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Elastisches Lager mit Dämpfung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Lager für mechanische
Schwingungen ausgesetzte Maschinen oder biotore, wobei das Lager aus starren Tragteilen
und einem zwisehen ihnen angeordneten Gumniiteil besteht und wobei innerhalb des
Lagers ein durch Tragteil und Gummiteil abgeschlossener mit einer Öffnung versehener
Luftraum gebildet ist.
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Die weit verbreiteten elastischen Lager, deren Aufgabe die Körperschalldämmung
und die Schwingisolation ist, weisen aufgrund der Verwendung von Gummi eine Dämpfung
auf0 Die Wirksamkeit des elastischen Lagers im Zusammenspiel mit der zu lagernden
Masse kann aus einer Kennkurve entnommen werden, bei der die Kraft, die das Lager
auf das Fundament ausübt, bezogen auf die das System erregende Kraft in Abhängigkeit
von der Frequenz darstellte und ist üblicherweise in beiden Achsen logarithmisch
geteilt, wobei für die Frequenz meistens die Resonanzfrequenz der ungedämpften Schwingung
als Bezugsgröße gewählt wird. Die Eigendämpfung von Gummi ist jedoch relativ gering,
so daß derartige Lager bereits mit zusätzlichen Einrichtungen versehen werden, die
eine verbesserte Dämpfung ermöglichen. Hierbei sind Einrichttmgen zur Anwendung
gekommen, die mit Flüssigkeiten arbeiten.
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Diese werden dabei so in Verbindung mit dem Lager untergebracht, daß
sie h hselweise im unterteilten Raum hin-und herfließen können. Die Dämpfung entsteht
dabei durch den Strömungswiderstand. Die als Unterteilung dienende Trennwand kann
auch als selbständig beweglicher Teil ausgebildet sein und mit einem schwingenden
TeiXdes Lagers in Verbindung stehen. Dadurch wird ebenfalls eine Dämpfung bewirkt.
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Weiterhin sind Lager bekannt, die in Verbindung mit luftgefüllten
Räumen arbeiten. Diese Volumenänderungen der Luft
können dabei die
Federcharakteristik nachteilig ändern.
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Zur Dämpfung trägt ein solches Luftpolster in Verbindung mit eine
elastischen Lager, wie es eingangs beschrieben w,de, nur wenig bei.
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Die beschriebenen Lager sind verhältnismäßig kompliziert aufgebaut
und erfordern daher für ihre Produktion erhöhte Kosten. Durch die inpiesem Lager
verwendeten verschiedenen Bauteile, die sich relativ zueinander bewegen können,
werden dem Federungsverhalten zusätzliche Trägheitskräfte überlagert, so daß es
bei dem Lager insbesondere nach außen zu Nebenresonanzen kommt.
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Solche Nebenresonanzen sind für den Schwingungsvorgang nachteilig
und bilden Schwierigkeiten bei der Auslegung eines Lagers für einen übersehbaren
Schwingungsbereich von etwa 10 - 1000 Hz. Die Nebenresonanzen führen dazu, daß die
Dämmwirkung verringert wird, so daß Schallschwingungen in unerwünschter weise als
Körperschall übertragen oder als Luftschall in unerwünschter Weise erzeugt werden.
Besitzen die elastischen Lager ein Luftpolster, das zur Beeinflussung der Federcharakteristik
herangezogen wird, so kann das Luftpolster auch zur Dämpfung dienen, wenn die Luft
durch eine enge Öffnung gepreßt wird. Dies wurde bereits bei den Federn mit hydraulischen
Mitteln oben erwähnt. Derartige aus Gummimetallbauteilen und Doppelluftkammern mit
Drossel versehenen Federelemente haben aber den Nachteil, daß die Luftfeder einen
Luftraum besitzt, dessen Druck höher ist als die Umgebung, sobald die statische
Last z.B. durch Einhängen eines Motors in die Lagerflansche sich auswirken kann.
Die Folge ist, daß über längere Zeit gesehen der Überdruck infolge Permeation verlorengeht
und das Lager eine vergrößerte elastische Einfederung aufweist. Diese an sich bekannte
Setzung des Lagers ist nachteilig, weil dieses Setzungsmaß zu dem zulässigen statischen
Einfederungsvorgang hinzutritt und damit die Einbaumaße unzulässig verändert. Man
muß davon ausgehen, daß der statische Federweg
in verhältnismäßig
kleinen Grenzen gehalten werden -muß. Die von der Luftfeder verursachte Absenkung
einfach zu verringern oder zu kompensieren ist ungünstig, weil die notwendigen Änderungen
der Gummifeder die Resonanzfrequenz des Systems anheben und dadurch die Dämmwirkung
erheblich verschlechtern. Andere ziege als die Verhärtung der Gummifeder verschließen
sich meist durch die zusätzlichen Anforderungen wie Temperaturbeständigkeit und
chemische Beständigkeit.
