DE19715714A1 - Dämpferelement und damit versehene Dämpfungseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dämpferelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Dämpfungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18. Solche Dämpferelemente bzw. Dämpfungseinheiten werden meist an Bauwerken einge­ setzt, wie beispielsweise Schornsteinen und Brücken, die durch äußere Einflüsse Schwingungen ausgesetzt sind. Ferner werden sie bei Maschinen eingesetzt, die gegenüber einem festen Gebäudeteil befestigt werden und beispielsweise auf­ grund einer Unwucht, stoßartiger Bewegungen oder anderer Schwingungsquel­ len federnd aufgestellt werden müssen.

Es ist bekannt, bei der Schwingungsdämpfung für die Energiedissipation die Colomb'sche Reibung zwischen zwei Festkörpern zu nutzen, wobei die mechani­ sche Energie in Wärme umgewandelt wird. Bei der Ausnutzung von Drosselef­ fekten wird ein mit Bohrungen versehener Kolben in einem ölgefüllten Zylinder bewegt. Die mechanische Energie wird hier durch die Verwirbelung ebenfalls in Wärme umgesetzt. Die dissipierte Energie ist proportional dem Quadrat der Be­ wegungsgeschwindigkeit des Kolbens.

Bei der Erzeugung eines Phasenverschiebewinkels ϕ zwischen Dämpfungskraft und Weg durch die Einschaltung viskoelastischer oder viskoser Dämpferelemente wird keine mechanische Arbeit mehr geleistet und das Dämpfungsglied arbeitet optimal, wenn der Phasenverschiebewinkel ϕ=90°. Bei rein elastischen Dämpfe­ relementen ist die Phasenverschiebung ϕ=0, bei viskoelastischen Dämpferele­ menten (z. B. Gummi) ist 0 < ϕ < 90°. Bei idealer viskoser Dämpfung ist ϕ = 90°.

Der Betrag der dissipierten Energie läßt sich dabei aus der sogenannten Hystere­ seschleife ablesen. Dabei hat die Viskosedämpfung den Vorteil, daß bereits gerin­ ge Erregerkräfte für die Erzielung einer Dämpfwirkung ausreichen, während bei den übrigen Dämpfungselementen eine Mindesterregerkraft notwendig ist. Be­ kannt ist der Blockiereffekt bei Reibungsdämpfern. Die Güte eines viskosen Dämpfers hängt von der Annäherung an den idealen Phasenverschiebewinkel ϕ=90°. Ein Phasenverschiebewinkel ϕ<700 gilt bereits als gutes Ergebnis.

Bei viskoser Dämpfung wird ein Tauchkörper in einer zähen Flüssigkeit peri­ odisch bewegt. Die an der Oberfläche des Tauchkörpers auftretenden Schub­ spannungen sind proportional der Geschwindigkeit des Tauchkörpers. Dabei ist der Dämpfwiderstand frequenzabhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dämpferelement bereitzustellen, das möglichst verschleißfrei arbeitet und so hohe Reibungskräfte erzeugt, daß es an Bauwerken wie Brücken o. a. einsetzbar ist. Dabei sollen die Dämpfungsei­ genschaften mit einfachen konstruktiven Mitteln erreicht werden und eine Dämpfungseinheit geschaffen werden, die kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Dämpferelement mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 und mit einer Dämpfungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der Tauchkörper eine möglichst große Oberfläche auf kleinstem Volumen aufweist und einen Dämpfwiderstand besitzt, der in dem bei Bauwerken vorkommenden Frequenz­ bereich 0,5 < f < 3,5 Hz frequenzunabhängig ist.

Wenn das Dämpferelement einen Tauchkörper aufweist, der zumindest teilweise in eine in einer Aufnahmeeinrichtung enthaltenen Flüssigkeit eingetaucht ist, und zur Bildung der einzelnen Strömungskanäle mehrere Flächenelemente be­ sitzt, wird eine vergrößerte Oberfläche im Tauchkörper erzeugt, die eine erhöhte innere Reibung für das Dämpferelement bereitstellt. Durch die Flüssigkeitsrei­ bung können somit die erforderlichen Dämpferkräfte erzeugt werden. Dabei sorgt die Verbindung der Strömungskanäle untereinander für eine gleichmäßige Verteilung der Reibungskräfte, so daß über dem gesamten Querschnitt des Dämpferelements die Reibungskräfte etwa gleichmäßig verteilt werden können. Die Anzahl der ausgebildeten Strömungskanäle bzw. deren Oberfläche wird da­ bei auf die Eigenfrequenz des Bauwerks abgestimmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungskanäle quer zur Bewegungsrichtung des Tauchkörpers miteinander verbunden, was ei­ nen besonders effektiven Austausch der Flüssigkeit durch sogenannte Querströ­ mungen zwischen den Strömungskanälen ermöglicht. Vorzugsweise sind die ringförmigen, in Strömungsrichtung verlaufenden Strömungskanäle dabei mög­ lichst eng ausgebildet, so daß zwischen den Strömungskanälen sich eine rein laminare Strömung ausbildet. Die viskose Charakteristik der Flüssigkeit kann dabei zur Einstellung einer rein geschwindigkeitsproportionalen Reibkraft her­ angezogen werden.

Eine einfache und billige Methode, die Strömungskanäle in dem Tauchkörper auszubilden ist der Einsatz von konzentrischen Zylinderbuchsen oder einem spi­ ralförmig gewickelten gelochten Blechstreifen, die in dem Hohlraum des Tauch­ körpers angeordnet sind. Der gelochte Blechstreifen ist vorzugsweise durch in dem Tauchkörper befestigte Wände geführt, so daß der Abstand der Strömungs­ kanäle voneinander und die Größe der Strömungskanäle genau definiert ist. Eine sonders große Oberfläche der Strömungskanäle läßt sich erreichen, wenn der gelochte Blechstreifen spiralförmig in dem Tauchkörper angeordnet ist.

Um eine besonders stabile Konstruktion des Tauchkörpers zu erreichen, sind zwei gelochte Blechstreifen in dem Tauchkörper angeordnet, die durch zwei im wesentlichen senkrecht zur Plattenebene verlaufende Wände geführt sind.

Eine Verunreinigung der in der Aufnahmeeinrichtung enthaltenen Flüssigkeit läßt sich vermeiden, wenn Mittel zum Abdichten zwischen dem Tauchkörper und der Aufnähmeeinrichtung vorgesehen sind.

Für eine in mehrere Richtungen wirkende Dämpfung ist der Tauchkörper vor­ zugsweise im wesentlichen horizontal in einem Topf angeordnet. Vorzugsweise hängt der Tauchkörper dabei an einer Pendelstange, damit der Tauchkörper in dem Topf eine Bewegung zur Viskosendämpfung ausführen kann.

Damit der Tauchkörper in unterschiedliche horizontale Richtungen dämpfend wirken kann, ist er vorzugsweise drehbar an der Pendelstange befestigt. Wenn an der Außenseite des Tauchkörpers Führungsflossen vorgesehen sind, kann sich der Tauchkörper automatisch in die Richtung der Pendelbewegung ausrichten, so daß keine Mittel zur Einstellung der Dämpfung erforderlich sind. Dies ist ins­ besondere bei Dämpferelementen von Vorteil, die an turmartigen, insbesondere zylinderförmigen Bauwerken, wie z. B. Stählschornsteinen, Antennenmasten oder dergleichen, eingesetzt werden, um Schwingungen aufgrund von Luftströ­ mungen zu dämpfen, die aus unterschiedlichen Richtungen kommen können.

Die Dämpfungseinheit weist ein erfindungsgemäßes Dämpferelement auf, das zwischen der zu dämpfenden Hauptmasse und einer zur Dämpfungseinheit gehö­ renden Zusatzmasse vorgesehen ist, wobei die Zusatzmasse über ein Federele­ ment oder ein Pendel an die Hauptmasse angekoppelt wird. Durch die Relativ­ bewegungen zwischen der Zusatzmasse und der Hauptmasse kann ein dazwi­ schen angeordnetes Dämpferglied mit einer viskosen Charakteristik eine Dämp­ fung der Hauptmassenschwingbewegung bewirken.

Vorzugsweise wird die Dämpfungseinheit an einer Brücke mit mehreren Stützen und einem Verbindungssteg vorgesehen, wobei sie zur Dämpfung der maximalen Amplitude mittig zwischen zwei Stützen unterhalb des Verbindungssteges ange­ ordnet wird.

Der erfindungsgemäße Tauchkörper läßt sich sehr einfach herstellen. Die mit Schlitzen versehene Schablone, bestehend vorzugsweise aus einem Blechkreuz, dient zur Erleichterung der Fertigung. Durch die spiralige Krümmung der Ober­ fläche wird eine hohe Formsteifigkeit des Tauchkolbens erzielt, so daß auch sehr dünne Bleche verwendet werden können. Durch die Unterteilung der zwei inein­ andergesteckten Spiralen mittels des Blechkreuzes entsteht eine Vielzahl von axial verlaufenden Strömungskanälen, deren hydraulischer Durchmesser klein genug ist, um eine laminare Strömung (ohne Turbulenzen) sicherzustellen.

Im Zentrum des Tauchkörpers liegt ein nahezu geschlossener Körper, der die Flüssigkeit radial nach außen verdrängt. Durch die in den spiralig aufgewickel­ ten Blechen vorgesehenen Löcher kann die verdrängte Flüssigkeit radial nach außen abfließen. Dadurch werden unerwünschte Drosseleffekte weitgehend vermieden. An dem Dämpferelement durchgeführte Messungen haben gezeigt, daß der Dämpfungswiderstand d in dem untersuchten Frequenzbereich 0,5 < f < 3,5 Hz frequenzunabhängig ist. Damit liegt auch der Phasenverschiebungswinkel ϕ praktisch bei 90°, so daß die Dämpfung optimal ist.

Diese Wirkung tritt allerdings nur dann ein, wenn der Tauchkörper axial durch­ strömt wird, d. h. wenn die Achse des Tauchkörpers parallel zur Schwingungs­ richtung bewegt wird. Zur Dämpfung vertikaler Biegeschwingungen von Brücken erfolgt die Schwingbewegung nur in einer Richtung, nach der der Tauchkörper ohne Schwierigkeiten ausgerichtet werden kann. Bei zweidimensionalen Schwingbewegungen, wie sie z. B. bei den Karman'schen Querschwingungen von Schornsteinen auftreten, muß der Tauchkörper jeweils in der Schwingrichtung eingestellt werden. Dies läßt sich durch die drehbare Befestigung des Schwing­ körpers an dem schwingenden Pendel dadurch erreichen, daß an dem Tauchkör­ per radial nach außen stehende Leitflossen angebracht werden. Damit orientiert sich der Tauchkörper immer in der Bewegungsrichtung des Pendels.

Die erforderliche Dämpfkraft kann durch die Größe der Oberfläche des Tauch­ körpers eingestellt werden. Eine Feinjustierung ist möglich durch Einstellung der Viskosität der Flüssigkeit, z. B. durch Zumischen von nieder- bzw. hochvis­ koser Flüssigkeit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Dämpfungseinheit mit einem erfin­ dungsgemäßen Dämpferelement;

Fig. 2 eine Schnittansicht durch die Dämpfungseinheit der Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht des Dämpferelements entsprechend der Fig. 2;

Fig. 4 eine geschnittene Teilansicht des Tauchkörpers des Dämpferelements;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Tauchkörper der Fig. 4;

Fig. 6 eine geschnittene Draufsicht auf das Dämpferelement gemäß der Linie D-D der Fig. 3;

Fig. 7 ein vergrößerter Ausschnitt des in dem Dämpferelement eingesetzten Lochblechs;

Fig. 8 eine Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel des Dämp­ ferelements;

Fig. 9 eine Draufsicht auf das Dämpferelement der Fig. 8;

Fig. 10 eine Schnittansicht des Dämpferelements der Fig. 8 im Bereich des Topfes, und

Fig. 11 eine vergrößerte Detailansicht des Tauchkörpers des zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels im Schnitt.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Dämpfungseinheit umfaßt zwei Dämpferelemen­ te 1 und vier Federelemente 2, die zwischen einer ersten Platte 3 und einer zwei­ ten Platte 4 angeordnet sind. An der rechteckigen Platte 3 sind über Befesti­ gungsmittel Gewichtselemente 25 befestigt. Zum Transport der Dämpfungsein­ heit sind vier Ringmuttern 26 in die Platten 3 und 4 eingeschraubt, wobei zur Vermeidung von Schwingungen Abstandshalter 27 zwischen den Platten 3 und 4 vorgesehen sind.

Das in den Fig. 3 bis 7 dargestellte Dämpferelement weist einen kolbenförmigen Tauchkörper 6 auf, der in einer Aufnahmeeinrichtung 5 geführt ist und in dieser hin- und herbewegt werden kann. Zwischen dem Tauchkörper 6 und der Auf­ nahmeeinrichtung 5 ist ein Führungsband 7 zum Abdichten vorgesehen. Die Aufnahmeeinrichtung 5 ist bis zu dem Flüssigkeitspegel 8 mit Silikonöl gefüllt. Die Aufnahmeeinrichtung besitzt eine Bodenplatte 9, die an der Platte 4 befestigt ist. In ähnlicher Weise weist der Tauchkörper 6 eine Tauchkörperplatte 10 auf, die an der Platte 3 befestigt ist. In der Platte 3 und der Tauchkörperplatte 10 ist dabei eine verschließbare Öffnung vorgesehen, um Silikonöl nachzufüllen.

In dem kreisförmigen Hohlraum des Tauchkörpers 6 sind im unteren Bereich zwei Wände 12 und 17 senkrecht zueinander angeordnet. Die Wände 12 und 17 sind miteinander und mit der Innenwand des Tauchkörpers 6 verschweißt und dienen als Schablone zur Montage eines Lochblechs. Die Wände 12 und 17 wei­ sen Stege 15 auf, zwischen denen Schlitze 16 zur Führung des Lochblechs vorge­ sehen sind. Der Tauchkörper 6 besitzt oberhalb der Dichtung 7 Öffnungen 13, um die bei einer relativ des Tauchkörpers 6 in der Aufnahmeeinrichtung 5 die oberhalb des Flüssigkeitspegels 8 enthaltene Luft austreten zu lassen.

In dem Innenraum des Tauchkörpers 6 sind gemäß der Fig. 6 zwei Lochbleche 11 und 18 vorgesehen, die beide spiralförmig in den Wänden 12 und 17 geführt sind. Die Lochbleche 11 und 18 weisen dabei in regelmäßigen Abständen Öffnungen 14 auf. Zwischen den Lochblechen 11 und 18 bilden sich somit Strömungskanäle aus, wobei bei einer Bewegung des Tauchkörpers 6 in der Aufnahmeeinrichtung 5 ein Flüssigkeitsaustausch zwischen den einzelnen Strömungskanälen stattfin­ den kann.

In den Fig. 8 bis 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dämpferelements 1' gezeigt. Das in einem Gehäuse 30 aufgenommene Dämpferelement 1' besitzt eine Pendelstange 31, die an einem Balken 33 drehbar befestigt ist. Der Balken 33 ist an einem Rahmen 32 befestigt, der über Befestigungsmittel 42 fest mit einem Gebäude, beispielsweise einem Schornstein, verbunden ist.

Die Pendelstange 31 ist über ein Kugelgelenk 34 in alle horizontalen Richtungen bewegbar, wobei für die Vergrößerung der Pendelmasse Gewichtselemente 35 auf eine Anschlagscheibe 37 mit einem Stellring 36 festgelegt sind. An dem unteren Ende der Pendelstange 31 ist ein Kugelgelenk 40 vorgesehen, über das der Tauchkörper 6' des Dämpferelements 1' drehbar befestigt ist. Der Tauchkörper 6' ist in einem Topf 38 mit einer viskosen Flüssigkeit 41 horizontal ausgerichtet. Um eine Verunreinigung der viskosen Flüssigkeit 41 zu vermeiden, ist der Topf 38 an seiner Oberseite mit einer flexiblen Dichtung 39 versehen, die eine Öff­ nung aufweist, in der die Pendelstange 31 durchgeführt ist.

Der Tauchkörper 6' ist an seiner Außenseite mit Führungsflossen 44 versehen, so daß er sich bei einer Pendelbewegung automatisch in die Richtung der Pen­ delbewegungen ausrichtet. In dem Tauchkörper sind ähnlich dem vorangegange­ nen Ausführungsbeispiel zwei Wände 12' und 17' kreuzförmig zueinander ange­ ordnet, in denen zwei Lochbleche 11 , und 18' spiralförmig ineinander gewickelt sind.

Das Dämpferelement 1' ist an einem Bauwerk 43 befestigt, dessen Schwingungen durch das Dämpferelement 1' gedämpft werden. Dabei ist sowohl der Rahmen 32 als auch das Gehäuse 30 über Befestigungsmittel 42 mit dem Bauwerk 43 ver­ bunden.

Claims (19)

1. Viskoses Dämpferelement (1, 1'), insbesondere zum Dämpfen von Schwin­ gungen an Bauwerken, mit einer mit Flüssigkeit gefüllten Aufnahmeein­ richtung (5, 38), in die ein Tauchkörper (6, 6') zumindest teilweise einge­ taucht ist, wobei der Tauchkörper (6, 6') Strömungskanäle aufweist, bei de­ ren Durchströmen mit Flüssigkeit eine Flüssigkeitsreibung auftritt, da­ durch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper wenigstens in dem von der Flüssigkeit benetzten Bereich eine Anordnung von einem oder mehreren Flächenelementen aufweist und die einzelnen Strömungskanäle (11, 11', 12, 12', 17, 17', 18, 18') zwischen den i.w. parallel zur Bewegungsrichtung des Tauchkörpers verlaufenden, länglichen Flächenelementen ausgebildet sind.

2. Dämpferelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente von konzentrisch zueinander angeordneten Zylinderbuch­ sen gebildet sind.

3. Dämpferelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente von einem spiralförmig gewickelten Blechstreifen bebildet sind.

4. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente gegeneinander fixiert und auf Abstand gehalten sind.

5. Dämpferelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Fixierung und Abstandhaltung von einer plattenförmigen Schablone (12, 12', 17, 17') gebildet ist, in die das bzw. die Flächenelemente einsteckbar sind.

6. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente zur Erhöhung der Flüssigkeits­ reibung oberflächenbehandelt sind.

7. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungskanäle untereinander verbunden sind.

8. Dämpferelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung des Tauch­ körpers (6, 6') miteinander verbunden sind.

9. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente von einem gelochten Blechstrei­ fen (11, 11', 18, 18') gebildet sind, der in einem Hohlraum des Tauchkörpers (6) angeordnet ist.

10. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei gelochte Blechstreifen (11, 11', 18, 18') vorgese­ hen sind, die durch zwei im wesentlichen quer zu den gelochten Blechstrei­ fen angeordnete Wände (12, 12', 17, 17') der Schablone spiralförmig geführt sind.

11. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tauchkörper (6, 6') und die Aufnahmeeinrichtung (5) zylinderförmig ausgebildet sind und zwischen der Aufnahmeeinrichtung (5) und dem Tauchkörper (6, 6') Mittel (7) zum Abdichten vorgesehen sind.

12. Dämpferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tauchkörper (6') i. w. horizontal in einem als Aufnahmeeinrichtung ausgebildeten Topf (38) angeordnet ist.

13. Dämpferelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper (6') an einer Pendelstange (31) frei schwingend hängt.

14. Dämpferelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper (6') drehbar an der Pendelstange (31) befestigt ist.

15. Dämpferelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Außenseite des Tauchkörpers (6') Führungsflossen (44) vorgesehen sind.

16. Dämpferelement nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Pendelstange (31) Gewichtselemente (36) vorgesehen sind und die Pendelstange (31) an einem fest mit einem Bauwerk verbun­ denen Rahmen (32, 33) aufgehängt ist.

17. Dämpferelement nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Topf (38) flexibel mit einem um die Pendelstange (31) angeordneten Dichtelement (39) abgedichtet in einem Gehäuse (30) aufge­ nommen ist.

18. Dämpfungseinheit zum Dämpfen von Schwingungen mit mindestens einem Federelement (2), das zwischen zwei Bauteilen (3, 4) angeordnet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Dämpferelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 zwischen den zwei Bauteilen (3, 4) vorgesehen ist.

19. Brücke mit einem oder mehreren Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle oder den Stellen der maximalen Biegeschwingungsampli­ tuden eine oder mehrere Dämpfungseinheiten nach Anspruch 18 vorgese­ hen sind.