DE19802359C2 - Verfahren zur Schwingungsdämmung oder -aktivierung und Negativfeder hierfür - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Elemente mit negativer Federkonstante, die an Strukturen an­ gebracht, deren Schallabsorption und Schalltransmission erhöhen und auch in der Lage sind, den Körperschall zu reduzieren. Ein bekanntes Mittel mit dem negative Federkonstanten reali­ siert werden können ist die Tellerfeder.

Aus der deutschen Auslegeschrift DE 28 34 823 B1 sind volumenändernde Resonatoren nach dem Tellerfeder-Prinzip bekannt. Darin umschließt eine linsenförmig gewölbte Kalotte ein evakuier­ tes Innenvolumen. Unter der Belastung durch den einwirkenden Atmospärendruck verformt sich die Kalotte, sodaß sie analog der Tellerfeder-Charakteristik im Arbeitspunkt eine geringe Federkonstante aufweist. Durch die Evakuierung des Innenvolumens entfällt auch die Steifig­ keit der Luft, dadurch hat die Kalotte eine herabgesetzte, im relevanten Frequenzbereich lie­ gende Resonanz. Einem Schallfeld ausgesetzt wird die Kalotte zu Schwingungen angeregt und eignet sich so zur Dämmung und Dämpfung von Luftschall.

In der DE 32 17 784 A1 ist ein den Tellerfeder-Effekt benützendes Wandelement beschrieben, mit dem Luftschall gedämpft und transmittiert werden kann. Das Wandelement besteht aus zwei Blechen in die spiegelbildlich gleiche, linsenförmige Kalotten eingeprägt und die vollflä­ chig ohne Lufteinschluß zusammengeklebt sind. Dadurch verformen und belasten sich die ge­ genüber liegenden Kalotten gegenseitig, sodaß auch hier im Arbeitspunkt die resultierende Federsteifigkeit herabgesetzt ist. Wird das Wandelement einseitig von Luftschall beaufschlagt, so schwingen die Doppelkalotten in Resonanzfrequenz mit und strahlen diesen auf der anderen Wandseite wieder ab. Bei doppelseitiger Beaufschlagung mit demselben Schalldruckfeld dage­ gen neutralisieren sich dagegen die Anregungskräfte und es kommt zu keinem Mitschwingen der Kalotten und zu keiner akustischen Wirkung.

In beiden Ausführungen wird der auf einer geometrischen Nichtlinearität beruhende Teller­ feder-Effekt benützt, um kleine Federsteifigkeiten mit entsprechend niedrigen Resonanzfre­ quenzen zu realisieren. Damit gelingt es den Luftschall zu reduzieren, eine Beeinflußung des Körperschalls in einer Struktur ist damit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Schwingungsverhalten von Maschinen, Strukturen und Bau­ teilen mit Elementen zu beeinflussen und sekundär damit auch die Körperschallabstrahlung - der sog. structure borne noise - herabzusetzen. Diese Elemente sollen der Einfachheit halber mit "Negativfeder" bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den konventionellen Federn mit positiver Federkonstanten hat die Negativfeder eine mit dem Federweg abnehmende Rückstellkraft und ist in diesem Zustand instabil.

Nach dem funktionalen Hauptmerkmal der Erfindung werden Negativfedern an eine Struktur kraft- und/oder momentschlüssig angebracht. Die Addition der negativen Federkonstanten mit der natürlichen, positiven Federkonstanten der Struktur reduziert die dynamische Steifigkeit und verlagert die Strukturresonanzen in in einen tieferen Bereich. Damit können insbesondere die schwer beherrschbaren tieffrequenten Lärmanteile reduziert werden. Im allgemeinen Fall werden die Negativfedern so bemessen, daß eine stabile Reststeifigkeit besteht.

Im weiteren lassen sich mit Negativfedern folgende Erfindungsmerkmale zur Beeinflussung von Luft-, Hydro- und Körperschall herstellen:

Mit Negativfedern kann der Impedanzsprung an der Kontaktstelle unterschiedlicher Strukturen eingestellt werden. Eine Negativfeder an der impedanzhöheren Struktur baut den Sprung ab und schafft bei Impedanzgleichheit freien Schwingungsabfluss. Umgekehrt erhöht eine Nega­ tivfeder an der impedanzschwächeren Struktur den Impedanzsprung und damit die Dämmung.

