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Schwingungsdämpfer Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer
für die oszillierende Rotationsbewegung eines Maschinenteiles, bestehend aus zwei
relativ zueinander beweglichen Teilen mit sich in Umfangsrichtung in dem Spaltabstand
s gegenüberliegenden Wirkflächen, wobei der Spalt mit einer viskoelastischen Flüssigkeit,
vorzugsweise einer Flüssigkeit zweiter Ordnung, mit dem Schubmodul T und der Scherzähigkeit
E gefüllt ist, wobei das erste Teil mit dem zu dämpfenden Maschinenteil und das
zweite Teil mit einer Dämpfungsmasse mit dem Trägheitsmoment J verbunden ist, und
wobei die Wirkfläche des zweiten Teiles eine Flächengröße A aufweist, die maximal
so groß ist wie die Wirkfläche des ersten Teiles.
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Gattungsgemäße Schwingungsdämpfer dieser Art sind bekannt aus US-PS
38 23 690 und aus US-PS 28 38 955. Beiden Schwingungsdämpfern ist der wesentliche
Nachteil gemein, daß ihre optimale Wirksamkeit auf einen engen Frequenzbereich,
der durch das Trägheitsmoment der Dämpfungsmasse festgelegt war, begrenzt ist. Werden
Schwingungen eingeleitet, deren Frequenz außerhalb dieses Bereiches liegen, dann
ist der Grad der erzielten
Dämpfung bedeutend schlechter. Die in
diesen Veröffentlichungen beschrieherlen Schwingungsdäll1pfer eignen sich deshalb
schlecht feir Anwendungen, in denen Schwingungen einer ständig wechselnden Frequenz
zu bedämpfen sind. Das ist beispielsweise der Fall bei der Dämpfung von Schwingungen,
wie sie beim Betrieb eines Kfz auftreten können.
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Die in den genannten Veröffentlichungen beschri ebenen Schwingungsdämpfer
zeichnen sich außerdem durch eine sehr komplizierte Formgebung aus. Diese erfordert
die Anwendung technisch sehr aufwendiger
und damit teuerer Herstellungsverfahren.
Auch wirtschaftliche Gründe stehen deshalb häufig der Verwendung solcher Schwingungsdämpfer
entgegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schwingungsdämpfer dieser
Art nunmehr weiter zu entwickeln, derart, daß die genannten Nachteile vermieden
werden. Dabei soll insbesondere eine breitbandige Wirksamkeit erzielt werden. Hierunter
ist zu verstehen, daß der Schwingungsdämpfer bei allen Frequenzen die größtmögliche
Wirksamkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Schwingungsdämpfer der zu Eingang genannten
Art dadurch gelöst, daß das Trägheitsmoment gleich oder annähernd gleich ist dem
Produkt aus dem Quadrat der Scherzähigkeit E und dem Geometriefaktor F, dividiert
durch den Schubmodul T, wobei der Geometriefaktor F angegeben ist durch die Formel
worin die innere bzw. die äußere Begrenzung der Drehmasse mit r1 bzw. mit r2 bezeichnet
ist, und mit L die axiale Länge der Drehmasse.
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Das Verhältnis, in dem die genannten Faktoren aufeinander abgestimmt
sein müssen, umfaßt alle funktionswesentlichen Faktoren. Es ist infolgedessen mit
keinen Schwierigkeiten verbunden, einen gattungsgemäßen Schwingungsdämpfer im Sinne
der Erfindung zu modifizieren und dadurch die bisherigen Nachteile zu vermeiden.
Dicäußere Gestalt des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers kann dementsprecllend
ohne weiteres anknüpfen an diejenige bekannter Ausführungen. Eine größtmögliche
Wirksamkeit wird jedoch erst dann erhalten, wenn die angegebenen Parameter in der
angegebenen Weise aufeinander abgestimmt sind. Nur für Schwingungsdämpfer der eingangs
genannten
Gattung, bei denen das der Fall ist, wird Schutz im Rahmen
der vorliegenden Erfindung beansprucht. Es versteht sich von selbst, daß der Schutzumfang
sich auch auf solche Ausführungen erstreckt, bei denen die gegenseitige Abstimmung
der genannten Faktoren annähernd in dem beanspruchten Verhältnis vorgenommen worden
ist.
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Häufig ist das beispielsweise dann der Fall, wenn der Spaltabstand,
der maßgeblich in den Geometriefaktor F eingeht, in verschiedenen Bereichen eine
unterschiedliche Größe hat. Für eine Ausführung, bei der die Spaltweite lediglich
in axialer und in radialer Richtung voneinander abweicht, ergibt sich der exakte
Geometriefaktor nach der folgenden Formel:
Mit einer für die Auslegung im allgemeinen ausreichenden Genauigkeit läßt sich die
Formel auch dann verwenden, wenn sich innerhalb der axialen und/odr der radialen
Ebene der Wirkflächen geringfügige Unebenheiten befinden. Eine mechanische Nachbearbeitung
von Wirkflächen, deren Oberfläche durch eine Gußhaut gebildet ist, ist deshalb im
allgemeinen nicht erforderlich. Bei einer gleichmäßigen reliefartigen Strukturierung
der Oberfläche kann als Spaltabstand der mittlere Abstand der einander gegenüberliegenden
Flächen eingesetzt werden. Eine entsprechende, vereinfachende Behandlungsweise ist
auch dann möglich, wenn eine Stufung des Spaltabstandes s gegeben ist.
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Nachfolgend wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung an Hand
von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert: Figur 1 Ein Schwingungsdämpfer,
bei dem das außenliegende Gehäuse mit dem zu bedämpfenden Maschinenteil verbunden
ist.
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Figur 2 bei dem die innenliegende Nabe mit dem zu bedampfenden Maschinenteil
verbunden ist.
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n fl e /nte Z
Figur 1 zeigt in längsgeschnittener
Darstellung einen rotationssymmetrisch ausgebildeten Schwingungsdämpfer für eine
Kurbelwelle.
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Dieser besteht aus einem außenliegenden Gehäuse aus Stahlblech, das
durch einen auf die rechte Seite aufgeschweißten ebenen Deckel 3 aus einem vergleichbaren
Werkstoff vollständig geschlossen ist.
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Bei der Konstruktion ist zu berücksichtigen, daß das Gehäuse ein möglichst
geringes Eigengewicht aufweisen soll. Die Verwendung glasfaserverstärkter Kunststoffe
bzw. von Aluminium für die Ausbildung des eigentlichen Gehäuses ist deshalb im Einzelfalle
zu prüfen.
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Das Gehäuse weist auf der linken Seite rotationssymmetrisch zur Achse
einen vorspringenden Flansch 2 auf. Dieser dient zur verdrehsicheren Verankerung
an dem zu bedämpfenden Maschinenteil.
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Als Befestigungsmittel können übliche Sechskantschrauben verwendet
werden. Um dabei zu gewährleisten, daß eine völlig rotationssymmetrische Zuordnung
des Schwingungsdämpfers zu dem Maschinenteil gewährleistet ist, ist der Innendurchmesser
des Flansches an den Außenduechmesser des zugeordneten Vorsprunges angepaßt.
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Das Gehäuse enthält im Inneren zur Aufnahme der Dämpfungsmasse 5 eine
besonders leichtgängige Lagerung 4. Diese kann in den Fällen, in denen größere Querkräfte
zusätzlich die eigentliche Drehbewegung überlagern, gegebenenfalls durch eine andersartig
ausgebildete Lagerung ersetzt sein, beispielsweise durch eine Kugellagerung.
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Eine solchc kann bei Verwendung einer starr mit dem Gehäuse verbundenen
Achse innerhalb der Dämpfungsmasse angeordnet sein bzw. in den Fällen, in denen
die Dämpfungsmasse mit einer starren Achse versehen ist, innerhalb der Wandung des
Gehäuses. In bestimltleen Fällen ist es auch möglich, die Dämpfungsmasse auf einem
starr mit dem Gehäuse verbundenen Torsionsstab zu lagern. Dieser muß jedoch eine
besonders weiche FedercharakLeristik haben, weil es nicht erwünscht ist, daß irgendwelche
von dem Gehäuse ausgehenden Kräfte durch die Lagerung auf die Dämpfungsmasse übertragen
werden.
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Die Dämpfungsmasse 5 besteht aus einem rotationssymmetrischen Körper
mit einem als Trägheitsmoment J bezeichneten dynamischen Trägheitsmoment. In dieses
geht der radiale Durchmesser und die axiale Länge unmittelbar ein sowie die Dichte
des Werkstoffes, aus dem die Dämpfungsmasse besteht. Sämtliche hier genannten Parameter
gehen unmittelbar in die Faktoren ein, die im Sinne der vorliegenden Erfindung in
bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sein müssen. Ohne Beeinträchtigung dieser
vorgeschriebenen, bestimmten gegenseitigen Abstimmung ist es dementsprechend möglich,
die Abmessungen der Dämpfungsmasse im einzelnen in gegenseitiger Abstimmung zu variieren
bzw. eine Dämpfungsmasse aus einem Werkstoff mit abweichender Dichte zu wählen.
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Der Spalt zwischen der Dämpfungsmasse und der Innenwandung des Gehäuses
weist überall die gleiche Breite auf. Er ist durchgehend mit einer viskoelastischen
Flüssigkeit gefüllt, die gleichermaßen die Oberfläche der Dämpfungsmasse und die
Innenwandung des Gehäuses benetzt. Die übertragung der durch den Flansch 2 in das
Gehäuse 1 eingeleiteten Drehbewegungen auf die Dämpfungsmasse 5 wird ausschließlich
über die viskoelastischen Kräfte der Flüssigkeit bewirkt. Während die Einleitung
einer gle chbleibenden Drehbewegung ohne Rückwirkungen ist, kommt es bei der Einleitung
einer diese überlagernden, oszillierenden Schwingung zu Rückwirkungen auf das Gehäuse
und damit auf das angeschlossene Maschinenteil, die ebenfalls durch die viskoelastischen
Eigenschaften der in dem Spalt 6 angeordneten Dämpfungsflüssigkeit bewirkt werden.
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Figur 2 zeigt in längsgeschnittener Darstellung einen funktionsgleichen
Schwingungsdämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer außenliegenden Dämpfungsmasse.
Diese ist als ringförmige Drehmasse 7 ausgebildet und sie weist zwei in radialer
Richtung nach innen vorspringende Stege 8 auf, die durch membranähnlich ausgebildete
übergangsstücke 9 mit der Nabe 10 verbunden sind. Die membranähnlich ausgebildeten
übergangsstücke 9 bestehen aus einem weichelastischen Werkstoff, um zu verhindern,
daß die in die Nabe 10 eingeleiteten Drehbewegungen des angeschlossenen Maschinenteiles
kraftschlüssig
auf die Drehmasse 7 übertragen werden.
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Die Nabe 10 ist mit einem Flansch 11 versehen, der ringförmig in den
von der Drehmasse 7 umschlossenen Hohlraum hineinragt. Der Hohlraum zwischen der
Nabe 10 und der Dämpfungsmasse 7 ist vollständig ausgefüllt mit einer viskoelastischen
Flüssigkeit.
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In der nachfolgenden Tabelle wurden die wesentlichen Eigenschaften
und Kenndaten der beschriebenen Schwingungsdämpfer zusammengefaßt. Die erste Spalte
beschreibt Ausftihrungen, die entsprechend der vorliegenden Erfindung abgestimmt
sind. Die zweite und die dritte Spalte beschreiben Vergleichsausführungen bei denen
bei einer äußerlich ähnlichen Konstruktion jeweils nur einer der erfindungsgemäß
beanspruchten Faktoren verändert wurde. Es ist deutlich erkennbar, daß die veränderten
Ausführungen trotz der Geringfügigkeit der vorgenommenen änderungen deutlich verschlechterte
Dämpfungseigenschaften haben: Tabelle: Dissipierte Energie dividiert durch die kinetische
Energie der Dämpfungsmasse
| thwingunys- a) Erfindung b) nicht erfindungsgamäß abgestimmt |
| :reqqenz gemäß bl) Geanetrie unver- b2) Dämpfüngsmasse un- |
| (Hz) abgestimmt ändert. Dichte der verändert. Gesmetrie- |
| Dampfungsmasse gegen- fakvtor gegenüber a) |
| über a) halbiert verdoppelt |
| 50 0,83 0,40 0,40 |
| 100 1,66 0,71 0,71 |
| 150 2,50 0,90 0,90 |
| 200 3,30 0,98 o,gß |
| 250 4,16 0,99 0,99 |
| 300 5,00 0,98 0,98 |
| 600 10,00 0,38 0,38 |
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