-
Beschreibung zum Patentgesuch "Abstützelement für Maschinen und dergleicheb
auf einem Auflager mit unter der Einwirkung von Kräften deformierbaren Federelmenten"
Die Erfindung betrifft ein Abstützelement für Maschinen, Geräte, Instrumente und
dergleichen auf einem Auflager mit unter der Einwirkung von Kräften deformierbaren
Federelementen.
-
Derartige Abstützelemente sind in den verschiedensten Formen bekannt.
Als deformierbare Federelemente dienen dabei Federn aus Metall, Kunststoff, Gummi
und anderen Materialien.
-
Andererseits ist es bekannt, zur Entlastung von Lagern, insbesondere
bei feinmechanischen Schwinungssystemen, die Abstoßungskraft von Magneten auszunützen.
Schließlich haben auch Gasfedern, insbesondere im Fahrzeugbau, weite Verbreitung
gefunden.
-
Der Einsatz der verschliedenen Federelemente erfolgt je nach der
Federkennlinie des Federelementes, wobei häufig die Federkennlinie an den jeweiligen
Anwendungsfall anzupassen ist.
-
So setzt man bekanntlich Federelemente mit progressiver Kennlinie
dort ein, wo bei wechselnder statischer Belastung die Eigenfrequenz des Systems,
das sich au-s der Belastung und der Federkonstanten im jeweiligen Arbeitspunkt ergibt,
mindestens nahezu erhalben bleiben soll. Dieses Problem besteht vor allem im Fahrzeugbau.
-
Das Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, betrifft dagegen
hauptsächlich Fälle, in denen die statische Belastung durch die Maschine, das Gerät
oder Instrument, die abzustützen sind, mindestens unter normalen Betriebsbedingungen
konstant ist. In solchen Fällen besteht die Forderung, daß weder von der abgestützten
Maschine zum Auflager noch von dem Auflager zu dem abgestützten Gerät Vibrationen
übertragen werden dürfen. Die Anregungsfrequenz kann hier sowohl unter als auch
weit über der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems, gebildet aus der Masse
des abgestützten Geräts und der Feder des Abstützelementes, und sogar im Bereich
dieser Eigenfrequenz liegen; man versucht deshalb, diese Eigenfrequenz möglichst
niedrig zu halten.
-
Die Vermeidung oder mindestens Herabsetzung der Vibrationsübertragung
ist jedoch kritisch nicht nur hinsichtlich der Frequenzen, sondern auch hinsichtlich
der Amplituden. Zwar liegen bei höheren Frequenzen im allgemeinen die Amplituden
schon aus energetischen Gründen meist niedriger als bei niedrigen Frequenzen, doch
enthalten beispielsweise scharfe Stöße eine Vielzahl von Frequenzen, die zufällig
auch einmal bei einer hohen Frequenz eine Komponente mit großer Amplitude aufweisen
können.
-
Die niedrigen Frequenzen dagegen sind von geringerem Interesse. Für
diesen Bereich ist eine erhöhte Dämpfung erwünscht; wenn man allerdings Dämpfungsglieder
vorsieht, ergibt sich sofort die Gefahr, daß diese einen Übertragungswrg für die
höheren Frequenzen ausbilden.
-
Man hat Gasfedersysteme mit außerordentlich komplizierten Regelmechanismen
kombiniert, um ein "ideales" Abstützelement zu schaffen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, für leichtere Maschinen, Geräte oder
Instrumente ein Abstützelement zu schaffen, das mindestens im Bereich von Frequenzen
oberhalb der Eigenfrequenz des Systems eine besonders gute Vibrationsisolierung
bewirkt und dabei einen den Forderungen der Praxis genügenden Federweg besitzt,
und bei dem die Körperschall-Übertragung so gut wie vollständig ausgeschlossen ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kom bination
mindestens eines elastisch volumenkompressiblen Kunststoffelements mit mindestens
zwei, einander abstoßend angeordneten Magnetelementen, welche Elemente bezüglich
des Kraftflusses parallel, bezüglich des Federweges in Reihe angeordnet sind.
-
Es versteht sich, daß die Belastung des so ausgebildeten Absützelements
normalerweise nur so groß sein-darf, daß die einander abstoßend angeordneten Magnetelemente
nicht zur Berührung gelangen. Sollte dies bei einem starken Stoß jedoch einmal vorkommen,
so sorgt die erhebliche Dämpfung in dem federnden Kunststoffelement dafür, daß die
auf das abgestützte Gerät wirkenden Beschleunigungen in zulässigen Grenzen bleiben.
Da andererseits aber bei höheren Frequenzen die Amplituden meist gering sind,
und
daher auch die Abstoßungjskräfte der Magnetelemente für eine völlige oder nahezu
völlige physische Trennung des abgestützten Geräts von dem Auflager sorgen, so wird
eine ausgezeichnete Vibrationsisolierung erreicht. Diese physische Trennung der
Systeme - einerseits des Auflagers, andererseits der mit dem Abstützelement verbundenen
Geräte - hat zur Folge, daß praktisch kein Pfad mehr für die Übertragung von Körperschall
besteht.
-
Dies eröffnet dem Abstützelement gemäß der Erfindung einen weiten
Anwendungsbereich für solche Instrumente und Geräte, die durch Körperschall in ihrer
Funktion und/oder ihrer Lebensdauer empfindlich beeinträchtigt werden.
-
Solche Instrumente sind zunächst einmal alle elektroakustischen Wandler,
also Mikrofone, hochwertige Wiedergabegeräte für akustische Aufzeichnungen (z.B.
stereofonische Plattenspieler), dann aber auch eine große Anzahl anderer elektronischer
Geräte, beispielsweise Feinstwaagen. Bestimmte Elektronenröhren leiden in ihrer
Lebensdauer nicht nur durch Vibrationen, sondern auch durch Körperschall. Bei Halbleitern
und Kristallen existiert der Effekt der sogenannten Sonolumineszenz, d.h. diese
werden bei bestimmten Frequenzen zum Leuchten angeregt und damit für ihre normale
Funktion unbrauchbar.
-
Piezo-elektrische Wandler werden bei Körperschallbeaufschlagung gestört
und können bei ungünstigen Resonanzverhältnissen zerstört werden. Flüssige Medien
neigen zur Kavitation; wobei Gemische unerwünscht emulgieren können. Ferner hat
sich herausgestellt, daß gedruckte Schaltungen bei übermäßiger Vibrationsbeanspruchung
zur Haarißbildung neigen. In all diesen Fällen sind Abstützelemente gemäß der Erfindung
mit Vorteil anwendbar.
-
Je nach der beabsichtigten Anwendung wird man die Federkennlinie
des Kunststoffelements und des aus den beiden Magnetelementen gebildeten Federelements
auf einander abstimmen.
-
Wenn beispielsweise die zu erwartenden Anregungsamplituden groß sind,
empfiehlt es sich, den Federweg des Kunststoffelements kleiner, höchstens gleich
groß zu wählen wie den sich bei
gleicher Belastung einstellenden
Luftspalt zwischen den einander abstoßenden Magneten. Bei vollständiger Ausnützung
des Magnetluftspaltes - zum Beispiel durch einen sehr kräftigen Stoß - besitzt dann
das Kunststoffelement noch eine genügende Nachgiebigkeit, um die Stoßwirkung auf
das abgestätzte Instrument zu mildern.
-
Ist dagegen hauptsächlich die Körperschallisolierung beabsichtigt,
so kann man das von den einander abstoßenden Magneten gebildete Federelement sehr
steif ausbilden, ohne daß die Körperschallisolation leidet, und für die Vibrationsisolierung
kommt dann hauptsächlich die Federkennlinie des Kunststoffelements zum Tragen, bei
dem die Dämpfung in erwünschter Weise hoch ist.
-
Je nach der Form der Magnetelemente ist eine Führungseinrichtung
in Richtung der Abstoßungskraft zweckmäßig, und für die beste Ausnützung des Energieinhalts
der Magnetelemente werden zweckmäßig Joche zur Konzentrierung des Magnetfeldes vorgesehen.
-
Starre Führungseinrichtungen bringen aber natürlich sofort die Gefahr
itt sich, daß ein Pfad für die Körperschallübertragung ausgebildet wird. Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung läßt sich diese Gefahr dadurch umgehen, daß quer zur
Hauptrichtung der Abstoßungskraft der Nagnetelenente wirkende, ebenfalls einander
abstoßende zusätzliche Magnete vorgesehen werden.
-
Diese können beispielsweise so ausgebildet werden, das von den Magnetelementen
ausgehebde Feldlinien mittels Jochen entsprechend gebündelt und geführt werden.
-
Im einfachsten Fall sind die Magnetelemente Permanentmagnete mit
großem B-H-Produkt, zum Beispiel oxidkeramische Sintermagnete oder AlNiCo-Magnete.
Es kann aber auch mindestens eines der Magnetelemente ein Elektromagnet sein, bei
dem die Abstoßungskraft elektrisch steuerbar ist.
-
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt schematisch ein Abstützelement gemäß
der Erfindung ohne Belastung im Längsschnitt; Fig. 2 stellt das in Fig. 1 gezeigte
Abstützelement unter Belastung dar; Fig. 3 ist ein Diagramm der Federkennli@ien
für das Abstützelement nach Fig. 1 und 2; Fig. 4 zeigt schematisch zwei Magnetelemente,
be denen unter Umständen eine Führungseinrichtung entfallen kann, und Fig. 5 und
Fig. 6 zeigen schematisch Absützelemente gemäß der Erfindung in anderen Bauarten.
-
Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Abstützelement umfaßt die magnetelemente
1 und 2, die hier zus oxidkeramischen Magnetplatten bestehen. Sie sind permanent
magnetisiert und so angeordnet, daßihre Nord- oder Süopole einander abstoßend gegenüberliegen.
Oberhalb des Magnetelements 1 befindet sich das elastisch Block aus geschäumtem
Polyurethan besteht,
Das Kunststoffelement 3 ist bei 4 auf der Oberseite
des Magnetelements 1 durch Kleben befestigt. Eine Hülse 5 aus unmagnetischen Material
umgreift lose das Magnetelement 1, so daß sich ein schmaler Ventilationsspalt 8
ergibt; die Hülse 5 ist jedoch so dicht an dem Magnetelement 1 angeordnet, daß dieses,
zusa@@@en mit dem Kunststoffelement 3, zentriert und bei Belastung geführt wird,
An der Ünterseite des Magnetelements 2 ist ein Joch in Form eines Ringes 6 angeordnet,
der aus weichmagnetischem Material besteht und das Feld konzentriert und damit die
wirksame Flußdichte vergrößert. Auf der den Magnetelement 1 zugewandten Seite des
Magnetlements 2 ist eine Kunststoffolie aufgebracht, damit bei einem etwaigen Anfeinanderstoßen
der keramischen Magnetelemente die Gefahr der Zerstörung herabgesetzt wird, In Fig.
2 ist gezeigt, wie das 5 Abstützelement unter Einwirken einer Belastung P komprimiert
wird. Der Luftspalt zwischen den Magnerelementen 1 und 2 ist verringert, und das
Kunststoffelement ist volumenkomprimiert. Die Darstellung in Fig. 2 gibt in etwa
die tatsächlichen verhältnisse wieder, wenn die Elemente die in Fig. 3 gezeigten
Kennlinien besitzen.
-
In Fig. 3 ist über den Federweg - in Richtung der Belastung P nach
Fig. 2 - die zugehörige Belastung P dargestellt, und zwar zeigt die Kennlinie K
die Verringerung der Höhenabemss Kunststoffelements, die Kennlinie M stellt die
Verringerung des Luftspalts zwischen den Magnetelementen 1 und 2 dar, und A gibt
die resultierende Kennlinie des kombinierten Abstützeiements wieder. Man erkennt,
daß durch die Kombination der Federweg erheblich vergrößert wird, was bei großen
Amplituden der Anregung natürlich sehr erwünscht ist. Bei einer Belastung S stoßen
die beiden Magnetelemente aufeinander, so daß von da an nur noch eine Federung durch
das Kunststoffelement gegeben ist. Dies soll aber im Normalfall natürlich nicht
eintreten.
-
Da das abgestützte Gerät durch den Luftspalt zwischen den Magnetelementen
körperlich völlig von dem Auflager isoliert ist, kann auch kein Körperschall übertragen
werden, womit die beidseits des Luftspalts vorhandenen Vibrationen in einem sehr
großen Frequenzbereich von der Übertragung ausgeschlosen sined. Die Übertragung
über die Hülse 5 ist dabei gering. Bei niedrigeren Frequenzen hingegen kommt die
Dämpfungswirkung des Kunststoffelements zum Tragen, während die Dämpfung des aus
den beiden Magnetelementen bestehenden System naturgemäß außerordentlich niedrig
ist. Die so erzielte Verbesserung besonders bei niedrigen Frequenzen ist ein weiterer
Vorteil neben dem vergrößerten Federweg.
-
Die Magnetelemente 1 und 2 besitzen - ebenso wie das Kunststoffelement
3 - im allgemeinen die einfachste Form und sind kreiszylindrisch ausgebildet. Derartige
Formen lassen sich von Magnetherstellern preisgünstig beziehen. Wenn es jedoch erwünscht
ist, die Hülse 5 oder eine andere Führungseinrichtung ganz zu vermeiden, kann eine
andere Form für die Magnetelemente gewählt werden, beispielsweise die in Fig. 4
dargestellte Ausführung. Das Magnetelement lo ist dabei kegelförmig und das ihm
gegenüberliegende, abstoßend polarisierte Magnetelement 12 weist ein hohlkegelförmiges
Ende auf. Auf diese Weise wird eine Zentrierung durch die Abstoßungskräfte selbst
erzielt. Aber auch andere Formen bew. Kombinationen sind denkbar, die das gleiche
Ergebnis erbringen, etwa drei oder mehr zentralsymmetrisch angeordnete und nach
außen bzw. innen geneigte permanentmagnetische Platten, die so ebenfalls zentriert
werden.
-
Wenn einem Gerät mehrere Abstützelemente gemäß der Erfindung zugeordnet
werden, können diese auch jeweils etwas nach innen geneigt angeordnet werden, so
daß eine zusätzliche Führungseinrichtung entfallen kann.
-
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Absützelementls gemäß der Erfindung,
bei dem anstelle von Permanentmagneten Elektromagnete angewandt werden.
-
Das Abstützelement umfaßt einen zylindrischen Block 20 aus einem
zellelastischen Kunststoff, beispielsweise Polyurethanschaumstoff, mit einer Einschnürung
22, die in an sich bekannter-Weise die Formstabilität im komprimierten Zustand verbessert.
-
Der Kunststoffblock 20 sitzt auf dem Joch 24 eines ersten Elektromagneten.
Dieser ist kreissymmetrisch ausgebildet und umfaßt ferner die Spule 26, den Kern
28 aus ferromagnetischem Material sowie einen Kunststofftrennring 30. Der erste
Elektromagnet ist so an eine Stromquelle angeschlossen, daß auf der unteren Stirnseite
des Kerns 28 ständig ein Nordpol liegt.
-
Der zweite Elektromagnet ist ganz ähnlich aufgebaut und umfaßt ein
Joch 32, eine Spule 34, einen Kern 36 und einen Trennring 38. Die Kerne 28 und 36
einerseits und die Spulen 26 und 34 andererseits sind jeweils identisch ausgebildet;
an der oberen Stirnseite des Kerns 36 befindet sich ebenfalls dauernd ein Nordpol,
wenn die Spule 34 entsprechend angeschlossen wird. Der Trennring 38 ist etwas dicker
als der Trennring 30, so daß die beiden Joche - an denen sich natürlich die jeweiligen
Südpole befinden -teilweise ineinander sitzen und einander radial abstoßen. Deshalb
kann hier eine weitere Führungseinrichtung in Richtung der Abstützung entfallen.
Der schmale ringförmige Luftspalt ist erwünscht; durch ihn erfolgt der freie Luftaustausch
ohne Ausbildung eines Luftkissens. Zwar sind Elektromagnete im Vergleich mit Permanentmagneten
aufwendiger, schon weil ein dauernder Stromverbrauch eintritt. Sie besitzen jedoch
einen außerordentlichen Vorteil insofern, als die Abstoßungskraft durch Beeinflussung
des Stromes steuerbar ist. Durch eine Rückkkopplung@schaltung
kann
jede Änderung des Luftspalts zwischen den Kernen 28, 36 in eine Stromänderung überführt
werden, welche der sie erzeugenden Luftspaltänderung entgegenwirkt, so daß selbst
bei einer Anregung einer Seite mit erheblichen Amplituden niedriger Frequenz - etwa
in dem gefährlichen Bereich nahe der Eigenfrequenz des Systems - ein nahezu vollständiger
Stillstand der anderen Seite erzielbar ist und damit eine ausgezeichnete Vibrationsisolierung
über einen ideal weiten Frequenzbereich.
-
Für die Ermittlung der Luftsjpaltänderung kann man übliche Meßfühler
(Schiebepotentiometer oder ähnliches) verwenden, oder aber man nützt einfach die
in einer der Spulen induzierten Spannungen bei einer Luftspaltänderung aus. Nan
kann entweder den Gesamtatrom steuern oder einen konstanten Strom Regel impulse
überlagern.
-
Ein solches aufwendiges System kann beispeilsweise gerechtfertigt
sein beim Einbau von elektrischen Geräten in Flugzeugen, bei denen die Flugzeugzelle
völlig unbrauchbare Schwingungen überträgt und bei denen infolge der 11 allgemeinen
sehr starren Konstruktion die Gefahr von Körjperschallübertragung erheblich ist.
-
Für die Rückkopplungssystem@e kann Man die allgemein bekannten Schaltungen
für Regelzwecke anwenden.
-
Fig. 6 zeigt als praktischen Anwedhungsfall einen Mikrophonständer,
in den ein Abstützelement gemäß der Erfindung eingabaut ist. Man erkennt, daß die
Permanentmagnete 50, 52, 54 und 56 sowohl in vertikaler wie auch in horizontaler
Richtung Abstoßungskräfte entwickeln, mit denen das Mikrophon 58 völlig frei von
körperlichem Kontakt mit den Ständer 60 gehalten wird.
-
Die entsprechende Polarisierung der Magnete ist mit N (Nord) und S
(Süd) angegeben. Es handelt sich dabei nein halbkugelförmiges
Magnetelement
50, ein hohlkugelförmiges Magnetelement 52 und zwei ringförmige Magnetelemente 54,
56. Man erkennt auch, daß das Mikrophon einerseits und der Ständer andererseits
unabhängig voneinander um die gemeinsame Achse in beliebiger Richtung gedreht werden
können; dies gilt für alle Abstützelemente gemäß der Erfindung, sofern sie zentralsymmetrisch
aufgebaut sind.
-
Unter Anwendung cryogener Systeme lassen sich derart hohe Magnetkräfte
mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand erzeugen, daß Abstützelemente gemäß
der Erfindung mit supraleitenden Spulen zur Magnetfelderzeugung und zur Abstützung
erheblicher Massen anwendbar sein können.
-
(P a t e n t a n s p r ü c h e)