DE2939420C2 - - Google Patents

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DE2939420C2 DE19792939420 DE2939420A DE2939420C2 DE 2939420 C2 DE2939420 C2 DE 2939420C2 DE 19792939420 DE19792939420 DE 19792939420 DE 2939420 A DE2939420 A DE 2939420A DE 2939420 C2 DE2939420 C2 DE 2939420C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein energieabsorbierendes Element mit Schichtaufbau, insbesondere Feder-, Stoß- oder Schwin­ gungsdämpfer, umfassend zumindest eine mit einer visko-ela­ stischen Schicht verbundene steife Schicht.
Aus DE-OS 23 05 389 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gummigewebeplatten, insbesondere für die Stoßdämpfung von Schmiedehämmern bekannt. Hierbei werden einzelne Gewebela­ gen jeweils zwischen zwei Gummilagen eingelegt und das sich ergebende Plattenpaket wird einer Vulkanisation unterwor­ fen. Dieses Element mit Schichtaufbau umfaßt somit ledig­ lich Gummischichten und Gewebelagen, wobei insbesondere die Ausrichtung der einander benachbarten Gewebelagen in der Richtung ihrer sich schneidenden Kett- und Schußfäden maßgebend ist, um eine längere Standzeit derartiger Gummi­ gewebeplatten zu erreichen. Eine Verbindung eines solchen Plattenpakets mit Metallteilen läßt sich dieser Druckschrift nicht entnehmen.
Aus DE-AS 12 31 739 ist ein elastisches nachgiebiges Lager für Brücken und ähnliche Bauwerke bekannt. Dieses Lager be­ steht aus Gummi- oder ähnlichen Werkstoffschichten und zwi­ schen diesen sind zugfeste Platten angeordnet. Diese zug­ festen Platten bestehen aus mit eingelagerten Verstärkungen in Form von Fasern versehenem Kunststoff oder Kautschuk. Die zugfesten Platten können aus mit Glasfasern verstärktem Polyester bestehen, wobei es sich bei den Platten um steife Schichten handelt.
Aus DE-AS 11 64 757 ist eine glasverstärkte Kunststoffplatten­ feder und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Hierbei besteht der Kern aus einer oder mehreren Lagen längs verlau­ fender Gleitfasern, an die sich beidseitig eine Querschicht und eine äußere Längsschicht anschließen, die dünner als der Kern bemessen sind. Verbindungen von Kautschukschichten, die Fasern enthalten, lassen sich hieraus nicht entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energieabsor­ bierendes Element mit Schichtaufbau der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, dessen Energieaufnahmefähigkeit überraschend hoch ist, wobei die Absorptionsfähigkeit mechanischer Ener­ gie wesentlich größer als bei Elementen üblicher Art ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem energieabsor­ bierenden Element mit Schichtaufbau gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen seines Kennzeichens gelöst.
Hierbei hat sich gezeigt, daß die Energieaufnahmekapazität steifer Elemente überraschend stark zunimmt, wenn man in die visko-elastische Schicht Fasern einbettet.
Die steife Schicht beim energieabsorbierenden Element mit Schichtaufbau nach der Erfindung kann aus Materialien, wie Metall, Holz, Glas, Beton, Keramik oder Kunststoff bestehen, wobei diese Materialien gegebenenfalls verstärkt sein können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des energieabsorbieren­ den Elements mit Schichtaufbau nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 14 wiedergegeben.
Die visko-elastische Schicht kann Elastomerwerkstoff und/oder flexiblen, thermoplastischen Werkstoff enthalten. Die Absorp­ tion mechanischer Schwingungen ist teilweise auf die direkte Absorption im visko-elastischen Material (Selbstabsorption) und teilweise auf die Reibung und die Verformung der in die visko-elastische Schicht eingebetteten Fasern zurückzuführen. Die visko-elastische Schicht sollte vorzugsweise gute Flexi­ bilität und hohe Absorptionskapazität aufweisen, und zwar in­ nerhalb eines weiten Temperaturbereiches, beispielsweise von -40°C bis 120°C. Das visko-elastische Material sollte auch an den eingebetteten Fasern gut haften (gute Adhäsion). Die Aufnahme von Fasern mit hoher Zugfestigkeit (≧ 2000 N/mm2) und großem Elastizitätsmodul ( 7 × 106 N/mm2) erhöht darüber hinaus die mechanische Widerstandsfähigkeit und die Festigkeit des Elements. Besonders geeignete Fasern sind daher Glasfa­ sern, Carbonfasern, Borfasern, Polyamidfasern, Polyaramidfasern, Polyesterfasern und/oder Metallfasern. Es können Fasern unter­ schiedlicher Zusammensetzung in die visko-elastische Schicht eingebettet werden. Sie können in Form von kurzen Fasern oder durchgehenden Fäden eingebettet werden, die gegebenenfalls ge­ wellt oder gebogen sind. Sie können entweder zu Bündeln zusam­ mengefaßt sein, wie Drahtbündel, Litzen, Saiten, Cord, Seilen, Schnüren, Bändern, Kabeln oder sie können in Form einzelner Fasern eingebettet sein.
Vorzugsweise werden in sich verdrehte Faserbündel verwendet, die ent­ weder entsprechend klein bemessen sind oder das Element ohne Unterbrechung durchsetzen können. Die Fasern können in die visko-elastische Schicht gewebeartig, in mehreren Lagen, in isotroper oder anisotroper Anordnung eingebettet werden. Die Fasern innerhalb der visko-elastischen Schicht können in einer einzigen Richtung ausgerichtet sein, so daß sie beispielsweise abwechselnd in Achsrichtung auf Zug und Druck mit der Frequenz der zu absorbierenden Schwingung beansprucht werden können. Die Fasern können auch derart ausgerichtet sein, daß mindestens ein Teil der Fasern periodisch auf Torsion und/oder Scherung mit der Frequenz der zu absorbierenden Schwingung beansprucht wird.
Das energieabsorbierende Element mit Schichtaufbau kann ein oder mehrere Schichten aus elastischem Werkstoff aufweisen, an welchen ein oder mehrere Schichte aus faserverstärktem visko-elastischem Werkstoff angebracht sind. Ein derartiges Element kann in Sandwich-Bauweise hergestellt sein, wobei abwechselnde Schichten auf steifem und visko-elastischem Mate­ rial vorgesehen sind. Die steife Schicht oder die steifen Schichten können dabei in ihrer gesamten Oberfläche oder ir­ gendwo an einem Teil derselben mit der visko-elastischen Schicht versehen sein. Im Grenzfall besteht die visko-elasti­ sche Schicht lediglich aus einem Faden oder einer Litze aus Fasern, die mehr oder weniger konzentrisch von einer Schicht aus visko-elastischem Material bedeckt oder ummantelt ist, wo­ bei die Dicke dieser visko-elastischen Schicht zu beiden Seiten des Fadens oder der Litze möglichst gering ist und in der glei­ chen Größenordnung wie die Dicke des Fadens bzw. der Litze liegt.
Insbesondere hat sich gezeigt, daß eine mit Metalldrähten (beispielsweise Stahldrähten, Stahlsaiten, Stahlcord oder Stahllitzen) versehene Gummschicht, welche an steifen Platten oder Bändern angebracht ist, diesen eine ausgezeichnete Ener­ gieaufnahmekapazität verleiht, wenn die Schwingungsamplitude senkrecht zur Richtung der Metalldrähte weist.
Bei einer streifenförmigen Ausbildung des energieabsorbierenden Elements mit Schichtaufbau sind vorzugsweise die in sich ver­ drehten Stahldrahtlitzen in Längsrichtung des streifenförmigen Elements ausgerichtet. Ein derartiges Element kann als eine einfache Blattfeder verwendet werden, wobei die Biegelast senk­ recht zu den Berührungsflächen der Schichten innerhalb des streifenförmigen Elements aufgenommen wird. Eine derartige Blattfeder weist eine Energieaufnahmekapazität auf, die we­ sentlich höher als die einer üblichen Blattfeder ist. Darüber hinaus ist eine solche Feder wesentlich leichter als übliche Stahlblattfedern. Vorzugsweise kann eine Verankerungsschicht zwischen der Schicht aus steifem Material und der visko-ela­ stischen Schicht angeordnet sein. Als Verankerungsschicht kommt beispielsweise ein Glasfasergewebe in Betracht, dessen eine Seite in die elastomere Schicht, dessen andere Seite in die Oberfläche des wärmeaushärtenden Harzes der steifen Schicht während der Herstellung des Elements mit Schichtaufbau einge­ bettet wird.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines energieabsorbierenden Elements mit Schichtaufbau in Form eines Streifens;
Fig. 2 ein Adsorptionsdiagramm der mechanischen Schwin­ gungen eines bekannten, energieabsorbierenden Elements mit Schichtaufbau, und
Fig. 3 ein entsprechendes Absorptionsdiagramm eines die­ selben Abmessungen aufweisenden, energieabsorbie­ renden Elements mit Schichtaufbau nach Fig. 1.
Das in Fig. 1 gezeigte, streifenförmige, energieabsorbierende Element mit Schichtaufbau umfaßt eine Kernschicht bzw. steife Schicht 1, beispielsweise aus Kunstharz, welche in Längsrich­ tung mit Glasfasern verstärkt ist. Diese steife Schicht 1 ist beidseits mit Verankerungsschichten 2, beispielsweise aus Glas­ fasergewebe bedeckt, wobei die Kettfäden und Schußfäden mit der Längsachse des Streifens je einen Winkel von angenähert 45° einschließen. Die Verankerungsschichten 2 sind jeweils Teil einer visko-elastischen Schicht 3. In die Schichten 3 ein­ gebettete, in sich verdrehte Fasern 4 in Bündelform - beispiels­ weise Stahllitzen - können ebenfalls in Längsrichtung des Streifens orientiert sein.
Die Schwingungsabsorptionsdiagramme der Fig. 2 und 3 wurden jeweils mit Hilfe eines Oszilloskops oder Oszillo­ graphen aufgezeichnet, wobei auf der Abszisse die Adsorp­ tionszeit t und auf der Ordinate die Amplitude a der Schwin­ gung aufgetragen ist. Die streifenförmigen energieabsorbie­ renden Elemente mit Schichtaufbau hatten in beiden Messungen die gleichen Ab­ messungen und wurden dem gleichen Biegeversuch unter­ worfen. Bei einem solchen Biegeversuch war ein Strei­ fenende in einer Einspannvorrichtung fixiert, während das andere vom Einspannpunkt 200 mm entfernte Ende einer Biegekraft (Biegemoment) von 143 N · mm senkrecht zur (großen) Oberfläche des Elements mit Schichtaufbau ausgesetzt wurde. Die Streifenbreite betrug jeweils 20 mm, die Streifendicke 8 mm.
In den Fig. 2 und 3 ist die Auslenkung a des freien Endes jeweils eines streifenförmigen Elements mit Schichtaufbau gezeigt, wobei das freie Ende zur Zeit t = 0 kurzzeitig ausgelenkt und dann wieder losgelassen wurde.
Derjenige Streifen, dessen Untersuchung das Diagramm in Fig. 2 ergab, bestand aus einer steifen Schicht 1 aus glasfaserverstärktem Kunstharz mit einer Dicke von 1,64 g/cm3, mit einem Elastizitätsmodul (Youngscher Modul) von 20 800 N/mm2, und einer Dicke von 5 mm. Beide visko- elastischen Schichten 3 bestanden aus vulkanisiertem Gummi - oder Kautschukstreifen einer Dicke von je 1,5 mm. Die Zeitdauer, die notwendig war, um die Schwingung soweit zu absorbieren, so daß die Schwingungsamplitude zu null wurde, betrug etwa 4,11 Sekunden.
Das Diagram in Fig. 3 ist das Ergebnis einer Messung mit einem energieabsorbierenden Element mit Schichtaufbau nach der Erfindung. Dieses Element bestand aus einer steifen Schicht 1 derselben Zu­ sammensetzung und derselben Dicke (5 mm) wie das der Messung der Fig. 2 zugrunde liegende Element. Diese steife Schicht 1 war jedoch auf beiden Seiten mit Gummi­ streifen 3 einer Dicke von 1,5 mm bedeckt, in die eine Reihe herkömmlicher, mit Messingüberzug versehener Stahllitzen 4 eingebettet waren. Jede Litze 4 hatte einen Aufbau 0,30 mm + 6 · 0,25 mm, d. h. aus kohlenstoff­ reichem Stahldraht mit 0,30 mm Durchmesser, um welche 6 Drähte mit je 0,25 mm Durchmesser gewunden sind. Die Litzen 4 waren in Längsrichtung des Elements orientiert, mit einer Dichte von 20 Litzen pro cm Elementbreite.
Die Bruchdehnung der Litzen 4 lag bei etwa 26%. Wie Fig. 3 zeigt, ist das zur Absorption der Schwingung notwendige Zeitintervall extrem kurz: 0,275 Sekunden.
Man nimmt an, daß die Verdrehung oder Verdrillung (Twist) der Faserbündel (Verdrillung der Faser inner­ halb eines Bündels und/oder Verdrillung des Bündels als Ganzes) insbesondere bei Seilen die Dämpfungskapa­ zität erhöht. Der Einbau von Faserbündeln, beispiels­ weise Stahl-Cord mit hoher Dehnungsfähigkeit (5 bis 10% Bruchdehnung) kan in besonderen Anwendungsfällen zweckmäßig sein. Man nimmt an, daß neben einer überragen­ den chemischen Bindung des Gummis an messing- oder zink­ beschichtete Stahlseile die gute mechanische Verankerung des Gummis zwischen den Stahldrähten in den Seilen das Dämpfungsverhalten verbessert. Es ist daher zweckmäßig, Stahldrähte zu verwenden, die ein gutes Eindringen des Gummis zwischen die verdrillten Drähte erlauben. Die An­ wesenheit von Stahlfäden im Gummi begünstigt zudem die Ableitung der während der Schwingung im Elastomer er­ zeugten Wärme. Bekanntlich wird ja bei der Dämpfung mechanischer Vibrationen mechanische Energie in Wärme umgewandelt.
Eine gute Wärmeableitung ist wichtig, um die Verschlech­ terung der Qualität des Gummis und seiner Bindung an die Stahlfäden in den Seilen aufzuhalten oder zu verzögern, insbesondere, wenn das Element mit Schichtaufbau andauernd oder für lange Intervalle Vibrationskräften oder periodischen, mechanischen Lasten (Biegung, Torsion, Scherung usw.) ausgesetzt wird. Zweckmäßigerweise kann bei dem Element mit Schichtaufbau gemäß Fig. 1 an der oberen und/oder der unteren Seite zusätzlich eine an der Elastomerschicht anzu­ bringende steifen Platte vorgesehen sein, wodurch die Dämp­ fungswirkung aufgrund der Scherungsverformung im Elastomer besser ausgenutzt wird. Wenn diese zusätzliche Platte (bzw. Platten) aus Metall besteht, wird hierdurch zu­ sätzlich die Steifheit und die Wärmeableitung innerhalb der Elastomerschichten verbessert.
Das Element mit Schichtaufbau, das ein hohes Absorptionsvermögen hat, kann auch beispielsweise als Stützbalken oder Träger von Brücken, Blattfedern für Fahrzeuge, Dämpfer verschiedener Art, Torsionsstäbe usw. angewandt werden.

Claims (14)

1. Energieabsorbierendes Element mit Schichtaufbau, insbesondere Feder-, Stoß- oder Schwingungsdämpfer, umfassend zumindest eine mit einer visko-elastischen Schicht verbundene steife Schicht, gekennzeichnet durch in die visko-elastische Schicht (3) eingebettete Fasern (4).
2. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die visko-elastische Schicht (3) zumindest teilweise aus vulkanisierbaren Elastomeren, insbeson­ dere Kautschuk oder Gummi besteht.
3. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die visko-elastische Schicht (3) zumindest teilweise aus flexiblem, thermoplastischem Material besteht.
4. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Glasfasern und/oder Carbonfasern und/oder Borfasern sind.
5. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Polyamidfasern und/oder Polyamidfa­ sern und/oder Polyesterfasern sind.
6. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Metallfasern, insbesondere Stahlfasern (4) sind, welche vorzugsweise messing- oder zinkbe­ schichtet sind.
7. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) in sich verdreht oder verdrillt sind.
8. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern gewellt und/oder abgebogen sind.
9. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zumindest zu einem Faserbündel (4) zusammengefaßt sind.
10. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchdehnung des Faserbündels (4) 10% nicht überschreitet.
11. Energieabsorbierendes Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in sich verdrehte Faserbündel (4) aus Stahl- Cord oder Stahldrahtlitze besteht, mit einer Bruch­ dehnung zwischen 1,5% und 8%.
12. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern miteinander verwoben sind.
13. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die steife Schicht (1) teilweise aus verstärktem, vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.
14. Energieabsorbierendes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die steife Schicht (1) teilweise aus verstärktem, vorzugsweise glasfaserverstärktem, wärmeaushärtenden Kunstharz besteht.
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