DE1475701B2 - Interferenz-Geräuschdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Interferenz-Geräuschdämpfer für periodische Druckwellen in Strömungsmitteln, die durch eine Leitung gefördert werden, bei dem die Druckwelle dadurch im wesentlichen ausgelöscht wird, daß sie durch einen Hauptkanal und zugleich durch einen Nebenkanal so fortschreitet, daß sie bei Wiedereintritt aus dem Nebenkanal in den Hauptkanal phasenverschoben ist.

Bei bekannten Bauarten, bei denen Haupt- und Nebenkanal parallel zueinander liegen, muß die Länge des Hauptkanals einer Wellenlänge und die des Nebenkanals 1,5 Wellenlängen entsprechen. Bei anderen Bauarten, bei denen der Nebenkanal am einen Ende mit dem Hauptkanal verbunden und am anderen Ende eine Reflexionsfläche aufweist, muß die Länge des Nebenkanals einem Viertel der Wellenlänge entsprechen. Die Dimensionierung derartiger Geräuschdämpfer wurde dabei unter der Voraussetzung durchgeführt, daß die Wände der Kanäle genügend starr sind, so daß Formänderungen der Kanäle in radialer Richtung vernachlässigbar klein sind. Es ergeben sich hierdurch auf Grund der oben erwähnten Gesetzmäßigkeiten verhältnismäßig große Längen für den Hauptkanal und den Nebenkanal, die den praktischen Einsatz solcher Geräuschdämpfer häufig unmöglich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Geräuschdämpfer der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, daß ihre baulichen Abmessungen die Eingliederung auch bei nur geringem zur Verfügung stehenden Raum ermöglicht ist.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß die Einflüsse der quer gerichteten Kräfte auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle in Längsrichtung im Stömungsmittel im wesentlichen eine Folge der von den Kanalwandungen aufgenommenen Arbeit sind. Diese ist wieder im wesentlichen von der Elastizität des Werkstoffs der Kanäle abhängig. Die Schallgeschwindigkeit steht somit in unmittelbarem Zusammenhang mit der Elastizität der Wandungen der Kanäle.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Nebenkanal aus einem elastomeren Werkstoff mit großer radialer Elastizität besteht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein den Hauptkanal bildendes Rohr unter Belassung eines den Nebenkanal bildenden Ringraums mit freiem stromabwärtigem Ende koaxial innerhalb eines elastischen Außenrohres angeordnet ist und im Bereich seines dicht mit dem Außenrohr verbundenen stromaufwärtigen Endes Wanddurchbrüche zu dem Ringraum aufweist.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein den Hauptkanal bildendes Rohr -unter Belassung eines den Nebenkanal bildenden Ringraumes mit freiem stromabwärtigem Ende koaxial innerhalb eines elastischen Außenrohres mit in einer Kammer des Außenrohres mündenden Ende angeordnet ist und der Ringraum an seinem der Kammer abgewandten Ende eine Druckwellen-Reflexionsfläche aufweist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In dieser ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Interferenz-Geräuschdämpfers,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer anderen bekannten Bauform,

F i g. 3 ein Längsschnitt durch einen Interferenz-Geräuschdämpfer nach der Erfindung,

F i g. 4 ein Längsschnitt durch eine andere Bauform nach der Erfindung,

F i g. 5 ein Schnitt durch eine Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkung mit einem eingegliederten Interferenz-Geräuschdämpfer nach der Erfindung und

F i g. 6 ein der F i g. 5 ähnlicher Schnitt durch eine andere Ausführungsform.

Der Interferenz-Geräuschdämpfer gemäß F i g. 1 hat einen Nebenkanal 10, der mit einem Hauptkanal 12 ίο verbunden ist, um periodische Druckwellen des in diesem fortgeleiteten Druckmittels zu dämpfen. Erreicht eine Welle den Abzweigungspunkt des Nebenkanals 10, so teilt sie sich und wird durch den Nebenkanal 10 und den Hauptkanal 12 weitergeleitet. An der Einmündungsstelle des Nebenkanals 10 in den Hauptkanal 12 vereinigen sich die beiden Wellen, wobei beide um 180° zueinander phasenverschoben sind. Theoretisch ergibt sich demzufolge an dieser Stelle eine Amplitude Null. Beträgt die Länge des Hauptkanals 12 L₁ = λ, so wird diese Wirkung dann erzielt, wenn die Länge des Nebenkanals 10 auf

festgelegt wird.

F i g. 2 zeigt eine andere Form eines derartigen Geräuschdämpfers. Die Welle tritt in den an seinem einen Ende geschlossenen Nebenkanal 14 ein, dessen Länge auf eine Viertelwellenlänge festgelegt ist, wird an der geschlossenen Stirnwand reflektiert und kehrt am Einmündungspunkt um eine halbe Wellenlänge verschoben in den Hauptkanal 12 zurück. An dieser Stelle wird auf diese Weise wiederum eine Phasenver-Schiebung von 180° erzielt. In diesem Fall hat der

Nebenkanal 14 eine Länge L=-^-.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Interferenz- Geräuschdämpfer nach der Erfindung bestehen sowohl der Hauptkanal 12 als auch der Nebenkanal 16 aus Gummi, während der der Ausführungsform gemäß F i g. 4 der Nebenkanal 18 aus Gummi besteht.

Die Wellenlänge λ für eine periodische Welle einer gegebenen Frequenz /, die mit einer Schallgeschwindigkeit c des Mittels fortschreitet, ergibt sich aus der Gleichung

λ =3-.

Die Einflüsse der quergerichteten Kräfte auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle in Längsrichtung ergeben sich aus der ermittelten Gleichung

~V~o

K-D

E-t

in der

c die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Kanals,

V_c die normale Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer kugligen Welle in einem freien Strömungsmittel oder die einer ebenen Welle in einer Leitung absoluter Starrheit,

K der Elastizitätsmodul für Druck des Strömungsmittels,
D der Innendurchmesser des Kanals,

E der Elastizitätsmodul der radialen Elastizität der

Kanalwand und
t die Dicke der Kanalwand ist. K-D

Ist der Wert

E-t

-groß im Verhältnis zum Wert finden, in denen erhebliche Geräusche angefacht werden können. Bei der besonderen Ausgestaltung eines Interferenz-Geräuschdämpfers für diesen Zweck muß berücksichtigt werden, daß ein geringstmöglicher Druckverlust und eine möglichst gedrängte Bauweise erreicht werden muß, und daß der Dämpfer für die Verwendung in einer Anlage geeignet sein muß, in der Drücke in der Größenordnung von 70 kg/cm^a herrschen. Ferner soll der Dämpfer zugleich der Zufuhr

Eins, so ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Schallgeschwindigkeit gegenüber der in einem freien Strömungsmittel oder in einem starren Kanal.

Ein Öl mittlerer Güte beispielsweise, dem eine normale Schallgeschwindigkeit c = 1332 m/sec und ein io von Druckmittel von einer Pumpe zum Lenkgetriebe Elastizitätsmodul K = 15 500 kg/cm² zugeordnet sind, dienen.

würde bei Durchleitung durch einen Kanal aus Stahl Der Dämpfer besteht nach F i g. 5 aus einem ver-

mit einem Elastizitätsmodul von etwa 2,11 · 10⁶ kg/cm², stärktem Gummirohr 34, das über einen Fitting 35 mit D _ „ „ _c . _ „ ...,. ._.. j...,..^ der Pumpe und mit einem Fitting 33 mit der Einlaß-

15

bei einem Verhältnis — von 11,5 eine Geschwindigkeit

öffnung zum Lenkgetriebe verbunden ist. Beide Fiteiner Druckwelle von etwa 1311 m/sec ergeben. Wird tings 35 und 38 weisen zylindrische Sockel 4!) auf, die jedoch ein Kanal gleicher Abmessungen aus Gummi das Gummirohr 34 umgreifen und ein Rohr 42 tragen, verwendet, dessen Elastizitätsmodul etwa 56 kg/cm² das koaxial zu dem Gummirohr 34 liegt. beträgt, so würde die Welle mit einer Geschwindigkeit Mit dem Rohr 42 ist das eine Ende eines Rohres 46

von 23,5 m/sec fortschreiten. Besteht der Nebenkanal ao verbunden, dessen anderes freies Ende 10 ih F i g. 1 aus Stahl und enthält beispielsweise ein
Öl mittlerer Güte, so ist zur Abstimmung der Dämpfung einer Frequenz von 120 Hertz die Länge des
Nebenkanals 10 mit

= — λ =
2

3·1311

= 16,5 m

2-120

zu wählen.

Wird der Nebenkanal 10 dagegen aus Gummi hergestellt, so verringert sich seine Länge auf

3 · 23,5
2-120

= 0,292 m,

wobei die Länge des Hauptkanals L₁ = λ — 0,195 m beträgt.

Bei dem Dämpfer gemäß F i g. 2 würde die Länge des Seitenkanals 14, wenn dieser aus Stahl besteht, 2,74 m betragen müssen. Bei der Herstellung aus Gummi, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist, wird jedoch nur eine Länge von L = 50,8 mm benötigt, um den aus Gummi bestehenden Seitenkanal 18 auf eine Viertelwellenlänge zu bringen.

Interferenz-Geräuschdämpfer mit Nebenkanälen, die auf eine Viertelwellenlänge oder ein ungerades Vielfaches abgestimmt sind, können aus einer Vereinigung der Gleichung (1) und (2) nach der folgenden Gleichung berechnet werden:

(3)

E-t

worin η eine beliebige ungerade ganze Zahl ist.

Für Dämpfer mit auf eine Halbwellenlänge oder ein ungerades Vielfaches abgestimmten Nebenkanal gilt die Gleichung:

von einer

offenen Endkappe 48 umgeben ist. Dar Ringraum 59, der zwischen dem Gumrnirohr 34 und dem Rohr 46 gebildet ist, bildet den Nebenkanal des Dämpfers, der auf eine Viertelwellenlänge abgestimmt ist und hierzu die Länge L hat. Druckwellen von der Pumpe gelangen über die Rohre 42 und 46 in eine mit Druckmittel gefüllte Kammer 52 innerhalb des Gummirohrs 34. Eine Druckwelle, die das Rohr 46 verläßt und in die Kammer 52 eintritt, breitet sich kugelförmig stromabwärts in Richtung auf das Lenkgetriebe und gleichzeitig stromaufwärts in den Ringraum 50 aus. Die sich stromaufwärts bewegende Welle wird durch die innere Fläche 54 des Fittings 36 reflektiert und bewegt sich stromabwärts längs des Ringraums 5D zurück. Sie wird der durch die Kammer 52 fortschreitenden Welle überlagert, wobei sich eine Phasenverschiebung von im wesentlichen 180° ergibt. Die Amplitude der Welle wird damit im wesentlichen Null, so daß die von der Pumpe herrührenden Druckwellen ausgelöscht werden und das Lenkgetriebe nicht erreichen können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 hat das Rohr 46 eine offene Endkappe stromabwärts der Pumpe; es kann diese Endkappe aber auch an dem stromaufwärts liegenden Ende vorgesehen sein. Die Bauart nach F i g. 6 ist auf etwa die doppelte Länge der zuvor beschriebenen Einrichtung nach F i g. 5 abgestimmt. Eintretende Druckwellen werden durch ein inneres Rohr 56 fortgeleitet, das an seinem stromaufwärts liegenden Ende Durchbrüche 58 aufweist, durch die die Druckwelle in einen Ringraum 60 zwischen dem Rohr 56 und dem es umgebenden Rohr 62 eintreten kann. Die stromabwärts durch den Hohlraum 60 fortschreitende Welle läuft der durch das Rohr 56 fortschreitenden Welle um etwa 180° phasenverschoben nach.

Die Zeitverzögerung beträgt hierbei

rp -"O ■*-**

6O Co

Ci

2·/

L =

f /1 +

K-D

E-t

(3a)

worin m eine beliebige ungerade ganze Zahl ist.

Eine besondere Anwendung kann das erfindungsgemäße Prinzip bei Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkungen

/ die Frequenz,

L die Länge des Kanals zwischen dem Abzweig- und Vereinigungspunkt und

c die Schallgeschwindigkeit ist, und die Indizes i und ο sich auf die äußeren Kanäle des Rohres 56 bzw. des Ringraumes 60 beziehen.

