DE1805789B2 - Nichtlineares federsystem unter verwendung von permanent magneten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein nichtlineares Federsystem, das aus der Parallelschaltung einer Feder mit linearer Kennlinie und einer Feder mit nicht linearer, ((nasi-sinusförmiger Kennlinie unter Ausnutzung der vollen Sinusform besteht.

Federn dieser Art sind bekannt, z. B. durch die deutschen Patentschriften 836 418.860 878.861624. 854. Ei handelt sich dabei durchweg um Federsysteme, bei denen der Federweg eine reine Translation ist, und bei denen die beiden Teilfedern rein mechanischer Natur sind.

Mit solchen Federsystemen wird das Ziel verfolgt, eine Belastungs-Federwcg-Kennlinie zu erhalten, die zunächst linear und relativ steil ansteigt, dann ir. einem relativ schmalen Bereich der Auslenkung flach verläuft und danach erneut wie anfangs ansteigt. Eine solche Kennlinie ist in Fig. I dargestellt. Sie kommt dadurch zustande, daß die Kennlinien der beiden Federn tiberlagert werden: Dabei erzeugt der abfallende Teil der Kennlinie der nichtlinearen Feder den flach verlaufenden Teil der Kennlinie des Federsystems, sofern der Absolutwert der negativen Steigung der Feder mit nichtlinearer Kennlinie im Nulldurchgang des abfallenden Teils dieser Kennlinie hinreichend groß ist, d. h. angenähert so groß ist wie die Steigung der linear arbeitenden Fede*. In F i g. 2 sind der Reihe nach die lineare Kennlinie (a) und die nichtlineare Kennlinie (b) der beiden Federn dargestellt sowie die Kennlinie (c) des aus ihnen gebildeten Federsystems. Mit solchen Federsystemen ist es möglich, auch große Lasten mit großer Weichheit Aufzuhängen, ohne daß dann die bei Verwendung linearer Federsysteme unvermeidlichen großen Federwege auftreten. Dies ist beispielsweise für die erschütterungsfreie Lagerung erschütterunesemprindlicher Massen von hoher Bedeutung.

Die bisher bekanntgewordenen Federsysteme mit nichtlinearer Kennlinie haben keineswegs die in sie gesetzten Erwartungen erfüllen können. Zur Verdeutlichung diene die Fig. 3. In ihr soll die Feder« diejenige mit linearei Kennlinie darstellen, während die Federn b und c zusammen die Feder mit der nichtlinearen quasi-sinusförmigen Kennlinie darstellen sollen. Ein solches Federsystem, bei dem der Treffpunkt der drei Einzelfedern nur einen geradlinigen Weg ausführen können soll, muß durch Führungsmittel ergänzt werden, durch die verhindert wird, daß die Federn b und c an ihren Endpunkten außer durch Längskräfte in Richtung der Federachsen noch durch Momente belastet .verden. und durch die der Treffpunkt auf einer geradlinigen Bahn gehalten wird. Besonders die zur Führung der Federn b und c notwendigen Führungsmittel sind Quellen unerwünschter Reibungskräfte. Diese sind um so größer und wirken um so nachteiliger, je mehr man sich in dem Bereich befindet, in dem die Steifigkeit des Pedersystems ihr Minimum und die Belastung der Federn b und c ihr Maximum erreicht. Sie können den Wert eines solchen Federsystems illusorisch machen.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie stellt sich Jie Aufgabe, diesen fundamentalen Nachteil zu überwinden. Dies gelingt dadurch daß erfindungsgemäß als nichtlincarc Feder eine Feder verwendet wird, bei der die bei Auslenkungen entstehenden Kräfte ausschließlich durch Magnete entstehen, die sowohl an dem feststehenden wie an dem beweglichen Teil der Feder angeordnet sind und nur geradlinig aneinander vorbcifiihrbar sind. Bei einem solchen Federsystem entfallen die Reibungskräfte, die bei den bekannten Systemen überwiegen. Die jetzt noch zur Wahrung tier geradlinigen Bewegung erforderlichen Führungen sind dagegen nur mit vergleichsweise sehr geringen Reibungskräften behaftet.

F.s lassen sich mancherlei Ausführungsformcn für ein solches Federsystem angeben.

Bei der speziellen Ausbildung des Gegenstandes der Erfindung, durch die eine der möglichen Varianten festgelegt wird, ist vorgesehen, daß die Feder mit nichtlinearcr Kennlinie einerseits aus einem scheibenförmigen, radial magnetisierten Dauermagnet und andererseits aus drei kreisringförmigen, radial magnetisierten Dauermagneten von in der Regel gleichen Abmessungen besteht; bei dem scheibenförmigen Dauermagneten soll der volle Zylindermantel der Scheibe den einen Magnetpol bilden; bei den kreisringförmigen Dauermagneten soll jeweils der volle innere Zylindermantel einen Pol

bilden. Die kreisringförmigen Dauermagnete sollen ferner innerhalb einer topfartigen Halterung so gefaßt sein, daß sie koaxial, in der Regel mit gleichen Abständen und wechselnder Polarität, zueinander angeordnet sind. Schließlich soll der scheibenförmige Dauermagnet koaxial innerhalb des durch die kreisringförmigen Dauermagnete gebildeten Zylinderraums über eine in der Mitte seiner unteren Stirnseite angreifende mechanische Feder mit linearer Kennlinie, deren Federweg im allgemeinen mit der Achse des Zylinderraums übereinstimmt, mit der Mitte der Bodenplatte der topfartigen Halterung verbunden und so magnetisiert sein, daß die Polarität des vollen Zylindermantels des scheibenförmigen Magneten mit derjenigen des vollen inneren Zylindermantels des mittleren kreisringförmigen Dauermagneten übereinstimmt.

Vorteilhaft ist, wenn die topfartige Halterung so ausgebildet ist, daß die beiden äußeren kr^isringförmigen Dauermagnete in axialer Richtung verschiebbar sind.

In der Patentschrift Nr. 13 185 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin ist zwar eine magnetische Feder mit nichtlinearer Kennlinie beschrieben, nicht aber, wie aus der einzigen Figur eindeutig hervorgeht, eine solche mit quasi-sinusförmiger Kennlinie. Mit der Feder nach dieser Druckschrift ist ein Federsystem gemäß der Erfindung nie realisierbar

In dem Aufsatz »Ein magnetisches Lager« von 3" F. T. Backers, Philips Techn. Rundschau Nr. 7, 1960/61, S. 252/259 ist ein magnetisches Lager beschrieben, das imstande ist, eine Welle durch die auf ihr angeordneten Magnete im Zusammenspiel mit festen Mag eten auf der Achse des festen Systems zu halten. Außer dem Vorhandensein von Magneten hat diese nur zentralisierende Feder mit dem Federsystem nach der Erfindung wenig zu tun. Sie arbeitet zwar auch nichtlinear —· da das Kraft-Abstands-Gcsetz bei allen Magneten nichtliricar ist — weist aber nicht die ciuasi-sinusförmige Kennlinie auf. Der Erfinder dieses Lagers hat dies auch nie als Feder betrachtet oder auszunutzen beabsichtigt; noch weniger ist der Kennlinie der Feder überhaupt Belichtung geschenkt.

In Fig. 4 ist ein Federsystem nach der Erfindung im Seiten- und Aufriß dargestellt. In dem topfartigen Gehäuse 1 sind drei Ringmagnetc 2, 3 und 4 in gleichen Abständen voneinander angeordnet, die in ladialer Richtung magnetisiert sind. Bei ihnen ist jeweils der gesamte innere Umfang als magnetischer Pol ausgebildet. Ein Scheibenmagnet 5, der ebenfalls in radialer Richtung magnetisiert ist, so daß dessen gesamter äußerer Umfang als magnetischer Pol wirkt, bewegt sich innerhalb des zylindrischen Raumes, der durch die drei Rinj;magnete 2, 3 und 4 freigelassen wird, in Richtung der Achse 6 dieses Raumes. Die beiden relativ zueinander bewegbaren Teile 1, 2, 3 und 4 bzw. 5 sind durch die Feder 7, die eine lineare Kennlinie relativ hoher Steifigkeit aufweist, verbunden. Ja F i g. 4 ist dieses Federsystem irt seinem »Arbeitspunkt« dargestellt, also so, daß der Scheiben magnet S dem Ringmagneten 2 genau gegenübersteht. Wie Fig. 2 zeigt, liegt der mit A bezeichnete Arbeitspunkt in der Mitte des flachen Teils der Kennlinie des Federsystems. Die magnetische Feder mit nichtlinearer Kennlinie durchläuft ihre quasi-sinusförmige Kennlinie, wenn der Scheibenmagnet 5 aus einer dem Ringmagneten 3 gegenüberliegenden Stellung bis zu der dem Ringmagneten 4 gegenüberliegenden Stellung bewegt wird.

Bei einer anderen Variante des Federsystems kann man sich den Scheibenmagnet und/oder die Ringmagnete aus einer großen Anzahl von gleichmäßig am Umfang verteilten und radial gerichteten Stabmagneten zusammengesetzt denken. Es kommt nur darauf an, daß die magnetischen Achsen der Stabmagneten die Achse 6 senkrecht und für jeden Magneten in einem Punkt schneiden.

Durch das Federsystem nac! der Erfindung wird aber nicht nur der genannte NachteM der rein mechanischen Federsysteme beseitigt. Vielmehr weist es diesen gegenüber eine ganze Anzahl von Vorteilen auf. Als solche sind zu nennen:

1. Einfachste Anpassung an die Veränderung der statischen Belastung. Dies dadurch, daß der Boden des Gehäuses 1 vom Gehäuse getrennt wird, so daß der die drei Ringmagnete tragende Zylinder des Gehäuses 1 in Richtung der Achse 6 so verschiebbar ist, bis sich die Magnete 2 und 5 erneut gegenüber stehen.

2. Geringer Platzbedarf. Die Abmessungen der magnetischen Feder sind hauptsächlich durch den Luftspalt gegeben. Bei mechanischen Ausführungen der nichtlinearen Feder kommt man nie mit so geringem Platz aus.

3. Extrem hohe Dauerhaftigkeit. Da die magnetische Feder keine Teile enthält, in denen bei den Auslenkungen mechanische Spannungen entstehen, scheidet die Gefahr von Dauerbrüchen aus, durch die die Lebensdauer mechanischer Federn mit nichtlincarer Kennlinie stets begrenzt sind.

4. Das Erreichen extrem niedriger Eigenfrequenzen ist möglich, ohne daß sich dabei die Systemdämpfung, d. h. das Verhältnis von Dämpfungsenergie zu Bewegungsenergie in dem starken Maße vergrößert, wie es bei rein mechanischen Federsystemen unumgänglich ist.

5. Einfache Veränderbarkeit der Kennliniensteilheit im »Arbeitspunkt« des Federsystems. Dies ist möglich· durch Veränderung des Abstandes der Ringmagnete, oder durch Veränderung des Luftspaltcs, oder durch Veränderung des magnetischen Widerstandes der Magnetpfade.

Ein wirtschaftlicher Einsatz des Federsystems nach der Erfindung ist wegen der genannten Vorzüge in zahlreichen Gebieten der Technik möglich, z. B. als aktiver Erschütterungsschutz: schwingungsisolierende Aufstellung von schwingungserzeugenden Maschinen; oder als possiver Erschütterungsschtttz: erschütterungssichere Aufstellung empfindlicher Apparate bzw. Meßgeräte; oder zur Abfederung von Fahrzeugen oder Fahrzeugteilen zur Abwehr von Erschütterungen infolge von Fahrbahn-Unebenheiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Nichtlineares Federsystem, bestehend aus der Parallelschaltung einer Feder mit linearer und einer Feder mit nichtlinearer, quasi-sinusförmiger Kennlinie unter Ausnutzung der vollen Sinusform, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlineare Feder eine Feder verwendet wird, bei der die bei Auslenkungen entstehenden Kräfte ausschließlich durch geradlinig aneinander vorbeigeführte Magnete entstehen, die sowohl an dem feststehenden wie an dem beweglichen Teil der Feder angeordnet sind.

2. Federsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder mit nichtlinearer Kennlinie einerseits aus einem scheibenförmigen, radial magnetisierten Dauermagnet (5), bei dem der volle Zylindermantel der Scheibe den einen Pol des Magneten bildet, und andererseits aus drei kreisringförmigen, radial magnetisierten Dauermagneten (2, 3. 4) mit in der Regel gleichen Abmessungen besteht, bei den-;n jeweils der volle innere Zylindermantel einen Pol bildet, daß ferner die kreisringförmigen Dauermagnete (2, 3. 4) innerhalb einer topfartigen Halterung (1) so gefaßt sind, daß sie koaxial, in der Regel mit gleichen Abständer, und mit wechselnder Polarität zueinander angeordnet sind, .nd daß der scheibenförmige Dauermagnet (5) koa?;ial innerhalb des durch die kreisringförmi,en Dauermagnete (2, 3, 4) gebildeten Zylinderraums über eine in der Mitte seiner unteren Stirnseite angreifende mechanische Feder (7) mit linearer Kennlinie, deren Federweg im allgemeinen mit der Achse des Zylinderraums übereinstimmt, mit der Mitte der Bodenplatte der topfartigen Halterung (1) verbunden ist und so magnetisiert ist. daß die Polarität des vollen Zylindermantels des scheibenförmigen Magneten (5) mit derjenigen des vollen inneren Zylindermantels des mittleren krcisringförmigen Dauermagneten (3) übereinstimmt.