DE2452006C2 - Schwingungsdämpfer - Google Patents

Description

spricht. Nach einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Schichtdicke beim Vorhandensein einer nur einseitig zugeordneten Kontaktfläche der halben Länge einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereichs entspricht

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Dämpfungsmedium als festen Bestandteil ein Pulver, ein Granulat, Fäden, Scheiben oder Stäbe aus einem Material großer Dichte enthält, wobei die Dicke der Partikel quer zur Richtung der zu bedämpfenden Schwingung gemessen, maximal ¹Ao der in dem Dämpfungsmedium erzeugten Zähigkeitswelle beträgt.

Als besonders geeignet für die Ausbildung des viskosen Bestandteils des Dämpfungsmediums hat sich die Verwendung eines Stoffes erwiesen, der durch eine Polymerisation, eine Vulkanisation oder durch andere geeignete Verfahren statisch verfestigt ist und der in dynamischer Hinsicht einen Flüssigkeilscharakter hat.

Für viele Anwendungsfälle hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das DUmpfungsmedium senkrecht zur Richtung der zu bedämpfenden Schwingung von einer weich-elastischen Schicht begrenzt wird, vorzugsweise von einer Schicht aus einem geschlossenzelligen Weichschaum. Für eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist es vorgesehen, daß das Gehäuse als ein Zylinder ausgebildet ist, dessen Wand parallel zu der erregenden Schwingung ausgerichtet ist, und bei dem wenigstens ein Ende durch eine weich-elastische Schicht verschlossen ist. Für eine abweichende Anwendung hat es sich dagegen als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das Gehäuse als ein zu einem Torus gebogenes, in sich geschlossenes Rohr ausgebildet ist, das zur Verwendung als Rotationsschwingungsdämpfer konzentrisch mit einer Rotationsschwingungen ausbildenden Welle verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung geht mithin davon aus, anstelle konzentrierter Massen ein möglichst homogenes Kontinuum zu benutzen, das aus einer Vielzahl einzelner Massen besteht, die gleichmäßig und relativ zueinander Deweglich in einem viskosen Stoff verteilt sind. Dieses Kontinuum, aufgetragen z. B. in Form einer Schicht auf die zu bedämpfende Masse, soll die Schwingungsenergie aufnehmen, was nur möglich ist, wenn es eine sehr hohe innere Dämpfung und eine sehr kleine Wellenausbreitungsgeschwirdigkeit hat, und überdies keine Rückstellkräfte aufweist, weil sonst Federungskomponenten hinzukommen würden, die bei endlichen Schichtdicken zu Resonanzeffekten führen. Eine Wellenart, die diesen Anforderungen genügt, ist die Zähigkeitswelle, die in viskosen Flüssigkeiten beobachtet wird. Da solche Flüssigkeiten nur Masse und Viskosität, aber praktisch keine Federung (keine elastischen Rückstellkräfte) aufweisen, ist die Zähigkeitswelle insofern keine Welle üblicher Art, als sie nur mit extrem hoher Dämpfung auftritt. Die Wellenlänge der Zähigkeitswelle ist gegeben durch Formel I), wobei Λ die Wellenlänge, η die Viskosität, ρ die Dichte und /"die Frequenz bedeuten. Die Dämpfung ist gegeben durch Formel 2), so daß sich eine Dämpfung pro Wellenlänge et ■ λ ergibt von Formel 3). Das bedeutet, daß die Amplitude dieser Wellen bereits entlang einer Wellenlänge auf etwa Vsoo ihres Anfangswertes abnimmt. Wegen dieser hohen Dämpfung kann eine Schichtdicke von nur λ/2 bereits als unendlich groß angesehen werden oder mit anderen Worten: Um eine parallel zu ihrer Oberfläche schwingende Masse wirksam zu bedampfen (Fig.3), genügt es, eine Dämpfungsschicht D von λ/2 Dicke auf die Oberfläche aufzubringen.

Formel I λ =

Formel 2 a =

ι Ann Pf

π pf

Formel 3 a ■ λ ■-■= 2 π

Entscheidend für die: Größe tier Dämpfungskrufl ist dann ausschließlich der Eingangswiderstand Z des π Materials, der gegeben ist durch Formel 4) mit

Z =

Für die praktische Anwendung wird deshalb, um einen möglich:;' großen Eingangswid ."stand zu erzielen, eine Flüssigkeit mit möglichst großer Dichte ρ benötigt. Große Zähigkeit ?; zu verwenden, führt zwar ebenfalls

2ϊ zu hohen Eingangswiderständen, aber zugleich zu großen Wellenlängen, was wegen der dann erforderlichen größeren Schichtdicken nachteilig ist.

Die gewünschten Werte von ρ und η sind mit homogenen Flüssigkeiten, die handhabbar sind, kaum zu

jo erreichen, so daß erfindungsgemäß auf Zweikomponentensysteme zurückgegriffen wird. Ein solches Zweikomponentensystem könnte z. B. aus Silikonöl und Eisenpulver bestehen, wobei über die Menge des Eisenpulvers und die Viskosität des Silikonöls beide Größen weitgehend frei wählbar sind. Für den praktischen Gebrauch ist es allerdings notwendig, stabile Systeme zu erhalten, was bei dem genannten System nur möglich wäre mit einem so hohen Gehalt an Eisenpulver, daß eine Sedimentatonn nicht mehr stattfinden kann.

Die Viskosität des Zweikomponentensystems wird, insbesondere wenn sich die Teilchen des Füllmaterial gegenseitig berühren, nicht allein durch die Flüssigkeit, sondern auch durch Material und Form der Teilchen beeinflußt. Kugelförmige Füllstoffe führen zu relativ

■»■ι niedrigen Viskositäten, regellose Kornstruktur zu entsprechend hohen Viskositäten.

Vollkommen sedimentationsfrei kann ein aus Flüssigkeit und Granulat zusEirnmengesetztes System nur sein bei dichtester Packung des Granulats oder bei statischer Verfestigung der flüssigen Komponente.

Im ersten Fall wird «ine Schubdeformation unmöglich. Das Granulat verhält sich wie ein fester Körper. Im zweiten Fall lassen sich die Rückstellkräfte bei dynamischer Belastung nicht vollständig unterdrücken.

>5 Fü. die Ausbildung eines Zweistoffsystems mit den gewünschten Eigenschaften ist es in jedem Falle wesentlich, daß ak eingelagerten Festkörper parallel zur Richtung der erregenden Schwingung relativ zueinander beweglich sind. Zur Dämpfung von Schwingungen in einer bestimmten definierten Richtung ist es infolgedessen ausreichend, wenn die eingelagerten Masseteilchen auch nur in dieser einen Richtung beweglich sind. Sind dagegen mehrdimeirsionale Schwingungen zu dämpfen, so ist es auch erforderlich, daß Zweistoffsystem so auszubilden, daß die eingelagerten Masseteilchen parallel zu allen vorkommenden Schwingungsrichtungen beweglich sind. Die beigefügte Zeichnung zeigt in der Fig. 1 einige beispielhafte

technische Aiisfiihrungsformen fiir die Ausbildung solcher Zweistoffsystcme.

Die F- ig. la zeigt ein Zweistoffsystem, bestehend mis einer flüssigen Komponente, in die in dichter Packung ein festes Granulat eingelagert ist. Fun solche"· Dämpfungsmedium ist /ur Dämpfung dreidimensionaler Schwingungen fähig, sofern gewährleistet ist. daß die Schwingungen durch dreidimensional angeordnete Kontaktflachen unmittelbar eingeleitet werden und sofern das Dämpfungsmedium dreidimensional in bezug auf die Kontaktflächen beweglich ist.

Fig. Ib zeigt ein Zweistoffsystem aus aufeinander L'c-si 'lichteten Platten, /wischen denen icweils eine Schicht aus der viskosen Flüssigkeit angeordnet ist.

Fun solches Dämpfungsmedium hat eine zweidimen-Mnnale Wirksamkeit in Richtung der dargestellten \- iind ι Achse. Ausgehend von der Richtung der jeweils eingeleiteten äußeren Schwingungen breiten sich in Richtung 7 Zähigkeitswcllen durch den l'lattcnstapel aus.

Ii g. Ic zeigt cn: Zweistoffsystem aus aufeinandergeschichteten Stäben unter Zwischenschaltung von viskosen Zwischenschichten. Ein solches Dämpfungsmedium hat nur eine eindimensionale Wirksamkeit in Richtung der v-Achse. wobei sich die eingeleiteten Schwingungen je nach I.age der Kontaktfläche in Form on Zähigkeitswellen in Richtung der z- bzw. der v-Achse in das Bündel hinein ausbreiten.

Die Ausführungsformen entsprechend den vorstehend behandelten Fig. Ib und Ic haben gegenüber einer Ausführung entsprechend der Fig. la den Vorteil. daß sie frei von Sedimentationserscheinungen sind. Für zahlreiche technische Anwendungsfälle ist das von ganz besonderem Vorteil, beispielsweise fiir die Herstellung von Rotationsschwingungsdämpfern.

Fig. 2 zeigt eine einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers, bei dem das Dämpfungsmedium D auf die horizontale Schwingungen ausführende zu bedämpfende Masse Maufgebracht wird. Eine solche Ausführungsform hat nur dann technische Bedeutung, wenn die viskose Komponente des Dämpfungsmediums derart verfestigt ist, daß sie weitgehend die Eigenschaften eines Festkörpers aufweist. Em solches Dämpfungsmedium könnte infolgedessen beispielsweise durch Vulkanisation unmittelbar auf die Oberfläche eines Rotaüonsschwingungsdämpfers aufgebracht werden.

F i g. j nimmt Bezug auf einen vertikale Schwingungen einer Masse Λ/dämpfenden Schwingungsdämpfer. Das Dämpfungsmedium D ist dabei durch eine weich-elastische Schicht .ScA aus einem geschlossenzelligcn Schaum gegenüber der schwingenden Masse M isoliert, so daß es ausschließlich Kontakt über die Innenwandung des Zylinders // mit der Masse M hat. Der Innendurchmesser des Zylinders entspricht dabei vorzugsweise der Wellenlänge A einer Zähigkeitswelle, die sich bei der tiefsten gewünschten Frequenz in dem Dämpftmgsmedium ausbildet. Zur Steigerung der Dämpfungswirkung ist es infolgedessen ausschließlich sinnvoll, die Bauhöhe des Zylinders H und des Dämpfungsmediums zu vergrößern.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform bezogen auf einen Rotationsschwingungsdämpfer S. Bezüglich des Durchmessers des Dämpfungsmediums gilt das vorstehend Ausgeführte.

F i g. 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform in Gestalt eines beidseitig geschlossenen Zylinders Zur F.rmöglichung einer Beweglichkeit der in diesem Fall eingelagerten Stäbe parallel zur Richtung der erregenden Schwingung Z ist es erforderlich, daß Dämpfungsmedium auf der Ober- und auf der I Jnterseite durch eine eingefügte Schicht Sch aus einem gcschlossenzelligen Schaumstoff gegenüber den Stirnflächen des Zylinders schwingungstechnisch zu isolieren. Die Einleitung der erregenden Schwingung erfolgt infolgedessen auch in diesem Falle ausschließlich über die Innenwand des Zylinders H.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers wird umso vollkommener erreicht, je mehr ias als Dämpfungsmedium eingesetzte technische Zweistoffsystem die Eigenschaften eines Kontinuums aufweist. Es ist infolgedessen im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders erwünscht, die Dicke der einzelnen Teilchen. Drähte oder Schichten in Wellenausbreitungsrichtung möglichst klein gegenüber der Wellenlänge der Zähigkeitswellen entsprechend Gleichung 1 auszubilden. Vorzugsweise soll die Dicke der einzelnen Teilchen weniger als η/10 betragen. Bei gröberen Strukturen sind die angegebenen Formeln nicht mehr anwendbar. Die Dämpfungswirkung wird mit zunehmender Vergröberung graduell ungünstiger. Insbesondere verschwindet die Konstanz des Verlustfaktors des Eingangswiderstandes gemäß Gleichung 4, die ein wesentlicher Vorteil bei der Dämpfung mechanischer Schwingungen mittels einer Zähigkeitswelle ist.

Der besondere Vorteil von gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellten Schwingungsdämpfern besteht darin, daß diese aufgrund der hohen Fertigungstoleranzen relativ wirtschaftlich herstellbar sind, und daß sie bei einer vergleichsweise breitbandigen und hohen Dämpfungswirkung das verwendete viskose Medium nur relativ wenig belasten.

I WY.iV. Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schwingungsdämpfer aus einem Gehäuse und einem darin enthaltenen Dämpfungsmedium aus ϊ einem viskosen Stoff und mit gleichmäßig darin verteilten Festkörpern, bei dem die Wände des Gehäuses untereinander starr verbunden sind, bei dem wenigstens eine in direkter Verbindung zu dem Dämpfungsmedium stehende Kontaktfläche parallel ι ο zu der zu bedämpfenden Schwingung ausgerichtet ist, und bei dem die Bestandteile des Dämpfungsmediums relativ zueinander und zu dem Gehäuse beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Dämpfungsmediums (D) ts über der Kontaktfläche maximal so groß ist wie die Wellenlänge (2) einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereichs.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch :n gekennzeichnet, daß die Schichtdicke beim Vorhandensein zweier einander gegenüberliegender Kontaktflächen der Länge (2) einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereichs entspricht.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke beim Vorhandensein einer einseitigen KonUktfläche der halben Länge (2) einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwen- so dungsbereichs entspricht

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedium (D) als festen Eestand: .il ein Pulver, ein Granulat, Fäden, Scheiben oder Stäbe aus einem J5 Material großer Dichte enthält, Jeren Dicke, quer zur Richtung der zu dämpfenden Schwingung gemessen, maximal ¹Ao der in dem Dämpfungsmedium erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereiches -to entspricht.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedium (D) als viskosen Bestandteil einen Stoff enthält, der durch eine Polymerisation, eine Vulkanisation oder durch ein anderes geeignetes Verfahren statisch verfestigt ist und der in dynamischer Hinsicht einen Flüssigkeitscharakter hat.

6. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmedi- in um (D) senkrecht zur Richtung der zu bedämpfenden Schwingung von einer weich-elastischen Schicht (Sch)begrenzt wild, vorzugsweise von einer Schicht aus einem geschlossenzelligen Weichschaum.

7. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als ein Zylinder (H) ausgebildet ist, dessen Kontaktfläche parallel zu der erregenden Schwingung ausgerichtet ist, und daß wenigstens ein Ende durch eine weich-elastische Schicht (5c/^geschlossen ist.

8. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als ein zu einem Torus gebogenes, in sich geschlossenes Rohr ausgebildet ist, das zur Verwendung als Rotationsschwingungsdämpfer (S) konzentrisch mit ener Rotationsschwingungen ausbildenden Welle verbunden ist.

Schwingungsdämpfer aus einem Gehäuse und einem darin enthaltenen Dämpfungsmedium aus einem viskosen Stoff und mit gleichmäßig darin verteilten Festkörpern, bei dem die Wände des Gehäuses untereinander starr verbunden sind, bei dem wenigstens eine in direkter Verbindung zu dem Dämpfungsmedium stehende Kontaktfläche parallel zu der zu bedämpfenden Schwingung ausgerichtet ist, und bei dem die Bestandteile des Dämpfungsmediums relativ zueinander und zu dem Gehäuse beweglich sind.

Ein solcher Schwingungsdämpfer ist aus US-PS 35 38 469 bekannt. Das Dämpfungsmedium besteht aus ferro-magnetischen Festkörpern, die in einer in dem Gehäuse eingeschlossenen, viskosen Flüssigkeit suspendiert sind, und deren Beweglichkeit durch einen außerhalb von dem Gehäuse angeordneten Magneten beeinträchtigt wird. Bei einer Bewegung des Gehäuses treten infolgedessen Scherkräfte sowohl innerhalb des Dämpfungsmediums als auch zwischen diesem und der Gehäusewandung auf, welche für die mechanische Dämpfung der Bewegung nutzbar sind. Die praktischen Anwendungsmöglichkeiten beschränken sich jedoch auf den Bereich kleiner Ausführungen und den Bereich einer relativ geringen Wirksamkeit, wenn thermische Überlastungen der zur Verfügung stehenden, viskosen Flüssigkeiten vermieden werden sollen. Weitere Einschränkungen der Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus den magnetischen Rückwirkungen der die Dämpfung beeinflussenden Komponenten auf die erregende Schwingung.

Aus DE-GM 18 34 293 ist ein Schwingungsdämpfer zum Dämpfen der Schwingungen von Fahrzeugteilen bekannt, bei dem zwischen relativ zueinander beweglichen Reibkörpern eine hochviskose Flüssigkeit mit einem darin angeordneten Granulat angeordnet ist. Die Wirksamkeit dieses Schwingungsdämpfers setzt die relative Bewegung der Reibungskörper zueinander voraus. Die Dämpfung des schwingenden Fahrzeugteils mit Hilfe der in der viskosen Flüssigkeit verteilten Masseteile wird nicht bezweckt.

US-PS 36 40 149 zeigt einen Rotationsschwingungsdämpfer, bei dem eine ringförmige Masse in einer seinem Querschnitt angepaßten Aussparung eines Nabenteils gelagert wird, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Teilen mit einer hochviskosen Flüssigkeit gefüllt ist. Insbesondere bei größeren Abmessungen kann es infolgedessen sehr leicht zu einer mechanischen oder thermischen Überlastung dieser Schicht kommen. Außerdem haben Schwingungsdämpfer dieser Bauart eine sehr eng begrenzte Wirksamkeit im Bereich ihrer Eigenfrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Massenschwingungsdämpfer derart zu modifizieren, daß er bei einer niedrigen Beanspruchung des darin enthaltenen viskosen Materials eine hohe Wirksamkeit besitzt, und der bei einfacher Herstellbarkeit in bezug auf die erregende Schwingung rückwirkungsfrei ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Schwingungsdämpfer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Schichtdicke des Dämpfungsmediums über der Kontaktfläche maximal so groß ist wie die Wellenlänge einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereichs.

Nach einer besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Schichtdicke beim Vorhandensein zweier einander gegenüberliegender Kontaktflächen der Länge einer darin erzeugten Zähigkeitswelle bei der tiefsten Frequenz des gewünschten Anwendungsbereichs ent-