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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen passiven Schwingungstilger mit
einer über
mindestens zwei Biegeelemente an einer Basis gelagerten Tilgermasse,
wobei jedes der beiden mit ihren Hauptachsen von der Basis zu der
Tilgermasse verlaufenden Biegeelemente in einer quer zu seiner Hauptachse verlaufenden
Biegerichtung biegeweich und in einer dazu senkrechten, ebenfalls
quer zu seiner Hauptachse verlaufenden Richtung beigesteif ist.
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Bei
den Biegeelementen eines solchen Schwingungstilgers, die in einer
quer zu ihrer jeweiligen Hauptachse verlaufenden Biegerichtung biegeweich
und einer dazu senkrechten, ebenfalls quer zu ihrer jeweiligen Hauptachse
verlaufenden Richtung biegesteif sind, kann es sich insbesondere
um Blattfedern handeln. Blattfedern weisen in Richtung der Normalen
zu ihrer Blattebene eine geringe Federsteifigkeit gegenüber Biegungen
und senkrecht dazu eine extrem hohe Federsteifigkeit gegenüber Biegungen
auf. Für
die vorliegende Erfindung kommt es aber nur darauf an, dass die
Biegeelemente in ihrer Biegerichtung und in ihrer senkrecht dazu
verlaufenden anderen Richtung unterschiedliche Federsteifigkeiten
in Bezug auf ihre Biegung aufweisen. So reichen bereits unterschiedliche
Steifigkeiten aus, bei denen die höhere in der anderen Richtung
um mindestens 50% größer ist
als die niedrigere in der Biegerichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Ein
passiver Schwingungstilger weist dann eine besonders hohe Wirksamkeit
auf, wenn seine Tilgereigenfrequenz auf die zu dämpfende Schwingung exakt abgestimmt
ist. Dies gilt insbesondere bei Tilgern mit geringer Eigendämpfung,
die ihre Wirksamkeit nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich
entfalten. Tilger mit geringer Eigendämpfung sind jedoch bei richtiger
Abstimmung besonders wirksam in der Dämpfung einer Schwingung einer Struktur,
an die sie angekoppelt sind.
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Es
sind schon viele Versuche unternommen worden, die Eigenfrequenz
eines passiven Schwingungstilgers variabel zu gestalten. So gibt
es Ansätze,
bei einem passiven Schwingungstilger, bei dem die Tilgermasse über ein
Biegeelement, beispielsweise eine Blattfeder, an der Basis gelagert
ist, den Abstand zwischen der Tilgermasse und der Basis zu variieren,
um auf diese Weise die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers zu verändern. Eine
derartige Verschiebung der Masse gegenüber der Basis verlangt jedoch
einen erheblichen mechanischen Aufwand, der die Kosten eines solchen
Schwingungstilgers extrem in die Höhe treibt.
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Bei
einem bekannten passiven Schwingungstilger mit einer über mindestens
zwei Biegeelemente an einer Basis gelagerten Tilgermasse, wobei jedes
der beiden mit ihren Hauptachsen von der Basis zu der Tilgermasse
verlaufenden Biegeelemente in einer quer zu seiner Hauptachse verlaufenden
Biegerichtung biegeweich und in einer dazu senkrechten, ebenfalls
quer zu seiner Hauptachse verlaufenden Richtung beigesteif ist,
sind die beiden Biegeelemente in ihrer gemeinsamen Biegerichtung
hintereinander angeordnet und führen
so die Tilgermasse bei ihren Auslenkungen parallel zu der Basis.
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Ein
passiver Schwingungstilger mit einer über ein Biegeelement an einer
Basis gelagerten Tilgermasse, wobei das mit seiner Hauptachse von
der Basis zu der Tilgermasse verlaufende Biegeelement in einer quer
zu seiner Hauptachse verlaufenden Biegerichtung biegeweich und in
einer dazu senkrechten, ebenfalls quer zu seiner Hauptachse verlaufenden
Richtung biegesteif ist und wobei die Tilgereigenfrequenz mittels
eines Linearaktuators, mit dem das Biegeelement auf Druck belastbar
ist, einstellbar ist, ist aus der
DE 103 51 243 A1 bekannt.
