DE3113268C2

DE3113268C2 - Schwingungsabsorber

Info

Publication number: DE3113268C2
Application number: DE19813113268
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.rer.nat. 8000 München Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1981-04-02
Filing date: 1981-04-02
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE3113268A1

Abstract

Der Schwingungsabsorber zur Körperschalldämpfung besteht aus einem Wellenleiter in Form eines sich in Wellenlaufrichtung verjüngenden Hornteils und ist zumindest mit dem breiteren Ende mit einem zu bedämpfenden Körper kraftschlüssig verbindbar. Zumindest im Bereich des schmaleren Endes weist der Wellenleiter ein Dämpfungsmaterial auf. Der Wellenleiter besteht aus einer in Wellenlaufrichtung abwechselnden Schichtfolge von flexiblen Federelementen und festen Massenelementen, wobei die Federkonstanten der Federelemente und die Massen der Massenelemente vom breiteren Ende des Wellenleiters aus stetig abnehmen.

Description

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30

35

5. Schwingungsabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten der Massen- und Federelemente der Obcrflüchenkrümmung des zu bedämpfenden Körpers angepaßt sind (Fig."3. 6-11).

<). Scliwingungsabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Massen- und Federclementc rotationssymmetrisch ausgebildet bzw. angeordnet sind (Fig. 4, 6— 12).

'. Schwingungsabsorber nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Massen- und Fedcrclemente Kreisscheibenform. Zylindermantelform oder eine au:; Kreisscheibe und Zylindermantel zusammengesetzte Winkelform aufweisen (Fig. 6- 11).

8. Schwingungsabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Fedcrelemcntc aus gegenüberliegenden pfannenförmigen Vertiefungen (53.01. 53.11) in den Massenelemcnten (53.0. 53.1) und darin angeordneten Kugeln (52.0) gebildet werden, wobei die Enden des Wellenleiters gegeneinander gepreßt werden (Kraft P₀).

9. Schwingungsabsorber nach einem der Ansprüche I bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß eine Federschicht (32.0. 32.1, ...) mindestens zwei Federelemente (32.01. 32.02. ...: 32.11. 32.12. ...) aufweist und die Federelemente von Schicht zu Schicht versetzt zueinander angeordnet sind.

10. Schwingungsabsorber nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, dal.! die Fcdercleminle (32.01. 32.02. ...) in Vertiefungen der Massenclcmente (33.0. 33.1. ...) sitzen.

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsabsprber zur Körperschalldämpfung mit einem Wellenleiter in Form eines sich in Wellenlaufrichtung verjüngenden. Steifigkeitsspriinge aufweisenden Hornteils, welcher zumindest mit dem breiteren Ende mil einem zu bedämpfenden Körper kraftschlüssig verbindbar ist und welcher zumindest im Bereich des schmaleren Endes ein Dämpfungsmaterial aufweist.

Ein Schwingungsabsorber der obengenannten Art ist beispielsweise aus der DE-OS 2229420 bekannt und besteht im wesentlichen aus einem hornteilförmigen Wellenleiter aus einem homogenen Material und einer Dämpfungsmasse am freien Ende des Hornteils. 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. Das homogene Material des Wellenleiters kann gemäß der DE-AS 2412672 Steifigkeitsspi ünge in Form von Querschnittsveränderungen und Zwischenmassen aufweisen, wodurch Impedanzsprünge erzeugt werden. die zu einer spektralen Resonanzüberhöhung führen. 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 Hornteils wird im wesentlichen durch seine Materialeigenschaften und seine Geometrie bestimmt. Für viele Anwendungsfälle bedeutet die Materialwahl schon eine derartige Einschränkung, daß für die Geometrie kaum noch Variationsmöglichkeiten bleiben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Variationsmöglichkeiten für die Impedanzanpassung eines Schwingungsabsorbers mit hornteilförmigem Wellenleiter zu vergrößern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt duich die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die für eine Wellenleitung in einem homogenen Material ausschlaggebenden Größen in gelrennten 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 abnehmer.. Durch diese Trennung in Massen und Federelemente läßt sich die Impedanz eines derart aufgebauten Schwingungsabsorbers in vielfältiger Weise variieren.

Wie später noch gezeigt wird, besitzt ein erfindungsgemäß aufgebauter Schwingungsabsorber mit geometrisch abgestuften Massen und leiicrkonstanten eine Grenzfrequenz (Cut-Off-Frequen/ r>_t (und eine asymptotische Resistanz R, von

1 /i/₀

ω =-ω_η In —

wobei i/j₀ die Resonanzfrequenz des ersten, breitesten Massenciementes m_n ist. welches über ein Federelement mit der Federkonstanten A₀ mit Jem /u dämpfenden Körper verbunden ist und für welche die Beziehung

"Λ> = /■■'-" g'¹¹· V ">«

Die Eigenschaften des .Absorbers ,ind also au·, der. Massen und den Federkonstanten der Massiv und Fcderelemcntc bestimmbar bzw. entsprechend einstellbar.

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.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltang der Erfindung besteht d.e Möglichkeit, die Federelemente mit dem Dämpfungsmaterial zu kombinieren oder die Federelemente direkt aus Dämpfungsmaterial mit entsprechenden elastischen Eigenschaften herzustellen.

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.

Ausführungsformen eines Schwingungsabsorbers, welche zur Dämpfung von rotierenden Wellen u. dgl. geeignet sind, können nach den Merkmalen der Ansprüche 7 oder 8 ausgebildet sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Federelemente durch Kugeln realisiert werden, welche in gegenüberliegenden pfannenfonnigen 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 ursprüngliche Lage zurückgerückt werden.

Näheres zu den erwähnten Ausführungsbeispielen sowie weitere Ausfuhrungsbeispiele sollen anhand der im folgenden beschriebenen, teilweise schematischen Darstellungen erläutert werden.

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 Federelernenten innerhalb einer Federschicht:

Fig. 4 einen Schwingungsabsorber rn^:t Federelemenlen aus Kugeln und pfannenförmigen Vertiefungen;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Schwingungsabsorber gemäß Fig. 4:

Fig. 6 einen rotationssymmetrischen Schwingungs· absorber zur Dämpfung von Wellen u.dgl.:

Fig. 7 einen rotationssyminetrischen Schwingungsabsorber mit Ringschichtung:

Fig. 8 einen rotationssymmetrischen Schwingungsabsorber mit winkelförmiger Schichtung:

Fig. 9 einen Schwingungsabsorber mit topf- bzw. U-schienenförmigen Massen- und Federelemcnten.

Fig. IO einen rotationssymmetrischen Schwingungsabsorber mit /entripedaler Verjüngung;

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wellenleiters 1 aus Federelementen 2.0. 2.1. ... und Massenelementen 3.0. 3.1 welche über das erste Federclement 2.0 mit einem zu dämpfenden Körper 4 verbunden ist. Diese Anordnung soll einem gestrichelt dargestellten Hornteil I' mit einer Basisflächc Sa angenähert sein. Für ein expone.itialförmiges Hornteil kann der Fliichenlauf .Vl.v) durch folgende Beziehung angegeben weiden:

wobei ω,, die Grenzfrequenz für die Wellenleitung und a die Schallgeschwindigkeit in dem Material bedeutet. Wird nun ein exponentialförmiges Hornteil entsprechend der Fig. 1 in einzelne Massenelemente mit konstanter Dicke Δ.ν jedoch exponentiell abnehmender Basisfläche zerlegt, so kann die Basisfläche S_n für das H-te Massenelement durch die Beziehung

angegeben werden. Die Masse m_m des «-ten Massenelementes beträgt:

n — S_n · Q - Δ.υ

wobei ρ die Dichte des Materials bedeutet.

Die Massen und die Federkonstanten sollen so gewählt und abgestuft sein, daß die Eigenfrequenz co₀ eines jeden Masse^^lementes m_a und zugeordneten Federelementes A.

'»o

- = const

beträgt.

Unter Verwendung der obengenannten Beziehung (2) ergibt sich das Verhältnis zweier benachbarter Massen /H_n+1 und /»„zu:

S₀ e

Unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis zweier benachbarter Massen konstant ist. ergibt sich daraus für die Grenzfrequenz die vorher genannte Beziehung

tu. = - ω

In

= const.

mit ^ωο =

Entsprechend kann gezeigt .werden, daß für das Verhältnis der Federkonstanten zweier benachbarter Federelemente die Beziehung

~J7~^e

gilt.