Bei koaxialer Anordnung der Rohre ergibt sich _t = L₀ = L. Damit wird

L = °2_21 _%

In der Annahme, daß cj wesentlich größer als c₀ ist, wenn nämlich das Rohr 56 im wesentlichen aus starrem Werkstoff und das Rohr 62 aus hochelastischem Werkstoff besteht, kann diese Gleichung vereinfacht werden zu

L =

Co

2·/

wobei C₀ aus den Eigenschaften und Abmessungen des Rohres und des Druckmittels gemäß der oben erwähnten Gleichung (2) errechnet werden kann. Der Interferenz-Geräuschdämpfer gemäß F i g. 6 hat daher im wesentlichen die doppelte Länge wie der nach der Bauart gemäß F i g. 5 und unterliegt der Gleichung

L =

2/ /1 +

K-D

E't

(4)

Da der Seitenkanal des Dämpfers nach der Erfindung aus verschiedenartigsten elastomeren Werkstoffen gebildet werden kann, einschließlich nicht homogenen, kann der Elastizitätsmodul E in den Gleichungen (3) und (4) entweder der Elastizitätsmodul oder ein gleichwertiger Modul der radialen Elastizität sein, der empirisch für einen Kanal aus einem bestimmten Werkstoff ermittelt wird, indem die durch den Eingangsdruck bedingte Ringspannung durch die Umfangsverformung, gemessen durch die Volumenzunahme, dividiert wird. Ferner stellt die oben erwähnte Gleichung (2) über die von dem Druckmittel und der Kanalwandung aufgenommene Arbeit nicht ausschließlich das Prinzip der erfindungsgemäßen Arbeitsweise dar. Ähnliche Gleichungen können aufgestellt werden, wenn diese Arbeit nicht allein von den Eigenschaften des Werkstoffs, sondern auch von der Formgebung des Kanals abhängig ist. So kann der in radialer Richtung sehr dehnbare Nebenkanal des Dämpfers beispielsweise dadurch erreicht werden, daß er aus dünnem Metall besteht, das in axialer Richtung gewellt ist und dadurch infolge der Druckwellen eine ausgesprochen radiale Dehnung erhält.

Einrichtungen nach der Erfindung sind nicht nur bei den beschriebenen Hilfskraftlenkungen einsetzbar, sondern in gleicher Weise auch in anderen Anlagen. Die Einrichtungen können auch für Leitungen, die ein gasförmiges Strömungsmittel führen, verwendet werden, insbesondere wenn das Strömungsmittel höheren Druck aufweist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Interferenz-Geräuschdämpfer für periodische Druckwellen in Strömungsmitteln, die durch eine Leitung gefördert werden, bei dem die Druckwelle dadurch im wesentlichen ausgelöscht wird, daß sie durch einen Hauptkanal und zugleich durch einen Nebenkanal so fortschreitet, daß sie bei Wiedereintritt aus dem Nebenkanal in den Hauptkanal phasenverschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkanal (34, 62) aus einem elastomeren Werkstoff mit großer radialer Elastizität besteht.

2. Interferenz-GeräuschdämpfernachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Hauptkanal bildendes Rohr (56) unter Belassung eines den Nebenkanal bildenden Ringraumes (60) mit freiem stromabwärtigem Ende koaxial innerhalb eines elastischen Außenrohres (62) angeordnet ist und im Bereich seines dicht mit dem Außenrohr verbundenen stromaufwärtigen Endes Wanddurchbrüche (58) zu dem Ringraum aufweist (F i g. 6).

3. Interferenz-Geräuschdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Hauptkanal bildendes Rohr (46) unter Belassung eines den Nebenkanal bildenden Ringraumes (50) mit freiem stromabwärtigem Ende koaxial innerhalb eines elastischen Außenrohres (34) mit in einer Kammer (52) des Außenrohres mündendem Ende (48) angeordnet ist und der Ringraum an seinem der Kammer abgewandten Ende eine Druckwellen-Reflexionsfläche (54) aufweist (F i g. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen