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Vorgefertigtes lastaufnehmendes Bauelement für Bauwerke, Maschinen,
Geräte od. dgl. Die Erfindung betrifft ein vorgefertigtes lastaufnehmendes Bauelement
für Bauwerke, Maschinen, Geräte od. dgL, das langgestreckte Kanäle aufweist, in
denen sich Dämpfungseinsätze befinden, die sich gegenüber den Kanälen verschieben
können. Bei technischen Anordnungen, Bauwerken, Maschinen, Geräten Fahrzeugen, Flugzeugen
u. dgl. finden oft Konstruktionen Anwendung, bei denen eine gewisse Anzahl von lastaufnehmenden
Bauelementen verwendet werden. Derartige lastaufnehmende Bauelemente sind beispielsweise
Träger, Stege, Streben usw. Diese Bauelemente haben in erster Linie die Aufgabe,
die durch statische oder dynamische Belastungen hervorgerufenen Kräfte aufzunehmen.
Derartige Bauelemente werden im allgemeinen in Übereinstimmung mit den zu erwartenden
Maximalbelastungen unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors dimensioniert.
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Besondere Schwierigkeiten treten immer dann auf, wenn an der technischen
Anordnung, deren tragende oder lastaufnehmende Elemente solche Bauelemente sind,
Kräfte angreifen oder wenn innerhalb dieser technischen Anordnung Kräfte wirksam
werden, die die Anordnung selbst oder die lastaufnehmenden Elemente, die die Anordnung
bilden, in Schwingung versetzen.
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Bisher wurden zur Lösung der dabei auftretenden Probleme zwei Wege
beschritten. Einmal wurden zwischen die lastaufnehmenden Bauelemente, die die technische
Anordnung bilden, besondere Dämpfungselemente eingesetzt. Diese Dämpfungselemente
schwächen aber immer in außerordentlich nachteiliger Weise den gesamten Festigkeitsverband.
So wurden beispielsweise reibungsdämpfende Materialien, wie Filz- oder Korkelemente,
zwischen benachbarte Bauelemente eingefügt.
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Andererseits ist es bekannt, die technische Anordnung möglichst starr
zu machen. Zu diesem Zweck werden die Bauelemente erheblich überdimensioniert. Dies
führt aber nicht nur zu einer außerordentlich teuren Bauweise, sondern auch zu einer
Bauweise, die für viele Zwecke, bei denen es auf eine leichte Konstruktion ankommt,
völlig ungeeignet ist.
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Im Fahrzeugbau ist es bereits bekannt, zur Verminderung der Abstrahlung
von auf die Fahrzeugwandungen übertragenen Schwingungen die Wandungsteile aus mehrschichtigen
Platten zu fertigen, zwischen denen ein viskoses Dämpfungselement angeordnet ist.
Derartige Platten können aber nicht als Bauelemente für Bauwerke, Maschinen, Geräte
od. dgl. im allgemeinen verwendet werden.
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Es ist auch bereits eine Dämpfungsvorrichtung an Maschinengestellen,
insbesondere an Werkzeugmaschinen bekannt. Diese Dämpfungsvorrichtung weist gegen
Tragteile des Maschinengestells unter Druck anliegende Scheuerkörper auf, die nach
entgegengesetzten Seiten gerichtete Scheuerflächen haben. Dabei sind die Außenflächen
eines Tragteils des Maschinengestelles mit Nuten versehen. In diese Nuten wird ein
Scheuerkörper unter Federwirkung eingepreßt. Es wird ein vorgespannter Stab verwendet.
Damit eine federnde Anpreßwirkung erzielt werden kann, muß dieser Stab zwangläufig
an gewissen Stellen mit dem Tragteil des Machinengestells fest verbunden sein. An
diesen Verbindungsstellen ist aber die Dämpfungswirkung des Scheuerkörpers gleich
Null, und eine maximale Dämpfungswirkung ist etwa zwischen zwei Befestigungsstellen
zu erzielen. Da der Scheuerkörper in einer Richtung vorgespannt ist, kann dieser
praktisch quer zu dieser Richtung auftretende Schwingungen nicht dämpfen. Diese
bekannte Dämpfungseinrichtung ist auch nicht zur Herstellung vorgefertigter lastaufnehmender
Bauelemente geeignet.
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Durch die Erfindung sollen die Schwingungsprobleme lastaufnehmender
Bauelemente gelöst werden.
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Erfindungsgemäß sind die Einsätze im Abstand von den Kanalwänden angeordnet,
und der Zwischenraum ist mit einem viskosen oder viskoelastischen Dämpfungsmittel
gefüllt. Es, kann vorteilhaft sein, daß die Kanäle geschlossen sind.
Derartige
lastaufnehmende Bauelemente können derart ausgebildet und bemessen sein, daß optimale
D"ämpfungseigenschaften für vorgegebene Frequenzbereiche bei minimalsten Abmessungen
erzielt werden. Die Bauelemente können vorgefertigt sein und können am Ort des Einbaus
zugeschnitten werden, ohne daß sie ihre Dämpfungseigenschaften verlieren.
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Es kann vorteilhaft sein, daß die Kanäle in dem Bauelement in zwei
zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.
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Um die Dämpfungswirkung zu erhöhen, kann der Elastizitätsmodul der
Einsätze größer sein als der des Bauelements. Insbesondere kann das Baulement aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein, während die Einsätze aus
Stahl bestehen.
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Die Kanäle können ganz im Inneren des Bauelementes liegen. Dabei ist
es vorteilhaft, die Kanäle in möglichst großer Entfernung von der neutralen Faser
des Baulementes anzuordnen.
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Um die Herstellung der Bauelemente zu vereinfachen, können die Kanäle
von Nuten im Bauelement gebildet sein, die von mit dem Bauelement fest verbundenen
Teilen abgedeckt sind.
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Die Kanäle und Einsätze können rechteckigen Querschnitt haben. Falls
gewünscht, können die Kanäle. und die Einsätze auch einen kreisförmigen Querschnitt
haben. Jeder Einsatz kann aus mehreren Drähten bestehen.
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Das Bauelement kann auch aus Schichten mit senkrecht zueinander verlaufenden
Kanälen bestehen. Um eine Anpassung an besondere Dämpfungsprobleme zu erreichen,
können an verschiedenen Stellen des Baulementes verschiedene elastische oder viskoelastische
Dämpfungsmittel verwendet werden.
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Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung,
in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind, nochmals
erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine graphische Darstellung einiger Schwingungskurven
bei erzwungenen Schwingungen mit verschiedener Frequenz für die erfindungsgemäßen
Bauelemente, F i g. 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Doppel-T-Trägers,
F i g. 3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der
Erfindung, F i g. 4 einen Teilquerschnitt eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit
zylindrischen Einsätzen, F i g. 5 einen Teilquerschnitt eines erfindungsgemäßen
Bauelementes mit eingesetzten Stäben von quadratischem Querschnitt, F i g. 6 einen
Querschnitt eines gedämpften Balkens, der aus Holz, Metallen und einem zähen Dämpfungsmittel
besteht, F i g. 7 eine Ansicht eines gedämpften winkelförmigen Bauelementes, F i
g. 8 eine Darstellung eines Bauelementes mix an diesem angebrachten Befestigungswinkeln
bzw. Versteifungswinkeln und Bolzen, i F i g. 9 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen
gedämpften Platte mit mehrfachen Einsätzen, die in entsprechenden Nuten liegen,
F i g. 10 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines erfindungsgemäßen U-förmigen
Balkens, F i g. 11 einen Längssohnitt eines erfindungsgemäßen Bauelementes unter
Biegungsbeanspruchung, wobei die Verschiebung zwischen den einzelnen Teilen der
Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt sind, F i g. 12 eine Stirnansicht der
Anordnung nach F i g. 11 und F i g. 13 eine Teilansicht von miteinander verbundenen
erfindungsgemäßen Bauelementen.
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F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das Bauelement
10 die Form eines Doppel-T-Trägers aufweist. Beim Bauelement 10 sind der
Steg 11 und die Schenkel 12 und 13 starr miteinander verbunden, d. h.. das
Bauelement 10 kann aus einem Stück bestehen und kann aus einer Aluminiumlegierung
gefertigt sein. Die Außenflächen 14 und 15 der Schenkel 12 und 13 sind mit
neun Längsnuten versehen, die rechteckigen Querschnitt haben und in denen sich mehrere
Einsätze aus Stahlstäben befinden, die ebenfalls rechteckigen oder quadratischen
Querschnitt haben. Da die beiden Schenkel 12 und 13 beim Ausführungsbeispiel gleich
sind, soll im folgenden nur der untere Schenkel 13 eingehend beschrieben
werden. Die breitesten Nuten 16 und 17 in der Nähe der Enden der Schenkel
nehmen drei Stahlstäbe 18 bzw. 19 auf, die nebeneinander liegen und die Nuten
nahezu ausfüllen, die jedoch nicht über die Oberfläche 15
herausragen. Die
Einsätze erstrecken sich längs der Nuten im wesentlichen ohne Unterbrechung über
die ganze Länge des Balkens. Zwischen den einander zugekehrten Flächen der Einsätze
und zwischen den Einsätzen und den Innenflächen der Nuten 16 und 17 ist ein
ständig viskoses, viskoelastisches Material 20 angeordnet. Abgesehen von
diesem Material sind die Einsätze in den Nuten nicht befestigt. insbesondere nicht
angeschraubt oder angenietet. Eine Deckplatte 21 aus Aluminium, die längs der Oberfläche
15 fest mit dem Balken verbunden ist, hält die Einsätze fest, verhindert Verluste,
Verschmutzungen oder Zersetzungen des viskosen Materials und ist mit ihren Innenflächen
von den Einsätzen ebenfalls durch das viskose oder viskoelastische Material
20 getrennt. Die gegenüberliegende Platte 21' ist ebenso an den Endflächen
14 des Schenkels 12 befestigt.
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Die tiefere Mittelnut 22, die wie die anderen Nuten zusammen mit der
Deckplatte 21 eine geschlossene Zelle bildet, nimmt vier gleichartige Stahleinsätze
23
auf, die voneinander und von den Innenflächen der Nut 22 und der
Platte 21 durch das viskose oder viskoelastische Material 20 getrennt sind.
Zu beiden Seiten der Nut 22 befinden sich drei gleichartige Nuten
24 bzw. 25 von mittlerer Tiefe, die je einen einzigen rechteckigen
Stahleinsatz 26 aufnehmen, wobei diese Stahleinsätze ebenfalls vom viskosen oder
viskoelastischen Material 20 umhüllt sind. Die kammartige Anordnung der Aluminiumtrennwände
27 erzeugt eine besonders große Gesamtfläche zwischen den Aluminium- und den Stahlteilen.
Dies ist erwünscht, um die Absorption der Schwingungsenergie in gewissen Fällen
zu erhöhen, und diese Ausbildung unterstützt auch die Festigkeit der verschiedenen
Teile des Balkens sowie die Aufrechterhaltung der erwünschten Abmessungen der Dämpfungsschichten.
Bei einer praktischen Ausführung hatten diese Schichten im ganzen Balken eine Dicke
von nur einigen Vielfachen von 0,025 mm.
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Die Elastizitätsmoduln des Grundmaterials Aluminium und der Einsätze
aus Stahl sind stark voneinander verschieden. Die hierdurch erzielte Dämpfung unterstützt
die durch das viskose oder viskoelastische Material und durch die Anordnung der
Nuten
und Einsitze erreichte Dämpfung. In statischer Hinsicht kann der dargestellte Träger
in seiner Festigkeit durch die Nuten und die Stahleinsätze etwas verändert werden.
Sollte dies von Bedeutung sein, so kann selbstverständlich jede beliebige statische
Festigkeit durch eine einfache Änderung der Abmessungen des Trägers erreicht werden.
In dynamischer Hinsicht werden hingegen die Resonanzeigenschaften erheblich verbessert,
und wenn ein Material mit optimalen Viskos.itätseigenschaften verwendet wird, so
ergibt sich ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten. Der Einfluß dieses Materials
sei an Hand der F i g. 1 erläutert. Beispielsweise kann die Kurve 1 das Verhalten
des Trägers darstellen, dessen viskoses oder viskoelastisches Material die Viskosität
Null hat, d. h. das Bauelement 10 mit dem Steg 11, den Schenkeln 12 und 13 und den
Deckplatten 21 und 21' verhält sich dann so, als ob die Einsätze nicht vorhanden
wären. Die Resonanzverstärkung bei der Frequenz (»a wäre dann sehr hoch. Wenn die
Viskosität der dämpfenden Schichten als unendlich groß angenommen wird, so daß die
Einsätze und das tragende Grundgerüst starr miteinander verbunden sind, ist die
maximale Resonanzverstärkung bei einer höheren Frequenz wieder sehr hoch, was durch
die Kurve 2 dargestellt werden kann. Wenn nun für den Zähigkeitskoeffizienten ein
sehr geringer Wert gewählt wird, so wird die resultierende Resonanzkurve 3 ein verhältnismäßig
großes endliches Maximum 4 aufweisen. Bei einem wesentlich größeren Zähigkeitskoeffizienten
ergibt sich eine Resonanzkurve 5, deren Maximum 6 ebenfalls endlich und verhältnismäßig
groß ist, jedoch bei einer höheren Frequenz auftritt. Allgemein folgen die maximalen
Resonanzwerte für einen zunehmenden Zähigkeitskoeffizienten der strichpunktierten
Kurve 7. Wenn ein Material reit einem Zähigkeitskoeffizienten gewählt wird, dessen
Wert ein bestimmbarer Zwischenwert ist, so kann ein Resonanzmaximum erzielt werden,
welches einen Minimalwert darstellt, und die entsprechende Resonanzkurve 8 wird
in der Nähe ihres Maximums 9 bei der Resonanzfrequenz «)R breit und abgeflacht.
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Das sogenannte optimale Dämpfungsmittel läßt sich durch an sich bekannte
Meß- und Prüfverfahren in einfachster Weise ermitteln.
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Die verbesserten Dämpfungseigenschaften hängen unter anderem von den
Zähigkeitsscherkräften im Dämpfungsmittel ab. Wie dargelegt, sind die verschiedenen
Einssätze, die sich über die ganze Länge des Balkens erstrecken, weder miteinander
noch mit dem Träger starr verbunden. Da die Biegungseigenschaften der Einsätze von
den Bleegungseigenschaften des Trägers abweichen, haben die Einsätze die Neigung,
sich relativ zum Kern des Trägers in Längsrichtung zu verschieben, wenn Biegebewegungen
infolge von erzwungenen Schwingungen auftreten. Hierbei erleiden die Einsätze nicht
die gleiche Deformation wie die benachbarten Teile des Trägers. Dies trägt zu verstärkter
Dämpfung bei. Wenn z. B. die Enden des Doppel-T-Trägers 10 beide nach unten gedrückt
werden, biegt sich der Balken, und das Material des unteren Schenkels 13 wird auf
Druck beansprucht. Die Trennwände 27, die praktisch starr mit den anderen Teilen
des Trägers einschließlich des Steges 11 und der Schenkel 12 und 13 verbunden sind,
werden ebenfalls auf Druck beansprucht, können aber nicht frei gleiten, während
die benachbarten steiferen Einsätze 26 verhältnismäßig umgespannt bleiben und sich
ohne wesentliche Verkürzung biegen. Deshalb ergibt sich eine Relativverschiebung
zwischen benachbarten Flächen der Einsätze u nd des Kernteiles. Diese Wirkungen
haben am oberen Schenkel 12 das umgekehrte Vorzeichen. Diese relativen Verschiebungen
sind zwar sehr klein, erfolgen jedoch längs großen Gesamtflächen und bewirken hierdurch
eine weitgehende und schnelle Energieaufzehrung durch die Scherkräfte im zähen Material.
Wegen dieser Wechselwirkungen ist die Verschiebung zwischen benachbarten Flächen
der Einsätze geringer .als die Verschiebung zwischen den benachbarten Flächen der
Einsätze und des Trägers, weshalb die Gruppen von drei Einsätzen 18 und 19 mit quadratischen
Querschnitten je durch einen Einsatz von flachrechteckigem Querschnitt ersetzt werden
können, wenn dies vorteilhafter erscheint. Ebenso kann ein Einsatz von großem quadratischem
Querschnitt an Stelle der vier kleineren Einsätze 23 verwendet werden. Die Einsätze
müssen nicht vollständig innerhalb des Trägers liegen und können über diesen hinausragen.
Auch können die einzelnen dargestellten Einsätze je in Elemente von noch geringerem
Querschnitt unterteilt sein und z. B. aus Drahtseil bestehen, wenn es vorteilhaft
erscheint, Drahtseile bei der Herstellung der Einsätze zu bündeln. In jedem Falle
sind die Einsätze gegen eine Verschiebung in Querrichtung gesichert und können hierdurch
Dämpfungskräfte für das Bauelement in mehreren Bewegungsebenen entwickeln. Eine
symmetrische Verteilung der einzelnen Einsätze und eine Anordnung an Stellen, welche
die Hauptfestigkeit des Trägers nicht allzusehr beeinträchtigen, sind bevorzugt.
Da ,außerdem die größte Dämpfungswirkung an Stellen mit größter relativer Verschiebung
eintritt, sollten die Einsätze soweit als möglich von der neutralen Faser des Bauelementes
entfernt angeordnet sein. So sind bei der Anordnung nach F i g. 2 die Einsätze so
weit von der neutralen Faserachse 36 entfernt, als die Geometrie des Querschnittes
und die Anordnung der Deckplatten dies erlauben. Eine weitgehende Verteilung der
Einsätze ist auch insofern vorteilhaft, als nur wenige Einsätze durch Schrauben
oder andere Befestigungsmittel des Trägers unwirksam werden. Wie später noch im
einzelnen ausgeführt wird, können jedoch die Einsätze auch an gewissen Unterstützungsstellen
mit dem Träger verbunden werden, ohne daß die Dämpfungswirkung wesentlich verringert
wird. Wenn ein bestimmtes Muster von Nielöchern oder anderen Öffnungen zur Befestigung
bereits feotsteht, können die Einsätze auch von vornherein so verteilt oder geformt
sein, daß sie an der Stelle dieser öffnungen nicht beeinträchtigt werden. Das gleiche
viskose oder viskoelastische Dämpfungsmittel kann an allen entsprechenden Stellen
des Bauelementes, verwendet werden, oder es können an verschiedenen Stellen der
Einsätze auch verschiedene Dämpfungsmittel verwendet werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Bauelementes
ist in F i g. 3 dargestellt. Hier handelt es sich um einen Balken 37 mit rechteckigem
Querschnitt. Das innere Balkenskelett 38 besteht aus einer Alumnmmlegerung und weist
symmetrisch angeordnete Kanäle in Form flacher Nuten 39 auf, von denen zwei auf
jeder Breitseite des Balkens .engebracht sind. I, jeder dieser Nuten befindet sich
ein Stahlstreifen 40 vom ebenfaJ,ls rechteckigem Querschnitt. Ein viskoses oder
viskoelauisches Dämpfungsmittel 41 .umgibt jeden Stahlstreifen. Deckplatten 42
und
43 aus einer Aluminiumlegierung sind mit dem Balken 38 durch Niete 44 -starr
verbunden, die gewährleisten, daß die Deckplatten bei Biegebeanspruchungen des Balkens
als Teil desselben wirken.
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Die in F i g. 4 und 5 im Schnitt dargestellten Bauelemente sind zwei
weitere vorteilhafte Ausführungsformen. Der zellenförmig aufgebaute Teil 57 nach
F i g. 4 stellt einen Teil des lastaufnehmenden Bauelementes dar und ist mit verhältnismäßig
kleinen zylindrischen Bohrungen 58 versehen, die sich vorzugsweise über die ganze
Länge des Bauelementes erstrecken. Derartige Öffnungen können leicht verhältnismäßig
klein und doch lang mit einem hohen Genauigkeitsgrad hergestellt werden, z. B. durch
Strangpressen. Die entsprechenden Einsätze 59 haben kreisförmigen Querschnitt und
sind im allgemeinen auf der Außenseite glatt und bestehen aus einem Werkstoff mit
höherem Elastizitätsmodul als der Werkstoff des Bauelementes 57. Ein viskoses oder
viskoelastisches Dämpfungsmittel 60 nimmt die Ringräume zwischen dem Einsatz
und dem Bauelement ein, wobei dessen Zähigkeitskoeffizient so gewählt ist, daß sich
die günstigsten Dämpfungswirkungen ergeben. Ein Film aus einem viskosen Stoff :mit
einer Dicke von einigen hundertstel Millimeter kann die gewünschten Wirkungen erzielen.
Im Zusammenhang damit sei erwähnt, daß die wesentlichen Zähigkeitsdämpfungswirkungen
von den Schubkräften in dem Film abhängen und daß für eine gegebene Geschwindigkeit
der Relativverschiebung zwischen gegenüberstehenden Flächen, die durch ein zähes
Medium getrennt sind, die Scherkraft zunimmt, wenn die Größe der Trennungsfuge abnimmt.
Durch kleine Dicken der trennenden Filme werden also hohe Scherkräfte erzeugt. Ferner
sind die Einsätze, welche die Dämpfung hervorrufen, weder ; am Bauelement noch einander
befestigt. Die Einsätze können am Herausfallen oder an unbeabsichtigten größeren
Verschiebungen gehindert werden. Eine Haft- oder Bremswirkung wird bereits weitgehend
durch bestimmte stark viskose Filme von Dämpfungs- , mitteln hervorgerufen, wobei
die Wirkungen der molekularen Adhäsion auf die Wände der Einsätze und des Bauelementes
sich den Wirkungen der hohen Scherkraft überlagern.
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In F i g. 5 ist das Bauelement 61 mit langgestreckten Öffnungen 62
von quadratischem Querschnitt versehen, und die Einsätze 63 haben ähnliche Querschnitte.
Die Einsätze haben um ein Geringes kleinere Abmessungen als die Öffnungen 62, so
daß das Dämpfungsmedium 64 zwischen den benachbarten Flächen der Einsätze und der
Öffnungen eingebracht werden kann; bei dieser Ausbildung erhält man große Gesamtflächen
zur Erzeugung einer hohen Dämpfung. Die Wirkungen der Coulombschen Dämpfung, die
eintreten, wenn die benachbarten Flächen einander wirklich berühren, unterstützen
die Unterdrückung der Resonanz und der Schwingungsweiterleitung ebenfalls, falls
die Coulombdämpfung so abgestimmt ist, daß diese ihren günstigen Wert etwa erreicht.
Sechseckige, achteckige und sonstige Querschnitte können auch Verwendung finden,
und es lassen sich mehr als eine Formgebung für die Einsätze und die zugehörigen
Öffnungen in einem einzigen Bauelement verwenden. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, müssen
die einzelnen Einsätze auch nicht die gleichen Querschnitte wie die betreffenden
Öffnungen im Bauelement aufweisen, insbesondere wenn mehrere Einsätze in einer Öffnung
vorhanden sind. Der in F i g. 6 gezeigte Balken besteht aus einem Grundkörper, der
zusammengesetzt ist. Der doppel-T-förmigeTeil aus Aluminium besteht aus zwei gleichartigen
stranggepreßten U-förmigen Teilen 65 und 66, die mit dem Rücken aneinander durch
Schrauben 67 verbunden sind. Diese Schrauben halten auch rechteckige Holzbalken
68 und 69 in den Ausnehmungen der Teile 65 und 66. Alle Teile aus Holz und Aluminium
sind starr miteinander verbunden und nehmen nicht nur gemeinsam die statischen Belastungen
auf, sondern wirken auch als einheitlicher Kernteil bei der Erzeugung einer relativen
Längsverschiebung gegenüber gewissen Einsätzen bei dynamischen Biegebeanspruchungen
des Balkens. Die freien Räume der Teile 65 und 66 sind durch Holzteile 68 und 69
aber nicht voll ausgefüllt, sondern diese haben einen geringeren Rechtecksquerschnitt,
so daß zu beiden Seiten noch Räume frei bleiben, die mindestens teilweise durch
entsprechende Leisten mit einem höheren Elastizitätsmodul aus Holz und Aluminium
ausgefüllt werden können. Vier derartige Leisten 70 aus Stahl sind symmetrisch in
den Räumen zwischen den Aluminiumschenkeln und den Holzteilen angeordnet, und zwischen
diesen Stahlleisten und den Aluminiumschenkeln bzw. den Holzbalken befinden sich
acht Dämpfungsschichten aus einem viskosen oder viskoelastischen Medium 71 und 72.
Die Klebeeigenschaften dieser Filme verhindern, daß die Stahleinsätze sich lösen
können, obwohl das Festhalten dadurch unterstützt werden könnte, daß die Holzteile
68 .und 69 so weit verbreitert werden, daß ihre Seiten eine leichte Berührung mit
den Stahlleisten haben.
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Eine Art, in welcher ein einfaches Winkelbauelement gedämpft werden
kann, ist in F i g. 7 dargestellt. Hierbei sind die zueinander senkrechten Seiten
83 und 84 des Bauelementes in der Mitte mit Schlitzen parallel zur Ebene
ihrer jeweiligen Seiten versehen. Leisten 85 und 86, die einen verhältnismäßig hohen
Elastizitätsmodul aufweisen und einen rechteckigen Querschnitt haben, der demjenigen
der beiden Kanäle entspricht, sind in die Kanäle eingelassen und von diesen durch
ein viskoses oder viskoelastisches und klebriges Dämpfungsmittel 87 getrennt.
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Wenn durchgehende Schrauben oder Niete längs der Seiten des Winkelelementes
angebracht werden sollen, kann die in F i g. 8 dargestellte Ausführungsform angewendet
werden. Jeder der zueinander senkrechten Schenkel 89 und 90 des Winkels 88 ist in
Längsrichtung geschlitzt, z. B. durch eine nachträgliche spanabhebende Bearbeitung
oder durch Strangpressen, und zwar sind die Schlitze an der Außenseite an verschiedenen
Stellen angebracht. Einsätze 91 und 92 in Stabform in den beiden Gruppen von je
fünf Schlitzen sind voneinander durch Trennwände 93 und 94 getrennt und mit einem
Dämpfungsmittel 95 umgeben. Seitenplatten 96 und 97 vervollständigen die Anordnung,
indem sie die einzelnen Einsätze überdecken :und weitere mit dem Winkelelement fest
verbundene Flächen darstellen, an denen Dämpfungskräfte durch Zähigkeit entwickelt
werden können. Jede Seite des Winkels kann mit Befestigungsmitteln, z. B. Nieten
98, auch an anderen Stellen als an Knoten längs seiner Längserstreckung befestigt
werden, ohne daß die Dämpfungswirkung von mehr als einem einzigen Einsatz 91 bzw.
92 behindert wird. Die übrigen Einsätze bleiben weiterhin funktionsfähig und besorgen
die erforderliche Dämpfung. Die Niete 98 dienen z. B. zur Befestigung von Hilfswinkeln
99 und
100 am Hauptteil, können aber auch meherere Winkelteile verbinden.
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Ein Teil eines plattenförmigen Bauelementes ist in F i g. 9 dargestellt.
Das Bauelement besteht aus drei parallelen Platten 101, 102 und 103, z. B. aus Aluminium,
die einen bestimmten Elastizitätsmodul besitzen. Die Platten 101 und
103 sind mit Nuten versehen, so daß parallele Rippen 101' und 103' stehenbleiben,
die sich gegen gegenüberliegende Flächen der Zwischenplatte 102 legen. Zwischen
den Längsrippen 101' .der Außenplatte 101 und dem Rest der Platte 101 sowie der
Mittelplatte 102 befinden sich mehrere dünne parallele Leisten 104 von höherem Elastizitätsmodul,
die sich .sämtlich in einer ersten Längsrichtung über die ganze Länge des Bauelements
erstrecken. Gleiche parallele streifenförmige Einsätze 105 befinden sich zwischen
der mitteleren und der unteren Platte 102 und 103 und erstrecken sich in einer zweiten
Längsrichtung senkrecht zu den oberen Streifen 104. Durch die zueinander senkrechte
Anordnung der Einsätze 104 und 105 erhält das Bauelement nicht nur größere Festigkeit
in allen Biegungsrichtungen, als wenn sie alle parallel angeordnet wären, sondern
es ergibt sich auch eine verbesserte Eigendämpfung bei gewissen Schwingungsformen,
die durch außen angelegte Erregungskräfte angeregt werden könnten. Durch die zueinander
senkrechte Anordnung wird die Verschiebung zwischen den Platten und den Einsätzen
auch dann gewährleistet, wenn die Biegebeanspruchungen des Bauelementes keine Längsbiegung
einer Streifengruppe hervorrufen. Das viskose oder viskoelastische Dämpfungsmitte1106
umgibt jeden Streifen, um die Eigendämpfung zu erzeugen. Die Anordnung mehrfacher
streifenförmiger Einsätze, die je gewisse Unabhängigkeit voneinander in Hinsicht
auf die Biegung und die Gleitung haben, ergibt die Möglichkeit einer besseren Schwingungsunterdrückung
und einer besseren Unterdrückung von Stoßwellen unter verschiedenen Bedingungen.
Ferner kann die zusammengesetzte Platte an einer Anzahl von Stellen befestigt oder
angeklemmt werden, wodurch nur wenige der :schmalen, streifenförmigen Einsätze mit
dem Bauelement feist verbunden werden, ohne daß hierdurch die optimalen Eigendämpfungseigensohaften
wesentlichbeeinträchtigt werden, die durch die vielen verbleibenden Einsätze hervorgerufen
werden. Befestigungsmittel wie Niete 102', die durch die Rippen 101' und 103' hindurchgehen,
bewirken, daß die Platten 101, 102 und 103 starr miteinander verbunden
sind.
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Bei denn U-förmigen Balken 107 nach Fig. 10 ist das stranggepreßte
Aluminium 108 mit vier rechteckigen, sich in Längsrichtung erstreckenden äußeren
Nuten 109 an seinem Mittelteil sowie mit entsprechenden Nuten 110 und 111 an seinen
beiden Schenkeln 112 und 113 versehen. In jeder dieser Nuten befinden sich zwei
quadratische Stahlstäbe 114, die sich über die ganze Länge erstrecken, und die Nuten
praktisch ausfüllen, abgesehen von dem dünnen Film eines viskosen oder viskoelastischen
Dämpfungsmittels 115, der zwischen allen gegenüberstehenden Flächen eingefügt ist.
Alle Einsätze wirken bei der Unterdrükkung von Schwingungen in allen Richtungen
quer zur Längsachse des Bauteils zusammen, wobei die Eigendämpfung in der bereits
erwähnten Weise hervorgerufen wird. Bei gewissen Anwendungen kann die Klebfähigkeit
des Dämpfungsmittels 115 allein schon ausreichen, um den Konstruktionsteil im zusammengebauten
Zustand zu erhalten. Bei anderen Fällen kann ein entsprechend gestalteterManfiel
116 mit dem Bauelement 108 verbunden werden, um diesen mindestens teilweise zu umhüllen
und um eine glatte Außenseite zu erzeugen. Hierdurch ergibt sich gleichzeitig eine
Befestigung der Einsätze und eine weitere Förderung der Eigendämpfung, da die inneren
Flächen des Mantels .den äußeren Flächen der verschiedenen Einsätze gegenüberstehen.
Der Mantel 116 kann aber auch seinerseits eine Dämpfiungsaufgabe, wie diejenige
der Einsätze übernehmen, wenn er nämlich etwas lose mit dem Bauelement 108 verbunden
ist, so daß er in Längsrichtung bei Biegebeanspruchung verschiebbar ist und in der
dünnen Schicht des viskosen Mediums längs seiner Innenfläche, die mit 116' bezeichnet
ist, Energie aufzehrt. Der Mantel 116 besteht dann ebenfalls vorzugsweise aus einem
Werkstoff mit höherem Elektrizitätsmodul als der Skelettteil 108.
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Zur Erläuterung der Art der Relativbewegungen, welche die erfindungsgemäße
Dämpfung hervorrufen, dienen die stark übertrieben gezeichneten F i g. 11 und 12.
Das Bauelement 117 ist hier mit mehreren parallelen, längsverlaufenden Bohrungen
118 und 119 versehen, die in zwei übereinanderliegenden Reihen oberhalb und unterhalb
.der Mittelebene 120 des Bauelementes angeordnet sind. In den beiden Bohrungsreihen
befinden sich zylindrische Stäbe 121 und 122, die von denn viskosen oder viskoelastischen
Dämpfungsmiitel 123 umgeben sind und einen höheren Elastizitätsmodul als das Material
des Bauelementes 117 haben. Bei einer Abwärtsbiegung eines Endes des Bauelementes,
während das andere Ende bei 124 eingespannt ist, biegt sich der aus einem Stück
bestehende Teil 117 im ganzen, wobei die Teile oberhalb der Mittelebene 120-120
eine Zug- und Dehnungsbeanspruchung erfahren, während gleichzeitig die Teile unterhalb
der Mittelebene zusammengedrückt werden. Die Einsätze 121 und 122 werden dagegen
nur -gebogen und behalten ihre ursprüngliche Länge bei, so daß sich eine relative
Längsverschiebung zwischen den einander gegenüberstehenden Flächen der Einsätze
und der Bohrungen des Bauelementes ergibt. Diese Verschiebung verursacht eine viskose
Scherkraft in dem filmartigen Zwischenmedium. Die übertriebene Darstellung der verschiedenen
Lagen der Enden der Einsätze in dem Längsschnitt der F i g. 11 und der Stirnansicht
der F i g. 12 zeigen, daß die Enden der oberen Reihe von Einsätzen 121 in den gedehntem
Teil des Bauelementes zurückweichen, während die Enden der unteren Reihe von Einsätzen
122 etwas aus dem unter Druck stehenden Teil hervortreten. Wenn die Biegung fortschreitet.
Die Coulombdämpfung, die durch die geringe Reibung zwischen den Einsätzen und dem
Bauelement hervorgerufen wird, verhindert nicht die Verschiebung, ist aber ebenfalls
vorteilhaft, falls die Dämpfungseffekte so gewählt sind, daß sie im wesentlichen
die optimale Dämpfung ergeben. In der neutralen Mittelebene 120-120 wird keine wesentliche
Verschiebung auftreten, so daß die :größten Dämpfungswirkungen also an möglichst
weit von der neutralen Biegungsachse entfernten Stellen der Einsätze auftreten.
Dies trifft -auch auf andere Ausführungsformen als nach den F i g. 11 und 12 zu,
und die Ausführungsformen nach den F i g. 2, 3, 8 und 10 sind z. B. in übereinstimmung
mit derVorschrift, daß die Einsätze möglichst weit von der neutralen Biegeachse
entfernt
sein sollen, soweit dies mit anderen Bedingungen vereinbar
ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Bauelementes aus eigengedämpften
Bauteilen ist in F i g. 13 dargestellt. Das eine dieser gedämpften Bauteile 125
besteht aus einem winkelförmigen Balken entsprechend F i g. 8, wobei die schmalen
Nuten 126 in den Aluminiumteilen 127 und 128 je zwei Stahldrähte 129 sowie das zähe
Dämpfungsmedium enthalten. Eine Seite 128 des Winkels ist an einer Platte 130 mit
Nieten 131 befestigt, die aber keine wesentliche Anzahl der verteilten Einsätze
an dieser Seite beeinträchtigen können. Der Teil 130 hat ebenfalls Dämpfungseigenschaften,
die dadurch hervorgerufen werden, daß Filme eines viskosen oder viskoelastischen
Dämpfungsmittels 132 zwischen benachbarten Flächen der Platten und Einssätze eingebracht
sind. Es sind drei Platten 133, 135 und 137 die z. B. aus Aluminium bestehen, vorgesehen,
während die streifenförmigen Einsätze 134 und 136 aus einem Material mit höherem
Elastizitätsmodul hergestellt sind. Die Gruppen paralleler Streifen 134 und 136
erstrecken sich senkrecht zueinander und befinden sich in entsprechenden Nuten der
Platten 133 und 137, die durch die zueinander parallelen Rippen 133' und 137' gebildet
werden. Wenn Befestigungsmittel wie die durchgehenden Bolzen 138 und
139 an anderen Stellen als denjenigen angebracht werden, wo die Rippen gegenüberstehen,
um z. B. den Teil 130 mit einem Winkel 140 zu verbinden, so können besondere Vorkehrungen
getroffen werden, um eine möglichst große Verschiebung und damit eine starke Dämpfung
zu fördern. Dies geschieht durch Verwendung zweier dicker Buchsen 141 und 142, durch
welche der Bolzen 139 hindurchgeht und die Enden der Buchsen fest an die Platten
133, 135 und 137 anpreßt. Die eingesetzten Streifen 134 und 136 sind so vorgeformt,
daß sie sich den Buchsen anpassen und ihrerseits ringsum einen solchen Spielraum
frei lassen, daß die zu erwartende Relativverschiebung möglich ist. Demgemäß sind
die betreffenden Löcher 143 und 144 in den Einsätzen 134 und 136 etwas
größer als die Buchsen, und das zähe Dämpfungsmittel füllt die Hohlräume zwischen
den Buchsen und den Einsätzen aus. Die Buchsen 141 und 142 wirken als Teil des Bauelementes
und halten die Platten 133, 135 und 137 in festem Abstand, wodurch eine größtmögliche
Verschiebung zwischen den Einsätzen und dem Bauelement ermöglicht wird. Offenbar
können die Befestigungsmittel und Zwischenstücke auch bei anderen Formen von Trägern
verwendet werden.
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Es wurde bereits festgestellt, daß bei einem gegebenen zusammengesetzten
Bauelement mit Eigendämpfung große Resonanzspitzen auftreten, wenn das Dämpfungsmittel
zwischen den gegeneinander verschiebbaren Bauelement- und Einsatzteilen entweder
einen Zähigkeitskoeffizienten von Null oder unendlich hat, wobei dann die Resonanzfrequenzwerte
verschieden sind. Ferner wurde festgestellt, daß eine optimale Dämpfungsbedingung
existiert, bei welcher der maximale Verstärkungswert bei der zugehörigen Resonanzfrequenz
ein Minimum aufweist. Es wurde nun festgestellt, daß der Minimalwert der Resonanzverstärkung
von einem Ausdruck abhängt, der bei der Berechnung optimaler Bauelemente besonders
vorteilhaft ist und nachstehend mit N bezeichnet werden soll. Er hat den Wert:
Hierbei ist f , die Resonanzfrequenz bei unendlich hoher Dämpfung und f. die Resonanzfrequenz
bei der Dämpfung Null.
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Wenn N zunimmt, wird die maximale Resonanzverstärkung verringert.
Es ist also wesentlich für eine optimale Anordnung, daß N einen möglichst hohen
Wert annehmen soll. Bei der Bestimmung der jeweiligen Frequenzen für den Fall eines
gegebenen Bauteiles wird die zu erwartende Belastung oder die Abwesenheit einer
Belastung, die von dem Balken getragen werden soll, betrachtet. Wenn die Last groß
im Verhältnis zum Gewicht des Bauteils und konzentriert ist, so kann die Eigenfrequenz
aus der Kenntnis der Masse der Last und der statischen Steif gkeit des Bauteils
berechnet werden. Wenn die konzentrierte Last vernachlässigbar ist, so kann die
Eigenfrequenz durch einfache Anwendung der bekannten Theorie für Balken u. dgl.
berechnet werden. Durch solche Berechnungen läßt sich ferner feststellen, daß
N eine Funktion der Biegungssteife (EI) des Teils für die Fälle verschwindender
und unendlicher Dämpfung ist:
Hier ist E der Elastizitätsmodul, I das Flächenträgheitsmoment, genommen um die
Bewegungsachse, und die Indizes oo und Null bezeichnen die Fälle mit unendlicher
Dämpfung und verschwindender Dämpfung.
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Bei verschwindender Dämpfung wird das Trägheitsmoment jedes einzelnen
Bauelementes und Einsatzes um die neutrale Achse dieser Fläche genommen, die durch
den Schwerpunkt dieser Fläche hindurchgeht. Für den Fall unendlich hoher Dämpfung
jedoch muß das Trägheitsmoment jedes einzelnen Bauelement-und Einsatzteils um die
neutrale Achse des betreffenden zusammengesetzten Teils genommen werden. Die Biegungssteife
setzt sich aus derjenigen des Bauelementmaterials und des Einsatzmaterials zusammen,
so daß für den Fall der Dämpfung Null gilt: (E 1)o = (E@ 1,) + 1, (Ei It)o
und für unendliche Dämpfung (E I), = (Ec Ic)o + (Ec Ac
dc2) + 1 (Ei 1i)0 + 1 (Et At d,2). Hierin ist A die Querschnittsfläche
des zu betrachtenden Teils, d der Abstand von der neutralen Achse einer gegebenen
Fläche zur neutralen Achse des zusammengesetzten Teils, und c und i sind Indizes,
welche das Bauelement und den Einsatzteil bezeichnen. Durch Einsetzen wird die Gleichung
für N in einem symmetrischen oder unsymmetrischen Teil wie folgt:
Das Summenzeichens bedeutet, daß alle Einsätze in die Rechnung
eingehen. Wenn das Bauelement aus mehr ass einem Werkstoff besteht, so müssen die
Rechnungen entsprechend abgeändert werden, um dies zu berücksichtigen. Wenn die
Einsätze aus verschiedenen Stoffen bestehen, so ergeben sich für die Summen folgende
Werte: Ei Ai di2 = (El A1 dl'- -I- E2 A2 d22 -r . . . )i @'
Ei Ii = (El Il + E2 I2 + . . . )i Hierbei sind :die Glieder für die
verschiedenen Werkstoffe summiert, die durch die Indizes 1, 2 usw. unterschieden
sind, und zwar über die gesamte Anzahl der Einsätze. Die Gleichung für N vereinfacht
sich für einen symmetrischen Balkenquerschnitt, dessen neutrale Achse für das Skelett
mit derjenigen des :gesamten zusammengesetzten Teils zusammenfällt, d. h. dc
=0. Ferner ergibt sich eine Vereinfachung, wenn die Einsätze aus dem gleichen
Material bestehen, was für die Herstellung bequem ist, und. wenn jeder Einsatz sich
in der gleichen Entfernung von der neutralen Achse des zusammengesetzten Teils befindet.
Wenn in diesem Falle die Gesamtzahl gleichartiger Einsätze mit ni (i=2,4,6
... )
bezeichnet wird :und der Trägheitsradius der Einsätze durch
ausgedrückt wird, so ergibt sich die GleichungfürNzu:
Da die größten Werte von N die geringste Verstärkung des Resonanzwertes anzeigen,
bedeutet diese Gleichung, .daß N vorzugsweise sich dadurch vergrößern läßt, daß
der Elastizitätsmodul Ei der Einsätze groß im Vergleich zum Elastizitätsmodul E,
des Bauelementes gemacht wird. N wird ferner dadurch vergrößert, daß das Trägheitsmoment
1, des Bauelementes verringert wird. Da der Schwerpunktsabstand di des Einsatzes
in diese Beziehung quadratisch eingeht, hat eine Erhöhung dieses Wertes einen großen
Einfluß auf den Faktor N, und dies bedeutet, daß die Einsätze also soweit wie möglich
von einer neutralen Achse entfernt sein sollen. Die neutrale Achse eines zusammengesetzten
Teils, der aus verschiedenen Materialien besteht, ist diejenige, für welche das
gesamte Elastizitätsflächenmoment Null ist, d. h.
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ZEjAjdj=0. Hierin ist d; der Abstand des Schwerpunktes jeder einzelnen
Fläche, A;, die den Elastizitätsmodul E; hat, von der neutralen Achse der Fläche
des zusammengesetzten Teils.
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Wenn man irgendeine willkürliche Achse wählt und um diese die Momente
berechnet, so ist der Abstand zur neutralen Achse der Gesamtfläche, gemessen von
dieser willkürlichen Achse aus, durch den Wert 8 wie folgt gegeben:
Hier ist 8; der Abstand vom Schwerpunkt der Fläche A; zu der Achse, um welche die
Momente genommen werden. Wenn die Fläche des zusammengesetzten Teils aus einzelnen
Abschnitten besteht, welche -den gleichen Elastizitätsmodul haben, so geht die neutrale
Achse durch den Schwerpunkt der Fläche des Querschnittes und definiert nur die Lage
des Schwerpunktes dieser Flächebezüglich einer willkürlichen Bezugsachse.
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Mit Hilfe des Faktors N für einen gegebenen Teil lassen sich die maximale
Resonanzverstärkung T"ax, die optimale Resonanzfrequenz cuy und die optimale D'ämpfungskonstante
Cop wie folgt ausdrücken:
Hierbei ist cuo die Resonanzfrequenz für die Dämpfung Null. Diegünstigsten Werte
für den entsprechenden Zähigkeitskoeffizienten für die zusammengesetzten Teile können
empirisch bestimmt werden. wie in den oben beschriebenen Fällen, worin Stoffe mit
verschiedenen bekannten Zähigkeitskoeffizienten bei der Aufnahme der Resonanzkurven
verwendet wurden. Die gleiche Information kann auch mathematisch von der Kenntnis
der Geometrie und der Abmessungen eines gegebenen Brauteils abgeleitet wenden, wobei
die Dicke der verwendeten Dämpfungsschicht, die Abmessungender Zwischenflächen zwischen
dem Skelett und. dem Einsatzteil und die Elastizitätsmoduln und die Massendichte
der Bauelement- und Einsatzteile eine Rolle spielen. Die verwendeten zähen Stoffe
sollen einen möglichst gleichmäßigen Zähigkeitskoeffizienten während der ganzen
Betriebsdauer der gedämpften Teile haben.