DE102006027636A1

DE102006027636A1 - Stoß- und Schwingungsdämpfer

Info

Publication number: DE102006027636A1
Application number: DE200610027636
Authority: DE
Inventors: Gilbert Doko
Original assignee: Doko Gilbert Dr-Ing
Current assignee: Doko Gilbert Dr-Ing
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: DE102006027636B4; WO2007143974A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stoß- und Schwingungsdämpfer für ein aus zwei Massen und einer Feder bestehendes Schwingungssystem. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen wartungsfreien Stoß- und Schwingungsdämpfer zu schaffen, der auftretende Schwingungen wirksam zu dämpfen und zu unterdrücken vermag. Die Erfindung besteht darin, dass an jeder der gegeneinander schwingenden beiden Massen ein Magnet befestigt ist, der auf den anderen Magneten Kräfte ausübt. Die Kräfte können anziehende oder abstoßende Kräfte sein, da eine Feder zwischen den beiden Massen wirksam ist. Zwischen den beiden Massen ist im Ruhezustand ein bestimmter vorgegebener Abstand vorgegeben. In diesem Ruhezustand werden die Magnete in ihre Nullstellung justiert. Sobald durch irgendeine äußere Kraft die eine Masse aus dieser Ruhezustands-Stellung herausbewegt wird, werden Federkräfte, aber auch magnetische Kräfte wirksam, die beide bestrebt sind, den bewegten Körper wieder in seine Ruhezustands-Stellung zurückzuversetzen. Während die Feder aufgrund ihrer Elastizität beginnen möchte, die bewegliche Masse um ihren Ruhepunkt hin- und herschwingen zu lassen, gehen von den Magneten Kräfte aus, die sich dieser Schwingung widersetzen. Das sind Kräfte, die um so größer sind, je größer die Amplitude der Schwingung ist. Dadurch entsteht eine Dämpfung der auftretenden Schwingung auch und insbesondere im Falle der Resonanz des Masse-Feder-Systems.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoß- und Schwingungsdämpfer für ein aus zwei Massen und einer Feder bestehendes Schwingungssystem, wobei die eine Masse beliebig groß und beliebig träge sein kann.
In vielen Sparten der Technik ist es notwendig, in Masse-Feder-Systemen auftretende Schwingungen zu dämpfen oder nach Möglichkeit ganz zu unterdrücken, um Schäden an Maschinen u.a. zu vermeiden und um die Übertragung von Schwingungen von einem schwingenden Objekt auf andere Objekte zu verringern und nach Möglichkeit zu unterbinden.
Das geschieht in der Technik mit Geräten, in denen Schwingungsenergie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird, sei es durch direkt aufeinander mechanisch reibende Flächen, sei es durch hydraulische Geräte, in denen Engstellen eingebaut sind, die eine Reibungswirkung auf eine durch sie hindurchtretende Flüssigkeit ausüben. In beiden Fällen tritt eine erhebliche abzuführende Wärme auf und es treten Abnutzungserscheinungen an den aufeinander reibenden Flächen und in der Hydraulikfüssigkeit auf, die eine Wartung der Geräte oder einen Austausch von Teilen der Geräte erforderlich machen.
Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen wartungs- und verschleißfreien lang lebigen Stoß- und Schwingungsdämpfer zu schaffen, der auftretende Schwingungen und Stöße wirksam zu dämpfen und zu unterdrücken vermag.
Die Erfindung besteht darin, dass an jeder der gegen einander schwingenden beiden Massen ein Magnet befestigt ist, der auf den anderen Magneten Kräfte ausübt.
Die Kräfte können anziehende oder abstoßende Kräfte sein, da eine Feder zwischen den beiden Massen wirksam ist. Zwischen den beiden Massen ist im Ruhezustand ein bestimmter vorgegebener Abstand vorgegeben. In diesem Ruhezustand werden die Magnete in ihre Nullstellung justiert. Sobald durch irgendeine äußere Kraft die eine Masse aus dieser Ruhezustands-Stellung herausbewegt wird, werden Federkräfte, aber auch magnetische Kräfte wirksam, die beide bestrebt sind, den bewegten Körper wieder in seine Ruhezustands-Stellung zurückzuversetzen. Während die Feder aufgrund ihrer Elastizität beginnen möchte, die bewegliche Masse um ihren Ruhepunkt hin und her schwingen zu lassen, gehen von den Magneten Kräfte aus, die sich dieser Schwingung widersetzen. Das sind Kräfte, die um so größer sind, je größer die Amplitude der Schwingung ist. Dadurch entsteht eine Dämpfung der auftretenden Schwingung auch und insbesondere im Falle der Resonanz des Masse-Feder-Systems.
Die Wirkung dieses Stoß- und Schwingungsdämpfers kann dadurch erhöht werden, dass an jeder der beiden gegeneinander schwingenden Massen mehrere Magnete befestigt sind, die paarweise aufeinander Kräfte ausüben.
Dabei können die Magnete auf zwei gegeneinander schwingenden Platten flächig verteilt sein, die Magnete können aber auch bei diesem Stoß- und Schwingungsdämpfer auf einer Halterung mit Abstand von einander angeordnet sein und die Gegenmagnete entsprechend auf einer zweiten Halterung. Diese wird man verwenden, wo die Stöße anfangs stark und später schwächer abgefangen werden sollen.
Der Abstand zwischen den Magneten kann durch ein unmagnetisches Bauteil geschaffen sein, an dem jeweils auf beiden Seiten die Magnete anliegen.
Der Stoß- und Schwingungsdämpfer kann aus einem oder mehreren Paaren zusammenwirkender Magnete gefertigt sein, von denen mindestens einer die Form eines Quaders oder einer Kreisscheibe hat und mit seiner einen Fläche auf eine entsprechende Fläche des anderen Magneten einwirkt.
Das Paar sich gegenseitig beeinflussender Magnete kann aus einem äußeren Ringmagneten und einem in dessen inneren Ringraum eintretenden inneren Ringmagnet oder scheibenförmigen Magnet bestehen, der die Geometrie der inneren Ringfläche an seiner Außenfläche aufweist.
Der Stoß- und Schwingungsdämpfer kann aus Platzersparnisgründen im Innenraum einer Schraubenfeder untergebracht sein.
Auch kann es platzsparend sein, einen verschiebbaren Magnetkörper zwischen zwei feststehenden Magnetkörpern anzuordnen.
Bei diesem Stoß- und Schwingungsdämpfer können die Magnete Permanentmagnete sein, deren Magnetkräfte konstant sind und die daher eine gleichbleibende Dämpfung erreichen, oder die Magnete können Elektromagnete sein, wodurch sich eine einstellbare oder steuerbare Dämpfungswirkung erzielen läßt.
Die Erfindung bezieht sich somit auf ein in seinem Schwingungsverhalten zu dämpfendes Masse-Feder-System, also ein Dämpfersystem, zur schwingungsisolierten Lagerung von Schwingungen erzeugenden Systemen (aktive Schwingungsisolierung von z.B. Maschinen, Anlagen u.ä.) und von Systemen, die gegen von außen einwirkende Schwingungen zu schützen sind (passive Schwingungsisolierung von z.B. Anlagen, Geräten, Bauteilen u.ä.). Das Dämpferelement allein kann auch benutzt werden, um in Verbindung mit Dämpfermassen erzwungene Schwingungen elastischer Systeme zu reduzieren. Es ist überall dort einsetzbar, wo Bewegungsabläufe gesteuert oder gedämpft werden sollen. Es kann dort eingesetzt werden, wo Bewegungs- und Schwingungseigenschaften positiv, d.h. wunschgemäß oder in erforderlicher Weise, zu beeinflussen sind.
Stand der Technik bei derartigen Feder-Dämpfer-Systemen ist eine parallel geschaltete Anordnung von Federelementen und Dämpfungselementen. Als Federelemente werden dabei in der Regel Stahlfedern, Gummi- oder sonstige Elastomerfedern mit und ohne Stahleinlagen oder Luftfedern eingesetzt. Die gewünschte Dämpfung wird in der Regel durch Strömung um einen in einer viskosen Flüssigkeit bewegten Kolben, durch Reibelemente, durch die Materialdämpfung (speziell bei Gummi oder sonstigen Elastomerfedern) oder durch angeschlossene Zusatz-Luftvolumina (bei Luftfedern) erzielt.
Das Feder-Dämpfer-System der Erfindung besteht aus einem Federelement (Stahlfeder, Gummi-(Elastomere-)feder o.ä.) und einem parallel geschalteten Magnet-Dämpfer-Element. Als Magnete kommen handelsübliche Dauermagnete zum Einsatz. Jeweils ein Federelement und ein Magnet-Dämpferelement werden in einem angepassten Metallgehäuse zu einem kompakten System zusammengefasst. Das so konzipierte Feder-Dämpfer-System ist unabhängig von jeglichen Versorgungseinrichtungen und es ist wartungsfrei.
Die Einsatzmöglichkeiten solcher kompakter Feder-Dämpfer-Systeme sind vielfältig. Sie können z.B. bei einer schwingungsisoliert aufzustellenden Maschine unter jedem Maschinenfuß angeordnet werden. Eine oder mehrere Maschinen können auch auf einer Stahlkonstruktion oder einer Stahlbetonplatte aufgestellt werden, die schwingungsisoliert auf einer hinreichenden Anzahl kompakter Feder-Dämpfer-Systeme gelagert ist. Gleiches gilt für schwingungsempfindliche Anlagen und Geräte. Einzelne Gebäude-Deckenplatten können mittels solcher Feder-Dämpfer-Systeme schwingungsisoliert von der übrigen Gebäudekonstruktion auf den unterstützenden Wänden und Stützen gelagert werden. Im Fahrzeugbau lassen sich einerseits Fahrzeugkästen, Fahrgastzellen und dergleichen mittels der Feder-Dämpfer-Systeme vor zu starken Schwingungen schützen, und andererseits können damit schwingungserzeugende Antriebe schwingungsisoliert eingebaut werden. Generell kann gesagt werden, dass Feder-Magnetdämpfer-Systeme überall dort eingesetzt werden können, wo bislang auch die anderen oben genannten Feder-Dämpfer-Systeme verwendet werden. Magnet-Dämpfer-Elemente ohne integrierte Feder können als Stoßdämpfer und mit einer Dämpfermasse versehen als Schwingungsdämpfer bei elastischen Strukturen (z.B. zur Reduzierung von Torsi onsschwingungen in Antriebssystemen oder von Biegeschwingungen) angewendet werden.
Die Eigenfrequenz des Feder-Magnetdämpfer-Systems wird bei konstanter Masse hauptsächlich durch die Steifigkeit der eingebauten Feder bestimmt, und sie kann daher auch durch Variation der Feder verändert werden (z.B. Wahl einer steiferen oder weicheren Feder). Die Isolierwirkung des Systems wird einerseits durch das Abstimmungsverhältnis (Erregerfrequenz durch Eigenfrequenz) und andererseits durch den Dämpfungsgrad bestimmt. Letzterer kann im Magnet-Dämpferelement durch Änderung des Abstandes zwischen jeweils zwei aufeinander einwirkenden Magneten verändert werden.
Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand einiger in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in verschiedenen Schnitten in:
1 den Aufbau eines Feder-Magnetdämpfer-Systems mit zwei entgegengesetzt wirkenden Magnetpaaren in drei Schnitten.
2 den Aufbau eines Feder-Magnetdämpfer-Systems mit einem Magnetpaar in drei Schnitten.
3 den Aufbau eines Stoßdämpfers in zwei Schnitten,
4 den Aufbau eines Torsionsschwingungsdämpfers in zwei Schnitten.
5 den Aufbau eines Biegeschwingungsdämpfers in zwei Schnitten.
In 1 ist der Aufbau eines Feder-Magnetdämpfer-Systems mit zwei entgegengesetzt wirkenden Magnetpaaren dargestellt. Das Stahlgehäuse ist zweigeteilt. Es besteht aus einem feststehenden unteren Teil 1 und einem bewegliche oberen Teil 2. Fest an das obere Teil angeschweißt sind im Grundriss U-förmig angeordnete Stahlplatten 3. Über diese stützt sich der bewegliche obere Gehäuseteil auf eine im unteren Gehäuseteil beweglich eingebaute Stahlplatte 4 ab. Die Platte 4 ist nur vertikal durch seitlich an einem Plattenende angebrachte Räder 5 beweglich. Die an das untere Stahlgehäuse 1 angeschweißten Stege 6 verhindern eine horizontale Bewegung der Platte 4. Zur Lagesicherung des lose aufgesetzten oberen Gehäuseteils 2 und 3 sind auf die Platte 4 Stege 7 aufgeschweißt. Die Platte 4 ruht auf einer Feder 8. Bei Bedarf können auch mehrere Federn angeordnet werden. Zur Schwingungsdämpfung sind vier Dauermagnete 10 bis 13 in zwei entgegengesetzt wirkenden Paaren eingebaut. Davon sind die Magnete 10 und 11 fest an der Platte 4 befestigt (z.B. geklebt), während die Magnete 12 und 13 über Verschraubungen in den Sockelklötzen 14 und 15 höhenverstellbar sind. Der Sockelklotz 14 ist an eine Stahlplatte 16 geschweißt, die ihrerseits fest mit dem unteren Stahlgehäuseteil verbunden ist. Der Sockelklotz 15 ist direkt an das untere Stahlgehäuseteil geschweißt. Die Magnete 10 und 13 sind so einzubauen, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Gleiches gilt für die Magnete 11 und 12. In manchen Fällen können die verwendeten Magnete, z.B. zur Erzeugung größerer Magnetkräfte, aus zwei oder mehr Magnetstücken (z.B. Scheiben, Ringen u.ä.) zusammengesetzt sein, falls die gewünschten Magnetkräfte nicht durch Einzelmagnete erreicht werden können.
In 2 ist der Aufbau eines Feder-Magnetdämpfer-Systems mit einem Magnetpaar dargestellt. Das Stahlgehäuse ist zweigeteilt. Es besteht aus einem feststehenden unteren Teil 1 und einem beweglichen oberen Teil 2. An das bewegliche Teil 2 sind 6 Führungsrollen 3 angeschweißt, die diesem nur eine Vertikalbewegung ermöglichen. Teil 2 ruht auf vier Federn 4 (bei Bedarf ist auch eine andere Anzahl Federn möglich). An beide Gehäuseteile 1 und 2 sind Sockelklötze 5 angeschweißt, in die die Dauermagnete 6 und 7 höhenverstellbar eingeschraubt sind. Beide Magnete sind so einzubauen, dass sie sich gegenseitig abstoßen.
In 3 ist der Aufbau eines Stoßdämpfers dargestellt. In einem Druckrohr 1 bewegt sich ein in Kugellagern geführter Kolben 2. Oberhalb des Kolbens befindet sich ein Dauermagnetpaar 3 und 4, wobei der Magnet 3 auf dem Kolben und der Magnet 4 am Gehäuse befestigt ist. Unterhalb des Kolbens ist ein zweites Magnetpaar 5 und 6 in Form von Ringmagneten angeordnet, wobei Magnet 5 am Kolben und Magnet 6 am Gehäuse befestigt ist. Die Magnete 3 und 4 sind so eingebaut, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Gleiches gilt für die Magnete 5 und 6.
In 4 ist der Aufbau eines Torsionsschwingungsdämpfers dargestellt. Eine Mitnehmerscheibe 1 wird auf der zu Torsionsschwingungen angeregten Achse befestigt. Auf beiden Seiten der Mitnehmerscheibe 1 sind vier Dauermagnete 2 und 3 befestigt (bei Bedarf ist eine andere Zahl möglich). Ihnen gegenüber sind jeweils weitere vier Dauermagnete 4 und 5 an zwei Dämpfermassen 6 und 7 angebracht und zwar so, dass sich die gegenüberliegenden Magnete 2 und 4 bzw. 3 und 5 gegenseitig anziehen. Die Dämpfermassen 6 und 7 sind über Kugellager 8 und 9 auf der Mitnehmerscheibe 1 beweglich gelagert. Vier Verbindungsbolzen 10 koppeln die beiden Dämpfermassen.
In 5 ist der Aufbau eines Biegeschwingungsdämpfers dargestellt. Zwischen einer oberen Stahlplatte 1 und einer unteren Stahlplatte 2, die durch vier Bolzen 3 miteinander verbunden sind, ist eine Dämpfermasse 4 angeordnet. Die Bolzen 3 sind durch Bohrungen in der Dämpfermasse 4 hindurchgeführt, dadurch kann diese keine ungewollten Horizontal- sondern nur Vertikalbewegungen ausführen. Über und unter der Dämpfermasse sind zwei Dauermagnetpaare 5 und 6 bzw. 7 und 8 eingebaut. Davon sind die Magnete 5 und 7 an der Dämpfermasse, der Magnet 6 an der unteren Stahlplatte 2 und der Magnet 8 an der oberen Stahlplatte 1 befestigt. Die Magnete 5 und 6 sind so angebracht, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Gleiches gilt für die Magnete 7 und 8.

Claims

Stoß- und Schwingungsdämpfer für ein aus zwei Massen und einer Feder bestehendes Schwingungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der gegen einander schwingenden beiden Massen ein Magnet befestigt ist, der auf den anderen Magneten Kräfte ausübt.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden gegeneinander schwingenden Masse mehrere Magnete befestigt sind, die paarweise aufeinander Kräfte ausüben.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete auf einer Halterung mit Abstand von einander angeordnet sind.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Magneten durch ein unmagnetisches Bauteil geschaffen ist, an dem jeweils auf beiden Seiten die Magnete anliegen.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Paar zusammenwirkender Magneten mindestens einer die Form eines Quaders oder einer Kreisscheibe hat und mit seiner einen Fläche auf eine entsprechende Fläche des anderen Magneten einwirkt.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar sich gegenseitig beeinflussender Magnete aus einem äußeren Ringmagneten und einem in dessen inneren Ringraum eintretenden inneren Ringmagneten oder scheibenförmigen Magneten besteht, der die Geometrie der inneren Ringfläche an seiner Außenfläche aufweist.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder eine Schraubenfeder ist, in deren Innenraum das Dämpferelement in Form eines verschiebbaren Magnetkörpers zwischen zwei feststehenden Magnetkörpern angeordnet ist
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete Permanentmagnete sind oder dass die Magnete Elektromagnete sind.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der eine Magnet eines sich gegenseitig beeinflussenden Magnetpaares in seiner Lage mechanisch verschiebbar und feststellbar ist.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er an einem aus zwei Platten bestehenden Fundament eingesetzt ist, indem die Magnete über die durch Federkräfte beabstandeten Platten verteilt so angeordnet sind, dass sie sich paarweise durch Magnetkräfte beeinflussen.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete paarweise an den einander zugekehrten Seiten einer rotierbaren und einer feststehenden Scheibe an geometrisch gleichen Orten der Scheiben angeordnet sind.
Stoß- und Schwingungsdämpfer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Magnetpaar mindestens der eine Magnet ein Elektromagnet ist.