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Dämpfungsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen der Bewegungen
schwingungsfähig gelagerter Massen.
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Bevorzugt bezieht sich die Erfindung auf eine Dämpfungsvorrichtung
zum Dämpfen der Bewegungen von schwingungsfähig gelagerten Motoren oder Rädern von
Kraftfahrzeugen oder dergl.
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Es ist bekannt, Kraftfahrzeugmotoren, Elektromotoren oder dergl. mittels
Schwingmetallen zu lagern. Das einzelne Schwingmetall besteht aus zwei Metallplatten,
zwischen die ein Gummiklotz einvulkanisiert ist. Solche Schwingmetalle werden auch
als Silentblocks bezeichnet.
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Der Gummiklotz bewirkt dabei die Federung und zusätzlich geringe Dämpfung.
Das Dämpfungsverhalten von Schwingmetallen ist jedoch allein durch. die geringe
Eigendämpfung des Gummiklotzes bedingt und hält sich deshalb in engen Grenzen.
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Bei Aufhängungen der Räder von Kraftfahrzeugen, der Trommeln von Waschmaschinen
oder dergl. verwendet man meist Metall federn zu ihrer elastischen Aufhängung und
zur Schwingungsdämpfung zusätzlich hydraulische Stoßdämpfer, für die gilt P = kvn,
wo P die Dämpferkraft, k der Dämpfungsfaktor und v die Geschwindigkeit des Kolbens
des Stoßdämpfers ist. n= 1 bedeutet lineares, n<1 degressives und n>1 progressives
Dämpfungsverhalten. Für Reibungsdämpfer gilt n = 0, da diese konstante Dämpfungskraft
haben, die von der Bewegungsgeschwindigkeit unabhängig ist. Im allgemeinen ist es
günstiger, dem Stoßdämpfer anstatt linearem Dämpfungsverhalten nichtlineares Dämpfungsverhalten
zu geben. Jedoch komplizieren ihn die Maßnahmen zum Erzielen des nichtlinearen Dämpfungsverhaltens.
Auch befriedigen die erzielbaren Dämpfungskennlinien von Stoßdämpfern in vielen
Fällen nicht.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Dämpfungsvorrichtung mit stark
nichtlinearem Dämpfungsverhalten zu schaffen, die einfache Bauarten zuläßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einer Dämpfungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß das Dämpfungsmedium viskoelastisches
Medium ist.-Viskoelastische Medien haben die Eigenschaft, daß ihre Viskosität mit
zunehmender Verformungsgeschwindigkeit zunimmt. Dieser Effekt ermöglicht der Dämpfungsvorrichtung
von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängiges, stark nichtlineares Dämpfungsverhalten.
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Obwohl viskoelastisches Medium bei langsamer Verformungsgeschwindigkeit
fließt, verhält es sich bei Stoßbelastung elastisch bis hochelastisch. Viskoelastisches
Medium ist beispielsweise der sogenannte Silikonspringkitt. Es handelt sich bei
ihm um eine Abart des Silikonkautschuks. Silikonspringkitt ist bei mäßiger mechanischer
Belastung zähfließend wie Kitt-, bei Stoßbelastung elastisch wie Gummi und bei Schlag
so spröde, daß er unter Umständen splittert. Da man ihn wie Kitt beliebig plastisch
formen kann, ist er ein visko-elastisch -plastisches Medium, das also zu den viskoelastischen
Medien (Substanzen) zählt.
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Als Beispiel eines viskoelastischen Mediums in Art eines Silikonspringkittes
sei das von Firma Rhône-Poulenc Chimie Fine, Département Silicones, 33 rue Jean
Goujon, Paris (Frankreich) unter dem Handelsnamen "RHODORSIL GOMME 70 007" vertriebene
viskoelastische Medium benannt, bei dem es sich um ein inerten Füllstoff enthaltendes
Organopolysiloxan handelt, dessen
Plastizität nach Willian ungefähr
130 beträgt. Wenn man dieses Medium beispielsweise in Form eines zu einer Kugel
geformten Körpers auf- einen Tisch auflegt, dann fließt es unter seiner eigenen
Schwerkraft langsam in eine sich auf den Tisch ausbreitende Schicht aus.
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Wenn man diesen zu einer Kugel geformten Körper jedoch auf die Tischplatte
fallen läßt, dann springt er wie ein hochelastischer Gummiball. Auch läßt sich dieses
Medium unter dem Einfluß einer langsam fortschreitenden Dehnung wie eine Feder ausziehen
und durch raschen Zug zerreißen; die zerrissenen Teile lassen sich jedoch wieder
zu einer homogenen Masse vereinigen.
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Bevorzugt kann als viskoelastisches Medium viskoelastisches Organopolysiloxan
vorgesehen sein, beispielsweise das vorbeschriebene visko-elastrisch-plastische
Organopolysiloxan "RHODORSIL GOMME 70 007". Jedoch können selbstverständlich auch
andere viskoelastische Medien verwendet werden. Es gibt zahlreiche viskoelastische
Medien sowohl als Organopolysiloxane als auch aus anderen polymeren Stoffen bestehend.
Dem Organopolysiloxan kann vorzugsweise inerter Füllstoff, beispielsweise Silikat-Füllstoff,
wie Quarzmehl, beigemischt, d. h. einverleibt sein.
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Das Organopolysiloxan kann vorzugsweise Methyl-Polysiloxan und/oder
Phenyl-Polysiloxan und/oder Methylphenyl-Polysiloxan sein.
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Viskoelastische Medien, wie sie die Erfindung vorsieht, zeigen bei
langsamen Verformungsgeschwindigkeiten keine oder kaum Elastizität, sondern flüssiges
oder plastisches Verhalten.
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Sie zeigen jedoch mit zunehmender Verformungsgeschwindigkeit mehr
und mehr sich ausbildende Elastizität. Vorzugsweise können
viskoelastische
Medien, die für die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung infrage kommen, in Ruhe,
also wenn sie nicht verformt werden,zäh- bis dünnflüssig viskos sein, je nach gewünschtem
Dämpfungsverhalten.
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Beispielsweise kann es bei Raumtemperatur eine kittartige Konsistenz
haben. Jedoch kommen, wie erwähnt, auch niedrigviskosere viskoelastische Medien
infrage, einschließlich elastoviskosen Flüssigkeiten.
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Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung kann so ausgebildet sein,
daß ihr viskoelastisches Medium ausschließlich oder im wesentlichen nur dämpft oder
auch so ausgebildet sein, daß das viskoelastische Medium auch wesentlich auf seine
Federungseigenschaften beansprucht wird.
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Dabei kann das Federungsverhalten der Dämpfungsvorrichtung allein
durch das viskoelastische Medium bewirkt sein, also dann nicht im Ruhezustand vorliegen
und zumindest in diesem Fall sind noch andere Federmittel erforderlich, die auch
im Ruhezustand der Dämpfungsvorrichtung federnde Aufhängung oder Abstützung der
betreffenden schwingungsfähig gelagerten Massen bewirken, und die in die Dämpfungsvorrichtung
integriert und/oder gesonderte, von der Dämpfungsvorrichtung unabhängige Federmittel,
wie es beispielsweise bei Radaufhängungen von Kraftfahrzeugreifen meist üblich ist,
sein können.
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Beispielsweise kann der Dämpfungsvorrichtung in von bekannten hydraulischen
Stoßdämpfern an sich hekannter Weise mindestens eine Feder, Gasfeder oder
dergleichen
parallel geschaltet und/oder in sie integriert sein.
