DE2752405A1 - Torsionsschwingungsdaempfer - Google Patents
TorsionsschwingungsdaempferInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Torsionsschwingungsdämpfer
der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art.
Die vorliegende Erfindung ist besonders beim Dämpfen von Torsionsschwingungen
in Innenverbrennungsmaschinen bzw. -motoren anwendbar. Torsionsschwingungen können als rückwärts und vorwärts
erfolgende Verdrillungen der Kurbelwelle einer Innenverbrennungsmaschine
angesehen werden, die der in einer Richtung erfolgenden Hauptdrehung der Kurbelwelle überlagert sind. Ohne Steuerung bzw.
überwachung führen solche Torsionsschwingungen vielfach zu einem Ausfallen der Kurbelwelle, wobei sie auch für das Ausfallen von
anderen Teilen der Maschine oder ihres Kühlsystems verantwortlich sind, was insbesondere dann gilt, wenn eine der Resonanzfrequenz-Schwingungstypen
der Kurbelwelle mit der durch Zünden induzierten Erregungsfrequenz der Maschine zusammenfällt. Gemäß der Theorie
von elastischen Vibrationsdämpfern wird die durch die Wirkung der
Kolben auf die Kurbelwelle übertragene Torsionsschwingungsenergie in dem elastischen Dämpfer in Härme umgesetzt. Der Dämpfer kann
dementsprechend als ein Abfluß oder Sumpf aufgefaßt werden, der ständig einen Teil der die Torsionsschwingungen begründenden
Energie aufnimmt.
Eine gewöhnliche Art einer solchen Dämpfungsvorrichtung enthält ein äußeres oder Trägheitsglied in Form eines Rings mit einer
größeren Masse. Der innere Teil dieses Rings ist an einem elastischen bzw. gummiartigen Ring festgelegt, der seinerseits an einer
Nabe oder einem anderen Element befestigt ist, die bzw. das an der sich drehenden Kurbelwelle eines Motors bzw. einer Maschine
angebracht ist. Beim Drehen der Kurbelwelle führt jede Anwendung eines Drehmomentzuwachses, wie er durch eine-schnelle Treibstoffverbrennung
in einem Zylinder verursacht wird, zu einer leichten Beschleunigung des an den Kurbelarm angrenzenden Metalls. Wenn
der Metallzustand wiederhergestellt wird, erfolgt aufgrund der
Eigenelastisltät oder Rückstellkraft ein leichtes Drehen in der
entgegengesetzten Richtung. Solche Kräfte führen oft zu Torsions-
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schwingungen in der Welle. In einem typischen Torsionsschwingungs fall führt eine sich mit einer Drehzahl von 3ooo U/min drehende
Motorkurbelwelle gleichzeitig Winkelschwingungen mit einer Amplitude
von o,25 Grad bis 1,o Grad bei einer Frequenz von 15o bis
25o Hertz durch.
Der Zweck eines TorsionsSchwingungsdämpfers besteht darin, die
Amplitude der Torsionsschwingungen zu reduzieren. Eine solche Verminderung senkt die Festigkeitserfordernisse der Kurbelwelle
und somit deren Gewicht. Der Dämpfer verhindert auch einen Bruch der Kurbelwelle und hemmt eine Schwingung von verschiedenen anderen
Komponenten der Innenverbrennungsmaschine.
Bei früheren Torsionsschwingungsdämpfern mit einer Nabe, einem
elastischen Ring und einem Trägheitsglied oder -ring wurden im allgemeinen Materialien relativ großer Dichte für die Nabe und
das Trägheitsglied angewendet. Die relativ große Dichte und die damit zusammenhängende relativ große Dämpfungsfähigkeit des Trägheitsgliedes
bzw. seiner Masse ist eine wünschenswerte Eigenschaft; die Nabe dient nur mehr oder weniger als eine Kupplung
zwischen der Welle und dem radial inneren Teil des elastischen Rings. Ein Verwenden von hochdichtem Material, wie von Gußeisen
für die Nabe kann zu unerwünschten Wirkungen führen. Wenn irgendeine Drehmasse, wie ein Torsionsschwingungsdämpfer, der Kurbelwelle
eines Motors bzw. einer Maschine zugefügt wird, erfolgt ein Absenken der Resonanzfrequenz der Kurbelwelle. Ein solches Reduzieren
kann dazu führen, daß kritische Resonanzschwingungsordnungen der Kurbelwelle in die Nähe des Drehzahlbetriebsbereiches der
Haschine oder in diesen Bereich gebracht werden.
Eine Innenverbrennungsmaschine hat im allgemeinen einen Betriebsbereich von beispielsweise 1ooo bis 45oo U/min. In diesem Bereich
liegt ein entsprechender Bereich von durch Zünden induzierten Erregungsfrequenzen.
Diese Erregungsfrequenzen induzieren Toreions-Bchwingungen
an der Kurbelwelle, wie es zuvor erörtert wurde. Wenn eine Eigenresonanzfrequenz der Kurbelwelle über den Erregungsfrequenzen
der Maschine in dem normalen Betriebsdrehzahlbe-
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reich liegen, treten Im allgemeinen keine großen Torsionsschwingung 8 amplituden in der Kurbelwelle auf. Nenn dagegen eine Resonanzfrequenz der Kurbelwelle in d«a 2ündfr«qu«nst)«r«lch liegt,
können große Auslenkungs- bzw. Schwingungsamplituden entstehen.
Ea ist offensichtlich, daß die Trägheit einer zum Zwecke einer
Vervollständigung einer typischen Dampferbaugruppe an der Kurbelwelle fixierten Drehmasse so klein wie möglich sein sollte. Auf
diese Weise können die Kurbelwellen-Resonanzfrequenzen bei gewissen Anwendungen so weit wie möglich entfernt von den motorzündung 8 abhang igen Frequenzen gehalten werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
eines verbesserten Torsionsschwingungsdämpfers unter Vermeidung der geschilderten Machteile.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Torsionsschwingungsdämpfer der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale
aus. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß eine
bestimmte Kunststoffzusammensetzung die notwendige Festigkeit für
eine Verwendung als eine Nabe bei einem solchen Dämpfer besitzt. Das Material ist gleichzeitig ausreichend leicht, um die erwähnte
Frequenztrennung aufrecht erhalten zu können. Der erfindungsgemäße elastische Torsionsschwingungsdämpfer hat eine Nabe mit
einer geringen Masse. Die Nabe ist vorzugsweise aus einem festen Kunststoff, wie einem Phenol-Formaldehyd, oder aus glasgefülltem
(glass-filled) bzw. glasfaserverstärktem NyI η gebildet. Die Nabe
ist aus einem Material hergestellt, welches ein minimales spezifisches Volumen von 433 cm /kp (12 cu in/lb) hat, um hierdurch
die störende Trägheit des Torsionsschwingungsdämpfers zu reduzieren. Das Verwenden eines Nabenmaterials mit gewissen Festigkeitsund Leichtigkeitseigenschaften ermöglicht eine Dämpferauslegung,
die die Amplitude von Kurbelwellen-Torsionsschwingungen innerhalb
des Betriebsbereiches einer Innenverbrennungsmaschine verringert.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert.Es zeigen:
Figur 1 - in einem axialen Teilschnitt einen typischen Torsionsschwingungsdämpfer,
Figur 2 - die Wirkung bzw. den Einfluß des Hinzufügens eines Torsionsschwingungsdämpfers
des in Figur 1 dargestellten Typs auf das Resonanzfrequenzverhalten einer typischen
Kurbelwelle einer Innenverbrennungsmaschine, wobei die Ordinate die Torsionsschwingungsamplitude in zehntel
Graden angibt,
Figur 3 - eine Figur 2 ähnelnde Ansicht, die einen Torsionsschwingungsdämpfer
darstellt, der auf eine Frequenz oberhalb einer Optimumfrequenz abgestimmt ist,
Figur 4 - eine Figur 3 ähnelnde Ansicht, die einen Torsionsschwingungsdämpfer
wiedergibt, der auf eine Frequenz unterhalb einer Optimumfrequenz abgestimmt ist,
Figur 5 - den Einfluß des Hinzufügens einer typischen Gußeisennabe
zu einer Kurbelwelle auf das Torsionsschwingungsverhalten,
Figur 6 - eine Figur 2 ähnelnde Ansicht, die die Änderung des Frequenzverhaltens einer Kurbelwellen-Dämpferbaugruppe
bei Verwendung eines Dämpfers mit einer Kunststoffnabe nach der vorliegenden Erfindung darstellt, und
Figur 7 - eine Figur 5 ähnelnde Ansicht, die einen optimalen Fall für ein Abstimmen des Kunststoffnaben-Vibrationsdämpfers
nach der vorliegenden Erfindung darstellt.
