DE4128465C1

DE4128465C1 -

Info

Publication number: DE4128465C1
Application number: DE4128465A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 7000 Stuttgart De Renz; Johann Dr.Rer.Nat. 7250 Leonberg De Kraemer
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1991-08-28
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2011-08-29
Also published as: SE9202452D0; FR2680847B1; SE9202452L; GB2259128B; IT1258464B; SE505406C2; GB2259128A; ITRM920619A1; ITRM920619A0; FR2680847A1; US5687958A; GB9217120D0

Description

Die Erfindung betrifft einen metallischen Dämpfungskörper nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung 84 (1989) 4, Seiten 215 bis 217, Tautzenberger: "Dämpfungsvermögen von Formgedächtnis-Legierungen" als bekannt hervorgeht.

In dieser Literaturstelle wird auf das gegenüber sonstigen Me tallen vergleichsweise hohe Dämpfungsvermögen von Formgedächt nislegierungen insbesondere im martensitischen Gefügezustand hingewiesen. Das Dämpfungsvermögen ist jedoch nicht gleichblei bend hoch, sondern ändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen Einflußgrößen. Als für die Höhe der Dämpfung von Formgedächtnis legierungen relevante Faktoren werden in der zitierten Litera turstelle genannt:

- Gefügezustand, nämlich martensitisch oder austenitisch,
- Betriebstemperatur; um die Martensit-Start-Temperatur herum ist die Dämpfung optimal hoch,
- Höhe der Wechseldehnung; bei hohen Wechseldehnungen dämpft das martensitische Gefüge über einen breiten Temperaturbe reich sehr wirkungsvoll,
- statische Grundlast; Näheres dazu weiter unten,
- mechanische und thermische Vorbehandlung sowie Alterungszu stand.

Im Zusammenhang mit einer statischen Vorspannung eines Dämp fungskörpers aus Formgedächtnislegierung und deren Auswirkung auf das Dämpfungsverhalten wird ausgeführt, daß durch Anlegen einer statischen Vorspannung bevorzugte Martensitvarianten entstehen, die die Größe der hochbeweglichen Grenzflächen in dem Werkstoff vermindern, was eine Abnahme der Dämpfung zur Folge habe. Die Anmelderin kann diese Beobachtung bestätigen. Allerdings konnten die hohen Dämpfungswerte bei Ausbildung des Dämpfungskörpers in Form von Lagerschalen oder sonstigen flachen Dämpfungsunterlagen nicht realisiert werden.

In einem Beitrag im Journal of Intell. Mater. and Struct., Vol. 2, Jan. 1991, Seiten 72 bis 94 von B. J. Maclean, G. J. Patterson und M. S. Misra mit dem Titel "Modeling af a Shape Memory Inte grated Actuator for Vibration Control of Large Space Structu res" wird über einen stab- bzw. rohrförmigen, etwa 0,5 m langen Aktuator für einen Reflektor an einem Raumlaboratorium berich tet, der aus 150 Drähten mit 0,47 mm Stärke aus Formgedächtnis legierung besteht, wobei die Drähte so in einen Verbund einge bracht waren, daß sie bei Druckbelastung nicht knicken können; es wird in diesem Zusammenhang von einem SMA-verstärkten Ver bund (shape memory alloy reinforced composite) gesprochen. Und zwar sind die Drähte mit einem Anteil von 30 Vol.-% in eine Matrix mit den elastischen Eigenschaften von Epoxidharz oder Thermoplasten eingebettet, wodurch keine Hohlräume von der Stützmasse übrig gelassen werden, da bei hexagonaler Packung von Rundstäben das Zwickelvolumen lediglich etwa 20% beträgt. Die Auflösung des erforderlichen Gesamtquerschnittes in viele dünne Drähte wird dort mit einem großen Verhältnis von Oberflä che zu Gesamtquerschnitt begründet; und zwar wird dort vermu tet, daß das günstig für eine hohe Anzahl von Temperaturzyklen sei. Zwar werden in dem Artikel auch die günstigen Dämpfungs eigenschaften der Formgedächtnislegierungen erwähnt und bewußt für den Anwendungsfall genutzt, jedoch wird auf eine besondere Gestaltung des Aktuators zur Begünstigung der Dämpfung nicht eingegangen. Besondere Maßnahmen in dieser Hinsicht wären nach den Erfahrungen der Anmelderin auch nicht nötig, da der be schriebene Aktuator - als massiver Rundstab betrachtet würde er lediglich einen Durchmesser von 5,75 mm aufweisen - sehr schlank ist; als Massivstab hätte er beispielsweise ein Längen/Durch messer-Verhältnis von etwa 87.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten metallischen Dämpfungskörper aus Formgedächtnislegierung dahin gehend zu verbessern, daß eine hohe Dämpfungswirkung auch bei flacher und/oder breiter Ausbildung des Dämpfungskörpers erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Diesem Lösungsweg eines porösen oder hohlraumbehafteten Dämp fungskörpers liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die beobachtete Dämpfungsreduzierung bei Druckbelastung eines massiven Dämp fungskörpers - zumindest auch - durch das Auftreten mehrachsiger Spannungszustände aufgrund behinderter Querdehnung innerhalb des Dämpfungskörpers verursacht ist, die eine innere Grenzflächen reibung und somit eine Dämpfungswirkung reduzieren. Durch die vorgeschlagene Porosität oder Hohlraumverteilung im Innern des Dämpfungskörpers wird das Auftreten mehrachsiger Spannungszu stände verhindert, so daß die gegenseitige Beweglichkeit der in neren Grenzflächen nicht gestört ist und diese sich aneinander reiben können. Zweckmäßige Realisierungsformen der Porosität bzw. Hohlraumverteilung des Dämpfungskörpers können den Ansprüchen 2 bis 7 entnommen werden.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen aus Formgedächtnislegie rung gesinterten Dämpfungskörper mit integriertem Ent lastungskörper am Beispiel einer Dämpfungsunterlage für eine Wendeschneidplatte,

Fig. 2 eine stark vergrößerte Einzeldarstellung des Sinterge füges des Dämpfungskörpers nach Fig. 1,

Fig. 3 einen aus Blechlagen aus Formgedächtnislegierung lamel lierten Dämpfungskörper am Beispiel eines Dämpfungsfu ßes für eine schwere Maschine,

Fig. 4 eine stark vergrößerte Einzeldarstellung des Lamellats des Dämpfungskörpers nach Fig. 3 und

Fig. 5 bis 7 drei weitere Ausführungsbeispiele von hohlraumbehafte ten Dämpfungskörpern mit unterschiedlichen Gestaltungen der Hohlräume.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Dämpfungs körper als Dämpfungsunterlage 4 einer in einem Drehstahl 1 mit tels Klemmschraube 3 festgeklemmten Wendeschneidplatte 2 verwen det. Um die bei hoher Beanspruchung normalerweise auftretenden, mehrachsigen Spannungszustände, die ein ungehindertes Gleiten entlang der Grenzflächen behindert, zu vermeiden, ist die Dämp fungsunterlage 4 aus Metallkörnern 7 aus Formgedächtnislegierung zu einem porösen Verbund mit Poren 8 zusammengesintert. Dadurch sind im Innern des Dämpfungskörpers 4 eine Vielzahl eng benach barter, kleiner, und gleichmäßig verteilter Poren 8 angeordnet, die gemeinsam wenigstens etwa 5% des Gesamtvolumens des Dämp fungskörpers 4, vorzugsweise etwa 15 bis 40% von ihm ausmachen. Aufgrund der Poren bzw. der sonstigen Hohlräume in den anderen Ausführungsbeispielen von Dämpfungskörpern kann jedes der tra genden Werkstoffpartikel sich quer zur Beanspruchungsrichtung 6 ausdehnen bzw. kontrahieren, so daß mehrachsige Spannungszustände innerhalb der einzelnen Werkstoffpartikel vermieden oder zumin dest sehr stark beschränkt werden können. Aufgrund dessen bleibt die für einachsige Spannungszustände hohe Dämpfungswirkung des Formgedächtniswerkstoffes auch dann erhalten, wenn bei massiven Dämpfungskörpern ohne Hohlräume eine Querdehnung quer zur Bean spruchungsrichtung 6 aufgrund einer großen Querabmessung des Dämpfungskörpers behindert wäre.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem noch eine weitere Maßnahme zur Aufrechterhaltung der Dämpfungs eigenschaft von Formgedächtnislegierungen trotz hoher Beanspru chung vorgesehen. Und zwar sind im Kraftfluß der Beanspruchung des Dämpfungskörpers 4 parallel zu diesem mehrere elastische Entlastungskörper, nämlich Entlastungsstifte 5 angeordnet, die auf einen statischen Anteil der Beanspruchung ausgelegt sind. Die Entlastungsstifte 5 sind in den Dämpfungskörper 4 integriert und können aus einem konventionellen metallischen Werkstoff, bspw. aus Baustahl bestehen; sie wirken nach Art einer steifen Druck feder und halten von dem Dämpfungskörper 4 einen statischen An teil der Beanspruchung fern, so daß der Dämpfungskörper 4 im we sentlichen nur durch den Wechselanteil der Beanspruchung belastet ist. Im martensitischen Bereich hängt die Höhe der Dämpfung im Wesentlichen nur von der Amplitude der Wechselspannung ab, wobei allerdings bei hohen Mittelspannungen Kriechen auftritt. Dieses Kriechen kann durch die Entlastungsstifte vermieden werden. Wie in dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 verdeutlicht, können beide Maßnahmen, nämlich poröse Gestaltung des Dämpfungs körpers 4 und Integration von Entlastungsstiften 5 gleichzeitig zur Anwendung kommen. Die Entlastungsstifte 5 oder auch funkti onsgleiche elastische Entlastungskörper anderer Gestalt können ebenfalls aus einer Formgedächtnislegierung bestehen, wobei al lerdings durch geeignete Auswahl des Legierungstyps darauf ge achtet werden muß, daß bei ihnen innerhalb des gesamten Be triebstemperaturbereiches der austenitische Gefügezustand und somit eine hohe Festigkeit und hohe Elastizität vorliegt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt einen Dämpfungsfuß 10 zur Abstützung einer schweren Maschine 9 bei dem ein zylindri scher Dämpfungskörper 12 geschützt in einem teleskopartig inein anderschiebbaren Gehäuse untergebracht ist. Der statische Grund lastanteil des Maschinengewichtes wird durch eine Reihe von Tel lerfedern 11 aufgenommen, die den zylindrischen Dämpfungskörper 12 umgeben. Dadurch ist der Dämpfungskörper 12 nur noch durch den Wechselanteil der Beanspruchung, die aus Richtung 6 auf den Dämpfungskörper 12 einwirkt, belastet. Auch bei dem Ausführungs beispiel nach Fig. 3 sind beide Maßnahmen zur Vermeidung von hohen mehrachsigen Spannungszuständen im Dämpfungskörper 12 an gewandt. Außer den elastischen Entlastungskörpern in Form von Tellerfedern 11 sind auch noch viele kleine, gleichmäßig im In nern des Dämpfungskörpers 12 verteilte Hohlräume vorgesehen. Die se Hohlräume sind im Dämpfungskörper 12 dadurch gebildet, daß er aus einer Vielzahl dünner gelochter Blechlagen 13 mit Löchern 14 gebildet ist, die aus Formgedächtnislegierungen bestehen und die zu einem hohlraumbehaftenden Verbund verbunden, beispielsweise zusammengelötet oder verklebt sind. Die Blechlagen erstrecken sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel quer zur Beanspru chungsrichtung 6 des Dämpfungskörpers 12; denkbar wäre es auch, die Lamellen parallel zur Beanspruchungsrichtung 6 anzuordnen.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines zy lindrischen Dämpfungskörpers 15 sind die Hohlräume dadurch ge bildet, daß dieser Dämpfungskörper 15 aus einer Vielzahl dünner, runder Metallstäbchen 16 aus Formgedächtnislegierung zu einem hohlraumbehaftenden Verbund verbunden ist, wobei dies beispiels weise durch Zusammensintern, durch Verlöten oder Verkleben er folgen kann. Dabei bilden sich zwischen den runden Metallstäbchen 16, die zweckmäßigerweise zu einem hexagonalen Raster zusammen gefügt sind, jeweils parallel zur Beanspruchungsrichtung 6 aus gerichtete Zwickel 21. Bei hoher Beanspruchung der Metallstäbchen 16 können diese sich in die Zwickel 21 hinein quer ausdehnen. Anstelle einer gegenseitigen Versinterung der Metallstäbchen 16 können diese - wie gesagt - auch miteinander weich verlötet oder verklebt sein, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß die Zwickel 21 sich nicht mit Weichlot oder mit Klebemasse ausfüllen. Gege benenfalls kann als Kleber auch ein Schaumharz verwendet werden, der trotz Ausfüllen der Zwickel ein Querdehnen des Stäbchenwerkstoffes in die Zwickel hinein aufgrund seiner Schaumstruktur nicht behindert. Es ist auch denkbar, die Metallstäbchen 16 nur durch eine äußere Bandagierung zu einem zylindrischen Körper zu sammenzuhalten. Die Metallstäbchen 16 können durch Ablängen von einem Draht aus Formgedächtnislegierung gebildet werden. Nachdem sie in ein hexagonales Raster zusammengefügt und durch eine Ban dage zusammengepreßt sind können die Stirnflächen des solcher Art gebildeten zylindrischen Körpers plangeschliffen werden.

Der in Fig. 6 dargestellte Dämpfungskörper 17 kann aus einer massiven rechteckigen Platte aus Formgedächtnislegierung herge stellt werden. In die Platte sind von oben her schmale Schlitze 18 in engem gegenseitigen Abstand eingearbeitet, die sich paral lel zur Beanspruchungsrichtung 6 erstrecken und in Tiefenrichtung nahezu bis zur gegenüberliegenden Flachseite der Platte hinein reichen. In Längsrichtung der Schlitze reichen diese quer über die gesamte Erstreckung der Platte hinweg. In gleicher Weise können von der in Fig. 6 unten dargestellten Flachseite eben falls Schlitze 18′ eingearbeitet sein, die quer zu den obersei tigen Schlitzen 18 verlaufen und die in Tiefenrichtung ebenfalls sich parallel zur Beanspruchungsrichtung 6 erstrecken. Aufgrund dieses kreuzweisen Rasters von Schlitzen 18 und 18′ ist die ehe mals massive Platte in ein regelmäßiges Raster vom vertikal aus gerichteten quadratischen Säulen aufgelöst, die durch schmale Reststege zu einem Verbund zusammengehalten werden. Durch die schmalen Schlitze ist ein Querdehnungs-Hohlraum geschaffen, in den sich bei Beanspruchungsrichtung 6 die einzelnen Säulen hin eindehnen können. Dadurch können - wie gesagt - mehrachsige Spannungszustände innerhalb der einzelnen tragenden Werkstoff partikel vermieden oder zumindest sehr stark reduziert werden.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten, quaderförmigen Dämpfungskörper 19 sind die Hohlräume innerhalb des Dämpfungskörpers durch ein Raster von eng benachbarten, engen Bohrungen 20 gebildet, die am dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Beanspruchungs richtung 6 ausgerichtet sind. Die zwischen den benachbarten Boh rungen 20 stehenbleibenden vertikalen Materialquerschnitte wirken gewissermaßen als tragende Säulen, die sich bei Druckbeanspru chungen in die Bohrungen 20 hinein quer ausdehnen können. Der Hohlraumanteil kann dadurch erhöht werden, daß bei entsprechender Rasterung und bei entsprechender Durchmesser- und Abstandsge staltung der Bohrungen 20 außer vertikal ausgerichteten Bohrungen 20 auch noch horizontal, also quer zur Beanspruchungsrichtung 6 verlaufende Bohrungen in dem Dämpfungskörper 19 angebracht wer den, so daß die verbleibenden tragenden Querschnitte durch die horizontalen Bohrungen 20 angeschnitten werden. Auf diese Weise läßt sich aus einem massiven Block ein relativ hoher Volumenan teil in Form von vielen, gleichmäßig verteilten Hohlräumen in nerhalb des Dämpfungskörpers unterbringen. Die Bohrungen können in herkömmlicher Weise spanabhebend mittels rotierendem Bohrer oder auch mit einem energiereichen Strahl, beispielsweise einem Laserstrahl hergestellt werden. Laserbohrungen oder Laserschlitze können materialsparend und in engen Umgebungsverhältnissen bzw. an kleinen Dämpfungskörpern angebracht werden.

Claims

1. Metallischer Dämpfungskörper zum Dämpfen von periodisch wechselnden Beanspruchungen, bei dem der für die Dämpfung maßge bende Werkstoff aus einer Formgedächtnislegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Dämpfungskörpers (4, 12, 15, 17, 19) eine Vielzahl eng benachbarter, kleiner, gleichmäßig verteilter Hohl räume (8, 14, 21, 18, 18′, 20) angeordnet ist, die gemeinsam we nigstens etwa 5% des Gesamtvolumens des Dämpfungskörpers (4, 12, 15, 17, 19) ausmachen.

2. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des offenen Volumenanteiles am Gesamtvolumen des Dämpfungskörpers (4, 12, 15, 17, 19) etwa 15 bis 40% beträgt.

3. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Dämpfungskörper (4) dadurch gebildet sind, daß er aus Metallkörnern (7) aus Formgedächtnislegierungen zu einem porösen Verbund (Poren 8) gesintert ist (Fig. 1 und 2).

4. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Dämpfungskörper (12) dadurch gebildet sind, daß er aus einer Vielzahl dünner, gelochter (Löcher 14), quer oder parallel zur Beanspruchungsrichtung (6) des Dämpfungskörpers (12) ausgerichteter Blechlagen (13) aus Formgedächtnislegierungen zu einem hohlraumbehafteten Verbund verbunden ist (Fig. 3 und 4).

5. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Dämpfungskörper (15) dadurch gebildet sind, daß er aus einer Vielzahl dünner, parallel zur Beanspruchungs richtung (6) des Dämpfungskörpers (15) ausgerichteter, vorzugs weise runder Metallstäbchen (16) aus Formgedächtnislegierungen zu einem hohlraumbehafteten Verbund (Zwickel 21) verbunden ist (Fig. 5).

6. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Dämpfungskörper (17) durch ein Raster von eng benachbarten, schmalen Schlitzen (18, 18′) gebildet sind, deren Tiefenrichtung sich etwa parallel zur Beanspruchungsrich tung (6) erstreckt (Fig. 6).

7. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Dämpfungskörper (19) durch ein Raster von eng benachbarten, engen Bohrungen (20) gebildet sind, wobei die Bohrungen (20) vorzugsweise parallel zur Beanspruchungsrichtung (6) des Dämpfungskörpers (19) ausgerichtet sind (Fig. 7).

8. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfluß parallel zur Beanspruchung (6) des Dämpfungs körpers (4, 12) liegend ein auf einen statischen Anteil der Be anspruchung ausgelegter, elastischer Entlastungskörper (5, 11) angeordnet ist, der von dem Dämpfungskörper (4, 12) den sta tischen Anteil der Beanspruchung in der Weise fernhält, daß der Dämpfungskörper (4, 12) im wesentlichen nur durch den Wechselan teil der Beanspruchung belastet ist.