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Schwingungsabsorber
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Die Erfindung betrifft einen Schwingungsabsorber zur Körperschalldämpfung
mit einem Wellenleiter in Form eines sich in Wellenlaufrichtung verjüngenden Hornteils,
welcher zumindest mit dem breiteren Ende mit einem zu bedämpfenden Körper kraftschlüssig
verbindbar ist und welcher zumindest im Bereich des schmaleren Endes ein Dämpfungsmaterial
aufweist.
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Ein Schwingungsabsorber der obengenannten Art ist beispielsweise aus
der DE-OS 22 29 420 bekannt und besteht im wesentlichen aus einem hornteilförmigen
Wellenleiter aus einem homogenen Material und einer Dämpfungsmasse am freien Ende
des ornteils. Wird ein derartiges Hornteil mit seinem breiteren Ende an einem zu
bedämpfenden Körper kraftschlüssig befestigt, so entzieht er diesem Schwingungsenergie
infolge von Ableitung. Die abgeleitete Schwingungsenergie wird von der Dämpfungsmasse
absorbiert und in Wärme umgesetzt. Die Ableitung von Schwingungsenergie über einen
breiten Frequenzbereich erfolgt dann in optimaler Weise, wenn die Impedanzen des
Hornteils und des zu bedämpfenden Körpers aneinander angepaßt sind. Die Impedanz
eines Horntejls wird im wesentlichen durch seine Materialeigenschaften und seine
Geometrie bestimmt.
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Für viele Anwendungsfälle bedeutet die Materialwahl schon eine derartige
Einschränkung, daß für die Geometrie kaum noch Variationsmöglichkeiten bleiben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Variationsmöglichkeiten für
die Impedanzanpassung eines Schwingungsabsorbers mit hornteilförmigem Wellenleiter
zu vergrößern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die in den Patentansprüchen
aufgeführten Maßnahmen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die für eine Wellenleitung
in einem homogenen Material ausschlaggebenden Größen in getrennten Komponenten zu
realisieren. Hierzu wird der homogene Wellenleiter durch eine Schichtfolge von flexiblen
Federelementen und
festen Massenelementen ersetzt, deren Federkonstanten
bzw. Massen entsprechend den Bedingungen in einem Hornteil vom breiteren Ende aus
stetig abnehmen. Durch diese Trennung in Massen und Federelemente läßt sich die
Impedanz eines derart aufgebauten Schwingungsabsorbers in vielfältiger Weise variieren.
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Wie später noch gezeigt wird, besitzt ein erfindungsgemäß aufgebauter
Schwingungsabsorber mit geometrisch abgestuften Massen und Federkonstanten eine
Grenzfrequenz (Cut-Off-Frequenz CL c> und eine asymptotische Resistanz R¢a von
: - m0 c = 2 Wg ln R =WO' . mO wobei 0 die Resonanzfrequenz des ersten, breitesten
Massenelementes mO ist, welches über ein Federelement mit der Federkonstanten kg
mit dem zu dämpfenden Körper verbunden ist und für welche die Beziehung
gilt.
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Die Eigenschaften des Absorbers sind also aus den Massen und den Federkonstanten
der Massen- und Federelemente bestimmbar bzw. entsprechend einstellbar.
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Wenn die Massenelemente entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung
lediglich über die Federelemente miteinander verbunden sind, so wirkt ein derartiger
Schwingungsabsorber in allen drei Translationsfreiheitsgraden; vorausgesetzt natürlich,
daß die Federelemente keine anisotropen Eigenschaften haben.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
die Möglichkeit, die Federelemente mit dem Dämpfungsmaterial zu kombinieren oder
die Federelemente direkt aus Dämpfungsmaterial mit entsprechenden elastischen Eigenschaften
herzustellen.
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Wenn nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Massen-
und Federelemente entsprechend dem Merkmal des Anspruchs 5 abgestuft sind, so wird
dadurch eine Exponentialform approximiert.