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Aus
der
DE 195 12 920
A1 ist ein passiver Schwingungsdämpfer mit einer über mindestens zwei
Biegelemente an einer Basis gelagerten Masse bekannt, wobei jedes
der beiden mit ihren Hauptachsen von der Basis zu der Masse verlaufende
Biegeelement in einer quer zu seiner Hauptachse verlaufenden Biegerichtung
biegeweich und in einer dazu senkrechten, ebenfalls quer zu seiner
Hauptachse verlaufenden Richtung biegesteif ist und wobei beide Biegeelemente
so um ihre Hauptachsen gegenüber der
Basis und der Masse verdrehbar gelagert sind, dass ein Winkel zwischen
den Biegerichtungen der beiden Biegeelemente veränderbar ist.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen passiven Schwingungstilger
mit einer über
mindestens zwei Biegeelemente an einer Basis gelagerten Tilgermasse,
wobei jedes der beiden mit ihren Hauptachsen von der Basis zu der
Tilgermasse verlaufenden Biegeelemente in einer quer zu seiner Hauptachse
verlaufenden Biegerichtung biegeweich und in einer dazu senkrechten,
ebenfalls quer zu seiner Hauptachse verlaufenden Richtung beigesteif
ist, aufzuzeigen, bei dem die Tilgereigenfrequenz mit vertretbarem
mechanischem Aufwand in weiten Grenzen veränderbar ist.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen passiven Schwingungstilger mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
des neuen Schwingungstilgers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
8 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Schwingungstilger ist mindestens eines der beiden Biegeelemente
so um seine Hauptachse gegenüber
der Basis und der Tilgermasse verdrehbar gelagert, dass ein Winkel
zwischen den Biegerichtungen der beiden Biegeelemente veränderbar
ist. Die Biegesteifigkeit der Gesamtanordnung aus den beiden Biegeelementen
hängt davon
ab, wie die Biegeelemente zueinander orientiert sind. Von der Biegesteifigkeit
der Gesamtanordnung wiederum hängt
unmittelbar die Tilgereigenfrequenz ab. Am niedrigsten ist die Biegesteifigkeit
der Gesamtanordnung, wenn die beiden Biegerichtungen der beiden
Biegeelemente, in denen sie biegeweich sind, zusammenfallen. In
diesem Fall ist auch die Tilgereigenfrequenz der Gesamtanordnung
am niedrigsten. Am höchsten
hingegen ist die Biegesteifigkeit der Gesamtanordnung, wenn sich
die Biegerichtungen der Biegeelemente unter einem Winkel von 90° schneiden.
In diesem Fall nimmt auch die Tilgereigenfrequenz der Gesamtanordnung
ihren Maximalwert an. Je nachdem wie weit die beiden Federsteifigkeiten
der Biegeelemente in ihrer Biegerichtung und ihrer dazu senkrecht
verlaufenden Richtung dazu auseinander fallen, kann die Tilgereigenfrequenz
in einem sehr großen
Bereich stufenlos variiert werden.
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Wenn
nur eines der beiden Biegeelemente gegenüber der Basis und der Tilgermasse
verdreht würde,
so änderte
sich beim Verdrehen dieses Biegeelements die Biegerichtung der Gesamtanordnung. Dies
wäre nur
dadurch teilweise kompensierbar, dass das nicht verdrehbare Biegeelement
in seiner Richtung senkrecht zu der Biegerichtung extrem biegesteif
wäre, so
dass die Biegerichtung des Gesamtsystems immer im Wesentlichen mit
der Biegerichtung des nicht verdrehbaren Biegeelements zusammenfiele,
doch würde
hierdurch der mit der Tilgereigenfrequenz abdeckbare Frequenzbereich
begrenzt. Vorteilhaft ist es daher, dass beide Biegeelemente um
ihre Hauptachse gegenüber
der Basis und der Tilgermasse verdrehbar gelagert sind, um mit der
Drehbewegung des jeweils anderen Biegeelements die Verlagerung der
Biegerichtung der Gesamtanordnung aufgrund der Verdrehung des jeweils
einen Biegeelements zu kompensieren. Dabei sind die Drehbewegungen
der beiden Biegeelemente um ihre Hauptachsen vorzugsweise so gekoppelt,
dass die gemeinsame Biegerichtung gegenüber der Basis fest bleibt.