An Strukturstellen mit lokalen Impedanzminimas angebrachte Negativfedern erhöhen dort die Schwingungsausschläge und wirken wie Schwingungsattraktoren. Mit gleichzeitg dort ange­ brachten Schwingungsabsorbern lassen sich damit Schwingungssenken mit irreversibler Abfuhr von Schwingungsenergie realisieren. Im weiteren eignen sich Negativfedern zur Herstellung von reflexionsfreien Abschlüssen an Strukturen. Bei einem Balken z. B. werden dazu in Bal­ kenrichtung mehrere Negativfedern mittels einer Dämpfungsschicht angebracht. Eine solche Anordnung wirkt wie ein Impedanztransformator der die Schwingungsausschläge vergrößert und die Wellengeschwindigkeit verlangsamt. Zusammen mit der Dämpfungsschicht ergeben beide Effekte eine raschere Absorption.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand von mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.

Fig. 1 bis 7 Negativfedern

Fig. 8 bis 11 Negativfedern zur Transmission und Absorption von Luft- und Hydroschall

Fig. 12 und 13 Negativfedern zur Fortleitung, Dämpfung und Dämmung von Körperschall

Zur Beschreibung werden folgende Bezeichnungen vereinbart. (X = Nummer der Figur.): X0 = Negativfeder. X1, X2 = Bestandteile einer Negativfeder. X3 = Justiervorrichtung. X4, X5 = Befestigung. X6 = Struktur. X7 = Schwingungsmode.

Fig. 1a stellt eine Negativfeder 10 in Explosivdarstellung und Fig. 1b im Einbauzustand dar. Diese besteht aus zwei Tellerfedern 11 und 12 mit einer negativen Federkonstanten, die durch die Verbindung 14 zusammengekoppelt sind. An eine Struktur 16, z. B. Karosserie, ange­ bracht, wird im Innenbereich der Negativfeder 10 eine Schwingungsmode 17 fixiert. Über die Federkonstante der Negativfeder 10 kann die Eigenfrequenz der Schwingungsmode 17 einge­ stellt und insb. herabgesetzt werden. Sind die beiden Tellerfedern 11 und 12 gleich und spie­ gelbildlich, so hat die Negativfeder 10 im Nullzustand keine Vorlast.

In Fig. 2 ist der allgemeine Fall einer Negativfeder 20 mit zwei Tellerfedern 21 und 22 verbun­ den durch einen elastische Keilring 23 dargestellt. Der Keilring 23 kann (durch hier nicht ein­ gezeichnete Schrauben) verformt werden, sodaß sich damit sowohl die Federkonstante als auch die Vorlast der Negativfeder 20 eingestellt werden kann. Diese ist wieder an eine Blech­ struktur 26 kraftschlüssig angebracht und fixiert eine Schwingungsmode 27.

In Fig. 3 wird die Negativfeder 30 durch einen Schrumpfring gebildet und ist durch eine Löt- Schweiß- oder Klebeschicht 34 an der Struktur 36 befestigt. Vor der Befestigung hat die Ne­ gativfeder 30 eine Übertemperatur bzw. ist durch eine Radialkraft aufgeweitet. Nach der Ab­ kühlung bzw. nach Aufhebung der Radiallast steht die Modenfläche 37 unter einem zentripeda­ lem Druck der die Eigensteifigkeit und damit auch die Resonanzfrequenz der Modenfläche 37 herabsetzt.

In Fig. 4 ist eine Negativfeder 40 direkt in die Strukturfläche 46 integriert. Dies wird durch Schichten 41 und 42 mit unterschiedlichen Materialspannungen erreicht. Eine solche schichten­ abhängige Spannungsverteilung läßt sich durch Oberflächenbehandlung wie z. B. Kugelstrahlen und Jonenimplantation erreichen. Mit einer ringförmigen Spannungsstruktur wie sie in den Ne­ gativfedern 10 oder 20 besteht, lassen sich damit Schwingungsmoden 47 fixieren und deren Resonanzen einstellen. Mit flächendeckenden vier- oder sechseckigen Modenflächen 47 läßt sich damit die gesamte Oberfläche der Struktur 46 nutzen.

Fig. 5a zeigt eine Negativfeder 50 vor dem Zusammenbau mit einer Tellerfeder 52 und der in die Wandfläche 56 eingeprägte Wölbung 51. Die Wölbung 51 hat Tellerfedercharakteristik und erfüllt dieselbe Funktion wie die Tellerfeder 11 in Fig. 1. Fig. 5b zeigt die Negativfeder 50 im Einbauzustand, bei dem Tellerfeder 52 und Wölbung 51 durch eine Verbindungsschicht 54 gekoppelt sind. Dadurch werden Schwingungsmoden 57 mit einstellbaren Eigenfrequenzen fixiert. Bei Beaufschlagung durch Schall kann damit eine breitbandige Transmission und Ab­ sorption durch die Wandfläche 56 erreicht werden. Anstelle von einzelnen Tellerfedern 52 las­ sen sich diese auch in eine zusammenhängende Blechfläche integrieren. Um mit einem Präge­ werkzeug für beide Teile 52 und 56 auszukommen verwendet man dazu identische Wandflä­ chen. Gegenüber dem Zusammenkleben zweier spiegelbildlichen, aber vollflächigen Wandflä­ chen 56 haben hier die Schwingungsmoden 57 nur die halbe mitschwingende Masse und so die doppelte akustische Wirkung.

In Fig. 6 sind zwei konzentrische Negativfedern 60 und 60' an eine Struktur 66 angebracht. Dadurch lassen sich zwei konzentrische Schwingungsmoden 67 und 67' mit unterschiedlichen Resonanzen realisieren, was eine Doppelnutzung der Fläche der Struktur 66 ermöglicht. Vor­ teilig sind Negativfedern nach Fig. 4 erzeugt durch Materialspannungen, um ohne Gewichtser­ höhung eine Mehrfachnutzung zuerreichen.

Gegenüber den zentrischen, zweidimensionalen Negativfedern der Fig. 1 bis 6 ist in Fig. 7 eine lineare, eindimensionale Negativfeder 70 dargestellt. Sie besteht aus den Streifen 71 und 72, die kraftschlüssig an deren Enden verbunden sind. Dabei ist der Streifen 71 (oder umgekehrt) etwas länger, sodaß er im unbelasteten Zustand eine Wölbung aufweist. Wird diese Anordnung an eine Struktur angebracht, so wird der längere Streifen 71 gestaucht und zwischen den Be­ festigungspunkten 74 und 75 kann so eine negative Federkonstante realisiert werden. Analog dem Vorgehen nach Fig. 2 kann durch eine Schichtung von unterschiedlichen Negativfedern 70 eine statische Vorlast eingestellt und auch auf Null gebracht werden. Zur Einstellung und nachträglichen Justierung sind Bohrungen 73 in den Streifen 71 oder 72 möglich, ebenfalls Materialabtrag und/oder Oberflächenbehandlung nach Fig. 4.

Die Ausführung nach Fig. 8 zeigt ein Absorptionselement für Luft oder Hydroschall. Dazu sind in zwei Bleche 86 und 86' Wölbungen 81 und 81' eingeprägt. Die Bleche 86 und 86' bilden ein Innenvolumen und sind durch Distanzhalter 84 untereinander und mit den Zwischenstäben 85 verbunden. Zwischen diesen und den Wölbungen 81 und 81' befinden sich Federn 82, z. B. Eulersche Knickstabfedern. Damit kann die Eigenfrequenz der Wölbungen 81 und 81' einge­ stellt werden. Stufenförmig über einen Frequenzbereich abgestimmt, ist damit auch eine breit­ bandige Schallabsorption möglich. Anstelle der Federn 82 ist es auch möglich, die Belastung der Wölbungen 81 und 81' durch einen Druckunterschied zwischen Aussenseite und Innensei­ te der Blechflächen 86 und 86' aufzubringen. Dazu bildet der Innenraum eine luftdichtes Vo­ lumen. Als Druckunterschied kann beim Einsatz in Strömungen auch die Differenz von stati­ schen und dynamischen Strömungsdruck herangezogen werden. Dies ist beim Einsatz im Strömungskanal nach Fig. 10 vorteilhaft.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen bevorzugte Anwendungsfälle zur Beeinflussung des Luftschalls durch Negativfedern. Fig. 9 ist ein Querschnitt durch einen Kanal 98. Dazu ist die Kanalwan­ dung 96 mit unterschiedlichen Negativfedern 90 versehen, die Modenfelder 97 mit unter­ schiedlichen, über den Arbeitsbereich gestufte Resonanzen fixiert. Damit besteht eine breit­ bandige Transmission des Schalls aus dem Kanal 98 ins Freie. Eine solche Ausführung kann z. B. bei Lüftungskanälen angewendet werden. Wenn eine Ableitung nach Außen nicht möglich ist, ist im Lüftungskanal 108 nach Fig. 10 ein Absorptionsdämpfer 109 eingebracht. Diese bilden einen einen langgestreckten Quaderkörper dessen Oberfläche 106 aus Blech besteht und an die mittels einer dämpfenden Klebeschicht 104 Negativfedern 100 angebracht sind. Die von den Negativfedern 100 gebildeten Schwingmoden 107 ergibt im Bereich deren Reso­ nanzfrequen eine Schallabsorption im Kanal 108.