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Ausführungsformen eines Schwingungsabsorbers, welche zur Dämpfung
von rotierenden Wellen u. dgl. geeignet sind, können nach den Merkmalen der Ansprüche
7 oder 8 ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Federelemente
durch Kugeln realisiert werden, welche in gegenüberliegenden pfannenförmigen Vertiefungen
der Massenelemente angeordnet sind; die Enden des Wellenleiters werden dabei gegeneinander
gepreßt. Durch Körperschallwellen verursachte Querbewegungen der Massenelemente
bewirken eine geringfügige Verlängerung des Wellenleiters gegen die Kraft, mit welcher
die Enden des Wellenleiters gegeneinander gepreßt werden. Diese Gegenkraft bewirkt
schließlich daß die Massenelemente über die Kugeln wieder in ihre ursprünglich Lage
zurückgerückt werden.
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Näheres zu den erwähnten Ausführungsbeispielen sowie weitere Ausführungsbeispiele
sollen anhand der im folgenden beschriebenen, teilweise schematischen Darstellungen
erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Wellenleiters aus
Massen- und Federelementen; Fig. 2 einen Schwingungsabsorber, dessen Federelemente
aus Dämpfungsmasse bestehen; Fig. 3 einen Schwingungsabsorber zur Anbringung an
gekrümmten Oberflächen und mehreren Federelementen innerhalb einer Federschicht;
Fig. 4 einen Schwingungsabsorber mit Federelementen aus Kugeln und pfannenförmigen
Vertiefungen;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Schwingungsabsorber
gemäß Fig. 4; Fig. 6 einen rotationssymmetrischen Schwingungsabsorber zur Dämpfung
von Wellen u. dgl.; Fig. 7 zwei gegeneinander angeordnete und miteinander integ-rierte
Schwingungsabsorber gemäß Fig. 6; Fig. 8 einen rotationssymmetrischen Schwingungsabsorber
mit Ringschichtung; Fig. 9 einen rotationssymmetrischen Schwingungsabsorber mit
winkelförmiger Schichtung; Fig. 10 zwei rotationssymmetrische, gegeneinander angeordnete
und miteinander integrierte Schwingungsabsorber gemäß Fig. 9; Fig. 11 einen rotationssymmetrischen
Schwingungsabsorber mit zentripedaler Verjüngung; Fig. 12 einen Schwingungsabsorber
mit topf- bzw. U-schienenförmigen Massen- und Federelementen.
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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wellenleiters 1 aus Federelementen
2.0, 2.1, ... und Massenelementen 3.0, 3.1, ....
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welche über das erste Federelement 2.0 mit einem zu dämpfenden Körper
4 verbunden ist. Diese Anordnung soll einem gestrichelt dargestellten Hornteil 1'
mit einer Basisfläche S'O angenähert sein. Für ein exponentialförmiges Hornteil
kann der Flächenlauf S(x) durch folgende Beziehung angegeben werden: x S(x) = S'O
. e-2#c a (1) wobei w die Grenzfrequenz für die Wellenleitung und a die c Schallgeschwindigkeit
in dem Material bedeutet. Wird nun ein exponentialförmiges Hornteil entsprechend
der Fig. 1 in einzelne Massenelemente mit konstanter Dicke Ax jedoch exponentiell
abnehmender
Basisfläche zerlegt, so kann die Basisfläche 5 für
das n n-te Massenelement durch die Beziehung #x Sn = SO . e -2#c na (2) angegeben
werden. Die Masse m n des n-ten Massenelementes beträgt: m =S n n Y x (3) wobei
# die Dichte des Materials bedeutet.
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Die Massen und die Federkonstanten sollen so gewählt und abgestuft
sein, daß die Eigenfrequenz #0 eines jeden Massenelementes mn und zugeordneten Federelementes
kn
beträgt.
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Unter Verwendung der obengenannten Beziehung (2) ergibt sich das Verhältnis
zweier benachbarter Massen mn+1 und mn zu:
Unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis zweier benachbarter Massen konstant
ist, ergibt sich daraus für die Grenzfrequenz die vorher genannte Beziehung #c =
1 # . ln m0 = const. (6) m1 mit #0 = a .
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#x
Entsprechend kann gezeigt werden, daß für das
Verhältnis der Federkonstanten zweier benachbarter Federelemente die Beziehung n1
: e 2 0> Xc o (7) k n gilt.
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Die für die Dämpfung maßgebende Resistanz nähert sich ab der Grenzfrequenz
#c asymptotisch dem Wert RS = u0 . m0.
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Die Grenzfrequenz 0> und die Resistanz R sind also aufgrund des
c Massenverhältnisses zweier benachbarter Massenelemente und des Verhältnisses der
Federkonstanten zweier benachbarter Federelemente leicht berechenbar und dadurch
einstellbar.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Wellenleiter würde beispielsweise
dadurch zu einem Schwingungsabsorber, daß das letzte, kleinste Massenelement in
einer Dämpfungsmasse eingebettet ist und somit die eingeleiteten Schwingungen voll
absorbiert werden.
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Ein Schwingungsabsorber, bei dem die Federelemente mit der Dämpfungsmasse
integriert sind, ist in Fig. 2 dargestellt. Die schichtweise übereinander angeordneten
Massenelemente 23.0, 23.1 wechseln sich dabei mit Schichten 22.0, 22.1 .... einer
elastischen Dämpfungsmasse, z.B. Gummi, ab. Die Querschnittsflächen beider Schichten
verjüngen sich dabei stetig.
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Die in Fig. 3 dargestellten Schichten aus Massen-und Federelementen
33.0, 33.1 ... bzw. 32.0, 32.1 ... sind der Krümmung des zu bedämpfenden Körpers
34 angepaßt. Weiterhin weist jede Federschicht mehrere nebeneinander angeordnete
Federelemente 32.01, 32.02 bzw.
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32.11, 32.12 usw. auf, welche in Vertiefungen der Massenelemente
eingepaßt
sind. Damit gelingt es, auch bei begrenzter Bauhöhe eine ausreichend weiche und
stabile Federung zu erzielen. Außerdem gelingt es damit, die Federung gegenüber
Schub und Druck in beliebigem Verhältnis einzustellen.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Schwingungsabsorber wird das Federelement
durch Kugeln 42.0, 42.1, ... realisiert, welche in gegenüberliegenden, pfannenförmigen
Vertiefungen von Massenelementen 43.0, 43.1, ... eingelassen sind. Ein Ausschnitt
eines derartigen Federelementes ist in Fig. 5 dargestellt, aus welcher ersichtlich
wird, daß die pfannenförmigen Vertiefungen 53.01 und 53.11 in zwei benachbarten
Massenelementen 53.0 und 53.1 einen größeren Radius aufweisen als die darin eingeschlossene
Kugel 52.0. Je zwei Massenelemente werden durch eine, durch die Pfeile dargestellte
Kraft PO zusammengedrückt, so daß Relativbewegungen der Massenelemente nur nach
Überwindung dieser Kraft möglich sind. Derartige, Querbewegungen der Massenelemente
verursachende Kräfte werden beispielsweise durch Einleitung von Körperschallschwingungen
aus dem zu bedämpfenden Körper 41 verursacht, mit welchem das Paket aus Massenelementen
und Kugeln über einen Verbindungsbolzen 44 kraftschlüssig verbunden ist. Durch den
Verbindungsbolzen 44 wird gleichzeitig die, die Massenelemente zusammendrückende
Kraft PO erzeugt. Wird der Verbindungsbolzen 44, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die
Massenelemente hindurchgeführt, so müssen die Aussparungen dafür entsprechend groß
sein, damit der Bolzen die einzelnen Elemente nicht berührt. Mit dem Bolzen 44 ist
gleichzeitig eine Dämpfungsmasse 46 mit dem letzten Massenelement 43 kraftschlüssig
verbunden, so daß über die Massen- und Federelemente eingeleitete Schwingungen hier
absorbiert und somit dem zu bedämpfenden Körper 41 entzogen werden. Für einen derartigen
Schwingungsabsorber eignen sich vornehmlich Strahlen als Material für die Massenelemente
und Kugeln. Die Dämpfungsmasse 46 kann aus Gummi, weichelastischen Kunststoffen
oder Mischungen aus elastischen und harten Stoffen sein.
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Fig. 6 zeigt einen Schwingungsabsorber zur Dämpfung von Torsions-und
Translationsschwingungen in einer Welle 61. Der Absorber setzt sich abwechselnd
aus ringförmigen Scheiben von Massenelementen 62 und Federelementen 63 zusammen.
Die Massenelemente 62 bestehen beispielsweise aus Stahl oder Aluminium und sind
lediglich über die aus Dämpfungsmaterial bestehenden Federelemente miteinander verbunden;
insbesondere berührt keines der Massenelemente die Welle 61.
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Die schwingungsmäßige Ankopplung des Absorbers geschieht über eine
fest mit der Welle 61 verbundene Scheibe 64. Von dieser Scheibe 64 aus verjüngen
sich die Massen- und Federelemente in axialer Richtung.
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Der in Fig. 7 dargestellte Schwingungsabsorber besteht aus zwei zusammengefaßten
gegenläufigen Absorbern gemäß Fig. 6. Hierzu sind zwischen zwei mit der Welle 71
kraftschlüssig verbundenen Scheiben 74 und 74' zum einen eine sich im äußeren Durchmesser
ständig verkleinernde Schichtfolge aus Ringscheiben 72.0, 72.1 und 72.2 angeordnet,
welche in eine Schichtfolge von scheibenförmigen Massenelementen 72.0?, 72.1' und
72.2' mit konstantem Außendurchmesser, jedoch ständig größer werdendem Innendurchmesser
hindurchragt. Die einzelnen Scheiben berühren sich weder gegenseitig noch die Welle
71 und sind in einer Dämpfungsmasse eingebettet, welche analog zur Fig. 6 gleichzeitig
als Federelement zwischen zwei zugehörigen Massenelementen dient.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Schwingungsabsorber sind die Massenelemente
82.0, 82.1, ... und Federelemente 83.0, 83.1, ... konzentrisch angeordnet, wobei
sich die Verjüngung in radialer Richtung aus einer ständigen Verkürzung der axialen
Länge der Massen- und Federelemente ergibt.
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Der in Fig. 9 dargestellte Schwingungsabsorber besteht aus konzentrischen,
winkelförmigen Massenelementen 92,0, 02.1, . . . und Federelementen 93.0, 93.1,
... aus Dämpfungsmasse. Die Übertragung von
Körperschallschwingungen
erfolgt über ein mit der Welle 91 kraftschlüssig verbundenes Winkelstück 94, welches
sowohl radiale als auch axiale Schwingungen über das erste Federelement 93,0 auf
die folgenden Schichten überträgt. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht
darin, daß die vorher erwähnte Grenzfrequenz für alle Schwingungsrichtungen gleich
ist, da sich hier die unterschiedliche Federkonstante aus Druck und Schub ausgleicht.
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Bei dem in Fig. 10 dargestellten Schwingungsabsorber sind zwei Absorber
gemäß Fig. 8 nach Art eines Absorbers gem. Fig. 7 integriert. Die Einleitung von
Körperschallschwingungen in den aus Massenelementen 102.0, 102.1, ... und Federelementen
103.0, 103.1, aus Dämpfungsmasse bestehenden Absorberteil erfolgt über die innerste
Dämpfungs- bzw. Federschicht 103.0, wohingegen der aus Massenelementen 102.0', 102.1',
... und Federelementen 103,0', 103.1', bestehende Absorberteil von außen über einen
winkelförmigen,mit der Welle 101 kraftschlüssig verbundenen Ubertragerring 104 akustisch
an die Welle 101 angekoppelt ist.
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Bei dem in Fig. 11 dargestellten Schwingungsabsorber verJüngen sich
die konzentrisch angeordneten Schichten aus Massenelementen 112.0, 112.1, ... und
Federelementen 113.0, 113.1, ... aus Dämpfungsmasse in zentripedaler Richtung. Zur
Schwingungsübertragung von der zu bedämpfenden Welle 111 dient ein Übertragungskörper
114, der mit dieser kraftschlüssig ver-bunden ist.
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Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch einen Schwingungsabsorber, bei
dem die Massen- und Federelemente entweder,in einer rotationssymmetrischen Ausführung,topfförmig,
oder, in einer langgestreckten Ausführung, U-schienenförmig ausgebildet sind. Zwischen
den Massenelementen 122.0, 122.1, ... befindet sich beispielsweise Gummi als Feder-
und Dämpfungselement 123.0, 123.1, ... . Der Absorber ist durch einen topf- oder
U-schienenförmigen Flansch 124 mit dem zu bedämpfenden Körper 121 kraftschlüssig
verbunden.