Bei gleichen Biegeelementen wird dies dadurch erreicht, dass die
Drehbewegungen der beiden Biegeelemente gleich groß und gegenläufig sind. Eine
gegenläufige
Kopplung der Drehbewegung der beiden Biegeelemente kann durch Zahnradsegmente
erfolgen. Bei gleicher Zahnzahl pro Umfangswinkel um die Hauptachsen
sind dann die beiden Drehbewegungen auch gleich groß.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers ist neben den beiden bisher beschriebenen
Biegeelementen mindestens ein weiteres Biegeelement vorgesehen,
das mit seiner Hauptachse von der Basis zu der Tilgermasse verläuft, in
einer quer zu seiner Hauptachse verlaufenden Biegerichtung biegeweich
ist sowie in einer dazu senkrechten, ebenfalls quer zu seiner Hauptachse verlaufenden
Richtung biegesteif ist und demgegenüber die beiden Biegeelemente
in gegenläufigen Richtungen
verdrehbar sind. Dieses weitere Biegeelement, das selbst nicht verdreht
wird, stabilisiert die Gesamtanordnung und insbesondere die Biegerichtung
der Gesamtanordnung. Dies gilt in besonderem Maße, wenn zwei weitere Biegeelemente
vorgesehen sind, die die gleiche Biegerichtung aufweisen und die
in dieser Biegerichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei ist
es besonders bevorzugt, wenn die beiden verdrehbaren Biegeelemente
zwischen den beiden weiteren Biegeelementen angeordnet sind.
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In
einer speziellen Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers erstrecken sich alle Biegeelemente
in einer symmetrischen Anordnung zu der Basis zwischen zwei Tilgermassen.
Ein solcher Doppeltilger, der bis auf die Verdrehbarkeit mindestens
eines Biegeelements grundsätzlich
bekannt ist, übt
in vorteilhafter Weise keine Torsionsmomente auf die Basis auf,
wenn die beiden Tilgermassen spiegelsymmetrisch zur Basis schwingen.
Auch bei einem derartigen doppelten Schwingungstilger müssen aber
die verdrehbaren Biegeelemente direkt an der Basis abgestützt sein.
Hierzu können
die Biegeelemente einen mittigen Bund aufweisen. Bevorzugt ist es
jedoch, wenn die Biegeelemente zylindrisch ausgebildet sind. Sie
können
dann durch eine entsprechende zylindrische Ausnehmung in der Basis
verlaufen. Es ist aber auch möglich,
sie in einen Körper aus
einem verformbaren Material einzubetten und sie nur über diesen
an der Basis abzustützen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
des neuen passiven Schwingungstilgers.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch den Schwingungstilger gemäß 1 senkrecht
zu den Hauptachsen seiner Biegeelemente bei Abstimmung des Schwingungstilgers
auf seine niedrigste Tilgereigenfrequenz.
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3 zeigt
einen 2 entsprechenden Schnitt durch den Schwingungstilger
gemäß 1, wobei
der Schwingungstilger auf eine höhere
Tilgereigenfrequenz abgestimmt ist.
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4 zeigt
einen den 2 und 3 entsprechenden
Schnitt durch eine andere Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers.
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5 zeigt
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten
Tilgermassen; und
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6 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform
des neuen Schwingungstilgers mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Tilgermassen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der
in den 1 bis 3 gezeigte Schwingungstilger 1 weist
eine Tilgermasse 2 auf, die über vier Biegelemente 3 bis 6 an
einer Basis 7 gelagert ist. Über die Basis 7 ist
der Schwingungstilger 1 an eine Struktur 8 angekoppelt,
deren Schwingungen mit dem Schwingungstilger 1 gedämpft werden
sollen. Damit diese Dämpfung
wirksam erfolgt, muss die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 der
Frequenz der Schwingung der Struktur 8 entsprechen, die
gedämpft
werden soll. Um die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 exakt
auf die Frequenz der zu dämpfenden
Schwingung der Struktur 8, bei der es sich typischerweise
um eine Eigenschwingung der Struktur 8 handelt, abzustimmen, sind
die beiden mittleren Biegeelemente 4 und 5 gegenüber den
beiden äußeren Biegelementen 3 und 6 um
ihre zwischen der Basis 7 und der Tilgermasse 2 verlaufenden
Hauptachsen verdrehbar. In der in den 1 und 2 gezeigten
Drehstellung der Biegeelemente 4 und 5 fallen
die Biegerichtungen 11 und 12, in denen die Biegeelemente 4 und 5 senkrecht
zu ihren Hauptachsen 9 und 10 biegeweich sind,
mit den Biegerichtungen 13 und 14 der Biegeelemente 3 und 6,
in denen diese senkrecht zu deren Hauptachsen 15 und 16 biegeweich
sind, zusammen. Entsprechend verlaufen alle Richtungen 17 bis 20,
in denen die Biegeelemente 3 bis 6 senkrecht zu
ihren Biegerichtungen 11 bis 14 und senkrecht
zu ihren Hauptachsen 9 und 10 sowie 15 und 16 biegesteif
sind, parallel zueinander. In dieser Relativstellung der Biegeelemente
weist der Schwingungstilger 1 seine niedrigste Eigenfrequenz
bei Schwingungen in den miteinander übereinstimmenden Biegerichtungen 11 bis 14 auf.
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Um
diese Eigenfrequenz stufenlos zu erhöhen, sind die beiden Biegeelemente 4 und 5 gegenüber den
Biegeelementen 3 und 6 um ihre Hauptachsen 9 und 10 an
der Basis 7 und der Tilgermasse 2 drehbar gelagert.
Dabei greifen Zahnradsegmente 21 an dem Biegeelemente 4 in
Zahnradsegmente 22 an dem Biegeelement 5 ein,
so dass sich die beiden Biegeelemente 4 und 5 gegenläufig um
ihre Hauptachsen 9 und 10 verdrehen. Hierdurch
ergibt sich ein Winkel 23 zwischen den beiden Biegerichtungen 11 und 12 der
Biegeelemente 3 und 4, der doppelt so groß ist wie
die gleichgroßen
Winkel 24, um die jedes einzelne Biegeelement 3 und 4 um
seine Hauptachse 9 bzw. 10 verdreht wird. Durch
die gegenläufige
Verdrehung der Biegeelemente 3 und 4 wird die
Biegesteifigkeit des Schwingungstilgers 1 in der gleich
bleibenden Biegerichtung 13 und 14 der Biegeelemente 3 und 6 und
entsprechend auch seine Eigenfrequenz in dieser Richtung erhöht. Eine
Verdrehung der Biegerichtung des gesamten Schwingungstilgers 1 weg von
den Biegerichtungen 13 und 14 der Biegeelemente 3 und 6 erfolgt
dabei nicht, da sich die gegenläufigen
Verdrehungen der Biegerichtungen 11 und 12 zu
den Biegerichtungen 13 und 14 kompensieren. So
ist der einzige Effekt der Drehung der Biegeelemente 4 und 5 um
ihre Hauptachsen 9 und 10, das ein zunehmender
Anteil ihrer anderen Richtungen 18 und 19 in die
Biegerichtung des gesamten Schwingungstilgers ausgerichtet wird,
und der gesamte Schwingungstilger dadurch immer biegesteifer wird bzw.
in seiner Biegerichtung eine immer höhere Tilgereigenfrequenz aufweist.
Typischerweise wird bei dem Schwingungstilger 1 bereits
ein erheblicher Frequenzbereich mit der Tilgereigenfrequenz überstrichen,
wenn die Winkel 24 nur wenige Grad erreichen; dies hängt allerdings
von der Verteilung der Steifigkeit der Biegeelemente 4 und 5 um
ihre Hauptachsen 9 und 10 ab, d. h. davon, wie
sehr sich ihre Biegesteifigkeiten in den Richtungen 11 und 12 von
ihren Biegesteifigkeiten in den anderen Richtungen 18 und 19 unterscheiden.
Beide Biegeelemente 4 und 5 sind hier aus Symmetriegründen identisch
ausgebildet. Dies gilt auch für
die beiden Biegeelemente 3 und 6. Es besteht aber
keine Notwendigkeit, dass die Biegeelemente 3 und 6 identisch
zu den Biegeelementen 4 und 5 ausgebildet sind.
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4 skizziert
eine Ausführungsform
des Schwingungstilgers 1, bei dem vier Biegelemente 4 und 5 sowie 4' und 5' verdrehbar
gegenüber
der Tilgermasse 2 und der hier nicht dargestellten Basis 7 gelagert
sind. Dabei sind die Verdrehbarkeiten der Biegeelemente um die Hauptachsen 9 und 10 sowie 9' und 10' so gekoppelt,
dass die Anordnung der Biegeelemente 4 und 5 sowie 4' und 5' in dem in 4 wiedergegebenen
Querschnitt immer doppelt spiegelsymmetrisch ist. Dabei kompensieren
sich alle Querkomponenten der Biegerichtungen 11 und 12 sowie 11' und 12' der Biegeelemente 4 und 5 sowie 4' und 5', die senkrecht
zu der Biegerichtung 25 des gesamten Tilgers 1 verlaufen.
Die Kopplung der Drehbewegung der Biegeelemente 4 und 5 sowie 4' und 5' um ihre Hauptachsen 9 und 10 sowie 9' und 10' kann wieder
durch hier nur schematisch angedeutete Zahnradsegmente 21 und 22 sowie 21' und 22' erfolgen.
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5 skizziert
einen Schwingungstilger 1 mit zwei symmetrisch zueinander
angeordneten Tilgermassen 2 und 2', die spiegelsymmetrisch gegenüber der
Basis 7 angeordnet und an der Struktur 8 gelagert
sind. Dabei verlaufen die Biegeelemente 3 bis 6 von
der Basis 7 zu beiden Tilgermassen 2 und 2', zumindest
sind sie jeweils an der Basis 7 abgestützt. D. h. für die Biegeelemente 4 und 5,
dass diese durch die Basis 7 hindurch verdrehbar sind.
Die symmetrische Anordnung der Tilgermassen 2 und 2' hat den Vorteil,
dass bei einer symmetrischen Schwingungsbewegung der Tilgermassen 2 und 2' keine Torsionskräfte bzw.
Biegemomente auf die Struktur 8, sondern nur axiale Kräfte ausgeübt werden.
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6 skizziert
eine andere Ausführungsform
eines Schwingungstilgers 1 mit zwei symmetrisch zueinander
angeordneten Tilgermassen 2 und 2'. Hier sind die zwischen den Tilgermassen 2 und 2' verlaufenden
verdrehbaren inneren Biegeelemente 4 und 5 im
Gegensatz zu den äußeren nicht
verdrehbaren Biegeelementen 3 und 6 nicht hart
an die Basis 7 angebunden, sondern in ein elastisch verformbares Material 26,
beispielsweise einen Elastomerwerkstoff eingebettet. Das Material
soll den Abstand zwischen den Biegeelementen 4 und 5 nach
der Art eines Sandwichkerns einer auf Biegung beanspruchten Faserverbundleichtbauplatte
konstant halten. Dabei sind die Biegeelemente 4 und 5 mit
dem Material 26 zu Zylindern 27 ergänzt, die
zylindrische Ausnehmungen in einem Körper 28, der ebenfalls
aus dem elastischen Material 26 besteht, ausfüllen. Auf
diese Weise sind auch die Biegeelemente 4 und 5 in
ihrer Mitte zwischen den Tilgermassen 2 und 2' an der Basis 7 abgestützt, so
dass sie zwischen den Tilgermassen 2 und 2' auf Biegung
beansprucht werden.
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- 1
- Schwingungstilger
- 2
- Tilgermasse
- 3
- Biegelement
- 4
- Biegelement
- 5
- Biegelement
- 6
- Biegelement
- 7
- Basis
- 8
- Struktur
- 9
- Hauptachse
- 10
- Hauptachse
- 11
- Biegerichtung
- 12
- Biegerichtung
- 13
- Biegerichtung
- 14
- Biegerichtung
- 15
- Hauptachse
- 16
- Hauptachse
- 17
- Richtung
- 18
- Richtung
- 19
- Richtung
- 20
- Richtung
- 21
- Zahnradsegment
- 22
- Zahnradsegment
- 23
- Winkel
- 24
- Winkel
- 25
- Biegerichtung
- 26
- Material
- 27
- Zylinder
- 28
- Körper