DE19729573A1 - Vorrichtung zur Dampfung von Stoß- und Schwingungsenergie mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten Körpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Stoß- und Schwingungsenergie, also Aufprallschutzvorrichtungen, wie Fender, Lager und Stoßdämpfer, mit Hilfe flüssigkeitsgefüllter, elastischer Körper.

Flüssigkeitsgefüllte, elastische Körper sind zur Dämpfung von Stoß- und Schwingungskräften im Grunde bekannt. Es herrscht aber offenbar das technische Vorurteil, daß ein weicher, flüssigkeitsgefüllter elastischer Körper zu wenig Arbeit aufnehme, weil seine Federkraft zu gering sei, ein harter Körper dagegen verforme sich zuwenig, und nehme daher ebenfalls zu wenig Arbeit auf und gebe zudem zu viel Kraft an die Unterlage weiter.

Die DE 44 31 584 A1 zeigt einen Lagerbock insbesondere für die Lukendeckel von Containerschiffen mit einem flüssig gefüllten Kissen; die Elastizität der Haut dieses Kissens wird hauptsächlich genutzt, um Ungenauigkeiten beim Bau des Schiffes auszugleichen und Bewegungen zwischen Schiffskörper und Lukendeckel aufzunehmen. Es ist an drei Seiten von einer stählernen Aufnahme umgeben. Die Arbeitsaufnahme ist dem Zweck der Einrichtung entsprechend gering.

Beim elastischen Lager nach DE 729 930, EP 0049 741 A1 und anderen wird die Flüssigkeit nur zum Ausgleich von Spannungen genutzt, die etwa ein Lager aus massivem Gummi zerstören könnten. Bei dieser Bauart würde bei Stößen, die zu einem Durchschlagen des Flüssigkeitspolsters führen bauartbedingt nur ein geringer Teil der Energie aufgenommen, denn auch bei diesem Lager ist der elastische, flüssigkeitsgefüllte Körper an drei Seiten von stählernen Teilen umgeben. Dementsprechend ist eine nennenswerte Arbeitsaufnahme des Lagers in den genannten Schriften nicht erwähnt.

Das elastische Lager nach EP 0027 751 oder DE 37 29 563 A1 nutzt die unterschiedliche Druckausbreitung in Gummi und einer Flüssigkeit zur Dämpfung von Schwingungen, und kann so die Übertragung von Schwin­ gungen zwischen zwei Bauteilen dämpfen. Weiter können derartige Lager Spannungen zwischen den verbundenen Bauteilen ausgleichen. Es ist an drei Seiten von stählernen Teilen umgeben. Die Schwingungsdämpfung ist aufbestimmte Frequenzen beschränkt.

Näher am Grundgedanken dieser Erfindung ist der umlaufende Fender nach DE-OS-28 42 962. Der um das Boot herumlaufende Fender kann mit Flüssigkeit gefüllt werden, er ist in Kammern unterteilt und an drei Seiten frei. Jedoch kann dieser Fender schon aufgrund seiner Halbkreisform nur etwas mehr als Hälfte der möglichen Arbeit aufnehmen, weiterhin ist keine Regel angegeben, nach der die Kammern dimensioniert werden müssen. Die Dimensionierung nach den in den Ansprüchen 1 und 9-11 genannten Regeln ist aber für eine hohe Arbeitsaufnahme und damit für die Schutzwirkung entscheidend. Bei Ausgestaltung der Kammern nach diesen Regeln würde ein derartiger Fender wegen seiner Halbkreisform bei einem harten Stoß vom Boot abgerissen werden.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Dämpfung von Stoß- und Schwingungsenergie mit hoher Arbeitsaufnahme anzugeben, die einfach aufgebaut und bei sehr guter Wirkung relativ leicht ist.

Das Prinzip ist im Grunde bekannt (s. Fig. 1). Wenn ein Körper, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, gequetscht wird, baut sich in seinem Inneren Druck auf. Die Druckkräfte wirken, egal woher die einwirkende Kraft kommt, senkrecht auf die gesamte Innenwand des Körpers. Das heißt: Die einwirkende Kraft wird nicht nur gegen die Unterlage, sondern gegen die gesamte Innenwand des Körpers abgestützt. "Die einwirkende Kraft verliert ihre Richtung."

