DE4228847C1

DE4228847C1 - Metallischer Dämpfungskörper

Info

Publication number: DE4228847C1
Application number: DE4228847A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr Kraemer; Rainer Dr Renz; Martin Schlegl
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-08-29
Filing date: 1992-08-29
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2012-08-30
Also published as: JPH06174010A; GB2270137B; GB2270137A; FR2695176B1; FR2695176A1; US5398916A; GB9317065D0

Description

Die Erfindung betrifft einen metallischen Dämpfungskörper nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispielsweise aus der Zeitschrift ZwF 84 (1989) 4, Seiten 215 bis 217, P. Tautzenber ger, "Dämpfungsvermögen von Formgedächtnis-Legierungen" als be kannt hervorgeht.

In dieser Literaturstelle wird auf das gegenüber sonstigen Metal len vergleichsweise hohe Dämpfungsvermögen von Formgedächtnisle gierungen insbesondere im martensitischen Gefügezustand hingewie sen. Das Dämpfungsvermögen ist jedoch nicht gleichbleibend hoch, sondern ändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen Einflußgrö ßen. Als für die Höhe der Dämpfung von Formgedächtnislegierungen relevante Faktoren werden in der zitierten Literaturstelle ge nannt:

- Gefügezustand, nämlich martensitisch oder austenitisch,
- Betriebstemperatur; um die Martensit-Start-Temperatur herum ist die Dämpfung optimal hoch,
- Höhe der Wechseldehnung; bei hohen Wechseldehnungen dämpft das martensitische Gefüge über einen breiten Temperaturbe reich sehr wirkungsvoll,
- statische Grundlast; Näheres dazu weiter unten,
- mechanische und thermische Vorbehandlung sowie Alterungszu stand.

Im Zusammenhang mit einer statischen Vorspannung eines Dämpfungs körpers aus Formgedächtnislegierung und deren Auswirkung auf das Dämpfungsverhalten wird ausgeführt, daß durch Anlegen einer sta tischen Vorspannung bevorzugte Martensitvarianten entstehen, die die Größe der hochbeweglichen Grenzflächen in dem Werkstoff ver mindern, was eine Abnahme der Dämpfung zur Folge habe. Die Anmel derin kann diese Beobachtung nur zum Teil bzw. nur unter bestimm ten Voraussetzungen bestätigen. Beispielsweise konnten die hohen Dämpfungswerte bei Ausbildung des Dämpfungskörpers in Form von Lagerschalen oder sonstigen flachen Dämpfungsunterlagen nicht realisiert werden.

In der DE-Z Maschinenmarkt 93, 1987, Seiten 58 bis 61 wird in einem Beitrag von E. Hornbogen "Sensor, Stellglied und Antrieb - Schersystem in den Kristallen von Legierungen mit Formgedächtnis übernimmt die Rolle der Gelenke" u. a. unter Hinweis auf ein drei dimensionales Umwandlungsdiagramm ausgeführt, daß der Zweiwegef fekt bei Formgedächtnislegierungen im Martensit-Austenit-Gefüge zustand bereits vor Erreichen der kompletten Bildung der Hoch temperaturphase A_f liegt und im Bereich der der Pseudoelastizität schon unterhalb der Proportionalitätsgrenze R_p beendet ist.

In einem älteren Patent der Anmelderin - DE-PS 41 28 451 - wird ein gattungsgemäßer Dämpfungskörper gezeigt, der aus Metallkör nern gesintert oder aus mehreren Blechlagen lamelliert oder aus eng gepackten Metallstiften zusammengesetzt ist, wobei nebenein ander zugleich unterschiedlich zusammengesetzte Formgedächtnis legierungen zum Einsatz gelangen sollen, die sich hinsichtlich ihrer Martensit-Start-Temperatur unterscheiden. Damit soll eine temperaturmäßige Spreizung der guten Dämpfungswirkung des Däm pfungskörpers über einen größeren Temperaturbereich erreicht wer den. Es wird die Dämpfung im Martensit-Austenit-Umwandlungsbe reich ausgenutzt; im übrigen wird eine mechanische Vorspannung vom Dämpfungskörper bewußt ferngehalten. In zweckmäßigen Ausge staltungen wird die Einlagerung feinverteilter Hohlstellen im Gefügeverbund des Formgedächtniskörpers - z. B. durch Sintern, insbesondere mit einem Porenvolumenanteil von 15 bis 40% - em pfohlen, um dadurch auch bei Druckbeanspruchung einen eindimen sionalen Spannungszustand im Dämpfungskörper sicherzustellen, der die hohen Dämpfungswerte der Formgedächtnislegierung trotz der in so weit an sich ungünstigen Belastungsart voll zum Tragen bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten metallischen Dämpfungskörper aus Formgedächtnislegierung dahinge hend zu verbessern, daß eine hohe Dämpfungswirkung auch bei hoher mechanischer Beanspruchung des Dämpfungskörpers erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male von Anspruch 1 gelöst.

Dank der Verwendung von stark mechanisch vorgespannten Formge dächtnislegierungen in austenitischem Zustand wird der pseudo elastische Bereich dieses Legierungstyps bzw. dieses Gefügezu standes zu Dämpfungszwecken ausgenutzt, der mit einer sehr star ken Hysterese einhergeht.

Zweckmäßigerweise wird bei druckbeanspruchten Dämpfungskörpern eine poröse oder hohlraumbehaftete Struktur des Dämpfungskörpers gemäß Anspruch 2 vorgesehen, um auch bei solchen Dämpfungsglie dern die Dämpfung voll zum Tragen zu bringen. Dieser Ausgestal tung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine bei Druckbelastung zu beobachtende Dämpfungsreduzierung eines massiven Dämpfungskör pers - zumindest auch - durch das Auftreten mehrachsiger Span nungszustände aufgrund behinderter Querdehnung innerhalb des Däm pfungskörpers verursacht ist, die eine innere Grenzflächenreibung und somit eine Dämpfungswirkung reduzieren. Durch die vorgeschla gene Porosität oder Hohlraumverteilung im Innern des Dämpfungs körpers wird das Auftreten mehrachsiger Spannungszustände verhin dert, so daß die gegenseitige Beweglichkeit der inneren Grenzflä chen nicht gestört ist und diese sich aneinander reiben können.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Beispiel eines rohr förmigen, zugbelasteten Dämpfungskörpers aus Formge dächtnislegierung, der in einen Dämpfungsfuß für eine Maschine integriert ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei spiel eines aus Formgedächtnislegierung bestehenden, druckbelasteten, gesinterten Dämpfungskörpers, eben falls am Beispiel eines Dämpfungsfußes für eine Maschi ne,

Fig. 3 eine stark vergrößerte Einzeldarstellung des Sinterge füges des Dämpfungskörpers nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein Spannungs-/Dehnungs-Diagramm für einen metallischen Formgedächtnis-Werkstoff in austenitischem Gefügezu stand.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel stützt sich eine Maschine 1 über einen Dämpfungsfuß 2 auf einem Hallenboden ab, wobei in den Dämpfungsfuß 2 ein auf Zug beanspruchter Dämp fungskörper 3 integriert ist. Die Beanspruchungsrichtung 11 auf grund des Eigengewichtes der Maschine 1 ist durch den entspre chenden Pfeil 11 dargestellt; der Dämpfungsfuß 2 ist insgesamt also auf Druck belastet. Um trotz dieser Druckbelastung des Dämp fungsfußes den dort integrierten Dämpfungskörper 3 auf Zug zu beanspruchen, muß der Kraftfluß innerhalb des Dämpfungsfußes 2 mehrfach umgelenkt werden. Zu diesem Zweck ist in dem Dämpfungs fuß 2 eine Aufnahmeglocke 4 vorgesehen, die mit ihrem oberen Flansch an der Maschinenunterseite angeschraubt ist. Der unten liegende Boden der Aufnahmeglocke 4 bildet ebenfalls einen radial nach innen stehenden Flansch, an den der rohrförmige und an bei den Enden mit einem Anschraubflansch versehene Dämpfungskörper 3 befestigt ist. Der Dämpfungskörper 3 besteht aus einer metalli schen Formgedächtnislegierung, die bei Betriebstemperatur, also im üblichen Fall bei Raumtemperatur, im austenitischen Gefügezu stand vorliegt. Durch den rohrförmigen Dämpfungskörper 3 hindurch erstreckt sich ein Druckstab 5, der mit seinem oberen Befesti gungsflansch an dem oberen Ende des Dämpfungskörpers 3 befestigt ist und unterseitig aus der Aufnahmeglocke 4 herausragt. Dort ist er in eine Fußplatte 6 eingesteckt und mit ihr befestigt. Auf grund des Eigengewichtes der Maschine 1 sind sämtliche beteilig ten Teile, nämlich die Aufnahmeglocke 4, der Dämpfungskörper 3 und der Druckstab 5 mit der gleichen Kraft in Beanspruchungsrich tung 11 beaufschlagt. Durch eine geeignete Querschnittsbemessung des Dämpfungskörpers 3 kann nun dafür gesorgt werden, daß diesem eine in der Nähe unterhalb der Proportionalitätsgrenze 13 im Span nungs/Dehnungs-Diagramm nach Fig. 4 der Formgedächtnislegierung liegende Vorspannung σ_v aufgeprägt ist. In der Regel beginnt nahe unterhalb der Proportionalitätsgrenze einer Formgedächtnislegie rung ein Bereich sog. pseudoelastischer Dehnung mit reversibler, aber nur unter verlorener Arbeitsleistung darstellbarer Verfor mung. Bei einer entsprechenden Vorspannung kann auch bei geringen Wechselspannungen der dämpfungswirksame Bereich der pseudoelasti schen Dehnung als Betriebsspannungsbereich 15 erreicht bzw. aus genutzt werden. Eine so hohe Vorspannung des Dämpfungskörpers 3′ setzt allerdings voraus, daß die Maschine 1 ein entsprechend ho hes Eigengewicht hat, weil der rohrförmige Dämpfungskörper 3 sich nicht beliebig dünnwandig gestalten läßt. Dank einer hohen Vor spannung des Dämpfungskörpers aus Formgedächtnislegierung kommt die Dämpfungseigenschaft dieses Werkstoffes besonders wirkungs voll zur Geltung, was anhand des Spannungs/Dehnung-Diagrammes gemäß Fig. 4 kurz erläutert werden soll.

In dem Spannungs/Dehnungs-Diagramm nach Fig. 4 ist die Span nungs/Dehnungs-Kurve für eine Zugprobe aus einer Formgedächtnis legierung in austenitischem Zustand eingezeichnet. Im Bereich niedriger Dehnungen folgt die Spannungs/Dehnungs-Kurve weitgehend einer Hook′schen Geraden 12, d. h. die Spannung σ (sigma) steigt proportional zur Dehnung (epsylon) linear an. Ab einem bestimmten Wertepaar von Spannung bzw. Dehnung, der in dem Diagramm mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist, der sogenannten Proportionalitäts grenze 13, weicht bei zunehmender Dehnung die Spannung von der Hook′schen Geraden 12 deutlich ab und die Spannungs/Dehnungs-Kur ve nimmt einen flacheren Verlauf. Charakteristisch für Formge dächtnislegierungen in austenitischem Zustand ist, daß in dem nichtlinearen Bereich der Spannungs/Dehnungs-Kurve diese einen relativ flachen Verlauf über der Dehnung aufweist, d. h. das Ma terial dehnt sich bei relativ geringer Spannungszunahme. Die Be sonderheit des Formgedächtniswerkstoffes liegt nun darin, daß auch diese starken Dehnungen im nichtlinearen Bereich reversibel sind, wobei jedoch die Kurve bei Entlastung (Kurvenzug 17′) einen anderen Verlauf nimmt als bei Belastung (Kurvenzug 17). Und zwar fällt - ausgehend von dem bspw. hier angenommenen Punkt 16 höch ste Belastung - die Spannung etwa parallel zur Hook′schen Geraden 12 ab und geht dann in einem flacheren Verlauf über. Je nach Um fang der Entlastung kehrt der für die Entlastung wirksame Kurven zug 17′ mehr oder weniger früh in den für die Belastung maßgeben den Kurvenzug 17 zurück. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist praktisch eine vollständige Entlastung eingezeichnet. Bei sehr kleinen Entlastungen, wie sie bspw. bei Schwingungen auftre ten, würde der entlastende Kurvenzug 17′ sehr bald wieder in den belastenden Kurvenzug 17 übergehen. In jedem Fall ist jedoch festzuhalten, daß der belastende und der entlastende Kurvenzug gemeinsam eine Hystereseschleife mit relativ großem eingeschlos senem Flächeninhalt bilden, wobei der Flächeninhalt ein Maß für die Verlustarbeit bei dem Belastungs/Entlastungszyklus darstellt. Dank des deutlichen Unterschiedes zwischen der Hook′schen Geraden 12 einerseits und das relativ flachen Verlaufes im nichtproporti onalen Bereich andererseits ist dieser Flächeninhalt relativ groß, so daß eine hohe Dämpfung eintritt. Andererseits tritt die ser Effekt nur dann ein, wenn der Arbeitsbereich 15 im pseudoela stischen Bereich liegt, der bereits unterhalb der Proportionali tätsgrenze 13 beginnt. Solange die Belastungen bzw. Betriebsspan nungen unterhalb des pseudoelastischen Bereiches liegen, ist die Dämpfung zwar nach wie vor höher als mit normalen Stählen, liegt jedoch deutlich niedriger als bei den eben angesprochenen höheren Betriebsspannungen. Als Untergrenze für die Betriebsspannung ist in das Diagramm nach Fig. 4 eine Vorspannung σ_v eingetragen, die in der Nähe der Obergrenze des Proportionalitätsbereiches 14 liegt und die Untergrenze des für die erhöhte Dämpfung ausgenütz ten Arbeitsbereiches 15 markiert. Die Obergrenze des Arbeitsbe reiches 15 ist bestimmt durch einen ausreichend großen Abstand gegenüber der Bruchdehnung des verwendeten Werkstoffes.

Dank der Zugbeanspruchung des Dämpfungskörpers 3 nach Fig. 1 liegt in dem Werkstück lediglich ein eindimensionaler Spannungs zustand vor; die Querdehnung bzw. Querkontraktion des Werkstoffes ist nicht behindert. Bei diesem Belastungsfall kommen die Dämp fungseigenschaft des Werkstoffes ohne weiteres voll zum Tragen.

Anders ist es hingegen bei druckbeanspruchten Dämpfungskörpern, die mit Rücksicht auf eine ausreichende Knicksicherheit nicht besonders schlank ausgebildet werden dürfen, so daß sich dort formbedingt eine gewisse Querdehnungsbehinderung und somit ein mehrdimensionaler Spannungszustand einstellt, der der vollen Ent faltung der dämpfungswirksamen Eigenschaften entgegensteht. Um dem entgegenzuwirken, ist es zweckmäßig, in Inneren eines druck beanspruchten Dämpfungskörpers eine Vielzahl eng benachbarter, kleiner, gleichmäßig verteilter Hohlräume anzuordnen, die gemein sam wenigstens etwa 5%, vorzugsweise etwa 15 bis 40% des Ge samtvolumens des Dämpfungskörpers ausmachen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 ist ein solcher druck beanspruchter Dämpfungskörper 3′ vorgesehen, der in den Dämpfungs fuß 2′ für eine Maschine 1′ integriert ist. Die Hohlräume 7 in diesem Dämpfungskörper 3′ sind hier dadurch gebildet, daß der Dämpfungskörper aus Metallkörnern 8 aus Formgedächtnislegierung zu einem porösen Verbund zusammengesintert ist. Da insbesondere bei druckbeanspruchten Dämpfungskörpern mit Rücksicht auf eine ausreichende Knickstabilität die Querschnitte nicht beliebig klein gewählt werden können, muß in der Regel davon ausgegangen werden, daß das abzustützende Maschinengewicht nicht ausreichend groß ist, um die gewünschte hohe Vorspannung in dem Dämpfungskör per zu erreichen. Aus diesem Grunde ist bei dem in Fig. 2 darge stellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß der Dämpfungskörper an beiden quer zum Kraftfluß der Beanspruchung 11 liegenden Stirnseiten mit Druckplatten 9 überdeckt ist, die ihrerseits durch einen im Kraftfluß parallel zur Beanspruchung liegenden Zuganker 10 verspannt sind und den Dämpfungskörper statisch vor spannen. Je nach Legierungszusammensetzung des gewählten Formge dächtniswerkstoffes und je nach Art der thermomechanischen Vorbe handlung des daraus gefertigten Dämpfungskörpers kann die erfor derliche Vorspannung σ_v im Bereich von 200 bis 800 N/mm², vor zugsweise 300 bis 500 N/mm² zu wählen sein.

Claims

1. Metallischer Dämpfungskörper zum Dämpfen von stoßartigen und/oder periodisch wechselnden Beanspruchungen, bei dem der für die Dämpfung maßgebende Werkstoff aus einer Formgedächtnislegierung besteht, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Formgedächtnislegierung derart ausgewählt ist, daß sie bei Betriebstemperatur des Dämpfungskörpers (3, 3′) in austenitischem Gefügezustand vorliegt und
- daß dem Dämpfungskörper (3, 3′) eine so hohe mechanische Vor spannung (σ_v) aufgeprägt ist, daß der Arbeitsbereich (15) bei der Dämpfung im Bereich der pseudoelastischen Dehnung der ge wählten Formgedächtnislegierung liegt, die nahe unterhalb der Proportionalitätsgrenze (13) im Spannungs/Dehnungs-Diagramm der Formgedächtnislegierung beginnt und sich oberhalb des Proportionalitätsbereiches (14) fortsetzt.

2. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckbeanspruchung des Dämpfungskörpers (3′) in dessen Inneren eine Vielzahl eng benachbarter, kleiner, gleichmäßig ver teilter Hohlräume (7) angeordnet ist, die gemeinsam wenigstens etwa 5%, vorzugsweise etwa 15 bis 40% des Gesamtvolumens des Dämpfungskörpers (3′) ausmachen.

3. Dämpfungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (7) im Dämpfungskörper (3′) dadurch gebildet sind, daß er aus Metallkörnern (8) aus Formgedächtnislegierungen zu einem porösen Verbund gesintert ist.

4. Dämpfungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der druckbeanspruchte Dämpfungskörper (3′) an beiden quer zum Kraftfluß der Beanspruchung (11) liegenden Stirnseiten mit Druck platten (9) überdeckt ist, die ihrerseits durch wenigstens einen im Kraftfluß parallel zur Beanspruchung (11) des Dämpfungskörpers (3′) liegenden Zuganker (10) verspannt sind und den Dämpfungs körper (3′) statisch vorspannen.

5. Dämpfungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Formgedächtnislegierung bestehende Dämpfungskörper (3, 3′) auf eine mechanische Vorspannung (σ_v) von etwa 200 bis 800 N/mm², vorzugsweise von etwa 300 bis 500 N/mm² vorbelastet ist.