In Figur 1 bezeichnet die Hinweiszahl 1o einen typischen Torsionsschwingungsdämpfer
mit einer Nabe 12, deren äußerer Umfang mit dem inneren Umfang eines elastischen bzw. gummiartigen Rings
14 in Eingriff steht. Der Torsionsschwingungsdämpfer hat ein äusseres
Trägheitsglied oder einen entsprechenden Ring 16, dessen innerer Umfang mit dem äußeren Umfang des Rings 14 in Eingriff
steht. Die Nabe 12 ist in geeigneter Weise an eine Welle angekoppelt, wie an die Kurbelwelle einer Innenverbrennungsmaschine,
deren Drehachse durch die Hinweiszahl 18 angezeigt ist. In üblicher
Weise sind die Nabe 12 und das Trägheitsglied 16 allgemein
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aus Metall hergestellt, wie aus Gußeisen. Die dargestellte Nabe
besteht aus Kunststoff.
In Figur 2 ist das Vibrations- bzw. Schwingungsverhalten einer typischen Kurbelwelle eines Innenverbrennungsmotors ohne einen
Torsionsschwingungsdämpfer dargestellt. Bei einer Motordrehzahl
von etwas über 3ooo U/min erreicht die der Kurve 2o entsprechende
jeweilige Kurbelwelle einen ersten oder Hauptresonanzbetrieb einer Torsionsschwingung, was als Schwingungstyp I bezeichnet
wird. Bei Drehzahlen über und unter dieser Drehzahl sind die Torsionsschwingungeamplituden relativ klein. Es treten andere
Schwingungstypen auf, die jedoch nicht bei der Kurve 2o dargestellt sind, da sie eine relativ kleine Amplitude haben und da
sie bei Drehzahlen jenseits des angegebenen Drehzahlbereichs auftreten. Die andere Kurve 22 zeigt das Vibrationsverhalten der
Kurbelwelle nach Anbringung eines typischen bekannten Schwingungsdämpfer β . Die zweit»« Kurve zeigt zwei Resonanzfrequenzen, die
als Schwingungstyp I und Schwingungstyp II bezeichnet werden, welche bei den angegebenen Drehzahlen innerhalb des dargestellten
Drehzahlbereichs auftreten. Und wiederum entstehen zusätzliche Schwingungsarten, wie Schwingungstypen III, IV, usw., die jedoch
bei Drehzahlen jenseits des dargestellten Bereichs entstehen. Es ist ersichtlich, daß diese zwei Torsionsschwingung-Resonanzfrequenzen in dem angegebenen Beispiel bei etwa 22oo U/min und bei
43oo U/min auftreten. Wenn somit die Motordrehzahl etwa 22oo U/ min oder etwa 43oo U/min beträgt, unterliegt die Kurbelwelle Torsionsschwingungen mit einer größeren Winkelamplitude als bei anderen Drehzahlen. Es ist jedoch offensichtlich, daß diese Schwingungen bei dem angegebenen Beispiel eine Amplitude haben, die etwa der HHIfte derjenigen Amplitude entspricht,welche bei Resonanz
an der Kurbelwelle ohne Dämpfer auftreten würde. Ferner hat der rorBioneschwingungedämpfer der in Figur 1 dargestellten allgemeiien Art Bein· eigene Resonanzfrequenz. Bei einer Anbringung an
•lner Kurbelwelle wird das dynamische Verhalten der Kurbelwellen-Mtapfer-Baugruppe geändert, so daß statt einer einzigen Resonanzrequenr gemäß der Darstellung zwei Resonanzfrequenzen auftreten.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen in einer ähnlichen graphischen Darstellung,
wie ein Torsionsschwingungsdämpfer des in Figur 1 allgemein
dargestellten Typs bei einer bestimmten Anwendung falsch abgestimmt werden kann. Die Kurven 24 zeigen in beiden Figuren 3
und 4 eine Kurbelwellenschwingung sechster Ordnung bei etwa 3ooo U/min. Die Kurven 26 zeigen das Verhalten der Kurbelwelle nach
Anbringung eines Torsionsschwingungsdämpfers. Gemäß Figur 3 ist jedoch der Dämpfer auf eine Frequenz über dem Optimum abgestimmt,
während der Dämpfer gemäß Figur 4 auf eine Frequenz unter dem Optimum abgestimmt ist.
In Figur 5 zeigt die Hinweiszahl 28 die Torsionsschwingung-Motordrehzahl-Charakteristik
baw. Kurve einer Kurbelwelle ohne Dämpfer Bei dem angegebenen Beispiel sind die Eigenschaften der Kurbelwelle
dergestalt, daß ihre Hauptresonanzfrequenz bei einer Motordrehzahl von etwa 43oo U/min auftritt, und diese Drehzahl liegt
jenseits des normalen Motorarbeitsbereiches. Die Kurve 28 kann die erste Harmonische sein, wobei jedoch mehrere andere Harmonische
innerhalb des Motorarbeitsbereiches liegen. Die mit der Hinweiszahl 3o bezeichnete Kurve zeigt eine ähnliche Charakteristik,
jedoch mit dem Unterschied, daß der Kurbelwelle eine Gußeisen-Dämpfernabe zugefügt wurde (ohne den elastischen oder Trägheitsring) . Die zusätzliche Masse der Kurbelwelle führt dazu, daß die
sich ergebende zusammengesetzte Kurbelwellen-Naben-Baugruppe nunmehr eine geringere Eigenresonanzfrequenz hat, die jetzt innerhalb
des Betriebsbereiches des Motors liegt. Figur 5 zeigt, daß das Hinzufügen einer Drehmasse zu einer Kurbelwelle deren Eigenresonanzfrequenz
vermindert.
In Figur 6 zeigt die Kurve 32 ein typisches Kurbelwellen-Torsionsfrequenzverhalten
mit einer Gußeisennaben- und Dämpferbaugruppe des in Figur 1 dargestellten allgemeinen Typs. Es ist ersichtlich,
daß der erste Schwingungstyp (Spitze) innerhalb des Motorbetriebsbereiches und der zweite Schwingungstyp (Spitze) in
dem angegebenen Beispiel am oberen Bereich der Motorbetriebsdrehzahl auftreten. Die mit der Hinweiszahl 34 bezeichnete Kurve
zeigt ein entsprechendes Verhalten, jedoch mit der Variante, daß lie Nabe 12 nicht aus einem relativ hochdichten Material, wie GuB-
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eisen, sondern aus einer Kunststoffzusammensetzung gebildet ist,
die eine notwendige Festigkeit und ein geringes Gewicht in Übereinstimmung mit der praktischen Durchführung dieser Erfindung
hat.
Aus Figur 5 ist es verständlich, daß die Verschiebung zwischen
den Kurven 32 und 34 in Figur 6 durch die größere Trägheit (das heißt Dichte) der gewöhnlichen Gußeisennaben- und Trägheitsring-Tor sionsschwingungsdämpferbaugruppe begründet wird. So zeigt die
Kurve 34 in dem angegebenen Beispiel nur eine einzige Resonanzfrequenz bei einer Drehzahl innerhalb des Motorbetriebsbereiches.
Die zweite Resonanzfrequenz der Kurve 34 liegt außerhalb des Betriebsbereiches .