Der Druck im Inneren führt dazu, daß der Körper gedehnt wird. Bei der Dehnung des Körpers wird Dehnungsarbeit in der Wand des Körpers geleistet. Der Richtungsvektor dieser Arbeit steht senkrecht zum Druck. Das heißt: Bei der Dehnung des Körpers wird keine Arbeit in Richtung der einwirkenden Kraft geleistet. Darin unterscheidet sich diese Anordnung von einer gewöhnlichen Rundfeder. Die Rückprallkraft ist gleich dem Produkt aus Druck und Auflageflache und damit gering.

Die Kraft, die auf die Unterlage des Körpers einwirkt, ist gleich dem Produkt aus Druck und Auflagefläche. Das heißt: Auf die Unterlage wirkt nur ein Bruchteil der einwirkenden Kraft.

Die Erfindung besteht nun darin, mit Flüssigkeit gefüllte Körper als Polster zur Dämpfung von Stoß- und Schwingungskräften zu nutzen. Dazu müssen die Körper einen kreisförmigen Querschnitt haben und sich möglichst ungehindert ausdehnen können, d. h. an mindestens zwei Seiten muß Luft oder ein leicht komprimierbarer oder verschiebbarer Stoff, z. B. ein Schaumstoff oder "freies" Wasser, die Körper umgeben (Anspruch 1). Die Wände müssen biegsam und elastisch sein. Als Beispiel seien Hydraulik­ schläuche genannt. Die Flüssigkeit kann, muß aber nicht, kompressibel sein sie kann auch durch ein Gel ersetzt werden (Anspruch 2). Um die zu leistende Arbeit weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn die Körper auch in unbelastetem Zustand unter Druck stehen, also vorgespannt sind (Anspruch 3). Die Wirkung erhöht sich, wenn eine große Anzahl von Körpern in mehreren Lagen neben- und hintereinander angeordnet sind (Anspruch 4), wobei die Lagen auch in einem Winkel zueinander gedreht sein können (Anspruch 5). Wenn ein Körper nicht oder nur auf einer Seite aufliegt, verringert das die Kraft, die auf die Unterlage einwirkt, und vergrößert den Federweg (Anspruch 6). Weil die Auflagefläche der untersten Lage die Größe der Kraft bestimmt, die abgestützt werden muß, sollten die Körper dort so hart wie möglich sein (Anspruch 7).

Zur Dämpfung von Stoßkräften sind folgende Ausgestaltungen wichtig: Um eine maximale Umwandlung der Aufprallenergie zu erzielen, muß die Reißdehnung der Körper möglichst groß sein, und ihr Berstdruck darf erst beim Auslegungsstoß überschritten werden (Anspruch 9). Eine Gestaltungsmöglichkeit ist, die Körper so zu formen und anzuordnen, daß jeweils ein Teil bei einem Stoß frei bleibt und dieser die aus dem gequetschten Teil verdrängte Flüssigkeit aufnehmen kann; dadurch verlängert sich der Verzögerungsweg und die Kraft, die abgestützt werden muß, verringert sich. Die Vorrichtung ist dann so zu gestalten, daß bei der höchsten anzunehmenden Aufprallenergie die Körper an einer Stelle gerade leergepreßt werden (Ansprüche 6 und 10). Um ein Verrutschen der Körper beim Stoß zu verhindern, ist es sinnvoll, Bleche oder Gitter zwischen den einzelnen Lagen anzuordnen (Anspruch 12). Eine andere Möglichkeit ist, die Körper in einem Strang zusammenhängen zu lassen und mehrere dieser Stränge miteinander zu einem flachen Band zu verflechten (Anspruch 13). Zur Erhöhung der Sicherheit ist es sinnvoll, daß bei einem Stoß möglichst mehrere Körper gleichzeitig getroffen werden (Anspruch 11). Um zu verhindern, daß die Hülle bei der Dehnung des Körpers zerreißt, ist es vorteilhaft, für eine Verminderung der Reibung zu sorgen (Anspruch 8).

Das Federarbeit/Weg-Diagramm (Fig. 2) zeigt neben einer stark progressiven Federungs-Charakteristik bei der Stoßaufnahme (a.), daß nur ein geringer Teil der Federarbeit beim Rückprall (b.) wieder wirksam wird. Die aufgenommene Arbeit wird nur zu einem geringen Teil in Wärme umgewandelt, der größte Teil wird in alle Richtungen unschädlich als Bewegung abgegeben, wenn sich die Körper wieder zusammenziehen.