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Bei Radaufhängungen und Motorabstützungen von Kraftfahrzeugen verwendete
i'eder und Dämpfungsvorrichtungen müssen jeweils auf die maximal zu erwartenden
Kräfte und Amplituden ausgelegt sein. Es ergab sich dabei jedoch bisher - selbst
bei Verwendung von Federn mit progressiven Federkennlinien anstelle der üblichen
Federmittel mit linearen Kennlinien - stets das Problem, daß zwischen zu "harter"
bzw. zu "steifer" Aufhängung bzw. Abstützung und optimaler Laufruhe bzw. Fahrkultur
ein Kompromiß in Richtung zu harter Federung und Dämpfung getroffen werden mußte,
um bei Grenzbelastungen Durchschlagen der Federung zu verhindern. So ist es bei
Kraftfahrzeugen üblich, sie härter zu federn-und zu dämpfen als bei langsamer Fahrt
an sich notwendig wäre, d. h.
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daß man die Federung und Dämpfung der Räder auf die ungünstigsten
Umstände, wie hohe Fahrt auf schlechten Straßen auslegte,die dann für langsame Fahrt
zu hart war. Ähnliches traf auf die bekannten Motoraufhängungen von Kraftfahrzeugen
zu. Der erfindungsgemäße Einsatz des viskoelastischen Mediums in dem formänderbaren
abgeschlossenen Raum der Dämpfungsvorrichtung ermöglicht außer stark nichtlinearer
Dämpfung auch ebenfalls durch das viskoelastische Medium bewirkbares dynamisches
Federungsverhalten der Dämpfungsvorrichtung, das umso steifer und härter wird, je
rascher die Bewegungen der schwingenden Massen sind. Diese durch das
viskoelastische
Medium bewirkbare dynamische Federung ist im Ruhezustand unwirksam und im Betrieb
umso weicher, je langsamer die Bewegungen der schwingenden Massen sind. Dabei kann
die durch die Viskoelastizität des viskoelastischen Mediums bewirkte Dämpfung der
Schwingungen der Massen die alleinige Dämpfung sein.
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Gegebenenfalls ist es aber ohne weiteres auch möglich, dieser Dämpfungsvorrichtung
zusätzliche Dämpfungsmittel zuzuordnen oder parallel oder in Reihe ihr zuzuordnen,
falls dies erwünscht ist.
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Obwohl die Erfindung besondere Vorteile bei Motorabstützungen von
Kraftfahrzeugen und Radaufhängung von Kraftfahrzeugen wie dargelegt bietet, ist
sie nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch andere Anwendungsgebiete haben,
wo die Dämpfungs- und gegebenenfalls Federungseigenschaften des viskoelastischen
Mediums ebenfalls günstige Dämpfungen und gegebenenfalls Federungen der durch sie
zu dämpfenden und gegebenenfalls mit zu federnden schwingungsfähigen Massen ergeben,
beispielsweise bei Aufhängungen der Trommeln von Waschmaschinen oder dergl.
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In vielen Fällen kann zweckmäßig vorgesehen sein, daß das viskoelastische
Medium den abgeschlossenen, veränderlichen Raum der Dämpfungsvorrichtung vollständig
ausfüllt.
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Dies ist beispielsweise dann zweckmäßig, wenn die Dämpfungsvorrichtung
allein oder im wesentlichen nur der Dämpfung dient, kann jedoch auch dann vorgesehen
werden, wenn das viskoelastische Medium außer der Dämpfung auch der Federung dient.
Im letzteren Falle
kann es jedoch in vielen Fällen auch zweckmäßig
sein, vorzusehen, daß das viskoelastische Medium den abgeschlossenen Raumnur teilweise
ausfüllt und das restliche Raumvolumen durch kompressibles Medium, beispielsweise
Gas, mindestens ein elastomeres Kissen, zum Beispiel aus Gummi oder Schaumstoff,
oder dergl. ausgefüllt ist.Das kompressible Medium wirkt dann als Feder und das
viskoelastische Medium wirkt dämpfend, kann jedoch gegebenenfalls auch infolge seiner
elastischen Eigenschaften bei die Elastizität bewirkenden Verformungsgeschwindigkeiten
mit als Feder mitwirken.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der das viskoelastische Medium enthaltende abgeschlossene Raum durch
zwei vorzugsweise zueinander parallele Platten, vorzugsweise aus Metall, und einem
die beiden Platten miteinander verbindenden Ring aus elastomeren Material, wie Gummi
oder dergl., gebildet ist. Der Gummiring verleiht dieser vorzugsweise als Schwingmetall
einsetzbaren Dämpfungsvorrichtung von der Verformungsgeschwindigkeit unabhängige
federnde Eigenschaften und das im Inneren des Gummiringes zwischen den beiden Platten
befindliche viskoelastische Medium, das vorzugsweise visko-elastisch-plastisches
Medium sein kann, verleiht dieser Dämpfungsvorrichtung gutes, stark nichtlineares
Dämpfungsverhalten und verbessert gegebenenfalls zusätzlich noch ihr elastisches
Verhalten bei nicht zu geringen Verformungsgeschwindigkeiten. Wenn diese Dämpfungsvorrichtung
als Schwingmetall dient, kann sie vorzugsweise der Lagerung
von
Motoren von. Kraftfahrzeugen, Elektromotoren oder dergl. dienen.
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Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung kann in vielen Fällen zweckmäßig
als Stoßdämpfer dienen. Ihre Bauart kann sich dann an die Bauart bekannter hydraulischer
Stoßdämpfer anlehnen, wobei jedoch als dämpfendes Medium erfindungsgemäß viskoelastisches
Medium eingesetzt wird. Dieses Medium kann bevorzugt elastoviskose Flüssigkeit oder
visko-elastisch-plastisches Medium, wie Silikonspringkitt oder dergl. sein. Der
Stoßdämpfer kann bevorzugt als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet sein, deren Kolben
einen Durchflußkanal für das viskoelastische Medium aufweist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine als Schwingmetall ausgebildete Dämpfungsvorrichtung im Längsschnitt
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt
durch eine an sich bekannte Dämpfungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist, Die in Fig. 1 im
Längsschnitt dargestellte Dämpfungsvorrichtung 10 kann in Bezug auf ihre Längsachse
9 rotationssymmetrisch ausgebildet sein und weist zwei
zueinander
parallele, starre Metallplatten 11, 12 auf, die durch einen zwischen sie einvulkanisierten
dicken, gedrungenen Gummiring 13 miteinander verbunden sind, dessen axiale Länge
ungefähr seinem maximalen lichten Innendurchmesser entspricht. In der unteren Platte
12 ist eine durch eine Schraube 17 und einen Dichtungsring 18 abgeschlossene Einfüllöffnung
16 angeordnet, durch die der hermetisch abgeschlossene Hohlraum 14, der durch den
Gummiring 13 und die Platten 11, 12 gebildet ist, mit ihn ganz ausfüllendem, viskoelastischem
Medium 15 gefüllt ist.
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Das viskoelastische Medium 15 kann vorzugsweise ein viskoelastisch-plastisches
Medium sein, vorzugsweise inerten Füllstoff, z. B. Quarzmehl enthaltendes Organopolysiloxan.
In vielen Fällen kann es besonders zweckmäßig ein Silikonspringkitt sein. Es ist
jedoch auch möglich, anderes viskoelastisches Medium vorzusehen, beispielsweise
eine elastoviskose Flüssigkeit. In jedem Fall hat dieses Medium infolge seiner viskoelastischen
Eigenschaften, aufgrund derer seine Viskosität stark abhängig von der Relativbewegungsgeschwindigkeit
der beiden Platten 11, 12 zueinander ist, nämlich mit zunehmender Relativbewegungsgeschwindigkeit
anste-igt, stark nichtlineares Dämpfungsverhalten, wobei bei sehr hohen Relativbewegungsgeschwindigkeiten
das viskoelastische Medium nur noch rein elastisches Verhalten zeigen kann. Schwingungen
sehr hoher Frequenz werden dann also praktisch nur noch elastisch abgestützt, langsamere
Schwingungen jedoch wirksam gedämpft. Die Elastizität des Mediums 15 ist abhängig
von seiner Verformungsgeschwindigkeit und steigt mit der Verformungsgeschwindigkeit
an. Im Ruhezustand ist sie praktisch Null. Diese ein
Schwingmetall
bildende Dämpfungsvorrichtung 10 hat also bei langsamen Relativbewegungsgeschwindigkeiten
der beiden Platten 11, 12 zueinander relativ weiches Federverhalten und das Federungsverhalten
wird zunehmend steifer und härter, je höher die Relativbewegungsgeschwindigkeit
der beiden Platten zueinander ist. Diese Relativbewegungsgeschwindigkeit kann in
allen durch den Gummiring 13 zulässigen Bewegungsrichtungen erfolgen Durch diese
Schwingungen wird der Hohlraum 14 und damit auch das ihn ausfüllende viskoelastische
Medium 15 verformt.
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Wenn diese Dämpfungsvorrichtung 10 beispielsweise zusammen mit weiteren
solchen Schwingmetallen der Abstützung eines auf ihm aufliegenden Kraftfahrzeugmotores
dient, bewirkt die auf ihm ruhende Motorlast im Ruhezustand, daß der Gummiring 13
entsprechend dem auf ihm lastenden Gewicht zusammengedrückt ist. Das viskoelastische
Medium 15 trägt, wenn es, wie bevorzugt vorgesehen, eine elastoviskose Flüssigkeit
oder ein visko-eIastisch-plastisches Medium ist, im Ruhezustand des Motors nicht
zu seiner Abfederung bei, sondern die Abfederung bewirkt dann allein der Gummiring
13.
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Erst wenn der Motor schwingt, können die elastischen Wirkungen des
viksoelastischen Mediums 15 mit zum Tragen kommen.
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Die nichtlineare Dämpfungswirkung der Dämpfungsvorrichtung 10 kann
durch die Wahl der Viskosität des viskoelastischen Medium 15 in dessen Ruhezustand
bei Raumtemperatur (Ruheviskosität) und durch den Verlauf
der Viskosität
in Abhängigkeit der Relativbewegungsgeschwindigkeit der Platten 11, 12 beeinflußt
werden, desgl. ihr Federungsverhalten zum einen durch den Gummiring 13 und zum anderen
durchdie elastischen Wirkungen des Mediums 15.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schwingmetall 10 ist in seinem entlasteten
Ruhezustand dargestellt. Der Gummiring 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch
und hat, wie dargestellt, die Gestalt eines Mittelabschnittes einer Hohlkugel, deren
Äquatorebene eine Symmetrieebene des Ringes 13 ist. Auch andere Ausbildungen dieses
Gummiringes 13 sind möglich. Beispielsweise kann er in manchen Fällen nicht rotationssymmetrisch
ausgebildet sein, sondern beispielsweise rechteckige oder elliptische Querschnitte
haben. Oder er kann die Gestalt eines Hohlzylinders, eines Hohlkegelstumpfes oder
dergl. haben. Indem das Einfülloch 16 in diesem Ausführungsbeispiel geöffnet werden
kann - gegebenenfalls ist auch bleibendes Verschließen selbstverständlich möglich
- besteht die Möglichkeit, das viskoelastische Medium 15 auszuwechseln, beispielsweise
wenn es erwünscht ist, die Dämpfungs- und Federungseigenschaften dieser Dämpfungsvorrichtung
10 durch Einfüllen eins viskoelastischen Mediums anderen Dämpfungs- und Federungsverhaltens
zu ändern.
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Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Dämpfungsvorrichtung 10' bildet
einen Stoßdämpfer in Art einer an sich bekannten Zylinder-Kolben-Einheit. In ihrem
Zylinder 19 ist ein Kolben 20 mit einer abgedichtet nach außen durch den Zylinderboden
30 hindurchragenden Kolbenstange 21 angeordnet. Zwischen dem Kolben
20
und der Decke 22 des Zylinders 19 ist in den Zylinderinnenraum ein Ausgleichskolben
24 eingesetzt. In dem zwischen diesem Ausgleichskolben 24 und der Zylinderdecke
22 befindlichen Teilraum 23 des Zylinders 19 ist nur Gas,beispielsweise Luft enthalten.
Der Ausgleichskolben 24 dient dem Ausgleich des sich in Abhängigkeit der Stellung
des Kolbens 20 ändernden Volumens des sich jeweils innerhalb des Zylinderteilraumes
26 befindlichen Kolbenstangenbereiches. Wenn der Teilraum 23 abgeschlossen ist,
hat er auch die Funktion einer Gasfeder. Wenn man dies nicht wünscht, kann man in
der Decke 22 eine von außen in den Teilraum 23 führende Durchgangsbohrung vorsehen,
so daß diese Kammer 23 mit der Umgebungsatmosphäre kommuniziert.
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Die zu- beiden Seiten des Kolbens 20 befindlichen Zylinderteilräume
25, 26 sind mittels eines den Kolben 20 durchdringenden Durchgangskanales 27 miteinander
kommunizierend verbunden. Diese beiden Teilräume 25, 26 und der Kanal 27, die zusammen
einen durch die Bewegungen der Kolben 20, 24 veränderlichen, abgeschlossenen Hohlraum
14' bilden, sind mit einem sie vollständig ausfüllendem viskoelastischen Medium
15 gefüllt, vorzugsweise mit elastoviskoser Flüssigkeit. -Wenn der Kolben 20 sich,
bezogen auf Fig. -2, nach rechts bewegt, verdrängt er im rechten Teilraum 26 befindliches
viskoelastisches Medium 15 durch den Durchflußkanal 27 hindurch in den linksseitig
befindlichen Teilraum 25 und bei Bewegungen des Kolbens 20 nach links findet die
umgekehrte Strömung des viskoelastischen Mediums statt.
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Diese Dämpfungsvorrichtung 10 vermag auch lange Federungswege wirkungsvoll
zu dämpfen, wobei ihre Dämpfungs-
kraft mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit
des Kolbens 20 wegen des Viskositätsanstiegs des Mediums 15 ansteigt und entsprechend
mit abnehmender Bewegungsgeschwindigkeit wieder abnimmt. Die Dämpfung ist infolge
der stark mit der Verformungsgeschwindigkeit ansteigenden Viskosität des viskoelastischen
Mediums stark nichtlinear.
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In den beiden Ausführungsbeispielen sind die das viskoelastische Medium
15 enthaltenen abgeschlossenen Räume 14, 14' jeweils vollständig mit diesem Medium
15 ausgefüllt. Es ist jedoch auch möglich, den veränderlichen, abgeschlossenen Raum
14, 14' jeweils nur teilweise mit dem viskoelastischen Medium auszufüllen und den
re stlichen Bereich dieses Raumes mit einem kompressiblen Medium auszufüllen, beispielsweise
Gas, Gummi oder dergl., um die Eigenelastizität und das Dämpfungsverhalten dieser
Dämpfungsvorrichtung hierdurch zu-beeinflussen.
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Die Viskosität des viskoelastischen Mediums kann je nach Medium außer
von der Verformungsgeschwindigkeit auch noch von anderen Parametern abhängig sein,
beispielsweise von der Temperatur oder sich durch Altern ändern. Es ist jedoch selbstverständlich
möglich, dem viskoelastischem Medium Zusätze zuzufügen, die die Temperaturabhängigkeit
seiner Viskosität verringern und sein Altern verhindern oder verlangsamen.
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Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß das dieses viskoelastische
Medium umschließende Material oder ein
Teil dieses Materials so
ausgesucht bzw. behandelt wird, daß ein Altern des Mediums zumindest weitgehend
unterbleibt.
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Es kann in manchen Fällen auch zweckmäßig sein, das Medium 15 in einem
ausschließlich durch elastomeres oder weichelastisches Material gebildeten Hohlraum
einzuschließen, beispielsweise in dem Hohlraum eines aus Gummi oder dergl. bestehenden
Hohlkissens.
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Es ist dann im Prinzip wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ebenfalls
in einem elastisch verformbaren Körper eingeschlossen, der abweichend von von Fig.
1, wo die Platten 11, 12 starr sind, durchgehend elastomere Eigenelastizität aufweist.
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