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Die Erfindung betrifft einen frequenzvariablen Tilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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In technischen Systemen werden durch rotierende Antriebe häufig Strukturschwingungen erregt. Die auftretenden Frequenzen der Strukturschwingungen sind Harmonische der Drehzahl, d. h. der Drehfrequenz, der rotierenden Antriebe. Liegt die Drehzahl fest, so ist es gängige Praxis, die Strukturschwingungen durch Tilger zu bedampfen. Die Eigenfrequenz des Tilgers wird dabei auf eine Harmonische der Drehfrequenz abgestimmt, um eine optimale Wirkung zu erzielen. Hat das technische System unterschiedliche Betriebszustände mit variierenden Drehzahlen der Antriebe, so ist eine optimale Abstimmung der Tilger nicht mehr möglich. Hierin begründet sich der Bedarf an frequenzvariablen Tilgern, deren Eigenfrequenz in Abhängigkeit vom Betriebszustand gesteuert oder geregelt auf die Harmonische der aktuelle Drehfrequenz angepasst werden kann und somit für alle Betriebszustände eine optimale Anpassung gewährleistet.
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Handelt es sich um ausgedehnte technische Systeme, so kann eine Vielzahl von Tilgern erforderlich sein, die auf ein und dieselbe Harmonische der Drehfrequenz abgestimmt und verteilt an den unterschiedlichsten Stellen angebracht sind, um die gewünschte Absenkung der Amplituden der Strukturschwingung zu erzielen.
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Bei Änderung des Betriebszustands ist die Abstimmung aller Tilger auf die veränderte Harmonische der Drehfrequenz erforderlich. Dies kann mit hohem Aufwand für jeden frequenzvariablen Tilger autonom oder, wenn es das Tilgerkonzept zulässt, mit entsprechend geringerem Aufwand für alle Tilger zentral erfolgen.
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Ein frequenzvariabler Tilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 100 52 884 A1 bekannt. Wenn hier der Hohlraum mit einem Druck beaufschlagt wird, vergrößert sich der Abstand der Tilgermasse zu der Anbindungsplatte und damit ändert sich die Eigenfrequenz des Tilgers in gewissem Rahmen. Der so abdeckbare Frequenzbereich ist für viele Anwendungen eines frequenzvariablen Tilgers jedoch zu klein. So kann er beispielsweise nicht die Änderungen der Drehfrequenz eines Triebwerks eines Propellerflugzeugs abdecken, wie sie vom Start, über den Steigflug bis zum Reiseflug auftreten. Aus der
DE 100 52 884 A1 ist zwar auch ein Tilger bekannt, bei dem eine größere Frequenzvariabilität durch eine von der Anbindungsplatte weg teleskopierbare zweiteilige Tilgermasse erreicht wird. Die zweiteilige Tigermasse ist jedoch sehr aufwendig bei der Fertigung dieses Tilgers.
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Ein weiterer frequenzvariabler Tilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 102 05 703 A1 bekannt. Hier ist der Hohlraum zwischen der Tilgermasse und einem elastischen Verbinder zum Verbinden der Tilgermasse mit einem Halteelement vorgesehen. Durch Einstellen eines im Wesentlichen statischen Luftdrucks in dem Hohlraum wird eine im Wesentlichen statische elastische Verformung des elastischen Verbinders zum Ändern einer Federcharakteristik des elastischen Verbinders induziert. Auch mit diesem bekannten frequenzvariablen Tilger ist nur ein vergleichsweise kleiner Frequenzbereich abdeckbar.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Tilger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, der über einen sehr großen Frequenzbereich frequenzvariabel ist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch einen frequenzvariablen Tilger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des neuen Tilgers und seiner Verwendung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf frequenzvariable Tilger, deren Eigenfrequenz durch Variation eines insbesondere pneumatischen Drucks angepasst werden kann. Sind mehrere Tilger identisch aufgebaut und diese über ein den Druck vermittelndes Leitungssystem miteinander verbunden, z. B. eine einfache pneumatische Schlauchverbindung, so kann die Abstimmung aller Tilger zentral über die Änderung des Drucks erfolgen.
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Dies kann entweder (1.) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des technischen Systems gesteuert erfolgen. Hierzu muss der Zusammenhang zwischen dem Betriebszustand und dem für die Einstellung der zugehörigen Eigenfrequenz der Tilger benötigten Druck bekannt sein, so dass nur der entsprechende Druck eingestellt zu werden braucht. Dies kann z. B. über einen geeigneten Drucksensor geregelt erfolgen. Oder es kann (2.) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des technischen Systems geregelt erfolgen. Die Eigenfrequenz kann z. B. über die Messung der Beschleunigung der Tilgermasse abgestimmt werden. Bei optimaler Abstimmung erreicht die Beschleunigung in der Harmonischen der Drehfrequenz des Antriebs ein Maximum.
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Aber auch ein einzelner Tilger der beschriebenen Art kann aufgrund seines einfachen Aufbaus und seiner in weiten Grenzen leicht veränderbaren Eigenfrequenz von Interesse sein. Die Erfindung entwickelt nicht erst dann Vorteile, wenn mehrere Tilger zusammengeschaltet werden.
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Bei dem neuen frequenzvariablen Tilger ist eine Abstützung für die Elastomerfeder vorgesehen, an der sich die Elastomerfeder bei unterschiedlichem Druck in dem Hohlraum quer zu der Richtung des Abstands der Tilgermasse von der Anbindungsplatte unterschiedlich stark abstützt. Hierdurch wird eine viel größere Veränderung der Eigenfrequenz des Tilgers erreicht als ohne die Abstützung, d. h. bei einer reinen Deformation des Elastomers der Elastomerfeder.
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Der Druck ist vorzugsweise ein pneumatischer Druck, um nicht die tote Masse, d. h. die nicht der Tilgermasse zuzuordnende Masse, des Tilgers zu erhöhen, wie dies bei einer hydraulischen Aufbringung des Drucks der Fall ist. Grundsätzlich kann der Druck aber auch ein hydraulischer Druck sein.
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Die Abstützung für die Elastomerfeder kann eine Abstützfläche an einem in dem Hohlraum angeordneten Innenkörper umfassen, von der sich die Elastomerfeder mit zunehmendem Druck in dem Hohlraum ablöst. Durch das Ablösen der Elastomerfeder mit zunehmendem Druck von der Abstützfläche fällt die Steifigkeit der Federanordnung ab, d. h. die Eigenfrequenz des Tilgers sinkt.
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Wenn der Innenkörper einstückig mit der Tilgermasse ausgebildet ist, ist er dieser zuzurechnen und erhöht nicht die tote Masse des Tilgers.
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Die Abstützung für die Elastomerfeder kann auch eine Abstützfläche an einer die Elastomerfeder umgebenden Abstützmanschette umfassen, an die sich die Elastomerfeder mit zunehmendem Druck in dem Hohlraum anlegt. Durch das Anlegen der Elastomerfeder mit zunehmendem Druck an die Abstützfläche steigt die Steifigkeit der Federanordnung an, d. h. die Eigenfrequenz des Tilgers nimmt zu.
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Wenn ein biegweicher Abstandsbegrenzer die Tigermasse parallel zu der Elastomerfeder mit der Anbindungsplatte verbindet und so eine Vergrößerung des Abstands der Tilgermasse von der Anbindungsplatte mit zunehmendem Druck in dem Hohlraum verhindert, ist die Erhöhung der Eigenfrequenz des Tilgers mit zunehmendem Druck in dem Hohlraum durch Anlegen der Elastomerfeder an die Abstützfläche an der Abstützmanschette noch ausgeprägter. Ein solcher Abstandsbegrenzer kann auf einer Symmetrieachse des Tilgers durch den Hohlraum verlaufen.
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Wenn die Abstützmanschette einstückig mit der Anbindungsplatte ausgebildet ist, ist sie zwar der toten Masse des Tilgers zuzurechnen, doch ist ihr Beitrag hierzu eher gering. Dabei kann die Abstützmanschette besonders einfach durch ein einziges Blechformteil einstückig mit der Anbindungsplatte ausgebildet werden. Die Abstützmanschette kann aber auch an der schwingenden Masse angeordnet sein, um diesen Einfluß vollständig zu vermeiden.
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Es ist auch möglich. dass die Abstützung eine Faserverstärkung für die Elastomerfeder aus an der Anbindungsplatte und der Tilgermasse befestigten Fasern umfasst, wobei sich ein Faserwinkel der Fasern zu der Richtung des Abstands der Tilgermasse von der Anbindungsplatte mit zunehmendem Druck in dem Hohlraum verändert. Dies führt bei der mit zunehmendem Druck einhergehenden Ausbeulung der Elastomerfeder quer zu der Richtung des Abstands zwischen der Tilgermasse und der Anbindungsplatte zu einer ausgeprägten Verringerung dieses Abstands und damit zu einer deutlichen Erhöhung der Eigenfrequenz des Tilgers.
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Die Elastomerfeder kann bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen des neuen Tilgers hohlzylinderförmig sein, also in vorteilhafter Weise eine besonders einfache Form aufweisen.
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Bei einer Anordnung mit mehreren neuen frequenzvariablen Tilgern können die Hohlräume der Tilger zur zentralen Variation der Eigenfrequenzen aller Tilger an ein gemeinsames Leitungssystem angeschlossen sein, um sie mit einem einheitlichen Druck zu beaufschlagen. Dies reduziert den Gesamtaufwand für die Abstimmung der Eigenfrequenzen einer Vielzahl von Tilgern ganz erheblich.
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Einige Anwendungsbeispiele für den neuen frequenzvariablen Tilger seien nachfolgend genannt:
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Propellerflugzeuge
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Im Flugzeugrumpf von Propellerflugzeugen treten in den Harmonischen der Blattfolgefrequenz hohe Schallpegel auf. Zur Absenkung des Lärmpegels werden an die Spannten des Rumpfs drei unterschiedliche, auf die 1., 2. und 3. Harmonische der Blattfolgefrequenz abgestimmte Tilgertypen in größerer Stückzahl verbaut. Die Abstimmung erfolgt heute nur für den Betriebszustand ”Reiseflug”. Die anderen Betriebszustände mit differierenden Motordrehzahlen finden bislang keine Berücksichtigung, so dass während diesen erhöhte Lärmpegel auftreten. Die vorgeschlagenen frequenzvariablen Tilger ermöglichen die Absenkung des Schallpegels in allen Betriebszuständen.
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Maschinenbau
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Im Maschinenbau werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Lärmpegel an Maschinen und in Hallen zu reduzieren. Aufgrund von unterschiedlichen Produktionsgeschwindigkeiten konnte sich bisher die Lärmminderung durch Tilger auf breiter Front nicht durchsetzen. Mit den vorgeschlagenen frequenzvariablen Tilger ergeben sich viel versprechende neue Möglichkeiten.
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Fahrzeuge, Karosserien
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Für den gesamten Bereich der landgebundenen (Straße, Schiene, etc.), wassergebundenen und luftgebunden Fahrzeuge und Karosserien ergeben sich mit dem vorgeschlagenen frequenzvariablen Tilger neue Möglichkeiten der Lärm und Schwingungsreduktion.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der gesamten Beschreibung. 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 abweichend von den gewählten Rückbeziehungen ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungsfiguren dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
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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 erste Ausführungsform des neuen Tilgers im Querschnitt bei verschiedenen Drücken in seinem Hohlraum. Weiterhin zeigt 1 über der Frequenz der Anregung aufgetragene Amplituden und Phasen der Bewegung der Tilgermasse des Tilgers bei Anregung des Tilgers mit fester Amplitude für verschiedene Drücke in dem Hohlraum des Tilgers.
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2 ist eine 1 entsprechende Darstellung zu einer zweiten Ausführungsform des neuen Tilgers.
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3 ist eine 1 entsprechende Darstellung zu einer dritten Ausführungsform des neuen Tilgers.
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4 ist eine 1 entsprechende Darstellung zu einer vierten Ausführungsform des neuen Tilgers.
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5 ist eine 1 entsprechende Darstellung zu einer fünften Ausführungsform des neuen Tilgers.
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BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die Frequenzvariabilität des neuen Tilgers wird durch Variation eines Drucks realisiert. Die nachfolgenden Anwendungsbeispiele beziehen sich auf unterschiedliche pneumatische Lösungen. Der Tilger 1 besteht dabei grundsätzlich aus einer schwingenden Tilgermasse 5, die an eine Elastomerfeder 3 und an eine Anbindungsplatte 2 anvulkanisiert ist. Durch eine Druckbeaufschlagung eines durch die Elastomerfeder 3 begrenzten Hohlraums 6 und einer damit einhergehende Verformung der Elastomerfeder wird eine Form- und Steifigkeitsvariation der Elastomerfeder und damit eine Variation der Eigenfrequenz des Tilgers bewirkt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des neuen Tilgers 1. Die Elastomerfeder 3 hat die Form eines Hohlzylinders 4, der den Hohlraum 6 zwischen der Tilgermasse 5 und der Anbindungsplatte 2 (zum Befestigen an der zu bedämpfenden Struktur) begrenzt. Eine Druckbeaufschlagung des Hohlraums 6 führt zu einem Aufblähen des Elastomers, wodurch ein Abstand 7 der Tilgermasse 5 von der Anbindungsplatte 2 ebenfalls zunimmt. Die Eigenfrequenz des Tilgers 1 bei Schwingung der Tilgermasse in der durch einen Doppelpfeil markierten Schwingungsrichtung 10 (Querrichtung) verschiebt sich hierdurch zu kleineren Werten. Die Frequenzverschiebung allein aufgrund dieses Effekts liegt typischerweise im Bereich von 15% der Ausgangsfrequenz.
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Zusätzlich bildet hier ein Teil der Tilgermasse 5 einen Innenkörper 8 in dem Hohlraum 6 aus. Dieser Innenkörper 8 weist eine äußere Abstützfläche 9 auf, an der im drucklosen Zustand ein Teil der Elastomerfeder 3 anliegt. Für die Eigenfrequenz des Tilgers 1 bei Schwingungen der Tigermasse 5 in der Schwingungsrichtung 10 kann dieser Teil der Elastomerfeder 3 im wesentlichen nicht verformt werden. Es resultiert eine hohe Steifigkeit der Elastomerfeder 3 und damit eine hohe Eigenfrequenz des Tilgers 1. Erfolgt eine Druckbeaufschlagung des Hohlraums 6, so löst sich die Elastomerfeder 6 von dem hier zylindrischen Innenkörper 8 ab, so dass dann die Elastomerfeder 3 über ihre gesamte Länge in Richtung des Abstands 7 verform bar ist. Es resultiert eine geringere Steifigkeit der Elastomerfeder 3 und damit eine deutlich niedrigere Eigenfrequenz des Tilgers 1. Somit kann durch Druckbeaufschlagung des Hohlraums 6 zwischen zwei Schaltzuständen des Tilgers 1 hin und her geschaltet werden. Durch weitere Druckerhöhung erhält man eine kontinuierlich weiter abnehmende Eigenfrequenz (s. o.). Die Frequenzverschiebung durch das Schalten zwischen den beiden Schaltzuständen liegt typischerweise bei zusätzlichen 15%.
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Bei der Ausführungsform des Tilgers 1 gemäß 2 ist der Innenkörper 8 gegenüber 1 anders geformt, d. h. er ist derart fassförmig, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung des Hohlraums der Hohlzylinder 4 der Elastomerfeder 3 kontinuierlich von dem Innenkörper ablöst, so dass zunehmende Anteile der Elastomerfeder verformbar sind. Es resultiert eine stetig abnehmende Steifigkeit der Elastomerfeder. Durch Druckerhöhung erhält man eine kontinuierlich abnehmende Eigenfrequenz des Tilgers entsprechend der Ausführungsform gemäß 1, jedoch mit deutlich größerer Variation. Die gesamte Frequenzverschiebung, die mit einem Druck kleiner als 10 bar, insbesondere maximal 6 bar, liegt typischerweise im Bereich von 30% der maximalen Eigenfrequenz.
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Bei der Ausführungsform des Tilgers gemäß 3 ist statt des Innenkörpers 8 der 1 und 2 eine Abstützmanschette 11 an der Anbindungsplatte 2 zur Ausbildung der Abstützfläche 8 für die Elastomerfeder 3 vorgesehen. So das hier die Abstützfläche 8 die Elastomerfeder 3 über einen Teil ihrer Länge außen umschließt. Bei Druckbeaufschlagung des Hohlraums 6 legt sich ein zunehmend größer werdender Teil der Elastomerfeder an die Abstützfläche der Abstützmanschette 11 an. Für die Eigenfrequenz des Tilgers 1 bei Schwingungen der Tigermasse 5 in der Schwingungsrichtung 10 kann dieser Teil' der Elastomerfeder 3 im Wesentlichen nicht verformt werden. Es resultiert eine sich stetig erhöhende Steifigkeit der Elastomerfeder, welche die durch den sich vergrößernden Abstand 7 der Tilgermasse 5 von der Anbindungsplatte 2 reduzierte Formsteifigkeit (siehe Beschreibung zu 1) überkompensiert. In der Summe resultiert aus dem zunehmenden Druck in dem Hohlraum 6 eine Steifigkeitserhöhung. Die Frequenzverschiebung, die mit einem Druck kleiner als 10 bar, insbesondere maximal 6 bar, liegt typischerweise im Bereich von 30% der maximalen Eigenfrequenz.
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Bei der Ausführungsform des Tilgers gemäß 4 sind gegenüber derjenigen gemäß 3 die Anbindungsplatte 2 und die Tilgermasse 3 zusätzlich über einen Abstandsbegrenzer 12 mit geringer Quer- und hoher Längssteifigkeit miteinander verbunden. Bei Druckbeaufschlagung des Hohlraums 6 legt sich ein zunehmend größer werdender Teil der Elastomerfeder 3 an die Abstützfläche 9 der Stützmanschette 11 der Anbindungsplatte 2 an. Da der Abstandsbegrenzer 12 dabei eine Vergrößerung des Abstands 7 der Tilgermasse 5 zu der Anbindungsplatte 2 verhindert, nimmt der an der Abstützfläche anliegende Teil der Elastomerfeder 3 schneller zu als bei der Ausführungsform gemäß 3, so dass die Änderung der Eigenfrequenz des Tilgers 1 hier größer ausfällt. Die maximale Frequenzverschiebung, die mit einem Druck kleiner als 10 bar, insbesondere maximal 6 bar, erreichbar ist, liegt typischerweise im Bereich von 60% der maximalen Eigenfrequenz.
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Bei der Ausführungsform des Tilgers gemäß 5 ist eine Faserverstärkung aus Fasern 13 als in die Elastomerfeder 3 eingebettete Abstützung für die Elastomerfeder 3 vorgesehen. Die Fasern 13 bestehen z. B. aus Aramidfasern und sind in einem Kreuzgelege angeordnet. In dem Kreuzgelege sind die gegensinnig um den Hohlraum 6 in der Elastomerfeder 3 umlaufenden Fasern unter einem Winkel α von z. B. +/–30° zu einer Symmetrieachse des Tilgers 1 orientiert, der kleiner ist als der neutrale Winkel von +/–54,7°. Bei Druckbeaufschlagung des Hohlraums 5 ergeben sich dadurch, dass sich das Elastomer der Elastomerfeder 3 an den Fasern abstützt, Änderungen des Winkels α. in Richtung des neutralen Winkels, wodurch sich die Tilgermasse stark an die Anbindungsplatte 2 annähert. Diese Verringerung des Abstands 7 erhöht die Steifigkeit und die geometrische Steifigkeit, so dass sich mit der Druckerhöhung eine stetig erhöhende Eigenfrequenz des Tilgers 1 ergibt. Die maximale Frequenzverschiebung, die mit einem Druck kleiner als 10 bar, insbesondere maximal 6 bar, erreichbar ist, liegt typischerweise im Bereich von 60% der maximalen Eigenfrequenz.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tilger
- 2
- Anbindungsplatte
- 3
- Federanordnung
- 4
- Hohlzylinder
- 5
- Tilgermasse
- 6
- Hohlraum
- 7
- Abstand
- 8
- Innenkörper
- 9
- Abstützfläche
- 10
- Schwingungsrichtung
- 11
- Abstützmanschette
- 12
- Abstandsbegrenzer
- 13
- Faser
- α
- Faserwinkel