Die erforderlichen Körper lassen sich in ähnlicher Weise wie Hydraulikschläuche herstellen, nur daß in die Herstellung des Schlauches das Befüllen und Abtrennen der einzelnen Körper integriert werden muß, wie es ja auch beim industriellen Herstellung von Würsten geschieht.

Zur Dämpfung von Schwingungen sind folgende Ausgestaltungen der Körper vorteilhaft. Um eine möglichst große Schwingungsdämpfung zu erreichen sollten die Hüllen der Körper möglichst hohe Federkonstanten aufweisen und auf einem großen Teil ihrer Länge frei sein, denn nur über die Auflagefläche werden ja Schall und Schwingungen weitergegeben, Arbeit wird aber auf von der gesamten Oberfläche des Körpers aufgenommen (Ansprüche 7 und 16) Eine Vorspannung erhöht die Arbeitsaufnahme weiter. Damit der Druckanstieg im Körper möglichst stark ist, sollten die Körper auf ihrer ganzen Fläche gleichzeitig der gleichen Kraft ausgesetzt sein (Anspruch 17). Durch Einsatz von Flüssigkeiten mit verschiedener Schallgeschwindigkeit lassen sich weitere Verbesserungen der Schwingungsdämpfung erzielen indem entweder Körper mit verschiedener Schallgeschwindigkeit nebeneinander angeordnet werden (Anspruch 18), oder innerhalb der Körper zusätzliche Beutel oder Schläuche aus einem dünnen, dichten elastischen Material eingebracht werden, die mit jeweils einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind (Anspruch 19). Durch diese beiden Ausgestaltungen lassen sich bestimmte Frequenzen gezielt stärker dämpfen.

Anwendungen und Bauformen

Diese Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt, sie dürfte überall anwendbar sein, wo Stöße oder Schwingungen zu dämpfen sind, von den Vibrationen am Griff einer Kettensäge bis zu den Erschütterungen eines Bauwerkes durch ein Erdbeben.

Aufprallschutz für Pkws

Das Hauptanwendungsgebiet dieser Vorrichtungen dürfte zunächst im Aufprallschutz von Pkws liegen. Hier kommt es auf geringes Gewicht und geringe Einbaugröße an, der Schutz darf nicht versagen, selbst wenn er an mehreren Stellen zerreißen sollte, er kann aber nach jedem Unfall gewechselt werden. Es bietet sich daher an, konventionelle Hydraulikschläuche in viele Kammern zu unterteilen. Der Aufbau der Wand der Körper kann dagegen einfacher als beim herkömmlichen Hydraulik­ schlauch sein, auf Schichten, die hauptsächlich dem Schutz des Körpers dienen, kann verzichtet werden. Die äußeren Schichten sollen die Dehnung des Körpers auch dort ermöglichen, wo er gequetscht wird. Die Anforderungen an die Dichtigkeit unter Druck sind geringer, da ja nur beim Aufprall hoher Druck herrscht.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufprallschutz in der Tür eines Pkw. Auf dem Träger (1) liegt die unterste Lage von Körpern (2) aus härterem Material (Anspruch 7), dann folgt eine Lage der nach den Ansprüchen 9 und 10 berechneten weicheren Körper (3), die beim Stoß auf dem Träger (1) teilweise leergepreßt werden. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Aufprallschutz, der durch die Kraft (5) gequetscht wird, die Zwischenschichten (Anspruch 12) sind mit (4) bezeichnet. Die Wirkung der harten Körper nach Anspruch (7) ist deutlich zu sehen.

Fig. 2 zeigt das Federarbeit/Federweg-Diagramm eines Aufprallschutzes, der auf einer Breite von 500 mm eine Federarbeit von 50 kNm aufnehmen kann. Die Kurve a. zeigt die aufgenommene Stoßenergie, die Kurve b. die Rückprallenergie in Abhängigkeit vom Federweg. Der Druck im Inneren der Körper steigt dabei auf 68 bar. Es werden folgende Vorteile deutlich: Die zunächst recht große Nachgiebigkeit der Körper ermöglicht, daß bei Unfällen z. B. mit Fußgängern wegen des relativ langen Federweges und wegen der dadurch größeren Aufprallfläche geringere Verletzungen auftreten werden. Die geringe Rückprallenergie kommt den Insassen zugute.

Fig. 3 zeigt die Kraft, die am Fahrzeug abgestützt werden muß, in Abhängigkeit vom Weg, a.) ohne und b.) mit einer Lage sehr harter flüssigkeitsgefüllter Körper (Anspruch 7). Bei den Körpern nach Anspruch 7 handelt es sich um Hydraulikschläuche mit 600 bar Betriebsdruck. Man sieht, daß bei kleinen Federwegen nur sehr geringe Kräfte abgestützt werden müssen. Dies führt dazu, daß mit einer Schicht solcher Körper bei einer Geschwindigkeit von 15 km/h und einem Federweg von 40 mm nur eine Kraft von 4 kN abgestützt werden muß. Das bedeutet, daß es bis 15 km/h keine Schäden am Fahrzeug geben sollte. Ohne diese Körper würde die gleiche Kraft nach einem Federweg von 15 mm bei knapp 2 km/h erreicht.

Ein scheinbarer Nachteil: Der Fahrer wird einen Zusammenstoß bei niedrigen Geschwindigkeit möglicherweise nicht bemerken. Indem Drucksensoren, die dem Fahrer ein Signal geben, in den Aufprallschutz eingebaut werden, wird die Berührung z. B. eines anderen Fahrzeuges dem Fahrer angezeigt. So ist ein Rangieren in enge Parklücken erheblich einfacher (Anspruch 14), besonders wenn es sich bei diesen Signalen um Töne handelt, die durch ihre Richtung und/oder eine unterschiedliche Tonhöhe dem Fahrer zeigen wo die Berührung stattfindet (Anspruch 15).

Puffer für Schienenfahrzeuge

Bei den Puffern von Schienenfahrzeugen spielen Gewicht und Einbauvolumen eine geringere Rolle, dafür kommt der Standzeit und der Zuverlässigkeit eine weitaus höhere Bedeutung zu. Harte Stöße kommen immer wieder vor, ihre Folgen sollten keine Reparatur erforderlich machen. Die Druckpolster werden wesentlich stärker belastet als bei Pkws, während eine Kammerung nicht im gleichen Maße erforderlich ist. Wenn die Körper dauernd gequetscht und wieder entspannt werden, führt dies zu einem erhöhten Verschleiß besonders an den Außenschichten der Hüllen der Körper. Dies läßt sich vermeiden, indem sie nur in Überlastpuffern genutzt werden. Stark vorgespannt sind sie nur den seltenen sehr harten Stößen ausgesetzt und ermöglichen durch ihre hohe Arbeitsaufnahme, daß die Kraft sehr viel geringer wird, die auf den Fahrzeugunterbau einwirkt. So wird es wesentlich einfacher, den Unterbau leichter zu konstruieren. Ähnlich lassen sich auch Fender für Hafenanlagen, Bohrinseln und Schiffe bauen.

Schwingungsdämpfendes Lager für Deckenbalken, Turnhallenböden und dergleichen

Die Fig. 6 zeigt ein schwingungsdämpfendes Lager für Deckenbalken, Turnhallenböden und dergleichen. Zwischen der Lagerschale (1) und dem Balken (3) befindet sich eine doppelte Schicht längsgestreckter Körper (2). Auch seitlich wird der Balken (3) durch je eine Doppelschicht gleicher Körper gehalten, zwischen dieser Schicht und dem Balken befinden sich die Haltestücke (4) deren dem Balken zugewandte Seite aufgerauht ist. Zur Montage werden diese Haltestücke mittels der Spannschrauben (5), Exzentern oder ähnlichen Spannvorrichtungen auseinander gezogen, dann wird der Balken eingesetzt und die Spannvorrichtungen werden gelöst. Dadurch wird der Balken festgeklemmt, er bleibt aber ausreichend beweglich. Für eine optimale Wirkung ist wichtig, daß die Körper parallel zum Balken angeordnet sind, damit besonders bei Drehbewegungen in ihrem Inneren ein schneller Druckanstieg stattfindet, der die Bewegung hemmt (Anspruch 17). Um einen Balken mit 100 mm Kantenlänge, der in 2 Lagern gemäß Fig. 6 gelagert ist, um 1° zu drehen, ist ein Drehmoment von etwa 20 kNm erforder­ lich! Die Körper entsprechen dabei in ihrer Härte konventionellen Hydraulik­ schläuchen mit einem Betriebsdruck von 600 bar. Je größer der freie höchstens an einer Seite aufliegende, Teil der Körper ist, desto weniger Schall wird auf die Grundfläche übertragen (Anspruch 6). Eine weitere in der Abbildung nicht gezeigte Verbesserung insbesondere der Schalldämpfung kann man erreichen, wenn man in das Innere der Körper noch eine zweite oder sogar dritte Flüssigkeit einbringt, die sich in ihren Schallgeschwindigkeiten unterscheiden sollen (Anspruch 18). Dabei ist jede Flüssigkeit von der anderen durch eine dichte, dünne und elastische Membran getrennt (Anspruch 19).

