DE1161454B

DE1161454B - Vorgefertigtes, plattenfoermiges, lastaufnehmendes Bauelement

Info

Publication number: DE1161454B
Application number: DEB57932A
Authority: DE
Inventors: Jerome Emil Ruzicka
Original assignee: Barry Controls Corp
Current assignee: Hutchinson Aerospace and Industry Inc
Priority date: 1959-05-22
Filing date: 1960-05-20
Publication date: 1964-01-16
Also published as: GB888259A; US3110369A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4mWmt PATENTAMT Internat. Kl.: F06f

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 47 a-20

B 57932 XII/47 a
20. Mai 1960
16. Januar 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein vorgefertigtes, plattenförmiges, lastaufnehmendes Bauelement für Bauwerke, Maschinen, Geräte od. dgl., insbesondere für Rahmenbaukonstruktionen, welches zwei tragende metallische Platten- oder Blechlagen unterschiedlicher Stärke aufweist, die durch eine dünne viskose oder viskoelastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind, die so ausgebildet ist, daß sie die Verschiebung der beiden Lagen gegeneinander dämpft und gleichzeitig diese beiden Lagen miteinander verbindet.

Es ist bereits bekannt, die Schallabstrahlung von tragenden Bauelementen, die durch mechanische Schwingungen angeregt sind, z. B. vom Motor des Autos her zu Schwingungen angeregte Karosserieteile, dadurch zu verhindern, daß zwei tragende Bauelemente in Gestalt von Blechen durch eine dünne viskose Zwischenschicht verbunden sind, die so ausgebildet ist, daß sie die Verschiebung der beiden Flächen gegeneinander dämpft und gleichzeitig die Flächen miteinander verbindet. Bei dieser Verhinderung der Schallabstrahlung, die eine Dämpfung der mechanisch angeregten Schwingungen bedeutet, ist es bekannt, Bauelemente mit verschieden starken Blechen zu verwenden.

Bei der Ausbildung derartiger Bauelemente ist man bestrebt, optimale Dämpfungsverhältnisse unter Einhaltung optimaler lastaufnehmender Eigenschaften und unter Materialeinsparung zu erzielen.

Erfindungsgemäß werden diese optimalen Verhältnisse dadurch erzielt, daß die dünnere Lage aus einem Material mit größerem Elastizitätsmodul besteht als die dickere Lage. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Elastizitätsmodul der dünneren Lage etwa dreimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul der dickeren Lage. Zweckmäßigerweise kann die dickere Lage aus einem Leichtmetall, wie Aluminium oder Magnesium, und die dünnere Lage aus einem Material wie Stahl oder Beryllium gefertigt sein.

Obwohl es naheliegend ist, bessere Dämpfungsverhältnisse durch eine Verstärkung der Schichtdicke der dünnen viskosen oder viskoelastischen Zwischenschicht zu erzielen, hat sich herausgestellt, daß diese Schichtdicke aus konstruktiven Grenzen beschränkt ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Wahl der Ε-Modulen der Platten- und Blechlagen eine vorteilhafte Lösung des sich daraus ergebenden Problems möglich ist.

An Hand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung und insbesondere die durch die Erfindung überraschende Wirkung nochmals eingehend erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Vorgefertigtes, plattenförmiges, lastaufnehmendes Bauelement

Anmelder:

Barry Controls Incorporated, Watertown, Mass.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsberger Str. 19

Als Erfinder benannt:

Jerome Emil Ruzicka, Brighton, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1959

(Nr. 815 051)

plattenförmigen, lastaufnehmenden Bauelementes gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm der statischen Steifigkeit und der Änderung eines speziellen Parameters für das Dämpfungsverhalten in Abhängigkeit von den Stärkenverhältnissen der geschichteten Lagen für ein vorgefertigtes, plattenförmiges, lastaufnehmendes Bauelement,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch das Bauelement im Zustand einer Biegung, welche eine viskose Scherverformung erzeugt,

Fig. 4 ein Diagramm der Resonanzverhältnisse für Grundschwingungen bei Resonanz in Abhängigkeit vom Viskositätsverhältnis,

F i g. 5 eine Kurvenschar zur Darstellung der optimalen Dämpfung bei Resonanz in Abhängigkeit vom Lagenstärkenverhältnis,

Fig. 6 ein Diagramm, welches den Dämpfungsparameter in Abhängigkeit vom Lagenstärkenverhältnis zeigt, wobei die Lagen gemäß der Erfindung einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweisen, und

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der optimalen Dämpfung bei Resonanz in Abhängigkeit von Lagenstärkenverhältnissen bei Lagen mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul.

