DE2163798C2 - Resonanzabsorber für periodische und aperiodische Schwingungen - Google Patents

Description

a) jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz aufweisen, in

b) mit einer Dämpfungsmasse in Berührung stehen und

c) über eine gemeinsame Verbindung kraft- und momentschlüsstg an einem zu dämpfenden Körper befestigt sind,

dadurch gekennzeichnet,

d) daß jedes Schwingelement (1,11,21,41,61,64) durch Anbringung mindestens einer Zusatzmasse unJ.'oder durch Formgebung, z. B. Einkerbungen (5, !3,22,43,63), derart gestaltet ist, daß durch Verdichtung des Obertonspektrums weitere Eigenfrequenzen des Schwingelementes in dem zu dämpfenden Frequenzbereich liegen.

2. Resonanzabsorber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schwingelemente (21), die in mehreren Freiheitsgraden schwingen.

3. Resonanzabsorber nach Anspruch 1 oder 2, jo dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingelemente zumindest 'Hiweise mit einer Dämpfungsmasse überzogen sind.

4. Resonanzabsorber nach tmem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingele- r> mente in einem gas- oder ilüssigkeitsgefüllten Gehäuse (4,24) angeordnet sind.

5. Resonatizabsorber nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwingelemente an einem Befestigungspunkt gegenüberliegend angeordnet sind und eine asymmetrische Massenverteilung aufweisen.

6. Resonanzabsorber nach den Ansprüchen 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung breitbandiger Schwingungen mehrere ähnliche Schwingelemente vorgesehen sind, dergestalt, daß jedes Schwingelement gleiches Verhälntis seiner Eigenfrequenzen aufweist und daß die Grundfrequenzen der einzelnen Schwingelemente stufenförmig dem Frequenzbereich von der Grundfrequenz bis zur nächsten Oberfrequenz des am tiefsten abgestimin ten Schwingelementes überdecken.

7. Resonanzabsorber nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung periodischer Schwingungen ein oder mehrere Schwingelemente vorgesehen sind, deren jeweilige Eigenfrequenzen wie t : 2 :3... eingestellt sind.

8. Resonanzabsorber nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Resonanzfrequenzen bestimmter Bauteile ein oder mehrere Schwingelemente in ihren Eigenfrequenzen auf die Bauteilresonanzfrequenzen eingestellt sind.

9. Resonanzabsorber nach den Ansprüchen I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Schallabschirmung an Fenstern der Resonanzabsorber aus Glas oder aus einem anderen vergleichbaren durchsichtigen Material gefertigt ist.

Gegenstand der Erfindung isit ein Resonanzabsorber zur Dämpfung von periodischen und/oder aperiodischen, mechanischen Schwingungen in einem vorgegebenen Frequenzbereich mittels mechanischer Schwingelemente in Form von Stäben, Saiten oder Platten, welche jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz aufweisen, mit einer Dämpfungsmasse in Berührung stehen und über eine gemeinsame Verbindung kraft- und momentschlüssig an einem zu dämpfenden Körper befestigt sind.

Bei der Anwendung der Leichtbauweise stellt sich mehr und mehr das Problem der Schwingungsdämpfung. Einmal ist durch das verringerte Konstruktionsgewicht die Massendämmung von Leichtbauteilen herabgesetzt, und zum anderen wird durch den Einsatz hochfester Materialien mit geringer innerer Dämpfung auch die Schwingungsabsorption verringert

Speziell zur Dämpfung von harmonischen Schwingungen einer festen Frequenz sind bereits Resonanzabsorber bekannt, die aus einem Feder/Massesystem bestehen, dessen Eigenfrequenz auf die Erregerfrequenz abgestimmt ist (DE-PS IO 71 364)- Im Resonanzfall erhält man damit eine sehr wirkungsvolle Schwingungsreduktion. Der Nachteil dieser bekannten Ausführungsform ist, daß nur die Eigenfrequenz des Feder/ Massesystems ausgenutzt wird und nur bei dieser Frequenz eine Dämpfung erfolgt. Im besonderen sind diese Resonanzabstrber nicht geeignet, bei periodischen Erregerschwingungen die einzeln Harmonischen zu dämpfen. Daher sind zur Dämpfung eines größeren Frequenzbereiches eine Vielzahl von auf unterschiedliche Eigenfrequenzen abgestimmte Resonanzabsorber erforderlich.

Es ist auch schon vorgeüchalgen worden, die Körperschallausbreitung in einem Stab durch das Anbringen mehrerer schwingungsfähiger, verschieden abgestimmter Aluminiumstreifen zu dämpfen. Bei gleichem Zusatzgewicht läßt sich aber dadurch gegenüber einem viskoelastischen Belag nur ein drei- bis viermal geringerer Dämpfungsfaktor erreichen (vgl. Cremer/Heckl in »Körperschall«, S. 225 ff. Springer-Verlag Berlin, Ausgabe 1967).

Ein auf unterschiedliche Eigenfrequenz abgestimmter Resonanzabsorber mit sternförmig um eine Welle montierten Feder-Masse-Elementen ist auch aus der US-PS 33 14 503 bekannt. Auch hier werden die Harmonischen der einzelnen Eigenschwingungen nicht beachtet.

Grundsätzlich kann festgestellt werden, daß ein Resonanzabsorber, von dem die Erfindung ausgeht, aus ein oder mehreren Schwingelementen., z. B. aus Feder/Massesystemen, Stäben, Saiten, Platten, Kontinua usw. besteht. Ein Schwingelement kann dabei ein oder mehrere Eigenwerte aufweisen. Im linearen Fall ist der Eigenwert durch seine generalisierte Masse, generalisierte Federkonstante und generalisierte Dämpfung definiert. Durch diese Werte ist die Eigenfrequenz des jeweiligen Eigenwerts festgelegt. Bezogen auf seinen Befestigungspunkt hat ein Resonanzabsorber in der Richtung e die spektrale Punktimpedanz ζ{ω,2)\η der Achse /*die Momentimpedanz w(ω, T) und das Kopplungsglied w'(o>, e, 7). Diese Eigenschaften werden durch die Leitwertmatrix beschrieben. Um eine große Schwingungsreduktion an der zu dämpfenden Stelle, an der der Resonanzabsorber entweder gegenüber der Impedanz an der betreffenden Stelle möglichst groß sein (Dämmung), oder es muß in einem anderen Auslegungsfall die Impedanz des

Resonanzabsorbers so angepaßt sein, daß ein Maximum an Schwingungsenergie vom Resonanzabsorber irreversibel absorbiert wird (Leistungsanpassung),

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gewichtsarmen Schwingungsdämpfer bzw. Resonanzabsorber der eingangs genannten Art nach dem Resonanzprinzip zu bauen, mit dem bei periodischen Erregerkräften gleichzeitig Grund- und Oberschwingungen gedämpft werden können und der auch zur Reduzierung aperiodischer Schwingungen eingssetzt werden kann. Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch einen nach den Patentansprüchen ausgebildeten Resonanzabsorber gelöst

Um bei minimalen Gewicht des Resonanzabsorber optimale Impedanz in dem interessierenden Frequenzbereich zu erhalten, werden Schwingelemente, z. B. Stäbe oder Platten, verwendet, bei denen durch Zusatzmassen, Querschnittverjüngungen oder durch geeignete Formgebung die Eigenwerte so eingestellt werden, daß möglichst viele Eigenfrequenzen in den interessierenden, zu dämpfenden Frequenzbereich fallen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Maßnahme ist eine günstigere Massenausnutzung als bei den bisher üblichen Resonanzabsorbern. Bei einem zylindrischen, beidseitig gelagerten Stab z. B. ist das natürliche Eigentonnetz sehr weitmaschig. Die Eigenfrequenzen bzw. Harmonischen verhalten sich wie 1 :4 :9 :16:... Entsprechend der Zahl und Lage der Querschnittsverjüngungen bzw. Zusatzmassen kann das Oberwellenspektrum weitgehend beliebig komprimiert werden, bis zum Extrem zusammenfallender Frequenzen. Im besonderen ist auch ein Frequenzverhältnis — angepaßt einer periodischen Anregung — wie 1 :2 :3... einstellbar. Die Schwingelemente eines Resonanzabsorbers sollten vorteilhafterweise untereinander so abgestimmt sein, daß die Eigenfrequenzen der einzelnen Schwingelemente jeweils gleiches Frequenzverhältnis aufweisen. Für einen breilbandigen Schwingungsarbsorber werden dabei mehere Schwingelemente verwendet, die in ihrer Grundfrequenz so abgestuft sind, daß sie insgesamt mit ihren Grundsc". wingungen den Frequenzbereich bis zu den ersten Harmonischen überdecken. Die Grundfrequenzen der einzelnen Schwingelemente überdecken dann den Bereich zwischen Grundfrequenz und erster Oberfrequenz des am tiefsten abgestimmten Schwingelementes.

Durch das gleichartige Verhältnis cior Oberfrequenzen wird dann auch der höhere Frequenzbereich gleichmäßig mit Eigenwerten überdeckt.

Um eine Schwingungsreduzierung in möglichst vielen Freiheitsgraden gleichzeitig zu erzielen, werden weiterhin solche Schwingelemente verwendet, die in möglichst vielen Freihiitsgraden gleichzeitig schwingen. Bei Verwendung von Stäben z. B. wird der Querschnittsverlauf so gewählt, daß Massenverteilung und Flächenträgheitsmoment rotationssymmetrisch sind. Eine solche Anordnung kann in zwei translatorischen und zwei rotatorischen Freiheitsgraden gleichermaßen dämpfen. Die Orientierung des Stabes ist dabei so, daß dessen Schwingungsfrcihcitsgrade mit den Hauptschwingungsrichtungen zusammenfallen.

Zur optimalen Anpassung des Resonanzabsorbers an den zu dämpfenden Körper kann es vorteilhaft sein, wenn zwei Schwingelemente an einem Befcstigungspunkt gegenüberliegend angeordnet sind und eine asymmetrische Massrnvcrteilurg aufweisen.

Hei der Schwingungsreduktion von flächenhaften Bauelementen, z. B. Warnen, können mehrere Resonanzabsorber verwendet werden, deren Abstand möglichst kleiner als die Biegewellenlänge ist, wobei die einzelnen Rt-sonanzabsorber im unteren Frequenzbereich unterdimensioniert sind, da durch die größere Wellenlänge die benachbarten Resonanzabsorber zusammenwirken.

Um die Resistanz der Schwingelemente zu verbessern, wird Größe und Art ihrer Dämpfung entsprechend eingestellt Dies ist einmal durch die Wahl des Materials

ίο des Schwingelementes möglich. Weiter können an den Schwingelementen viskoelastische Überzüge angebracht werden. Durch die Plazierung der Oberzüge ist es dabei möglich, die Dämpfung der einzelnen Eigenwerte auf einen individuellen Wert einzustellen.

Werden die Schwingelemente in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht, so ist es möglich, dieses mit

einem schwingungsdämpfenden Medium, z. B. öl. zu füllen.

Beim Einsatz der aufgezeigten Resonanzabsorber an Fenstergläsern werden die Resonanzabsorber vorteilhafterweise aus Glas oder aus einem anderen durchsichtigen Material gefertigt Sie sollen außerdem möglichst so ausgestaltet sein, daß sie die Sicht wenig oder gar nicht beeinträchtigen, und gegebenenfalls eine dekorative Ergänzung des Fensters darstellen. Zur Erhaltung eines symmetrischen Bildes können beispielsweise alle Schwingelemente — sofern sie stabförmig sind — gleich lang ausgebildet sein, wobei die gewünschte Frequenz durch die Dicke der Schwingeleso mente eingestellt wird. Federung und Dämpfung der Schwingelemente können auch durch das Luftpolster zwischen Glasfläche und Schwingelement beeinflußt werden.

Der Erfindungsgegenstand ist in verschiedenen

r> Ausführungsbeispielen dargestellt Es zeigt

Fig. 1 einen Resonanzabsorber mit beidseitig gelagerten Stabelementen;

Fig.2 einen Resonanzabsorber mit einseitig eingespannten Stabelementen;

■40 Fig.3 einen Resonanzabsorber mit einstellbarem Kopplungsglied;

F i ρ 4 einen Resonanzabsorber in Rundausführung; Fig.5 einen Resonanzabsorber für Festfrequenzen. In F i g. 1 ist ein breitbandiger Resonanzabsorber dargestellt, der aus einer Anzahl von Stäben 1 besteht. Diese sind in ihrer Grundfrequenz und Dämpfur-.g so abgestuft, daß sie den Absorptionsbereich bis zu den Frequenzen der 1. Harmonischen überdecken. Zweckmäßigerweise handelt es sich um gleichartige Stäbe.

w Dabei bleibt das Verhältnis der einzelnen Eigenfrequenzen untereinander erhalten, so daß es nur notwendig ist, die Grundfrequenzen der einzelnen Stäbe im Bereich der Grundfrequenz und der ersten Oberfrequenz des am tiefsten abgestimmten Stabes zu überdecken. Durch das gleichartige Verhältnis der Oberfrequenzen wird auch der höhere Frequenzbereich gleichmäßig überdeckt. Die Stäbe 1 sind in den Halterungen 2 und 3 beidseitig gelagert und insgesamt in einem Gehäuse 4 untergebracht. Dieses wird an dem zu dämpfenden Bauteil kraftschlüssig befestigt. Zur Erhöhung der Dämpfung der Stäbe 1 und damit zur Verbreiterung des spektralen Absorptionsbereiches ist es möglich, das Gehäuse 4 mit einer Flüssigkeit oder einem Gas mi» größerer Viskosität zu füllen. Um die Eigenwerte der Stäbe 1 zu