=■- .sy,·

Die für die Dämpfung maßgebende Resistanz nähert sich ab der Grenzfrequenz ω_Γ asymptotisch dem Wert R, = (O₀-Ot₀.

Die Grenzfrequenz o_c und die Resistanz R, sind also aufgrund des Massenverhä'tnisses zweier benachbarter Massrnei, nsente und des Verhältnisses der Federkonstanten zweier benachbarter Massenelemente und des Verhältnisses der Fedei konstanten zweier benachbarter Federelemente leicht berechenbar und dadurch einstellbar.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Wellenleiter würde beispielsweise dadurch zu einem Schwingungsabsorber. daß das letzte, kleinste Massenelement in einer

W) Dämpfungsmasse eingebettet ist und somit dl·; eingeleiteten Schwingungen voll absorbiert werden.

Ein Schwingungsabsorber, bei dem die Federelemente mit der Dämpfungsmasse integriert sind, ist in Fig. 2 dargestellt. Die schichtweise übereinander angeordneten Massenclemente 23.0. 23.1 ... wechseln sich dabei mit Schichten 22.0, 22.1 ... einer elastischen Dämpfungsmasse. z.B. Gummi, ab. Die Quersehnittsflächen beider Schichten verjüngen sich dabei stetig.

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. 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.

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 Federclementes ist in Fig. 5 dargestellt, aus welcher ersichtlich wird, daß die pfannenförmi"cn 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 P₀ zusammengedrückt, so daß Relativbewegungen der Massenelemente nur nach Überwindung dieser Kraft möglich sind. Derartige, Querbewegungen de/ 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 P₀ 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. Die Dämpfungsmasse 46 kann aus Gummi, weichelastischen Kunststoffen oder Mischungen aus elastischen und harten Stoffen sein.

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. Die schwingungsmäßige Ankopplung des Absorbers geschieht über eine fest mit der Welle 61 verbundene

ίο Scheibe 64. Von dieser Scheibe 64 aus verjüngen sich die Massen- und Federlemente in axialer Richtung.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Schwingungsabsorber sind die Massenelementc 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 ergib:.

Der in Fig. 8 dargestellte Schwingungsabsorber besteht aus konzentrischen, winkelförmigen Massenclementen 92.0, 92.1. ... 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 Fede/element 93.0 auf die folgenden Schichten überträgt. Der Vorteil dieses Ausrührungsbeispiels besteht darin, daß die vorher erwähnte Grenzfrequenz für alle .Schwingungsrichtungen gleich ist. da sich hier die Unterschiedliche Federkonstante aus Druck und Schub ausgleicht.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Schwingungsabsorber, bei dem die Massen- und Federelemente entweder, in einer rotationssymmetrischen Ausführung. topITörmig. oder, in einer langgestreckten Ausführung. U-schienenförmig ausgebildet sind. Zwischen den Massenelementen 122.0. 122.1. ... befindet sich beispielsweise Gummi als Feder- und Dämpfungseiemetu 123.0. 123.1. ... Der Absorber ist durch einen topf- oder U-schienenförmigen Flansch 124 mit dem zu bedämpfenden Körper 121 kraftschlüssig verbunden.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten Schwingungsabsorber verjüngen sich die konzentrisch angeordneten Schichten aus Massenelementen 112.0, 112.I₁ ... und Federelementen 113.0. 113.1. ... aus Dämpfungsmasse in zentripedaler Welle 111 dient ein Übertraglingskörper

114. der mit dieser kraftschlüssic verbunden ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine in Wellenlaufrichtung abwechselnde Schichtfolge von flexiblen Federelementen (2.0, 2.1, ...) und festen Mnssenelementen (3.0, 3.1, ...) aufweist, wobei die Federkonstanten {k₀, A-,...) der Federelemente und !5 die Massen (m₀, "I₁...) der Massenelemente vom breiteren Ende (S₀) des Wellenleiters aus stetig abnehmen.

2. Schtk'Ldgungsabsorber nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente zumindest teilweise von einem Dämpfungsmaterial umgeben sind.

3. Schwingungsabsorber nach einem der Ansprüche I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemcnte aus Dämpfungsrmvierial bestehen (Fig. 2. 3.6-12).

4. Schwingungsabsorber nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Massen (m₀. m_x, /?;·,....) und die Federkonslanten {k₀. k_t. Ä, ) in folgender Weise abgestuft sind: