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本发明公开了一种耗能减振装置(1)，包括具有内表面和外表面的托架(2)，所述托架在其至少一个表面上包括结合层(3)，其中所述托架(2)是耗能的并且阻尼损耗因子至少为0.2，并且其中所述结合层(3)由具有比托架(2)更高刚度的刚性材料制成。特有公开了使用所述耗能减振装置的系统和方法。

1.  一种耗能减振装置(1)，包括具有内表面和外表面的托架(2)，所述托架在其至少一个表面上包括结合层(3)，其中所述托架(2)是耗能的并且阻尼损耗因子至少为0.2，并且其中所述结合层(3)由具有比托架(2)更高刚度的刚性材料制成。

2.  根据权利要求1所述的耗能减振装置(1)，其中托架(2)由任选进行纤维增强的合成材料制成，尤其是热塑性合成材料，选自：聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPE)、聚砜(PPSU)和聚苯酰亚胺(PPI)，所述热塑性合成材料任选进行纤维增强，具有低的吸水性和高达180℃的尺寸稳定性。

3.  根据权利要求1所述的耗能减振装置(1)，其中所述托架(2)由至少两层的粘弹性夹层材料制成。

4.  根据权利要求3所述的耗能减振装置(1)，其中所述夹层材料包括至少一个由金属、尤其是由钢或铝制成的层，和至少一个基于粘弹性橡胶材料的层。

5.  根据权利要求4所述的耗能减振装置(1)，其中所述粘弹性橡胶材料具有1.4-1.8mm的厚度。

6.  根据权利要求4-5任一项所述的耗能减振装置(1)，其中根据DIN53440所述粘弹性橡胶材料在-15℃～+65℃温度范围内的损耗因子至少为0.10。

7.  根据权利要求4-6任一项所述的耗能减振装置(1)，其中所述粘弹性橡胶材料的面积重量为1.0-2.0kg/m²，优选1.2kg/m²。

8.  根据权利要求1-7任一项所述的耗能减振装置(1)，其中托架(2)的阻尼损耗因子至少为0.5。

9.  根据权利要求1-8任一项所述的耗能减振装置(1)，其中所述托架(2)具有任选被U形化的多边形横截面，尤其是矩形，在其至少一个表面上包括结合层(3)。

10.  根据权利要求1-9任一项所述的耗能减振装置(1)，其中结合层(3)包括在未固化状态下的密度为0.75～0.95kg/m³和吸水性小于5％的双组分环氧树脂泡沫。

11.  根据权利要求1-10任一项所述的耗能减振装置(1)，其中所述结合层(3)具有至少10.5Mpa的抗压强度。

12.  根据权利要求1-11任一项所述的耗能减振装置(1)，其中所述结合层(3)具有1-10,000Mpa，优选500-2,000Mpa的杨氏模量。

13.  根据权利要求1-12任一项所述的耗能减振装置(1)，其中结合层(3)在加热时是可膨胀的，其膨胀率为55～65％。

14.  一种包括结构元件(4)和权利要求1-13任一项所述的耗能减振装置(1)的系统，其中所述耗能减振装置(1)通过耗能减振装置(3)的结合层(3)被连接到结构元件上，并且耗能减振装置托架的刚度低于结构元件(4)的刚度。

15.  一种减少将来自振动发生器的振动传递至振动发生器通过结构元件所连接位置的方法，包括用用于消耗由所述振动发生器产生的振动能的装置装配所述结构元件，其特征在于那些装置包括根据权利要求1-13任一项所述的耗能减振装置。

16.  根据权利要求15所述用于减少来自机动车车辆内包括的振动发生器之一的振动传递至乘客室的至少一个构件的方法，振动发生器通过具有多边形特别是矩形横截面的管状杆形式的结构元件(4)连接至所述构件，包括依次：
-选择权利要求1-9任一项所述的耗能减振装置(1)，其尺寸使得其可被插入或固定到结构元件(4)上，托架(1)的刚度低于所述结构元件(4)的刚度，
-在接近振动发生器的位置，将耗能减振装置(1)插入或将耗能减振装置(1)固定到所述结构元件(4)上，并通过结合层(3)将所述耗能减振装置(1)与所述结构元件(4)连接。

17.  根据权利要求15或16任一项所述的方法，其中所述结合层(3)在加热时膨胀。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中选择所述耗能减振装置(1)的尺寸以使得获得在面向所述结构元件(4)表面的耗能减振装置(1)表面之间约1-10mm的空隙，并且通过加热使所述空隙闭合。

19.  根据权利要求17或18之一所述的方法，其中结合层(3)在130℃～240℃的温度下膨胀，优选在150℃～200℃的温度下膨胀。

20.  根据权利要求17-19任一项所述的方法，其中在用耗能减振装置(1)装配之后，使结构元件经电镀步骤作用，从而引起结合层(3)的膨胀。

减少振动的传递
技术领域
本发明涉及减少由振动发生器产生振动的传递。
在车辆中，由动力发生器如发动机、电机、泵或变速器而产生的振动通过结构元件向发光面如仪表板的传递，导致发出结构噪音。
为至少减少这种结构噪音，已经提出了不同的解决方案。在车辆构造中，已经提出了被动措施如求助减振器或者减振垫。这种减振垫通常被应用在振动板上，例如在车辆的门或地板上。这些方法的噪音减轻程度是令人满意的，但是它们的缺点也是很多的。
在常规方法中，沥青或柏油和高比重填料的混合物被挤压成片，由此可冲压或切割成适当的形状。然后将这些片结合到适当的金属板部件上，并且有时还必须通过加热使之适应所述板的形状。尽管由于它们低的材料成本，仍在频繁使用这些沥青片，它们是非常易碎的并且特别是在低温下往往会从金属板上剥离掉。同样，经常提到的引入添加剂也仅仅产生微小的改善，这对于很多应用是不够的。此外，将预成型的沥青部件应用到机械或车辆的形状复杂或几乎无法接近的金属板部件上(例如机动车车门空腔的内表面)是完全不可能的。此外还存在的缺点是，在许多情况下仅对于一部车辆或装置需要若干冲压件，从而要求昂贵的存储成本。
因而，作了很多努力以利用其他聚合物体系消除沥青片的缺点。例如，开发了可以所需的涂层厚度被喷在金属板部件上的、含有填料的聚乙酸乙烯酯或乙烯-乙酸乙烯共聚物的水性聚合物分散体。然而，由于无法足够迅速地将这些水从所述喷涂的涂层中除去，特别是当该涂层相当厚时，在高的生产速率下这些体系对于工业应用是不利的。
在聚合物体系的玻璃化转变温度范围内，聚合物涂层的消音性能是最好的，这是因为由于聚合物在此温度范围内的粘弹性，通过分子流现象，振动过程的机械能被转化成为热。在-20～+60℃的应用温度范围内，基于PVC塑料溶胶的常规可喷射涂层材料不具备明显的消音效果，其例如被广泛用作机动车构造内的底盘涂层。这是因为取决于增塑剂的比例，玻璃相变的最大值约为-20～-50℃。
从而，试图调整这些常规的PVC塑料溶胶以使得它们在-20～+60℃的应用温度范围内将具有更好的消音性能。由德国专利申请公开3514 753已知在常规的PVC塑料溶胶中含有多种不饱和化合物(如二或三丙烯酸酯)、环氧交联剂和无机填料的涂层。然而，在这些塑料溶胶的硬化状态下，玻璃硬度和易碎的，并且从而实际上并不适用于汽车构造中，因为它们尤其是在低温下不具备足够的柔性。除此以外，这些配方的损耗因子tan δ极低，从而消音效果不是非常明显。
在德国专利申请公开34 44 863中描述了这样的组合物，其含有PVC或氯乙烯/乙酸乙烯酯共聚物，任选的甲基丙烯酸甲酯均聚物或共聚物，增塑剂混合物和惰性填料。所述的增塑剂混合物包括与甲基丙烯酸甲酯聚合物相容的增塑剂、和与可能存在的甲基丙烯酸酯聚合物不相容的用于氯乙烯聚合物的增塑剂。从而，与常规的PVC塑料溶胶相比，得到的塑料溶胶具有改进的消音性能。然而，尤其是在高于约30℃的温度下，消音效果再次下降。若通过改变单独成分的相对量试图使最大损耗因子tan δ的范围移向更高的温度，则所述涂层的冷挠曲性发生极严重的下降。然而，减小的冷挠曲性恰恰在机动车构造中是不利的。另外，在更低的温度下，这些配方的损耗因子下降得非常严重。从而这些塑料溶胶组合物仅仅在非常窄的温度范围内具有足够高的损耗因子。
此外，已经开发了用于减小结构噪音的主动控制方法。这些方法通常使用传感器，信号处理、制动器和电源以通过产生相应的力或应变抵消或有效增加振动的消耗。
尽管主动控制方法已经表现出有效减小结构噪音，它们需要精密复杂的技术设备，尤其是对于信号处理和传感器。这不仅增加了成本，而且导致破坏的风险增大。
从而，需要经济的方式以有效减小系统内的结构噪音，尤其是机动车内。
在未公开的欧洲专利申请No.05292082.4中公开了包括具有内表面和外表面的托架的耗能振动波挡板，所述托架具有任选U形化的多边形部分，尤其是矩形，并且在其外表面上包括这样的涂层，所述涂层包括选自如下的热膨胀性材料，所述热膨胀性材料在膨胀后和在-10～+40℃之间的温度下的杨氏模量E为0.1Mpa～1000Mpa，损耗模量E”为0.5～1，剪切模量G为0.1Mpa～500Mpa。通常通过动态机械分析(DMA)确定这些模数，尤其是损耗模量。
尽管已知的耗能振动波挡板在一些应用中表现出优异的减振功效，在其中待抑制的结构非常硬的情况下还是存在问题的。因为在已知的耗能振动波挡板中需要极硬的托架，与待减振的结构相比所述屏障应具有至少类似的硬度，这导致托架非常笨重，出于成本和轻量化的原因，这通常是不能接受的，尤其在汽车应用中。
从而，本发明的目的在于克服现有技术的所述缺陷。
根据本发明，提出了耗能减振装置，包括具有内表面和外表面的托架，所述托架在其至少一个表面上包括结合层，其中所述托架是耗能的并且阻尼损耗因子至少为0.2，并且其中所述结合层由具有比托架更高刚度的刚性材料制成。
由于本发明耗能减振装置的托架是耗能元件，通过处理结构的振动使所述托架变形，并吸收和消耗振动产生的大部分热。根据这一点，即使在其中所处理的结构抑制了这种高刚度的情况下，也不需要提供具有高刚度的托架，从而得到极轻质且符合经济利益的耗能减振装置。
本发明耗能减振装置的结合材料是由刚性材料制得的并且用于确保将耗能减振装置连接到处理的结构上，和将来自处理结构的振动传递至耗能托架。
本发明耗能减振装置的托架可以由任何表现出所要求的耗能特性的适当材料制成。
根据本发明的第一个优选实施方式，所述托架由合成材料制成，任选进行纤维增强，尤其是热塑性合成材料，选自：聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPE)、聚砜(PPSU)和聚苯酰亚胺(PPI)，任选对所述热塑性合成材料进行纤维增强，具有低的吸水性和高达180℃的尺寸稳定性。
作为本发明的第二个优选实施方式，所述托架由至少两层的粘弹性夹层材料制成。
所述粘弹性夹层材料的例子包括至少一个由金属、尤其是由钢或铝制成的层，和至少一个基于粘弹性橡胶材料的层。
所述粘弹性橡胶材料优选具有1.4-1.8mm的厚度和/或根据DIN
53440在-15℃～+65℃温度范围内至少0.10的损耗因子和/或1.0-2.0kg/m²、优选1.2kg/m²的面积重量。
为了优异的减振效率，本发明耗能减振装置托架的阻尼损耗因子至少为0.5。
通常，系统的损耗因子可以定义为：
η ( ω ) = ΔE E SE , ]]>
其中E_SE是应变能，ΔE是由阻尼消耗的能量，η是在所考虑的频带ω内的阻尼损耗因子。因而，η等于每个循环消耗的应变能速率。
当阻尼损耗因子η例如等于0.2时，意味着20％的用于激发所述材料的初始能量在第一个循环过程中被耗能。高于1的阻尼损耗因子将意味着在不到1个循环内所述材料消耗了所有的能量。
一种测量的方式可以是使用DMA(动态机械分析)，其中在一个边缘上激发样品，并在另一个上测量应答。在该情况下阻尼损耗因子η是
η＝tan(δ)
其中δ是激发和应答之间的相位差。
可以使用提供刚性特征的任何适当材料作为本发明的结合层，只要所述材料对托架和待处理的结构均具有良好的附着并且很好地将振动传递至耗能托架即可。
本发明结合层的优选实施方式包括在未固化状态下的密度为0.75～0.95kg/m³和吸水性小于5％的双组分环氧树脂泡沫。
为了足够的刚性，所述结合层优选具有至少10.5Mpa的抗压强度。
此外，所述结合层可以由加热时的膨胀率为55-65％的可膨胀材料制成。这种可膨胀的结合层使得可将本发明的耗能减振装置引入到结构内或者固定到结构内，而其间存在的空隙将在加热装配结构时由于结合层的膨胀而闭合。
所述结合层可以具有1-10,000Mpa，优选500-2,000Mpa的杨氏模量。
本发明还涉及包括结构元件的系统，所述结构元件例如汽车部件、和如上所述的耗能减振装置，其中所述耗能减振装置通过耗能减振元件的结合层被连接到结构元件上，并且为了有效的耗能操作其托架的刚度低于结构元件的刚度。
本发明还涉及减少来自振动发生器的振动向振动发生器通过结构元件连接的位置传递的方法，包括用用于消耗由所述振动发生器产生的振动能的装置装配所述结构元件，其特征在于所述用于消耗振动能的装置包括如上所述的本发明耗能减振装置。
振动发生器的例子包括发动机、电机、泵、变速器、悬挂减振器和弹簧。
本发明的方法特别适用于减少机动车车辆中的结构噪音。在此情况下，所述振动发生器通过结构元件被连接至所述车辆乘客室的至少一个结构部件上。所述结构元件的形状是具有多边形的管状杆，优选为矩形横截面。
本发明方法包括依次：
-选择本发明的耗能减振装置，其尺寸使得其可被插入或固定到结构元件上，托架的刚度低于所述结构元件的刚度，
-在接近振动发生器的位置，将耗能减振装置插入或将耗能减振装置固定到所述结构元件上，并通过结合层将所述耗能减振装置与所述结构元件连接。
有利的是在随后的加热步骤中通过加热使所述结合层膨胀。
有利的是，选择所述耗能减振装置以使得获得在面向所述结构元件表面的耗能减振装置表面之间约1-20mm的空隙，并且通过加热使得所述空隙闭合。
所述耗能减振装置优选被尽可能接近所述振动发生器地插入到所述结构元件内，并且在产生声音的接收振动结构之前。
通过加热步骤得到所述可膨胀材料的膨胀。
取决于结合材料的性质和生产线的线路条件，在130℃～240℃的温度下进行加热步骤，优选在150℃～200℃下，炉内的停留时间从停留约10分钟～约30分钟。
有利的是，利用在通常使用的电泳槽(E-涂层槽)中车辆部件传递之后的加热步骤而引发所述结合层的膨胀，因为在这种加热步骤过程中的温度通常足以引起所需的膨胀。
选择应用到托架上的结合层的厚度，以使得在膨胀之后，其体积占据了托架和所述结构元件各表面之间的空隙，从而确保安全的连接和很好地将振动传递到耗能托架。
由下面优选实施方式的描述，参考附图，本发明的上述和其他目标、特征和优点将变得更显而易见；其中
图1是被连接到汽车结构元件上的本发明耗能减振装置的侧面示意图，
图2是用于本发明耗能减振装置中的托架的透视示意图，
图3是表示作为频率的函数，代表汽车车身中结构噪音变化的三条曲线的图示。
图1中所示的耗能减振装置1包括具有内表面2a和外表面2b的U形托架2。包括双组分环氧树脂泡沫的结合层3被应用到内表面2a。选择所述结合层3的初始厚度以例如，使得在结合层3的内表面3a和待处理的结构4之间保留约2mm的空隙。
所述U形托架2，其在图2中可以看到更多细节，是由包括以堆叠方式排列的20、21、22三层的粘弹性夹层材料制成的。
托架2的外层20、22是由厚度各自为0.5mm的金属板制得的。优选的金属是镀锌钢和铝。
所述托架的中间层21由厚度为1.5mm的粘弹性橡胶材料构成，面积重量约为1.2kg/m²，并牢固地结合到外层20、22上，从而构成三层结构。
或者，可以使用表现出耗能特性的适当合成材料的单层制备所述托架2。当使用合成材料时，其可以任选被纤维增强。这种合成材料选自上文详述的那些。所述托架2的厚度约为2.5mm。
下面的非限制性实施例举例说明本发明及其实施方式。
如图1所示，耗能减振装置1被固定到汽车车身的结构元件4上，例如固定到包括悬架41和防倾斜梁40的后悬挂系统上，使结合层3面向结构元件4。所述耗能减振装置具有近似U形的托架(2)，所述U形的尺寸使得部分地包围结构元件4，同时如上所述保持应用的结合层3和结构元件4之间的空隙(在这种情况下在结合层3和结构元件4之间约2mm)。
在固定所述耗能减振装置1之后，加热结构元件4至180℃的温度20分钟，以引发在托架2的内表面2a和结构元件4的外表面之间空间内的结合层3的膨胀。在加热后，结合层3的厚度增大，使得其与结构元件4连接接触。可以在车辆部件在电泳槽内通过的过程中实现所述膨胀。
在其他的实施例中，可以选择耗能减振装置1，使得在耗能减振装置1外表面和结构元件4表面之间的空隙约为1-20mm。在所有这些情况下，在加热之后，结合层3均占据了所有的空隙。
或者，可以使用允许无加热工艺而膨胀的结合层3，例如，由于其组分的化学反应。所述结合层3应具有1-10,000Mpa，优选500-2,000Mpa的杨氏模量。
图3表示利用汽车的实际结构元件进行的实验结果。在该实验中，耗能减振装置位于后悬挂系统上。
利用动态振动筛作为振动发生器并附着在结构元件的自由端，在20Hz～高达380Hz的低频率范围内提供激发。
通过位于入口点的力传感器测量注入的振动。
通过加速度计以结构阻尼比形式测量响应。
进行三个实验：
-在振动传递路径上无任何附加的阻尼材料(图3上的曲线A)。
-使用根据未公开欧洲专利申请EP 05292082.4的耗能振动波挡板(图3上的曲线B)。
-使用如下所述本发明的耗能减振装置(图3上的曲线C)。
本发明的耗能减振装置包括由两个厚度各自为0.5mm的钢外层20、22构成的托架2。在位于其之间处的层21由厚度为1.5mm的粘弹性橡胶材料构成。这种耗能托架可以含有本领域已知的常规消声材料。例子可见申请人的“Terophon”产品范围。例如，适当的消声材料包括：以重量百分数计
8-15％的丁基橡胶
20-40％的聚烯烃，优选选自聚异丁烯、聚丁烯或其混合物，
10-15％的脂肪族烃树脂，
2-10％的酚醛树脂
余量至100％是选自例如硫酸钡、氧化钙、碳酸钙、白云母、石英和炭黑的填料。
或者，所述消音材料可以包括：以重量百分数计
40-70％的聚烯烃，优选选自聚异丁烯、聚丁烯或其混合物，
余量至100％是选自例如硫酸钡、氧化钙、碳酸钙、白云母、石英和炭黑的填料。
此外，可以将EP 697277或EP 617098的制备实施例中所述的消音材料用于本发明。
从而，将如图2所示结构的三层粘弹性夹层材料用作托架2。
层21的面积重量为1.2kg/m²，且根据DIN 53440在-15℃～高达+65℃的损耗因子至少为0.10。
托架2表现出比结构元件4低的刚度。
用于结合层3的材料可以选自汽车制造中已知的常规可发泡的增强材料。例如，这种材料可由申请人以商品名“Terophon”得到。它们通常是环氧树脂的混合物、改性剂、固化剂、发泡剂和轻质填料。适当材料的例子可见WO03/054069、WO00/52086和WO2004/065485的说明书和制备实施例。
在给出的实施方式中，使用以申请人产品范围的商品名“TEROCORE”可以商购得到的材料。这种结合层3在未固化状态下表现-出约0.75～0.95kg/m³的密度，和在固化状态下表现出约0.55～0.65kg/m³的密度。其吸水性小于5％，抗压强度至少为10.5Mpa。在膨胀过程中，其表现出约55～65％的膨胀率。
由曲线A、B和C表明，在给定的频率范围内本发明产生了显著改进的减振和明显的噪音降低。
本发明的主要优点如下：
-需要少得多的材料以控制待处理结构的振动，
-与现有技术阻尼材料的应用相比，根据本发明使用耗能减振装置对于汽车或机械制造商在工艺成本方面便宜得多，
-由于托架是耗能的并从而表现出比待处理结构更低的刚度，本发明的耗能减振装置是非常轻的。
使用本发明的耗能振动波挡板还会有利于处理结构的刚性，从而提高车辆的安全性和舒适性。