Dämpfung der Vibrationen von Maschinen

An die Dämpfung im Sockel einer vibrierenden Maschine werden widersprüchliche Forderungen gestellt: Der Sockel soll die Vibrationen dämpfen, darf aber nicht zu weich sein, damit die Maschine nicht zu stark schwingt. Dies läßt sich erreichen, indem man die oben beschriebenen Körper vorspannt, d. h. die Flüssigkeit im Inneren wird unter Druck eingefüllt. Dadurch werden kleine Schwingungen direkt übertragen, starke aber weiterhin stark überproportional gedämpft. Dies ist wichtig im Griff von handgehaltenen Maschinen, wie Kettensägen und Preßlufthämmern, da die Belastung der Gelenke für den Bedienenden auch heute meist zu hoch ist gleichzeitig darf aber der Griff nicht zu weich sein, damit die Maschine sicher geführt werden kann.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoß- und Schwingungsenergie mit Hilfe flüssigkeitsgefüllter elastischer Körper, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülle der elastischen Körpers so ausgestaltet ist daß dort eine erhöhte Arbeitsaufnahme erfolgt, indem der Querschnitt der flüssigkeitsgefüllten Körper an mindestens zwei Raumrichtungen von einem leicht komprimierbaren oder verschiebbaren Medium umgeben ist und mindestens ein Querschnitt der Körper kreisförmig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit auch pastenförmig sein kann.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper unter einer Vorspannung stehen können.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper in mehreren Lagen nebeneinander und übereinander angeordnet sein können.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper in den verschiedenen Lagen in einem Winkel gegeneinander verdreht sein können.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil eines Körpers belastet wird, während der unbelastete Teil in höchstens einer Raumrichtung eine feste Unterlage berührt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der untersten Lage der Körper nach Anspruch 1 oder 2 eine Schicht von Körpern liegt, deren Haut verglichen mit den übrigen Schichten schwerer dehnbar ist.

8. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle der Körper mit reibungsvermindernden Schicht, wie z. B. PTFE versehen ist.

9. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Reißdehnung der Hülle die Körper so bemessen sind, daß beim Auslegungsstoß der Berstdruck in den Körpern noch nicht erreicht wird.

10. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reißfestigkeit so bemessen ist, daß beim Aufprall die Körper auf einem Teil ihrer Fläche leergepreßt werden, und der ungepreßte freie Teil die verdrängte Flüssigkeit aufnehmen kann.

11. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-9 und eventuell 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper so angeordnet sind, daß bei einem Stoß möglichst mehrere gleichzeitig betroffen sind.

12. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-9 und eventuell 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lagen dünne Zwischenschichten aus einem schwer verformbaren Material angeordnet sind.

13. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie nach den Ansprüchen 1-9 und 11 und eventuell 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Körper in einem Strang zusammenhängen und mehrere dieser Stränge miteinander zu einem flachen Band verflochten sind.

14. Vorrichtung zur Umwandlung von Stoßenergie insbesondere für Pkws nach den Ansprüchen 1-9 und 11-13 und eventuell 10, dadurch gekennzeichnet, daß Drucksensoren mit den Körpern so verbunden sind, daß sie ein Signal geben, wenn der Druck in den Körpern ansteigt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale Töne sind, die durch ihre Höhe und/oder die Richtung, aus der sie der Fahrer hört, anzeigen, wo die Berührung stattgefunden hat.

16. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper möglichst hart sind.

17. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper so angeordnet sind, daß jeder auf seiner ganzen Länge möglichst mit der gleichen Kraft belastet wird.

18. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen nach den Ansprüchen 1-7 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß nebenein­ anderliegende Körper mit Flüssigkeiten gefüllt sind, die sich in ihrer Schallgeschwindigkeit unterscheiden.

19. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen nach den Ansprüchen 1-7 und 16-17, dadurch gekennzeichnet, daß sich in jedem Körper mindestens eine Kammer aus einem dünnen, elastischen und dichten Material befindet, die mit einer Flüssigkeit verschiedener Schallgeschwindigkeit gefüllt ist.