DE2939420A1 - Energieabsorbierendes element mit schichtaufbau - Google Patents

Energieabsorbierendes element mit schichtaufbau

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. We: ckmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
Dipl.-ίνg. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Inc. H. LiSKA 2939420
KAJD >CC: MÜNCHEN 86, DEN
!OSTlACH S6CS20 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9Γ 3921/22
Energieabsorbierendes Element rr.it Schichtaurbau
Die Erfindung betrifft ein tr.er~ieabsorbierenaes Element r.it Sohichtaufbau, v.?ie zurr. Beispiel Feder·-, StoI:1- o.:er Schwingungsdämpfer, umfassend :vminüest eine, mi·; einer visico-eüaEtischen Schicht verbundene steife Schicht. Solche Elemente werden in Form von Platten, Blattelementen, Streifen, Stangen, Röhren, Schläuchen oer Profilen eingesetzt.
Es ist allgemein begannt, Kompositmater-allen, zur. Beisnifcl n- asf ibervei-stäricte Kunststoffe oder Mehvschichtenelemente für Federn oder Schv;incun.-sd?."r,Ofer einzusetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Element rr.it Schichtaufbau bereitzustellen, dessen ILnergi· er.ufnahmeicapazität bisher unerreicht hoch ist und die Ünerrieaufnahmeicanazität gebräuchlicher Bauteile zur
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Absorption mechanischer Energie bei weitem übersteigt. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß die Energieauinahmeicapazität unelasti scher Elemente überraschend stark ansteigt, wenn man diese Elemente jev;eils mit mindestens einer Sch_cht aus faserverstärktem, visko-^1 äst-i sehen Material anbringt.
Die unelastischen Bauteile innerhalb eines solchen erfindungsgemäßen Elements Können im allgemeinen Metall, Holz, Glas, Beton, Keramik oder Kunststoff enthalten, wobei alle diese Materialien gegebenenfalls verstärkt sein können.
Die visKo-elastische Schicht λ arm Elastomerwerkstoff und/ oder flexiblen, therrno-plastisehen Werkstoff enthalten. Die Absorption mechanischer Schwingungen ist teilweise auf die direkte Absorption im visKo-eiastischen J>iaterial (Selbstabsorption) und teilweise auf die Reibung, und die Verformung der in die visco-eiastische Schicht eingebetteten Fäden zurückzuführen. Die νistco-elastische Schicht sollte vorzugsweise gute Flexibilität und hohe Absorptions-Kapazität aufweisen und zwar innerhalb e _nes weiteren Temperaturbereiches, beispielsweise von - 40°C bis 120uC. Das visko-elastische -Material sollte auch an den eingebetteten Fasern gut haften (gute Adhäsion). Die Aufnahme von Fasern mit hener Zugfestigkeit (>2O00 N/mni*~) und großem Elastizitätsmodul (>7 x 10 N/mm ) erhöht darüberhinaus die mechanische V'iderstandsfähigkeit ur.d Festigkeit des Elementes. Besonders geeignete Fasern sind daher Glasfasern, Carbonfasern, Borfasern, Polyamidfasern, Polyaramidfasern, Polyesterfasern und/oder Metallfasern. Es können Fasern unterschiedlicher Zusammensetzung in die visko-elastische Schicht eingearbeitet werden. Sie Können dabei die Form kurzer Fasern oder durchgehender Fäden annehmen, gegebenenfalls gewellt
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oder abgebogen. Sie können entweder zu Bündeln zusammengefaßt sein, beispielsv;eise zu Drahtbündeln, Litzen,Saiten, Cord, Seilen, Schnüren, Bändern, Kabeln oder in Form einzelner gesonderter Fasern auftreten; vorzugsweise werden jedoch in sich verdrehte Faserbündel verwendet, die entweder beträchtliche Länge aufweisen oder sogar das Element ohne Unterbrechung durchsetzen. Darüberhinaus können die Fasern in die visko-elastische Schicht cewebeartig, in mehreren Lagen, in isotroper oder anisotroper Anordnung eingebettet werden. Die Fasern innerhalb der Schicht können in einer einzigen Richtung orientiert sein, so daß sie beispielsvjeise abwechselnd in Achsrichtung auf Zug und Druc.c beansprucht werden können mit der Frequenz der zu absorbierenden Schwingung. Die Fasern können auch in der V/eise ausgerichtet sein, daß mindestens ein Teil der Fasern periodisch auf Torsion und/oder Scherung beansprucht wird mit der Frequenz der zu absorbierenden Schwingung.
Das erfindungsgemäße Element mit Schichtstruktur umfaßt eine oder mehrere Schichten aus unelastischen VeivisOofi', an welche eine oder mehrere Schichten aus faserverstärktem, visko-elastischen Werkstoff angebracht sind. Ein Beispiel dafür ist ein Element mit sogenanntem "Sandv.-iclV-Aufbau, also abwechselnd Schichten aus unelastischem und viskoelastischem Werkstoff. Die unelastische Schicht (bzw. Schichten) kann dabei an ihrer gesamten Oberfläche oder nur an einem Teil der Oberfläche mit der yisko-elastischen Schicht beschichtet sein. Im Grenzfall besteht die viskoelastische Schicht lediglich aus einem Faden oder einer Litze aus Fasern, die mehr oder weniger konzentrisch (mittig) von einer Schicht aus visko-elastischem Material bedeckt (oder ummantelt) ist, wobei die Dicke dieser Schicht zu beiden Seiten des Fadens bzw. der Litze möglichst gering ist und in der gleichen Größenordnung wie die Dicke des Fadens bzw. der Litze liegt.
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Speziell hat sich herausgestellt, daß eine mit Metalldrähten (beispielsweise Stahldrähten, Stahlsaiten, Stahlcord, oder Stahllitzen) versehene Gummischicht, welche an steife Platten oder Bänder angebracht ist, diesen eine ausgezeichnete Energieaufnahmekapazität verleiht, wenn die Schwingungsamplitude senkrecht zur Richtung der Metalldrähte verläuft.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Schichtelement in Form einer Platte oder eines Streifens (Band) mit einer steifen mittleren Schicht aus wärmeaushärtendem, mit Glasfasern verstärktem Harz, welcher beidseits bedeckt ist mit einer Elastomer-Schicht, in die in einer einzigen Richtung orientierte, parallele Stahldrahtlitzen eingebettet sind. Im Falle eines streifenförmigen Elements sind die in sich verdrehten itahldrahtlitzen in Längsrichtung des Streifens orientiert. Ein so aufgebautes Element Kann als einfache Blattfeder eingesetzt werden, mit einer Biegelast, die senkrecht zu den Berührungsflächen der Schichten innerhalb des Streifens gerichtet ist. Eine derartige Blattfeder weist eine Energieaufnahmekapazität auf, welche wesentlicher höher als die der gegenwärtig eingesetzten Blattfedern ist. Darüberhinaus ist diese Feder wesentlich leichter als die gebräuchlichen Stahlblattfedern*
Es hat sich herausgestellt, daß es in vielen Fällen vorteilhaft ist, eine Verankerungsschicht zwischen die Schicht aus unelastischem Material und aus viskoelastischem Material einzufügen. Als Verankerungsschicht kommt beispielsweise ein Glasfasergewebe in Frage, deren eine Seite in die Elastomer-Schicht und deren andere Seite in die Oberfläche des wärmeaushärtenden Harzes der unelastischen Schicht während
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der Herstellung des Schichtenelements eingebettet wird.
Im folgenden wird zur Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Die Absorptionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Schichteneiements wird mit der eines herkömmlichen Dämpfungselements verglichen. Es zeigen
Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Schichtenelements (mit "Sandwich"-Aufbau) in Form eines Streifens;
Fig. 2 ein Absorptionsdiagramm der mechanischen Schwingungen eines bekannten, energieabsorbierenden Kompositelements und
Fig. 3 ein entsprechendes Absorptionsdiagramrn eines dieselben Abmessungen aufweisenden, erfindungsge.r.äien Schichtenelements.
Das in Fig. 1 gezeigte, streifenförmige Schichtenelement umfaßt eine Kernschicht 1 aus ste-fem Material (beispielsweise aus Kunstharz, welches in Längsrichtung mit Glasfasern verstärkt ist). Diese Schicht 1 ist beidseits mit Verankerungsschichten 2, beispielsweise aus Glasfasergewebe bedeckt, wobei die Kettfaden und Schußfäden mit oer Längsachse des Streifens Je einen Winkel von angenähert ^5° einschließen. Die Verankerungsschichten 2 sind jev/eiis Teil einer visko-elastischen Schicht ~j>. In die Schichten eingebettete, in sich verdrehte Faserbündel h - beispieisvieise Stahllitzen - können ebenfalls in Längsrichtung des Streifens orientiert sein.
D.e Schwingungsabsorptionsdiagramme der Fig. 2 und 3 wurden jeweils mit Hilfe eines Osziilosvcops oder Oszillographen aufgezeichnet, wobei entlang der Abszisse die Absorptionszeit t und entlang der Ordinate die Amplitude a der Schwingung aufgetragen ist. Die streifenförmigen Schichten-
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elemente hatten in beiden Messungen die gleichen Abmessungen und wurden dem gleichen Biegeversuch unterworfen. Bei einem solchen Biegeversuch war ein Streifenende in einer Einspannvorrichtung fixiert, während das andere vom Einspannpunkt 2oo mm entfernte Ende einer Biegekraft (Biegemoment) von 14^ N«mm senkrecht zur (großen) Oberfläche des Schichtenelements ausgesetzt wurde. Die Streifenbreite betrug jeweils 20 mm, die Streifendicice Ö mnu ......._.. .._. „
Derjenige Streifen, dessen Untersuchung das Diagramm in Fig. 2 ergab, bestand aus einer Kernschicht 1 aus glasfaserverstärktem Kunstharz mit einer Dicke von 1,04 g/cm?, mit einem Elastizitätsmodul (Youngscher Modul) von 20 800 N/mm , und einer Dicke von 5 mm. Beide viskoelascischen Schichten 3 bestanden aus vulkanisiertem Gummi - oder KautschuKstreifen einer Dicke von je 1,5 mm. Die Zeitdauer, die notwendig war, um die Schwingung soweit zu absorbieren, so daß die Schviingungsamplitude zu null wurde, betrug etwa 4,11 Sekunden.
Das Diagramm in Fig. 3 ist das Ergebnis einer Messung mit einem erfindungsgemäßen Schichtenelement. Dieses Element bestand aus einer Kernschicht 1 derselben Zusammensetzung und derselben DicKe (5 mm) v;ie das der Messung oer Fig. 2 zugrunde liegende Element. Diese Kernschicht 1 war jedoch auf beiden Seiten mit Gummistreifen j? einer Dicke von 1,5 mm bedeckt, in die eine Reihe herkömmlicher, mit Messingüberzug versehener Stahllitzen 4 eingebettet waren. Jede Litze 4 war vor. Typ o,J>o mm + 6 · o,2'3 mm , d. h. aus kohlenstoffreichem Stahldraht mit 0,30 mm Durchmesser, um welche 6 Drähte mit je 0,25 mm Durchmesser gewunden sind. Die Litzen waren in Längsrichtung des Streifens orientiert, mit einer Dichte von 20 Litzen pro cm Streifenbreite.
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Die Bruchdehnung der Litzen lag bei etwa 2£. Wie Fir:. 3 zeigt, ist das zur Absorption der Schwingung notwendige Zeitintervall extrem kurz: 0,275 Sekunder..
Man nimmt an, daß die Verdrehung oder Verdrillung (Twist) der Faserbündel (Verdrillung der Faser innerhalb eines Bündels und/oder Verdrillung des Bündels als Ganzes) insbesondere bei Seilen die Dämpfungskapazität erhöht. Der Einbau von Faserbündeln, beispielsweise Stahl-Cord mit hoher DehnungsfähigKeit (p bis 10£ Bruchdehnung) kann in besonderen Anwendungsfällen vorteilhaft sein. Man nimmt an, daß neben einer überragenden chemischen Bindung des Gummis an messing- oder zinkbeschichtete Stahlseile die gute mechanische Verankerung des Gummis zwischen den Stahldrähten in den Seiler, das Dämpfungsverhalten verbessert. Es ist daher vorteilhaft, Suahldrähte zu verwenden, die ein gutes Eindringen des Gummis zwischen die verdrillten Drähte erlauben. Die Anwesenheit von Stahlfäden im Gummi begünstigt zudem die Ableitung der während der Schwingung im Elastomer erzeugten Wärme. Bekanntlich wird ja bei der Dämpfung mechanischer Vibrationen mechanische Energie in Wärme umgewandelt.
Eine gute Wärmeableitung ist wichtig, um die Verschlechterung der Qualität des Gummis und seiner Bindung an die Stahlfäden in den Seilen aufzuhalten oder zu verzögern, insbesondere, v.-enn das Schichtenelement andauernd oder für lange Intervalle Vibrationskräften oder periodischen, mechanischen Lasten (Biegung, Torsion, Scherung usv;.) ausgesetzt wird. Es kann vorteilhaft sein, ein Schichtelement gemäß Fig. 1 an der oberen und/oder der unteren Seite zusätzlich mit einer an der Elastomerschicht anzubringenden steifen Platte abzudecken, wodurch die Dämpfungswirkung aufgrund der Scherungsverformung im Elastomer
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besser ausgenutzt wird. Wenn diese zusätzliche Platte (bzw. Platten) aus Metall besteht, wird hierdurch zusätzlich die Steifheit und die Wärmeableitung innerhalb der Elastomerschichten verbessert.
Die Erfindung betrifft auch die Anwendungen von Schichtenelementen mit hoher Absorptionsfähigkeit, beispielsweise die Anwendung als Stützbalken oder Träger von Brücken, Blattfedern für Fahrzeuge, Dämpfer verschiedener Art, Torsionsstäbe usw.
Zu den Diagrammen der Fig. 2 und 3 ist nachzutragen, daß in diesen die Auslenkung a des freien Endes ,Jeweils eines streifenförmigen Schichtenelements gezeigt ist, wobei das freie Ende zur Zeit t = 0 kurzzeitig ausgelenkt und dann wieder losgelassen wurde.
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Claims (1)

  1. Exemplar
    Patentanwälte Dipl.-Ing. H. We .ok manw, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
    DlPL.-ING. F. A. V^ElCKMANN, DiPL.-ChEM. B. HuBER
    Dr. Ing. H. LiSKA 2939420
    KAJD 8000 MÜNCHEN 86, DEN
    POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
    N.V. BEKAERT S.A. Leo Bekaertstraat 1 B - 8550 Zwevegem
    Energieabsorbierendes Element mit Schichtaufbau
    PatentansDrUche
    Lnergieabsorbierendes Element, mit Schichtaufbau, insbesondere Feder-, Stoß- oder Schwingungsdämpfer, umfassend zumindest eine mit einer visko-elastischen Schicht verbundene steife Schicht, gekennzeichnet durch in die visko-elastische Schicht (3) eingebettete Fasern
    2. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die visko-elastische Schicht (>) zumindest teilweise aus vulkanisierbaren Elastomeren, insbesondere Kautschuk oder Gummi gebildet ist.
    3. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die visko-elastische Schicht (3) zumindest teilweise aus flexiblem, thermoplastischen Material gebildet ist.
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    4. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß in die viskoelastische Schicht (^) Glasfasern und/oder Carbonfasern und/oder Borfasern eingebettet sind.
    5. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dievisko-elastische Schicht (j5) Polyamidfasern und/oder Polyaramidfasern und/oder Polyesterfasern eingebettet sind.
    6. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die visko-elastische Schicht (3) Metallfasern, insbesondere Stahlfasern (4) eingebettet sind, welche vorzugsweise messing- oder zinkbeschichtet sind.
    7. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) in sich verdreht oder verdrillt sind.
    O. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern gewellt und/oder abgebogen sind.
    9. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der visko-elastischen Schicht (3) isotrop verteilt sind.
    10. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis Ö, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) anisotrop verteilt sind, insbesondere in einer Vorzugsrichtung angeordnet sind.
    11. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die viskoelastische Schicht (3) zumindest ein Faserbündel (4)
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    eingebettet ist.
    12. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel (4) in sich verdreht oder verdrillt ist.
    13. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchdehnung des Faserbündels (4) 10 % nicht überschreitet.
    14. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß das in sich verdrehte Faserbündel (4) aus Stahl-Cord oder Stahldrahtlitze gebildet ist, mit einer Bruchdehnung zwischen 1,5 % und 8 %,
    15. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der visko-elastischen Schicht (3) ineinandergreifen, insbesondere miteinander verwoben sind.
    16. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15i dadurch gekennzeichnet, daß die unelastische Schicht (l) zumindest teilweise aus verstärktem, vorzugszweise glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist.
    17. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die unelastische Schicht (l) zumindest teilweise aus verstärktem, vorzugsweise glasfaserverstärktem, wärmeaushärtenden Harz, insbesondere Kunstharz gebildet ist.
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    -■-•«ti-
    lo. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 17* dadurch gekennzeichnet, daß eine Verankerungsschicht (2) vorzugsweise aus Glasfasergewebe zwischen der visko-elastischen Schicht (3} und der unelastischen Schicht (l) vorgesehen ist.
    19. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Element als Blattfeder ausgebildet ist.
    20. Blattfeder nach Anspruch I9, uaäurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Faserbündel (H) in der visko-eiastisehen Schicht O) im wesentlichen senkrecht zu der an die Blattfeder angreifenden Kraft angeordnet sind.
    21. Blattfeder nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer unelastischen Schicht (l) mit beidseits angebrachten, visko-elastischeii Schichten (3) gebildet ist.
    22. Blattfeder nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer der visKo-elastischen Schichten (^) an der von der unelastischen Schicht (l) abgelegenen Seitenfläche eine weitere unelastische Schicht angebracht ist.
    23. Blattfeder nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel (4) eine derartige Länge aufvieisen, daß sie die visko-elastische Schicht (3) ohne Unterbrechung durchsetzen.
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