| 1. | Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Bewegungen ei¬ nes Körpers oder einer Masse, insbesondere von Schwing¬ ungen, mit einem an diesem Körper oder dieser Masse befestig¬ ten Gehäuse, das einen relativ zum Gehäuse beweglichen, un- ter Federkrafteinwirkung stehenden Dämpfungskörper enthält,gekennzeichnet durcha) einen Querschnitt des Dämpfungskörpers (1), der dem In- nenraumquerschnitt des Gehäuses (2) vergleichbar ist, sodass ein den Gehäuseinnenraum ausfüllendes Medium (3) nur mit einem nicht zu vernachlässigenden Widerstand am Dämpfungskörper (1) vorbei- oder durch Öffnungen im Dämpfungskörper (1) hindurchströmen kann,b) mindestens einem zwischen mindestens einer Stirnseite (4) des Dämpfungskörpers (1) und mindestens einer Innen¬ wandung einer Gehäusestirnseite (7) eingesetzten Feder¬ element (5), wobei sich das durch die Rückstellkraft des oder der Federelemente (5) ergebende Schwingungsverhal¬ ten des Dämpfungskörpers (1) relativ zum Gehäuse (2) nur mit einer nichtlinearen Bewegungsgleichung näherungswei¬ se beschreiben lässt. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein an mindestens einer Stirnseite (4) des Dämpfungskörpers (1) angelenktes Federelement (5) in der Mittelstellung des Dämpfungskörperε (1) durch jeweils einen Spielraum (6) für jede Bewegungsrichtung des Dämpfungskör- pers von den Innenwandungen der Gehäusestirnseiten (7), oder mindestens ein an mindestens einer Innenwandung einer Gehäu- βestirnseite (7) angelenktes Federelement (5) in der Mittel¬ stellung des Dämpfungskörpers (1) durch jeweils einen Spiel¬ raum für jede Bewegungsrichtung des Dämpfungskörpers (1) von den Stirnseiten (4) des Dämpfungskörpers (1) beabstandet ist. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spielraum (6) veränderlich einstellbar ist. |
| 4. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Federelemente regelbare elektrische oder magne¬ tische Felder erzeugende energiegespeiste elektrische Schwingungserzeuger dienen. |
| 5. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (5) Schraubenfedern oder Blattfe¬ dern sind. |
| 6. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) gas- und flüssigkeitsdicht ausgebil¬ det ist. |
| 7. | Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (3) eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. |
| 8. | Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (3) teilweise aus einem Gas (8), teilwei¬ se aus einer Flüssigkeit (9) besteht. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein öl ist. |
| 10. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Dämpfungskörpers (1), sowie die Oberfläche der Innenwandung des Gehäuses (2) derart beschaf- fen sind, dass die Reibung zwischen Dämpfungskörper und In¬ nenwandung für die Dämpfung einer Schwingung des Dämpfungs¬ körpers (1) nicht vernachlässigbar klein ist. |
| 11. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrierendes Element für den Dämpfungskörper (1) angebracht ist. |
| 12. | Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und der Dämpfungskörper (1) punkt- oder achsensymmetrisch ausgebildet, und die Federelemente (5) vom Fixpunkt, d. h. dem Hittelpunkt oder der Hittelachse (10) des Dämpfungskörpers (1). ausgehend strahlförmig ange¬ ordnet sind, wobei der Raum des Hediums (3) durch druckdich- te, die Bewegung des Dämpfungskörpers (1) zulassende Schott¬ wände (11) in einzelne, segmentartige Abschnitte (12) unter¬ teilt ist, die jeweils durch den Dämpfungskörper (1) und/ oder am Dämpfungskörper vorbei mit dem diametral gegenüber¬ liegenden Abschnitt in Verbindung stehen. |
| 13. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mehr als einen Dämpfungskörper (1) beinhaltet. |
| 14. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit dem unter Federkrafteinwirkung stehenden Dämpfungskörper (1) in einem zur Bewegungsrichtung des Dämpfungskörpers (1) im Winkel verlaufenden zweiten Ge¬ häuse (15) als unter einer getrennten Federkrafteinwirkung stehender zweiter Dämpfungskörper (14) ausgebildet ist. |
| 15. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hediu ein- oder beidseitig des Dämpfungskör¬ pers (1) atmosphärischen Druck, Unterdruck oder Überdruck aufweisen kann. |
| 16. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Dämpfungskörpers (1) sowie die Oberfläche der Innenwandung des Gehäuses (2) derart beschaf¬ fen sind, dass die Reibung zwischen Dämpf ngskörper und In- nenwandung für die Dämpfung einer Schwingung des Dämpfungs¬ körpers (1) vernachlässigbar klein ist. |
Schwlnqunqsdämpfer
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von pe¬ riodischen Bewegungen eines Körpers oder einer Masse, insbe¬ sondere von Schwingungen, mit einem an diesem Körper oder dieser Hasse befestigten Gehäuse, das einen relativ zum Ge- häuse beweglichen, unter Federkrafteinwirkung stehenden Dämpfungskörper enthält.
Es ist bekannt, dass Energie von einer Primärβchwingung auf ein angekoppeltes zweites schwingungsfähiges System und um- gekehrt übertragen wird. Dämpft man das zweite schwingungs¬ fähige System, so dämpft man indirekt auch die Primärschwing¬ ung.
Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind seit langem und in vielerlei Ausführungen bekannt; insbesondere im Fahrzeugbau werden sie für die Dämpfung von Schwingungen sowohl der gefederten Massen, d.h. des Fahrzeugaufbaus, als auch der ungefederten Massen, d.h. der Räder und Achsen, ver¬ wendet.
Die bekannten Schwingungsdämpfer haben gemeinsam, dass ihre Bewegung in guter Näherung durch eine lineare Bewegungs¬ gleichung berechnet werden kann.
In der AS DE 1039851 ist ein Schwingungsdämpfer beschrieben, der aus einem geschlossenen Zylinder besteht, welcher am obe-
ren und unteren Ende jeweils eine befestigte Feder aufweist. Ein im Zylinder befindliches Dämpfungsgewicht ist gleitend zwischen diesen beiden Federn bewegbar, womit die Bewegungs¬ richtung des Dämpfungsgewichts und seine Kraftaufnahme in nur dieser Achsrichtung festgelegt ist.
Das Problem bei den herkömmlichen Schwingungsdämpfern offen¬ bart sich vor allem bei Schockabsorbern, bei denen es von grösster Wichtigkeit ist, dass durch die einmalige Auslen- kung initiierte Ausschwingen in relativ zur Schwingungsperio¬ de kurzer Zeit abzudämpfen! Entweder benötigt der Schwin¬ gungsdämpfer einige Schwingungsperioden, bis die Schwingung zur Ruhe gekommen ist, oder die Dämpfung ist so gross, dass der aperiodische Kriechfall eintritt, wodurch es auch hier einer vergleichsweise langen Zeit bedarf, bis der Ruhezu¬ stand wieder erreicht ist; das Problem der im letzteren Fall gegebenen zu hohen Steifigkeit des Schockabsorbers ist hier¬ bei noch ausser Acht gelassen.
Aber auch kontinuierliche Schwingungen können mit den her¬ kömmlichen Schwingungsdämpfern nicht befriedigend gedämpft werdenι In der Summe erhält man ein System von gekoppelten, erzwungenen Schwingungen, die sich phasenverschoben überla¬ gern. Um einen guten dämpfenden Effekt bei kontinuierlichen Schwingungen zu erzielen, muss ein erheblicher Aufwand ge¬ trieben werden, wie z. B. mittels eines elektronisch gesteu¬ erten, dämpfenden Systems, wie in der OS DE 39 39 822 be¬ schrieben.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen in einfacher Bauweise herstellba¬ ren Schwingungsdämpfer zu schaffen, der in der Lage ist, pe¬ riodische Bewegungen eines Körpers, sei es ein durch eine einmalige Auslenkung aus der Ruhelage initiiertes Aus-
schwingen, sei es eine kontinuierliche Schwingung, in kürze¬ rer Zeit und effektiver abzudämpfen, als mit den herkömmli¬ chen Vorrichtungen möglich.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäss eine Vorrich¬ tung vorgeschlagen, wie sie im Hauptanspruch beschrieben ist. Durch die eingesetzten und wenigstens einseitig unbefes¬ tigten Federelemente bleibt zwischen ihnen und den Stirnsei¬ ten des Dämpfungskörpers sowie den Innenwandungen der Gehäu- sestirnseiten ein Spielraum. Hieraus ergibt sich in jeder Schwingungsperiode eine zeitliche Phasenverschiebung, die auch durch nichtlineare Differentialgleichung nur annähernd zu bestimmen ist.
Der Vorteil dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht in der durch die nichtlineare Bewegungsgleichung ge¬ gebenen Möglichkeit, dass der Dämpfungskörper in jeder Perio¬ de der zu dämpfenden Schwingung eine Phasenverschiebung er¬ hält, was bei geeigneter Anpassung zur fast völligen Gegen- phaslgkeit in jeder folgenden Schwingungsperiode führen kann und den Schwingungsdämpfer zu einem aktiven Schwinger macht. Daraus folgt, bei einem passend gewählten Verhältnis der Mas¬ se des zu dämpfenden Körpers zur Dämpfungsmasse, eine gegen¬ über dem Stand der Technik schnellere Abdämpfung der Schwin- gung.
Beim Einsatz der erfindungsgemäsβen Vorrichtung als Schockab¬ sorber wird dabei nicht nur die durch den Kraftstoss initi¬ ierte Schwingung gedämpft, sondern auch schon die erste Aus- lenkung vermindert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Nichtlinearität der Bewegungsgleichung des Dämpfungskörpers dadurch sichergestellt, dass die Federelemente jeweils an einer Stirnseite des Dämpfungskörpers oder an einer Innenwan-
d ng einer Gehäusestirnseite angelenkt sind. Das andere Ende der Federelemente bleibt jeweils unbefestigt, sodass in der Mittelstellung des Dämpfungskörpers ein Spielraum zwischen einerseits den Federelementen und andererseits den Stirnsei¬ ten des Dämpfungskörpers, bzw. den Innenwandungen der Gehäu¬ sestirnseiten bleibt. Abhängig von der Breite dieses Spiel¬ raums, und damit des ungefederten Weges des Dämpfungskör¬ pers, ergibt sich in jeder Schwingungsperiode eine Phasenver¬ schiebung.
Für eine leichte und schnelle Anpassung der erfindungsge äs- βen Vorrichtung an die zu dämpfenden Schwingungen ist es vor¬ teilhaft, den Spielraum an den freien Enden der Federelemen¬ te veränderlich einstellbar auszugestalten.
Zweckmässig ist dabei die Ausbildung der Federelemente als Schraubenfedern oder Blattfedern. Deren Führung ist unproble¬ matisch, und ihre Eigenstabilität erlaubt auch einen grossen Spielraum zwischen der Feder und dem Dämpfungskörper, bzw. der Gehäusestirnseite.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass als Federelemente regelbare elektrische oder magnetische Fel¬ der erzeugende energiesparende elektrische Schwingungserzeu- ger dienen. Das ermöglicht eine elektronisch gesteuerte An¬ passung des nichtlinearen Anteils der Bewegungsgleichung des Dämpfungskörpers, was eine leichte Manipulation der Phasen¬ verschiebung des schwingenden Dämpfungskörpers auch während jeder einzelnen Schwingungsperiode gewährleistet und eine schnellere und effektivere Reaktion hervorruft. Das Beson¬ dere daran ist, dass die hierfür nötige Energie unter Nut¬ zung der Bewegungsenergie des Schwingungserregers gewonnen wird.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse der erfindungsge ässen Vorrichtung gas- und flüssigkeitsdicht ausgebildet, so dass das Medium ein- oder beidseitig des Dämpfungskörpers atmos¬ phärischen Druck, Unterdruck oder Überdruck aufweisen kann. Dadurch wird erreicht, dass ein den Gehäuseinnenraum ausfül¬ lendes Medium durch eine Bewegung des Dämpfungskörpers im in der Bewegungsrichtung liegenden Gehäuseabschnitt komprimiert wird, und im entgegen der Bewegungsrichtung liegenden Gehäu¬ seabschnitt expandieren kann.
Je nach Kompressibilität des Mediums und Eigenfrequenz der durch die Federelemente bedingten Schwingung ergibt sich da¬ raus eine zusätzliche, nutzbare rücktreibende Kraft. Ist die¬ ses Medium eine Flüssigkeit, vorzugsweise ein öl, so ergibt sich durch die sich bildende Druckdifferenz eine vorteilhaf¬ te dämpfende Wirkung auf die Schwingung des Dämpfungskör¬ pers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das den Gehäuseinnenraum ausfüllende Me¬ dium zum Teil aus einer Flüssigkeit, vorzugsweise einem öl, zum anderen Teil aus einem Gas besteht. Durch die unter¬ schiedlichen Vorbei- oder Durchströmgeschwindigkeiten der beiden Teilmedien um oder durch den Dämpfungskörper erhält man bei grossen Auslenkungen des Dämpfungskörpers, bei denen das Gas auf einer Seite nahezu vollständig verdrängt wird, eine zusätzliche Nichtlinearität in der Bewegungsgleichung.
Im Allgemeinen wird angestrebt, die Reibungskräfte zwischen den sich gegeneinander bewegenden Teilen der Vorrichtung mi¬ nimal zu halten; in Sonderfällen kann es jedoch zweckmässig sein, die Oberflächen des Dämpfungskörpers und der Innenwan¬ dung des Gehäuses so auszubilden, dass die Reibung zwischen den Oberflächen eine zusätzliche, signifikante Dämpfung be- wirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin¬ dung ist vorgesehen, dass der von aussen oder von den Feder¬ elementen unbeschleunigte Dämpfungskörper durch ein Zentrier¬ element in die Mittelstellung gebracht und dort gehalten wird.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht in der punkt- oder achsensymmetrischen Ausbildung der Vorrichtung, sodass die Federelemente vom Lagepunkt oder der Lagepunktachse, d. h. dem Mittelpunkt oder der Mittelachse des punkt- oder ach¬ sensymmetrischen Dämpfungskörpers, ausgehend strahlförmig an¬ geordnet sind.
Durch eine derartige geometrische Formung ist es möglich, mit einer einzigen erfindungsgemässen Vorrichtung die Bewe¬ gungen eines in mehreren Raumrichtungen schwingenden Körpers zu dämpfen.
Damit ein den Gehäuseinnenraum ausfüllendes Medium durch die Bewegungen des Dämpfungskörpers komprimiert wird, bzw. expan¬ dieren kann, uss sichergestellt sein, dass das Medium nur mit einem geringen bzw. zu vernachlässigenden Widerstand durch den Dämpfungskörper hindurch oder an ihm vorbei, je¬ doch nicht ohne nennenswerten Widerstand um ihn herumströmen kann. Deshalb wird der Raum des Mediums zweckmässigerweise durch druckdichte, die Bewegung des Dämpfungskörpers zulas¬ sende Schottwände in einzelne, segmentartige Abschnitte un¬ terteilt, die jeweils durch den oder um den Dämpfungskörper herum mit dem diametral gegenüberliegenden Abschnitt in Ver- bindung stehen.
Eine abgewandelte Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in der Verwendung der gesamten erfindungsge¬ mässen Vorrichtung als Dämpfungskörper einer um diese Vor-
richtung herum angeordneten zweiten Vorrichtung. Damit ist es ebenfalls möglich, eine in mehreren Dimensionen wirkende, durch eine einheitliche Vorrichtung bewirkte Schwingungs¬ dämpfung zu erreichen.
Die folgenden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung lassen wei¬ tere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten erkennen, die anhand der Abbildungen erläutert sind.
Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen quaderförmigen Schwingungs¬ dämpfer,
Fig. 2 einen Schnitt nach Fig. 1, wobei das Gehäuse teilwei¬ se befüllt ist,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausbildung eines qua¬ derförmigen Schwingungsdämpfers,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen kreisscheibenförmigen Schwingungsdämpfer,
Fig. 5 einen Schnitt durch einen quaderförmigen Schwingungs- dämpfer, dessen Dämpfungskörper ein weiterer Schwin¬ gungsdämpfer ist.
Fig. 6 ein numerisch berechnetes Weg-Zeit-Diagramm,
Fig. 7 ein anderes numerisch berechnetes Weg-Zeit-Diagramm,
Fig. 8 ein weiteres numerisch berechnetes Weg-Zeit-Dia¬ gramm.
In Fig. 1 befindet sich der Dämpfungskörper 1 in der Mitte des Gehäuses 2, wodurch der Spielraum 6 zwischen den an den Stirnseiten 4 angelenkten Federelementen 5 und den Innenwan¬ dungen der Gehäusestirnseiten 7 bei beiden Federelementen sichtbar ist. Das den Gehäuseinnenraum ausfüllende Medium 3 kann durch den Spalt 13 am Dämpfungskörper vorbeiströmen.
Der Gehäuseinnenraum ist in Fig. 2 zum grossen Teil mit einer Flüssigkeit 9, zum restlichen Teil mit einem Gas 8 ge- füllt.
Das AusfUhrungsbeispiel des erfindungsgemässen Schwingungs¬ dämpfers nach Fig. 3 enthält nur ein Federelement 5, das an der Stirnseite 4 des Dämpfungskörpers 1 angelenkt, und an der Stirnseite des Gehäuses 2 derart angebracht ist, dass für jede Bewegungsrichtung des Dämpfungskörpers 1 ein Spiel¬ raum 6 vorhanden ist.
Fig. 4 zeigt ein achsensymmetrisches Ausführungsbeispiel nach Anspruch 12. Dabei sind der Dämpfungskörper 1 und das Gehäuse 2 kreisscheiben- bzw. kreiszylinderförmig geformt; die kreisscheiben- oder kreiszylinderförmige Ausformung kann auch beidseitig oder beidendig kugel-oder ovalförmige, mit¬ telpunktzentriert ausgebildete gekrümmte Endflächen aufwei- sen. Dabei sind die Federelemente 5 sind vom Mittelpunkt 10 (bzw. Mittelachse) des Dämpfungskörpers 1 ausgehend strahlen¬ förmig angeordnet, wobei der Raum des Mediums 3 durch Schott¬ wände 11 in einzelne, segmentartige Abschnitte 12 unterteilt ist, die kreisscheiben- oder rechteck- bzw. trapezförmigen Formen haben können.
In Fig. 5 ist das Gehäuse 2 mit Dämpfungskörper 1 und Feder¬ elementen 5 als zweiter erfindungβge ässer Dämpfungskörper 14 in einem zweiten Gehäuse 15 derart untergebracht, dass
die jeweiligen Richtungen ihrer dämpfenden Wirkungen senk¬ recht aufeinander stehen. Der zweite Dämpfungskörper 14 wirkt schwingungsdämpfend auf das zweite Gehäuse 15.
Fig. 6 zeigt ein numerisch berechnetes Weg-Zeit-Diagramm des Ausschwingverhaltens von zwei gekoppelten, gleichschweren schwingenden Massen, deren Bewegungen durch die Kurven 16 und 17 dargestellt sind. Dabei befindet sich Masse 17 zur Zeit t-0 in der Ruhelage, Masse 16 ist zur Zeit t-0 um 1 Skt ausgelenkt. Jegliche Dämpfungseffekte sind dabei vernachläs¬ sigt.
Fig. 7 zeigt ein analog zur Fig. 6 berechnetes Weg-Zeit-Dia¬ gramm, wobei als zusätzlicher Parameter die Masse 17 mit einer Dämpfung versehen ist.
Fig. 8 zeigt beispielhaft die vorteilhafte Wirkung der Erfin¬ dung. Wie in Fig. 6 und Fig. 7 ist ein Ausschwingverhalten von zwei gekoppelten, gleichschweren schwingenden Massen 16 und 17 dargestellt, und wie in den Fign.6 und 7 ist die Mas¬ se 17 zur Zeit t-0 in ihrer Ruhelage, die Masse 16 jedoch um 1 Skt ausgelenkt.
Das Schwingungsverhalten der Masse 16 ist durch eine lineare Bewegungsgleichung beschrieben, wobei Dämpfungseffekte ver¬ nachlässigt sind, das Schwingungsverhalten der Masse 17 dage¬ gen ist, im Unterschied zu den Fign. 6 und 7, erfindungsge- mäss mit einer nichtlinearen Bewegungsgleichung beschrieben. Die Schwingung der Masse 17 ist wie in Fig. 7 gedämpft.
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