stoßkontakten derart in Bezug auf die Struktur 12 angeordnet, dass der Körper 12 solange, wie die Struktur in der mindestens einen Mode angeregt ist, unaufhörlich Stoßkontakte mit dieser ausführt, wodurch die maximale Schwingungsamplitude in der Mode um mindestens 50% verringert ist.
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Im Beispiel der 1 bewegt sich der Körper 16, wenn die Struktur 12 in der Mode angeregt ist, in X-Richtung hin und her und führt unaufhörlich Stoßkontakte mit der Struktur 12 aus, wodurch aufgrund der Anordnung des Körpers 16 in Bezug auf die Struktur 12, aufgrund der relativen Masse des Körpers 16 in Bezug auf die Struktur 12 und aufgrund des Bewegungsspiels des Körpers 16 innerhalb der Kavität 14 die maximale Schwingungsamplitude in der Mode um mindestens 50% verringert ist.
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Das Bewegungsspiel B = LKav - LKör des Körpers 16 beim Ausführen der Stoßkontakte ist definiert durch die Länge LKav der Kavität 14 in Bewegungsrichtung abzüglich der Länge LKör des Körpers 16 in Bewegungsrichtung.
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Der Effekt und die Effektivität der Schwingungsminderung mithilfe von Stoßkontakten und Impulsüberträgen wird anhand der 2 und 3 näher erläutert, welche ein experimentell bestätigtes Verhalten zeigen.
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2a zeigt Schwingungsverläufe, d.h. Amplitude-Frequenz-Verläufe, für einer schwingfähige Struktur ohne Körper (Verlauf 18), mit einem Körper der Masse 1g (Verlauf 20), mit einem Körper der Masse 2,5 g (Verlauf 22), mit einem Körper der Masse 3g (Verlauf 24) und mit einem Körper der Masse 4g (Verlauf 26). Das Bewegungsspiel beträgt bei den Verläufen 20 - 26 jeweils 0,2 mm.
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2a zeigt deutlich, dass bei der Ausführung von insbesondere unaufhörlichen Stoßkontakten (Verläufe 22, 24, 26) der Amplitude signifikant gegenüber solchen Anordnungen ohne Stoßkontakte (Verläufe 18, 20) gemindert werden können.
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2b zeigt für das Beispiel der 2a die Abhängigkeit der Amplitudenminderung von der Masse des Körpers jeweils für ein Bewegungsspiel von 1,0 mm (Verlauf 28), 0,3 mm (Verlauf 30) und 0,2 mm (Verlauf 32).
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3a zeigt Schwingungsverläufe für einer schwingfähige Struktur ohne Körper (Verlauf 34) sowie mit einem Körper der Masse 2g jeweils mit einem Bewegungsspiel von 0,2 mm (Verlauf 36), 0,3 mm (Verlauf 38) und 1,0 mm (Verlauf 10).
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3b zeigt für das Beispiel der 3a die Abhängigkeit der Amplitudenminderung vom Bewegungsspiel des Körpers der Masse 2g (Verlauf 42).
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In den Beispielen der 2 und 3 sind die Stöße im Wesentlichen elastisch und Energiedissipation durch Reibung gering, insbesondere geringer als 5% der kinetischen Energie des Körpers.
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In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen können der oder die Körper auch anders an der Struktur 12 angeordnet sein, beispielsweise nicht innerhalb der Struktur selbst, sondern in einem separaten an der Struktur 12 angebrachten Gehäuse, mit dem der Körper Stoßkontakte ausführen kann uns das die Impulsüberträge auf die Struktur 12 weiterübertragen kann.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