Figur 7 zeigt das Torsionsschwingungsamplituden-Motordrehzahl-Verhalten für eine Kurbelwelle, die mit einem Kunststoffnabendämpfer des in Figur 1 dargestellten Typs ausgebildet ist. Durch
passendes Abstimmen des Dämpfers zeigt das Verhalten der Kurbelwellendämpferbaugruppe die angegebene Kurvenform. Es ist ersichtlich, daß der erste Schwingungstyp oder die erste Spitze bei etwa
3ooo U/min und mit einer relativ kleinen Schwingungsamplitude auftritt. Der zweite Schwingungstyp bzw. die zweite Spitze liegt mit
einer unannehmbar großen Amplitude außerhalb des Drehzahlbereichs lies Motors (über 5ooo U/min), weshalb diese Resonanzstelle kein
beschränkender Faktor bezüglich der Leistungsfähigkeit des Dämpfers ist. Bei Verwendung einer (herkömmlichen) Gußeisennabe wäre
as nicht möglich, einen Dämpfer so abzustimmen, daß er die in Finir 7 angegebenen Eigenschaften aufweist, gemäß derer die zweite
»chwingungstype bzw. Resonanzstelle mit der großen Amplitude ausierhalb des Betriebsbereiches des Motors zu liegen kommen kann.
)ie Nabe kann aus einem Material mit den folgenden physikalischen
ind/oder chemischen Minimumeigenschaften hergestellt werden:
Spezifisches Volumen von etwa 433 cm /kp bzw. 12 cu in/lb; Fugfestigkeit von etwa 562,5 kg/cm bzw. 8ooo psi; laatfr·!· b·-
>****%#Betriebstemperatur von zumindest etwa 149° C bzw. 3oo° F.
Sin Beispiel für ein geeignetes Material ist ein Phenol-Formalde-
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hyd-Harz, das unter der Handelsbezeichnung Durez, Nr. 29237/ erhältlich ist und von der Hooker Electrochemical Company hergestellt wird. Das Verwenden eines Kunststoffmaterials erleichtert
auch die Herstellung, wie ein Spritzgußformen zum Bilden von Rippen, öffnungen und dergleichen für eine Wärmeabführung.
Ein spezifisches Beispiel für die Brauchbarkeit bzw. Anwendbarkeit der Erfindung ist aus den folgenden Vergleichsdaten ersichtlich. Ein bestimmter Torsionsschwingungsdämpfer von dem in Figur
1 dargestellten Typ wog etwa 3,8 kp (8,4 Ib), und die Naben- sowie Trägheitsglieder bestanden beide aus Gußeisen. Dar Außendurchmesser des Trägheitsgliedes betrug etwa 168 mm (6,6 Zoll),
der Außendurchmesser des Nabengliedes betrug etwa 127 mm (5 Zoll) und die radiale Dicke des elastischen Rings betrug etwa 2,5 mn
(1/1o Zoll). Durch Ausbilden der Nabe aus Durez Nr. 29237 und durch nach wie vor erfolgendes Ausbilden des Trägheitsgliedes aus
Gußeisen wurde das Gewicht der Dämpferbaugruppe auf etwa 2,7 kp (5,9 Ib) reduziert. Die verbesserte Leistungsfähigkeit dieses
zweiten Dämpfers gegenüber dem zuerst erwähnten Dämpfer ist aus der folgenden rechnersimulierten Analyse ersichtlich, das heißt
einer Rechnervorhersage oder -prognose des Dämpferverhaltens. Es
hat sich gezeigt, daß eine solche rechnersimulierte Analyse innerhalb 1o % der tatsächlichen experimentellen Ergebnisse liegt.
Der Motor, auf den die Rechnersimulation angewendet wurde, hatte
acht Zylinder mit einer Verdrängung bzw. einem Hubraum von 6o63 cm (37o cu Ib), 19o B.H.P., wobei die Zylinder jeweils eine Bohrung von 1o3 mm (4,o4 Zoll) sowie einen Hub von 91,5 rib (3,6 Zoll)
hatten und wobei der Motor ferner eine BMEP von 122,ο und einen
Betrlebsdrehzahlbereich von 6oo - 45oo U/min hatte. Die Daten werden für die 3,ο und 4,ο Ordnungen angegeben, da e· sich gewöhnlich nur hierbei um kritische Ordnungen für einen Motor vom V-8
Typ handelt. Die Daten gelten für drei Fälle, nämlich ersten* für sine Kurbelwelle ohne Dämpfer, zweitens für eine gedämpfte Kurbelwelle mit einem Gußeisendämpfer und drittens für eine gedämpfte
kurbelwelle mit einem Durez 29237 Kunststoffnabendämpfer.
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Kurbelwelle ohne Dämpfer Schwingungetyp I Schwingungstypfrequenz = 1436,6 rad/sec
Ordnung Drehzahl (ü/mln) D.A.-Grad
3 4573 of357
4 3429 o,564
3 9114 o,515
4 6835 1,83o
Kurbelwelle mit Gußeisennabendämpfer Schwingungstyp I Schwingungstypfrequenz = 1o63 rad/sec
Ordnung Drehzahl (U/min) D,A.-Grad
3 3385 o,175
4 2539 O,o85
3 561o o,141
4 42o7 o,181
Kurbelwelle mit Kunststoffnabendämpfer
Schwingungstyp I Schwingungstypfrequenz ~ 11o6 rad/sec
Ordnung Drehzahl (U/min) D.A.-Grad
3 3521 o,112
4 2641 o,o64
3 6622 o,281
4 4966 o,423
Es sei daran erinnert, daß der Motorbetriebsbereich von 6oo bis
45oo U/min reicht. Die Torsionsamplitude in DDA (Doppelamplitudento&rsionsablenkung in Graden), wie sie in der rechten Spalte
angegeben ist, steigt im Modus b»w. Schwingungstyp II für die
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dritten und vierten Ordnungen bei dem Kunststoffnabendämpfer gegenüber
dem Gußeisennabendämpfer, was ohne praktische Bedeutung ist. Bei dem Motor, der nicht die Drehzahlen von 6622 und 4966
U/min erreicht, bei denen diese Winkelverlagerungen gemäß der Vor hersage auftreten, können diese höheren Winkelverlagerungen nicht
stattfinden.
Statt der Verwendung von Durez 29237 für die Nabe kann diese auch aus glasgefülltem (glass-filled) bzw. glasfaserverstärktem Nylon
mit den notwendigen Festigkeits- und spezifischen Volumenwerten hergestellt werden. Ferner kann Nylon 66 als Material für die Nabe
benutzt werden.
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Leerseite
Claims (6)
1.)Torsionsschwingungsdämpfer, dessen äußerer Trägheitsring mittels eines radial mittleren, ringförmigen, elastischen Gliedes
an einer zentralen Nabe angebracht ist, die ihrerseits zum Zwecke einer Torsionsschwingungsdämpfung mit einer Drehwelle
einer Innenverbrennungsmaschine gekoppelt ist, wobei die letztere in einem Bereich von Maschinendrehzahlen arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (12) aus einem Material
hergestellt ist, das eine kleinere Dichte als das Material hat, aus der das Trägheitsglied (16) gebildet ist, wodurch
eine von zwei Resonanzspitzen des Dämpfers (1o) jenseits des oberen Bereichs der Maschinendrehzahlen auftritt und wodurch
der Dämpfer (1o) so abgestimmt werden kann, daß die innerhalb des Maschinenbetriebsbereiches liegende Resonanzspitze eine
kleinere Amplitude als die Spitze außerhalb des Maschinenbetriebsbereiches hat.
2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe
(12) aus einem Material gebildet ist, welches ein minimales
spezifisches Volumen von 433 cm3/kp (12 cu in/lb), eine minimale Zugfestigkeit von 562,5 kp/cm2 (8ooo psi) und eineb«»tgndige Belastungsfreie Betriebstemperatur von zumindest 149° C
(3oo° P) hat.
3. Dämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (12) aus einem Phenolharz gebildet ist.
4. Dämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß de* Phenplharz ein Phenol-Formaldehyd ist.
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CRiGlMAL INSPECTED
5. Dämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (12) aus glasgefülltem (glass-filled) bzw. glasfaserverstärktem
Nylon gebildet ist.
6. Dämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsglied
(16) aus Gußeisen gebildet ist.
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