In Fig. 11 befindet sich vor einer Wand 118 eine mit Negativfedern 110 besetzte Absorptionswand 116. Die von den Negativfedern 110 fixierten Schwingmoden 117 ergeben bei Schalleinfall in deren Resonanzbereich Schallabsorp­ tion.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 12 und 13 betreffen die Transmission, Dämmung und Dämpfung von Körperschall. In Fig. 12 ist eine Struktur 126 mit einem Steifigkeitssprung 128 dargestellt. An einer solche Strukturdiskontinuität kommt es zu einer Reflexion von Köper­ schallschwingungen. Eine Negativfeder an dem steiferen Strukturteil angebracht, kann die freie Schwingungsausbreitung und so eine direkte Ableitung der Schwingungsenergie wieder her­ stellen. In Fällen, wo umgekehrt eine hohen Dämmwirkung erwünscht ist, wird die Negativfe­ der 120 dagegen am schwächeren Strukturteil angebracht. In Fig. 13 schließlich ist ein sog. reflexionsfreier Abschluss mit Dämpfung der Schwingungsenergie dargestellt. Dazu sind an einer Struktur 136 mittels einer dämpfenden Klebeschicht 134 Negativfedern 130 befestigt. Die Negativfedern 130 in Schwingungsrichtung auf abnehmende Federsteifigkeit und/oder abneh­ menden gegenseitigen Abstand angebracht, ergibt eine abnehmende Strukturimpedanz mit Vergrößerung und Absorption der Schwingungsamplituden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Schwingungsdämmung oder -aktivierung von Strukturen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Struktur kraft- und/oder momentschlüssig Negativfedern (10, 20, 30, 40, 50, 60, 60', 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130) mit im Arbeitspunkt negativer Federkonstante angebracht werden, die an Wänden Eigenmoden mit herabgesetzten Eigenfrequenzen erzeu­ gen, die auf der impedanzhöheren Seite an einem Impedanzsprung angebracht die Schwin­ gungstransmission herstellen, die auf der impedanzschwächeren Seite an einem Impedanz­ sprung angebracht die Schwingungsdämmung erhöhen und die an Impedanzsenken angebracht als Schwingungsattraktoren wirken.

2. Negativfeder zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei identische Tellerfedern (11) und (12) spiegelbildlich kraftschlüssig und vollflächig zusammengefügt sind und daß diese Einheit kraftschlüssig an der zu beinflussenden Struktur 16 befestigt wird.

3. Negativfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tellerfedern (21) und (22) mittels eines Zwischenringes (23) mit dem die Arbeitspunkte der beiden Tellerfedern frei einstellbar sind kraftschlüssig zusammengefügt sind und daß diese Einheit kraftschlüssig an der zu beeinflussenden Struktur (26) befestigt wird.

4. Negativfeder nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tellerfeder (11) an eine Wandfläche (16) kraftschlüssig angebracht ist die am Anbringungsort plan ist oder eine kalottenförmige zur Tellerfeder konzentische Wölbung aufweist.

5. Negativfeder nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß an einer Wandfläche ein Schrumpfring (30) kraftschlüssig angebracht wird, dergestalt daß der Schrumpfring (30) vor der Anbringung durch eine Übertemperatur oder durch eine elastische Aufweitung einen grö­ ßeren Radius aufweist.

6. Negativfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein streifen- oder flächen­ förmiges Blechteil (41), das durch Kugelstrahlen, Ionenimplantation und andere Oberflächen­ behandlungen oder durch Schichtung, einen im wesentlichen gleichen aber von der Schichttiefe des Blechteiles abhängigen Spannungszustand aufweist, kraftschlüssig an der zu beeinflussen­ den Struktur angebracht ist.

7. Negativfedern nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tellerfedern (60, 60'. . .) direkt oder über einen oder mehrere Zwischenringe konzentrisch und kraftschlüssig zusammengefügt sind.

8. Negativfeder nach einem der Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Negativ­ federn (10, 20, 30, 40, 50, 60, 60', 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130) durch einen dämpfenden Klebstoff an der zu beeinflussenden Struktur kraftschlüssig befestigt sind.