Die im folgenden dargelegten Untersuchungen zeigen zum erstenmal eingehend und in Form einer

309 779/118

dem Fachmann gegebenen Anweisung, in welcher Art die sogenannten Lagenstärken die Eigenschaften des lastaufnehmenden Bauelementes beeinflussen und daß optimale Lagenstärkenverhältnisse vorhanden sind.

Wenn zwei Tafellagen Ία und 8a aus dem gleichen Material (Fig. 1) die angegebenen StärkenA₁ und/?.,

haben und das Verhältnis ~ entlang der Abszisse

eines Diagramms (Fig. 2) und auf der Ordinate als Funktion davon das Verhältnis der Steifigkeit der aus Lagen zusammengesetzten Tafel zur Steifigkeit einer massiven Tafel von der Stärke A₁ +A₂ aufgetragen wird, so ergibt sich eine Kurve 17. Der Verlauf dieser Kurve läßt erkennen, daß vom Gesichtspunkt der Tragfähigkeit gegenüber Belastungen praktisch kein Vorteil erzielbar ist wenn man die dünnere Lage la dicker macht als zwei Drittel der Dicke der anderen Lage. Dieser Grenzwert ist durch den Punkt 18 angedeutet. Jenseits dieses Grenzwertes, oberhalb desselben, bis zu einem zweiten Grenzwert, führt die größere Stärke der Lage Sa zu einer Verbesserung der Steifigkeit der Platte. Die obere Grenze, bis zu welcher eine solche Verbesserung der Steifigkeit der Platte erzielbar ist, ist im Diagramm durch den Punkt 19 angedeutet, und im Bereich 20 ist die Kurve in einer unterbrochenen Linie gezeichnet, denn dieser Bereich ist mit Rücksicht auf die geringe Steifigkeit der Lage A₁ bedeutungslos. Der Punkt 19 läßt sich leicht festlegen, wenn die dünnere Lage beispielsweise mindestens A₁ = 0,25 mm stark sein soll, andererseits aber die gesamte Dicke der Tafel A₁+A₂ eine vorgegebene Stärke, beispielsweise von 3,15 mm, nicht überschreiten soll. Unterhalb der Grenze von 0,25 mm sind die Metallbleche für Tafeln aus Aluminium, Magnesium, Beryllium und Stahl schon zu nachgiebig und folienartig, und es fehlt ihnen die Widerstandsfähigkeit gegen Reißen, Scheuern und Stöße, die für ein vorfabriziertes Platten- oder Tafelmaterial erforderlich ist. Wenn die dünnere Lage jedoch die genannte Mindeststärke hat, hat sie eine genügende Festigkeit, um den zu erwartenden, auf ihre Oberfläche einwirkenden Kräften und Beanspruchungen standzuhalten. Es ist wichtig, daß die dünnere Lage nicht lediglich einen dämpfenden Zubehörteil darstellt, sondern vielmehr tatsächlich zu der die Belastbarkeit bestimmenden Festigkeit der Tafel beiträgt.

Die Diagrammkurve 17 in F i g. 2 berücksichtigt nur die Einflüsse der beiden Lagen 7 α und 8ö nach Fig. 1 auf die Steifigkeit, während die Dämpfungsschicht 9 a im Vergleich zur Gesamtdicke von höchstens 3,15 mm von geringer Dicke A₁. ist. Die Dicke A₁, der dämpfenden Schicht ist genügend klein und ihre Viskosität genügend groß, um zu gewährleisten, daß die beiden Lagen mittels dieses Mediums aneinanderhaften und das vorfabrizierte Tafelmaterial wie massives Blech gehandhabt und bearbeitet werden kann.

In dem Medium werden in einer aus den Fig. 1 und 3 ohne weiteres ersichtlichen Weise Scherkraftdämpfungswirkungen hervorgerufen. Die F i g. 3 zeigt das Bauelement nach Fig. 1 in übertriebener Darstellung in einem Zustand hoher Biegeverformung, wie sie unter heftiger Schwingung oder bei Stoßen auftreten kann. Unter diesen dynamischen Bedingungen (Fig. 3) erfahren die beiden benachbarten Oberflächenpunkte 21 und 22 der zwei Lagen, die im Ruhezustand (Fig. 1) einander gegenüberliegen, eine Relativverschiebung, die durch eine Scherverformung des dämpfenden Mediums 9 a aufgenommen werden muß. das an den beiden Lagen anhaftet. Da beide Lagen steif sind, sind die Relativverschiebungen an ihren Zwischenflächen die Folge der beim Biegen an ihren einander abgewendeten Seiten auftretenden Zug- und Druckspannungen. Einflüsse, die den eben beschriebenen ähnlich sind, treten bei den Oberschwingungen auf und verursachen Scherspannungen und Energieverluste, selbst wenn die Relativbewegungen nur sehr gering sein mögen. Wegen der ausgedehnten Flächen der Tafeln entsteht eine große Gesamtdissipation der Energie.

Bei der Betrachtung der Werte der Viskositätskennzahlen und der Stärke der verwendeten dämpfenden Schichten ist es zweckmäßig, einen Parameter N einzuführen, der zur Steifigkeit der Tafel in folgender Beziehung steht:

K_n

Darin ist K^ die Steifigkeit der Tafel bei unendlich großer Dämpfung und K_n die Steifigkeit der Tafel bei der Dämpfung Null.

Da die Steifigkeit der Tafel sich mit der Biegesteifigkeit EI proportional ändert, wobei E der Elastizitätsmodul des Materials und / das Trägheitsmoment der Fläche in bezug auf die neutrale Faser der Biegung ist, ist der Parameter /V durch

Λ =

gegeben. Die Indizes ^ und 0 bezeichnen die Fälle der Dämpfung Unendlich bzw. der Dämpfung Null, und da die neutrale Linie der Biegung in beiden Fällen bekannt ist, ist / berechenbar.

Der Parameter Λ' gestattet die Bestimmung der optimalen Resonanzfrequenz f_r und der optimalen Resonanzverhältnisse Qop (Q = erregte Amplitude zu erregender Amplitude) für Tafeln aus den Gleichungen

worin /₀ die Resonanzfrequenz ohne Dämpfung ist, und

In erster Linie soll natürlich der Maximalwert der Resonanzverhältnisse Qop erniedrigt werden, und es ist offensichtlich, daß dies durch hohe Parameter N erzielbar ist. Die Ableitung von N aus den Stärken der beiden Lagen A₁ und A.„ der Dicke der dämpfenden Schicht A₁.. der Gesamtdicke der Tafel A (A = A₁ A., — A₁.) und den Elastizitätsmoduln E₁ und E.,

der dünneren und der dickeren Lage ergibt

N =

(E₁)

Qu)

(E₁)

(A₁)
Uh)

- 1

Aus dieser Gleichung ist auch ersichtlich, daß es erwünscht ist, das Verhältnis der Dicke der viskos

dämpfenden Schicht zur Gesamtdicke -ξ- auf einem gewissen endlichen Wert zu halten, wenn auch wegen der Stärken, die erzielbar sind und aufrechterhalten werden können, ohne daß die Gefahr des Aussickerns oder des unerwünschten relativen Schlupfes zwischen den Lagen auftritt, diesem Wert praktische Grenzen gesetzt sind.

Die Kurven 23 bis 27 in F i g. 2 zeigen eine Verbesserung dieses Parameters JV für die Fälle, daß beide Lagen aus dem gleichen Material bestehen, und für verschiedene Stärkenverhältnisse bei schrittweiser Steigerung des Verhältnisses der Stärke der dämpfen-

den Schicht zur Gesamtstärke ~ (Schichtstärken-

verhältnis), das für die einzelnen dargestellten Kurven die Werte 0,00, 0,05, 0,10, 0,15 bzw. 0,20 beträgt. Wie ersichtlich, tritt eine Zunahme des Parameters JV

auch bei Zunahme des Verhältnisses - der Lagen-

"2

stärken zueinander auf, obwohl der Grenzpunkt 18 der Festigkeitskurve 17 das Ausmaß des auf diese Weise erzielbaren Vorteils begrenzt. Wie im folgenden noch gezeigt wird, kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, daß die Maximalwerte von JV, die durch Vergrößerung des Schichtstärkenverhältnisses -γ- erzielbar sind, innerhalb des gewünschten

begrenzten Bereiches der Lagenstärken liegen, wenn man den Elastizitätsmodul der dünneren Metallage etwa dreimal so groß wählt wie den der dickeren Lage.

Es gibt spezielle Optimalwerte der Viskosität des viskosen dämpfenden Materials, um minimale Resonanzverhältnisse Q bei gegebenen Konstruktionen selbstdämpfender geschichteter Tafeln zu erzielen. Wenn jedoch der Parameter JV mindestens 2 beträgt, ist die Viskosität weniger kritisch. Die Kurvenschar 28 bis 34 in F i g. 4 zeigt die Verringerung der Einwirkung der Viskosität für den Fall, daß der Faktor JV von 0,5 bis 15 gesteigert wird. In dieser Figur ist auf

der Abszisse das Viskositätsverhältnis -^- logarith-

nop

misch aufgetragen. Auf der Ordinate ist im logarithmischen Maßstab das Resonanzverhältnis erregte Amplitude zu erregender Amplitude dargestellt. Das Verhältnis --*- ist jenes zwischen beliebig angenommenen Weiten μ der Viskosität zum optimalen Wert des Viskositätskoeffizienten μ_ορ. Die Kurven 31 bis 34 für JV-Werte von 2 und darüber verlaufen in den Bereichen in der Nähe des Viskositätsverhältnisses 1 breit und flach, und dies bedeutet, daß eine im wesentlichen optimale Dämpfung bei Konstruktionen mit hohem Wert JV erzielbar ist, auch wenn der Viskositätskoeffizient von dem genauen theoretischen Optimalwert abweicht. Bei einer Konstruktion, bei der JV annähernd 2 beträgt und bei der der Viskositätskoeffizient nur mit grober Annäherung optimal ist, wird trotzdem ein maximales Resonanzverhältnis von weniger als 3 erzielt, was natürlich gegenüber dem Resonanzverhältnis massiver Tafeln, das gewöhnlich zwischen 50 und 200 liegt, eine weitgehende Verbesserung darstellt.

Bei den in Betracht kommenden Abmessungen von vorfabriziertem Tafelmaterial, das von einer maximalen Stärke von etwa 3,15 mm ist und bei dem der Viskositätskoeffizient zwischen 500 000 und mehreren Millionen Centistoke beträgt, ist im allgemeinen nicht zu erwarten, daß die Stärke der dämpfenden Schicht h_v den Wert 0,63 mm überschreitet, wobei

das Dickenverhältnis ~" = 0,2 vom praktischen

Standpunkt einen hohen Wert hätte, und der Faktor JV würde ein Maximum bei 5 erreichen. Schwere Materialien auf Silikongrundlage, wie öle und Haftmittel, die Viskositätskoeffizienten zwischen etwa 500 000 und mehreren Millionen Centistoke haben, sind als Materialien für die dämpfende Schicht zufriedenstellend, da sie eine gleichförmige Dichte, permanent viskose Eigenschaften und eine hohe molekulare Haftfähigkeit an den bevorzugten Materialien für die Metallagen, wie Aluminium, Stahl, Magnesium und Beryllium sowie deren Legierungen, aufweisen. Die dämpfenden Schichten können aus anderen Materialien bestehen, die derartige Eigenschaften haben, und können auch so abweichende Formen annehmen wie die eines beiderseits mit dem dämpfenden Medium beschichteten Bandes od. dgl. Die Einflüsse einer Vergrößerung des Schichtdickenverhältnisses -£ auf das Resonanzverhältnis einer Tafel η

oder Platte aus zwei Lagen von gleichem Elastizitätsmodul bei Resonanz sind aus der Kurvenschar 35 bis 39 (Fig. 5) erkennbar. In dem Maße, in dem dieses Verhältnis von Null auf den obengenannten Wert von 0,2 in Stufen von je 0,05 gesteigert wird, sinkt das Resonanzverhältnis in vorteilhafter Weise über den gesamten Bereich der in Betracht kommenden Lagendickenverhältnisse. Soweit als möglich ist daher die Stärke der dämpfeeden Schicht zu steigern.

Wenn der Elasitizitätsmodul der dünneren Tafellage vergrößert wird, tritt der Maximalwert des Faktors JV bei einem geringeren Lagenstärkenverhältnis auf als in jenem Falle (Fig. 2), bei dem die Elastizitätsmoduln einander gleich sind. F i g. 6 zeigt den Faktor JV als Funktion des Lagenstärkenverhältnisses für eine Anordnung, bei der die dünnere Metallage einen Elastizitätsmodul hat, der etwa dreimal so groß ist wie der der dickeren Lage, wie dies bei Stahl und Aluminium der Fall ist. Die Kurven 40 bis 44 zeigen für steigende Verhältnisse der Stärke der dämpfenden Schicht zur Gesamtstärke (Schichtstärkenverhältnisse)

-j- das Auftreten von Spitzenwerten des Faktors JV bei einem Lagenstärkenverhältnis ~- von etwa 0,575,

"2

das innerhalb des in Betracht kommenden Bereiches der Lagenstärken liegt. Die Werte des Faktors JV können mit Vorteil an anderer Stelle innerhalb des ganzen Bereiches vergrößert werden. Bei einer Vergrößerung des Verhältnisses zwischen den Elastizitätsmoduln auf etwa 4, wie bei einer dünneren Lage aus Beryllium und einer dickeren Lage aus Aluminium, wird der Faktor JV im niedrigeren Teil des Bereiches der Lagendickenverhältnisse noch weiter gesteigert und bei einem Dickenverhältnis von etwa 0,5 auf den Maximalwert gebracht. Auch die Resonanzverhältnisse werden als Folge einer Steigerung des Verhältnisses der Elastizitätsmoduln in erwünschter Weise vermindert, wie dies aus den Kurven der F i g. 7 hervorgeht, die für eine Kombination einer Lage Stahlblech mit einer Lage Aluminiumblech

kennzeichnend sind. Wie ersichtlich, lassen die Kurven 45, 46 und 47 für die Schichtdickenverhältnisse

¹J- = 0,0,1 bzw. 0,2 in nennenswertem Maß niedrigere

Resonanzverhältnisse für die niedrigeren Lagendickenverhältnisse erkennen als die entsprechenden Kurven 35, 37 bzw. 39 in Fig. 5.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorgefertigtes, plattenförmiges, lastaufnehmendes Bauelement für Bauwerke, Maschinen, Geräte od. dgl., insbesondere für Rahmenbaukonstruktionen, welches zwei tragende metallische Platten- oder Blechlagen unterschiedlicher Stärke aufweist, die durch eine dünne viskose oder viskoelastische Zwischenschicht miteinander verbunden sind, die so ausgebildet ist, daß sie die Verschiebung der beiden Lagen gegeneinander dämpft und

gleichzeitig die beiden Lagen miteinander verbindet, dadurchgekennzeichnet, daß die dünnere Lage (7) aus einem Material mit größerem Elastizitätsmodul besteht als die dickere Lage (8).

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der dünneren Lage (7) etwa dreimal so groß ist wie der Elastizitätsmodul der dickeren Lage (8).

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dickere Lage (8) aus einem Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium, die dünnere Lage (7) aus einem Material wie Stahl oder Beryllium gefertigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 499 277.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen