Stoß- und Schwingungsdämpfer für Translationsbewegungen infolge von Biege-, Längs-und Drehschwingungen


Gutachten der Leibniz Universität Hannover über den magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfer (MSD) für lange Hubbewegungen von SAGIC®  (patentrechtlich geschützt)













Allgemeines Prinzip der magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfung 

Dämpfung durch Wirbelstromverluste:

  • Kolbenstange in Führungszylinder, im Innern versehen mit einander abstoßendenNeodym-Permanentmagneten (rot im Bild)
  • Magnete erzeugen rückstellende Kräfte, sobald Kolbenstange aus der Ruhelage ausgelenkt wird (versteifende Wirkung).
  • Zusätzlich werden bei Vertikalbewegung Wirbelströme durch die Wechselwirkung mit der metallischenAußenhülse induziert (Lorentz-Kraft).
  • Die hierbei auftretenden elektrischen Verluste bewirken die mechanische Bedämpfung der Kolbenbewegung.


Dabei wird an jeder  der gegeneinander schwingenden beiden Massen ein Magnet befestigt, der auf den anderen Magnet 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 Ruhestand ein bestimmter vorgegebener Abstand eingestellt. In diesem Ruhestand werden die Magnete in ihre Nullstellung justiert. Sobald durch irgendeine äußere Kraft die eine Masse aus dieser Ruhestands-Stellung herausbewegt wird, werden Federkräfte, aber auch magnetische Kräfte wirksam, die beide bestrebt sind, den bewegten Körper wieder in seine Ruhestands-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.


Allgemeiner Aufbau des Magnet Stoß- und Schwingungsdämpfers

Der magnetische Stoß- und Schwingungsdämpfer besteht aus einem Federelement (Stahlfeder, Gummi-(Elastomere-)feder o.Ä.) und einem parallel geschalteten Magnet-Dämpfer-Element. Als Magnete können handelsübliche Dauermagnete zum Einsatz kommen, deren Magnetkräfte konstant sind und die daher eine gleich bleibende Dämpfung erreichen. 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. Bei diesem magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfer können die Magnete aber auch Elektromagnete sein, wodurch sich eine einstellbare oder steuerbare Dämpfungswirkung erzielen lässt.

Der magnetische Stoß- und Schwingungsdämpfer ist ein Feder-Dämpfer-System 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 abgedämpft werden sollen. Es wird benötigt, um Bewegungs- und Schwingungseigenschaften positiv zu beeinflussen.



Allgemeiner Aufbau des magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfers



Prinzip und Aufbau des magnetischen Stoßs- und Schwingungsdämpfers für lange Hubbewegungen

Versuche an einem mit magnetischen Kräften arbeitenden Stoß- und Schwingungsdämpfer, der aus zwei feststehenden und einem zwischen diesen bewegbaren, an eine Koppelstange gekoppelten Magneten besteht, brachten das Ergebnis, dass dieser Dämpfer nur für kurze Hubbewegungen der Koppelstange geeignet ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass der Kraftverlauf zwischen den Magneten einer Exponentialkurve folgt, anfangs ist er sehr schwach, aber kurz vor dem Ende der Bewegungsbahn wird er sehr stark. Überträgt die Koppelstange die Kraft erheblicher Masse, so kann die Beharrungskraft dieser Massen so groß sein, dass sie sich nicht oder nicht genug durch magnetische Kräfte abbremsen lassen.

Diesen Nachteil will die Erfindung vermeiden. Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Stoß- und Schwingungsdämpfer immer in einem günstigen, d. h. die magnetischen Kräfte stark veränderndem Bereich der Exponentialkurve arbeiten zu lassen, auch bei langen Stoß- und Schwingungsdämpfern.
Die Erfindung besteht darin, dass mindestens ein weiterer Magnet zwischen dem feststehenden und dem auf der Koppelstange befestigten Magneten frei bewegbar angeordnet ist, wobei die einander zugekehrten Seiten aller Magnete die gleiche Polarität aufweisen.

Hierdurch wird erreicht, dass die Abstände zwischen den einzelnen Magneten kurz sind und daher die magnetischen Kräfte zwischen den einzelnen Magneten hoch sind. Bei dieser Anordnung sind die Abstände zwischen den einzelnen Magneten immer gleich groß, wie nahe sich die Magneten auch kommen mögen oder wie weit die Magneten sich auch von einander entfernen mögen.

Das gilt nicht nur für eine einseitige Stoßdämpfer- Anordnung, bei der die Dämpfung mit einem Magnetpaar aus einem festen und einem Magneten auf der Koppelstange sowie mindestens einem frei zwischen den Magneten dieses Magnetpaares beweglichen Magneten erfolgt, sondern auch für eine doppelseitige Magnetanordnung, bei der zu beiden Seiten des auf der Koppelstange befestigten Magneten je ein Magnet fest angeordnet ist und dazwischen mindestens ein frei beweglicher Magnet angeordnet ist, also bei einem Stoß- und Schwingungsdämpfer, der aus zwei feststehenden und einem an einer durch die Magneten sich erstreckenden verschiebbaren Koppelstange angebrachten Magneten besteht, die an den einander zugekehrten Seiten gleiche Polarität aufweisen, wobei mindestens je ein weiterer Magnet zwischen dem feststehenden und dem auf der Koppelstange befestigten Magneten frei verschiebbar angeordnet ist, wobei hier die einander zugekehrten Seiten aller Magnete stets gleiche Polarität aufweisen.

Bei diesem Stoß- und Schwingungsdämpfer läßt sich die Ruhestellung des auf der Koppelstange befestigten Magneten dadurch einstellen, dass die Anzahl der frei beweglichen Magnete zwischen dem auf der Koppelstange befestigten Magneten und den festen Magneten unterschiedlich ist.
Die Lagerung der frei beweglichen Magneten dieses Stoß- und Schwingungsdämpfers wird dann besonders einfach, wenn der oder die frei bewegbaren Magnete auf der Koppelstange gelagert sind.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn der oder die frei bewegbaren Magnete ein zentrisches Loch aufweisen, das von der Koppelstange durchsetzt ist.

Um die Gleiteigenschaften der frei beweglichen Magnete auf der Koppelstange bei diesem Stoß- und Schwingungsdämpfer zu verbessern und einen Abrieb der Koppelstange zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn das zentrische Loch in den frei beweglichen Magneten mit einer Buchse versehen ist, die auf der Koppelstange gleitet.

Vorteilhaft für den Aufbau und die mechanische Gestaltung dieses Stoß- und Schwingungsdämpfers ist es, wenn sämtliche Magnete von der Koppelstange durchsetzt sind.
Zur mechanischen Schonung dieses Stoß- und Schwingungsdämpfers ist es zweckmäßig, dass die meist aus kristallinem und daher rauhem Material bestehenden Magnete zumindest einseitig von einer Schicht aus unmagnetischem Material überzogen sind. Das kann aber auch so erfolgen, dass die Magnete zumindest einseitig eine winkelförmige dünne Randbeschichtung aus einem unmagnetischen Material, vorzugsweise einem Kunststoff, tragen.


Prinzipdarstellung:


                                                                                

                                                             
 Einseitige Magnetanordnung                             Symmetrische Magnetanordnung                         Asymmetrische Magnetanordnung

 

 



Magnetischer Stoß- und Schwingungsdämpfer für lange Hubbewegungen









Magnetischer Biegeschwingungsdämpfer für lange Hubbewegungen








Feder-Magnetdämpfer-System für lange Hubbewegungen (Variante 1)








Feder-Magnetdämpfer-System für lange Hubbewegungen (Variante 2)




Marktalleinstellungsmerkmale des magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfers für lange Hubbewegungen
  • Funktionieren bzw. wirken ausschließlich auf der Grundlagevon Magnetkräften.
    Übliche Dämpfer funktionieren hydraulisch, pneumatisch, mitGas, Reibung, …etc.
  • Bieten mehr Komfort aufgrundder exponentiellen Federwirkung. Übliche Dämpfer haben eine lineare Federwirkung.
  • Sind sowohl für Längsbewegungen  als auch für Dreh    bewegungen herstellbar.
  • Sind einstellbar bzw. regulierbar.
  • Entwickeln keine Hitze.
  • Sind lageunabhängigeinsetzbar.
  • Lassen sich durch ihre kompakteBauform in kritischen Einbaulagen gut unterbringen.
  • Sind unempfindlich gegen Schmutz, Fett, Öl, Wasser, Säure und Salze.
  • Sind extrem belastbar.
  • Sind für unterschiedliche Störfrequenzen oder Impulse    und Belastungsrichtungenausgelegt oder herstellbar.
  • Sind wartungsfrei undverschleißfrei undsomit in ihrer Lebensdauer unbegrenzt.
  • Sind einsetzbar, z. B. als Isoliersysteme gegen chwingungen,Erschütterungenund Körperschall von Maschinen,Anlagen und Bauwerken.
  • Anwendung als Stoßdämpfer
  • Bieten dem Anwender einHöchstmaß an Komfort und Sicherheit.
  • Benötigen kein Dämpfungsfüllmedium, wie z. B. Öl,Druckluft,Gas, …etc.
  • Sind mit Dauermagneten bzw.mit Elektromagneten herstellbar.



Allgemeine Anwendung

Die Einsatzmöglichkeiten des magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfers 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 Schwingung erzeugende Antriebe schwingungsisoliert eingebaut werden. Generell kann gesagt werden, dass Feder-Magnetdämpfer-Systeme überall dort eingesetzt werden können, wo bislang auch hydraulische, pneumatische oder mit Gas betriebene 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  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.

Der magnetische Stoß- und Schwingungsdämpfer von SAGIC® garantiert ausgezeichnete Dämpfungs-eigenschaften selbst unter schwierigen Bedingungen. Unser Dämpferelement, der Magnetdämpfer von SAGIC® , bietet dem Konstrukteur den einzigartigen Vorteil, dass dessen Eigenschaften mit geringem Aufwand, d. h. zu niedrigen Kosten, in hervorragender Weise an spezielle technische Bedingungen angepasst werden können. Der Konstrukteur ist somit in der Lage, geeignete Magnetdämpfer als Elemente in seine Konstruktion zu integrieren. Dabei unterstützt ihn SAGIC® mit schwingungstechnischem Fachwissen und Erfahrung.


Anwendung bei Maschinen, Aggregaten und Pressen

Die meisten Maschinen lassen sich ohne starre Verbindung mit dem Boden oder dem Fundament aufstellen, nämlich mit Hilfe untergebauter elastischer Dämpferelemente. Das gilt z. B. für Werkzeugmaschinen, Druck-, Textil- und Papiermaschinen, Pumpen und Aggregate. Bei allen verwindungssteifen Maschinen, deren Gesamtmasse im Vergleich zu den Kräften der bewegten Massen groß ist, können Fundamente und/oder Bodenbefestigung entfallen. Die elastische Lagerung bewirkt

  • Stoß- und Schwingungsisolierung Maschinen/Boden (Aktivlagerung) bzw. Boden/Maschine (Passivlagerung)
  • Verlängerte Standzeit der Werkzeuge, höhere Fertigungsqualität,
  • Einsparung der Fundamente und/oder Verankerung (Zeit, Kosten)
  • Dann auch Flexibilität hinsichtlich Aufstellungsort (z. B. auf Decken) und bei Umstellungen
  • Die Magnet Stoß- und Schwingungsdämpfer von SAGIC® eignen sich hierfür hervorragend.


Anwendung bei Fahrzeugen

Einerseits durch eingebaute Aggregate, andererseits aber auch durch die Art der Fortbewegung, entstehen bei vielen Fahrzeugen (Schiffen, Flugzeugen, Landmaschinen, …etc.) Stoß- und Schwingungsbelastungen, die aus ergonomischen und wirtschaftlichen Gründen zu unterbinden sind, Die Zuverlässigkeit der Fahrzeuge samt deren Einbauten sowie der Komfort werden immer höher bewertet. Beispielsweise werden bei Straßen- und Schienenfahrzeugen zahlreiche Maßnahmen getroffen, zur Schwingungsdämpfung (im Fahrgestell, bei der Aufhängung von Motor mit Abgasrohren, Schalldämpfer und Getriebe).

Die magnetischen Stoß- und Schwingungsdämpfer von SAGIC®    helfen wirksam dabei.

 
Isolierung von Aufbauten, Einbauten und Ausrüstung

Die Stoß- und Schwingungsbelastungen bei schweren Nutzfahrzeugen und selbst fahrenden Arbeitsmaschinen, besonders bei den geländegängigen, sind sehr viel intensiver als bei leichteren Straßenfahrzeugen. Es sind daher meist besondere Maßnahmen angebracht bzw. erforderlich, bei denen die Stoß- und Schwingungsdämpfer von SAGIC®    helfen. Es geht dabei um die Isolierung von:

  • Fahrzeugkabine, Armaturenbrett
  • Klimaanlage
  • Stromerzeuger
  • Messfahrzeug mit Elektronik-Schränken, Bedienpulten, Messgeräten und Rechnern
  • Transportlagerung empfindlicher Güter

 

Weiterentwicklung

Der magnetische Stoß- und Schwingungsdämpfer von SAGIC®    wird ständig von hoch qualifiziertem Personal weiter entwickelt. So wird derzeit untersucht und geprüft, in wie weit beim Einsatz von Magnet Stoß- und Schwingungsdämpfern gänzlich auf Federn verzichtet werden könnte, aus folgendem Grund:

In diversen Versuchen wurde festgestellt, dass sich die mit Magneten erzielte Dämpfung von Schwingungen elastisch verhält. Obwohl diese Elastizität nicht wie bei Stahlfedern linear sonder exponentiell ist, kann angenommen werden, dass bei den Magnetdämpfern eine gewisse Federwirkung vorhanden ist. Man könnte auch von Federn mit großer Dämpfung sprechen. Eine geschickte Ausnutzung dieser Federwirkung könnte dazu führen, dass in manchen Fällen (vielleicht auch generell) gänzlich auf normale Federn (z. B. Stahlfedern, Luftfedern,...etc..) verzichtet werden könnte, wenn Magnetdämpfer eingesetzt werden. Dies würde, wirtschaftlich gesehen, eine enorme Einsparung bedeuten. Ferner haben sich im Zusammenhang mit der Entwicklung der Magnet Stoß- und Schwingungsdämpfer weitere interessante Fragen, Feststellungen  bzw. Themen ergeben. Um die o. g. Feststellungen wissenschaftlich zu begründen und weitergehende mögliche Erkenntnisse im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Produkt zu erzielen, sowie um entsprechende Bemessungsgrundlagen für die hier beschriebenen Systeme zu entwickeln, werden weitere Untersuchungen, Versuche und Berechnungen bzw. wissenschaftliche Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Universitäten durchgeführt.


Patent

Der magnetische Stoß- und Schwingungsdämpfer für lange Hubbewegungen ist in Deutschland patentrechtlich geschützt (vgl. DE102008045973A1).