μ verändern, um im besonderen die Obertöne in den interessierenden unteren Frequenzbereich zu legen, sind in den Stäben 1 ein oder mehrere Querschnittsverjüngungen 5 angebracht. Hierdurch wird im wesentli-

chen die Biegesteifigkeit herabgesetzt. Die Quersthnittsverjiingungen 5 sind bei den einzelnen Stäben 1 in ähnlicher Weise angebracht, so daß das Frequenzverhältnis der Stabeigenfrequenzen jeweils gleich ist. Anstelle der Querschnittsverjüngungen 5 ist es auch möglich, Zusatzmassen anzubringen. Sind Stäbe 1 und Querschnittsverjüngungen 5 rotationssymmetrisch, so vermag der Resonanzabsorber gleichermaßen in zwei translatorischen und zwei rotatorischen Freiheitsgraden zu wirken.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel mit einseitig eingespannten Stäben 11 dargestellt. Diese sind entsprechend dem Beispiel in Fig. I in ihrer Länge so abgestuft, daß sie den interessierenden Frequenzbereich überdecken. Die Stäbe M sind an einem Rahmen 12 befestigt. Zweckmäßigerweise sind die Stäbe 11 und der Rahmen 12 aus einem Stück gefertigt. Über den Rahmen 12 wird der Schwingungsdämpfer an dem zu dämpfenden Bauteil kraftschlüssig und möglichst ohne

gungen 13 können analog zu Fig. 1 die Eigenwerte in dem interessierenden Frequenzbereich verdichtet werden. Um eine kompakte Bauweise zu erreichen, ist es auch möglich, mehrere Lagen von Stabreihen übereinander anzubringen. Bei zwei identischen, aber seitenvertauschten Lagen gelingt es, das Kopplungsglied auszuschalten.

Fig. 3 stellt ein zu Fig. 2 analoges Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Hier sind die Stäbe 21 mit den Querschnittsverjüngungen 22 durch eine Halterung 23 gehalten und in einem Gehäuse 24 untergebracht. Um die Berührung der schwingenden Stäbe zu vermeiden, sind abwechselnd längere und kürzere Stäbe angeordnet. Sind die gegenüberliegenden Stäbe genau gleich, so ist das vorher erwähnte spektrale Kopplungsglied Null.

Haben die gegenüberliegenden Stiibc unterschiedliche Masse, so wird das Kopplungsglicd entsprechend dem Massenunterschied größer.

F i g. 4 stellt einen breilbandigen Resonar.zabsorber in Rosettenform dar. Dabei sind Stäbe 41 an einer ringförmigen Halterung 42 befestigt. Die Släbe 41 haben Querschnittssprünge 43, und sie sind auf unterschiedliche Eigenfrequenzen abgestimmt. Eine andere Rundausführung kann auch mit einer ringförmigen Außenhalterung und nach innen gehenden Schwingelementen verwirklicht werden.

Da schwingende Stäbe als Dipolstrahler einen schlechten Abstrahlgrad haben, ist es nicht notwendig, jeweils ein Gehäuse vorzusehen, wie dies /. B. in den Ausführungsbeispielen der Fig. I—J beschrieben ist. Bei Gefahr einer Schwingungsblockierung reicht ein Distanzhalter aus.

In F i g. 5 is; ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzabsorbers mit zusammenfallenden

Stab 61 ist über eine Halterung 62 an dem zu dämpfenden Bauteil befestigt. Der Stab 61 kann dabei ein oder mehrere Querschnittsverjüngungen 63 aufweisen. Am Stab 61 sind kleinere Stabelemente 64 angebracht. Sind die Eigenfrequenzen der Stabelemente 64 auf diejenigen des Stabes 61 abgestimmt, so läßt sich damit eine weitere Erhöhung der Impedanz erreichen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich im besonder.;" dazu, diskrete Eigenfrequenzen von Bauteilen zu tilgen. Dazu sind die Stabeigenfrequenzen auf die Eigenfrequenzen des zu dämpfenden Bauteils abgestimmt. Durch Zusammenschalten mehrerer Stäbe 61 lassen sich mit dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auch breitbandige Resonanzabsorber bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Palentansprüche:

1. Resonanzabsorber zur Dämpfung von periodischen und/oder aperiodischen, mechanischen Schwingungen in einem vorgegebenen Frequenzbereich mittels mechanischer Schwingelemente, in Form von Stäben, Saiten oder Platten, welche