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Die zuvor beschriebenen Luftfedern haben außerdem stets den Nachteil,
daß die durch die Dämpfung der Schwingungen anfallende Energie sich in einer unerwünschten
Erhitzung der Federelemente auswirkt. Diese Wärme führt nicht nur zu einer Veränderung
der Federcharakteristik, sondern auch zu einer vorzeitigen Zerstörung des Gummimaterials.
Wegen der spezifischen Anforderungen an die Federeigenschaften ist die Variationsmöglichkeit
beim Mischungsaufbau verhältnismäßig eng.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elastisches Lager mit einem Dämpfungsteil
auf Lufcbasis der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die nachteilige
Auswirkung von Nebenresonanzen ausgeschaltet wird. Ferner soll eine Erwärmung des
Lagers in dem Luftdämpfungsteil weitgehend vermieden und ein möglichst einfacher
Aufbau erreicht werden. Außerdem soll auch eine leichte Anpaßbarkeit des Lagers
möglich sein, wenn die Anforderungen hinsichtlich der Dämpfung verhältnismäßig breit
angelegt sind. Außerdem soll das erfindungsgemäße Lager keine zusätzlichen Setzungsvorgänge
zur Elastomersetzung aufweisen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen daß die
Öffnung des dem Lager zugeordneten Luftraums als in die freie Atmosphäre gehender
enger Durchgang ausgebildet ist, dessen Querschnittsgröße höchstens etwa 1/30 deswirksamen
Federquerschnitts beträgt.
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Die Weite der Öffnung ist für die Dämpfung maßgebend.
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Es leuchtet ein, daß bei sehr großer Öffnung und bei fehlender Öffnung
eine Dämpfung nicht eintritt9 während bei passender und optimal eingestellter Öffnung
eine sehr hohe Dämpfung erreicht werden kann.
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Bei den Abmessungen der üblichen elastischen Lager für die genannten
Zwecke bedeutet dies einen Durchmesser von etwa 0,2 - 3 mm. Im Mittelwert ist die
Öffnung etwa 2 1,2 mm groß. Eine derartige Öffnung in dem Luftraum zwischen dem
Tragteil und dem Gummiteil ist auf sehr einfache Weise in der Lage infolge des Strömunlgswiderstandes
eine Dämpfung herbeizuführen. Diese Bohrung ist aber groß genug, um Gim Einbaufall
den Druckausgleich zwischen Aussenatmosphäre und Lagerluftraum rasch herbeizuführen,
daß er keine Setzung verursacht und auch die Montage nicht behindert. Wegen des
ständigen Luftaustausches ist auXerdem eine Erwärmung der Luftfeder ausgeschlossen.
Der Luftaustausch führt sogar dazu, daß der Innenteil des elastischen Lagers durch
den Luftaustausch gekühlt wird. Die geringe Masse der bewegten Luft sowie das spezielle
Federungsverhalten des Luftraums verhindern in Verbindung mit dem einfachen Gesamtaufbau
ohne zusätzlichen Federmassensysteme die Ausbildung von lagerspezifischen Nebenresonanzen
in einem weiten Frequenzbereich.
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Die Luftfeder sollte durcMtdltehAuEadsung des Volumens in solchen
Grenzen liegen, daß die/Luftfeder zwischen der 25-fachen oder dem 0,04-fachen liegt.
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Günstig ist es, wenn die Steifheit des Luftfederdsämpfungsteils mit
der Steifheit des Federelements aus Gummi übereinstimmt. Unter der Steifheit ist
dabei die Federcharakteristik zu verstehen, die die Abhängigkeit des Federwegs von
der Federbelastung beschreibt.
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Die Öffnung des Luftraums kann im einfachen Fall als Kapillare ausgebildet
sein. Für die Abmessungen der Kapila re ist Bedingung, daß ihre Länge höchstens
C.f max beträgt,
wobei c die Schallgeschwindigkeit und f max die
Größe der Frequenz ist, die bei der Zusatzdämpfung erieicht wird. Die Länge der
Kapillare sollte mindestens gleich dem 4-fachen des Kapillardurchmessers sein. kur
Verringerung ddr Geräuschbildung sollten die Kapillare ferner an den Enden aufgeweitet
sein.
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Anstelle einer Kapillare kannauch eine Drossel Anwendung finden. bie
hat den Vorteil, daß sie sich auch in verschmutzter Umgebung nicht verstopfen kann
und ferner durch Verstellbarkeit ihrer Größe auf unterschiedliche Frequenzen einstellbar
ist. Auch iür den Drosseldurchmesser ergeben sich analoge Gesichtspunkte, wie sie
oben beschrieben wurden.
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Die Erfindung wird in Verbindung mit einer Abbildung beispielsweise
beschrieben. Die Abbildung enthält weitere wesentliche Erfindungsmerkmale.
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Die Abb. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein elastisches
Lager nach dem Erfindungsgedankeno Die Abb. 2 und 3 zeigen Querschnitte durch eine
Drossel.
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Gemäß Abb. 1 ruht die Last 1 auf einen Maschinenflansch 2, dessen
konische Ringstützfläche 4 von einem Gummiring 5 umgeben ist. An der Außenseite
ist der Gummiring gegen einen Ringflansch 6 abgestützt. Der Gummiring 5 ist an beiden
Stützflächen haftend mit den Tragteilen 2 und 6 verbunden und luftdicht. Der Flansch
6 ruht mit seinem Fuß 7 in einem Abstützteil 8. Zwischen dem Abstützteil 8, dem
Maschinenflansch 2 und dem Gummiring 5 liegt ein abgeschlossener Hohlraum 9. Dieser
Hohlraum 9 weist eine Kapillare 10 auf, die nach außen führt. Die Kapillare 10 ist
an den bnden mit trichterförmigen Erweiterungen 11 versehen, die zur Verminderung
der Schallerzeugung führen0 Anstelle der Kapillare 11 können auch Drosseln entsprechend
den Abbo 2 und 3 vorgesehen sein. Derartige Drosseln können austauschbar eingesetzt
werden, um bei verschiedenen Drosselgrößen verschiedene Frequenzbereiche hinsichtlich
ihrer Dämpfung
beeinflussen können. Wirken in der Hauptlast 1 dynamische
Kräfte, so werden diese über den Maschinenflansch 2 an den gummiring 5, den Flansch
6 und an das Tragteil 8 weitergegeben. Die dabei auftretenden Kompressionen in dem
Raum 9 und die Kompression des Luftvolumens und die damit verbundenen Luftströmungen
durch die Öffnung 10 führen zu einem Druckverlauf in der Luftkammer, der über die
Fläche des Gummilagers und des Masehinenflansches eine dämpfende Kraft erzeugt.
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Der Erfindungsgedanke wird außerdem in Verbindung mit einer grafischen
Darstellung erörtert. In der grafischen Darstellung ist in der Ordinate der Logarithmus
des Verhältnisses der ausgeleiteten Kraft Fa zur erregenden Kraft Fe dargestellt.
In der Abszisse ist der Logarithmus des Verhältnisses zwischen der Frequenz f und
ungedämpfter Resonazfrequenz f O aufgezeichnet.
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Bei niedrigen Frequenzverhältnissen beginnt die Dämmkur-A Fa ve 1
mit dem Kraftamplitudenverhältnis 1 a logFe3 0 steigt dann bis zu einem Maximalwert
im Resonazfall 12 und fällt dann qb; bei 15 unterschreitet das Kraftverhältnis den
Wert 1.
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Ab hier erfüllt das elastische Lager die Funktion der Dämmung. Die
aus dem Fundament abgegebene Kraft ist kleiner als die Kraft die die Schwingung
erregt. Die Dämfung führt zur Reduzierung der Kraftverstärkung im Resonanafall.
Diese Frequenz wird häufig durch Stöße angeregt. Im ausreichenden Abstand von dem
Frequenzyerhältnis 1 fällt die Kurve 1 linear ab, so daß sich eine hervorragende
Dämmung der beispielsweise im Bereich 13 wirksam werdenden Erregungskräfte wie sie
z.B. durch nicht ausgeglichene Motormassen entstehen, ergibt.
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Die Kurve 1 repräsentiert die Erfindung Das System, das durch die
Kurve 2 repräsentiert wird, ist bei niedrigen Frequenzverhältnissen dem anderen
System gleichwertig, zeigt aber im Wirkungsbereich der Erregerkräfte eine Nebenresonanz
mit dem Maximum 13, eo daß das System deutlich schlechtere Dämmergebnisse bringt.
Solche Nebenresonanazen
treten z.B. durch im Dämpfungsteil bewegte
Flüssigkeitsmassen auf, wenn diese durch elastische Wände abgefedert sind. Das durch
die Kurve 1 repräsentierte erfindungsgemäße Lager vermeidet diese Nebenresonanz
durch drastische Reduzierung der bewegten Massen des Dämpfungsmediums und durch
die erfindungsgemäße Verwendung von Luft im offenen System ohne den sonst bei Luft
im geschlossenen System üblichen Nachteil der verstärkten Setzung
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