Federelemente. Technische Grundlagen

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1 Federungstechnik Federelemente Technische Grundlagen RRG INDUSTRIETECHNIK GMBH Brunshofstraße 10 D Mülheim an der Ruhr Telefon (0208) Telefax (0208) Internet:

2 Definitionen Elastomerfedern Elastomerfedern sind Bauteile aus hochelastischen Werkstoffen. Der Elastomer-Federkörper entspricht durch seine Form und seinem Material einem genau definierten Federungsverhalten. Elastomerfedern verdanken ihre guten Isolationseigenschaften ihrer Fähigkeit, sich bis zu hohen Dehnungswerten zu verformen. Elastomerfedern können nur dann ihre guten Eigenschaften zur Schwingungsisolation erfüllen, wenn sie richtig ausgelegt und eingesetzt sind. Härte nach Shore Eine wichtige Größe zur Charakterisierung von Elastomerwerkstoffen ist ihre Härte. Unter der Härte nach Shore wird der Widerstand gegen das Eindringen eines Körpers vorgegebener Form unter einer definierten Kraft verstanden. Die Härte-Skala umfasst einen Bereich von 0 bis 100. Für Federungszwecke verwendete Elastomere werden in der Regel nach Shore A gemessen (DIN A). Toleranzbereiche für die Härtemessung betragen üblicherweise ± 5 Shore. Federungsverhalten Die RRG bietet Federwerkstoffe aus diversen Kautschuk-, PU-Kompakt- oder PU-Schaumwerkstoffen an. Bei der Auswahl des geeigneten Federwerkstoffes und der Wahl der geeigneten Federgeometrie sind Ihnen die Fachberater der RRG gern behilflich. Gummifederarten Gummifedern, die keine festhaftenden Anschlussteile besitzen, werden ungebundene Gummifedern genannt (Gummi-Puffer, Gummi-Hohlfedern usw.). Gummifedern, die fest mit Metallteilen verbunden sind, nennt man gebundene Gummifedern (Gummi-Metallpuffer, Gummi-Metallschienen usw.). Wirkungsweise Kriechen Kriechen ist die zeitabhängige Zunahme des Federweges einer unter konstanter Last stehenden Feder. Es ist eine Folge des zeitabhängigen Nachlassens der Rückstellkraft, einer unter ständiger Last stehenden Elastomerfeder. Das Kriechen verläuft bei konstanter Temperatur linear proportional zum Logarithmus der Zeit. Temperatureinflüsse Elastomerfedern können in einem breiten Temperaturbereich von ca C bis + 90 C eingesetzt werden. Die Temperatur beeinflusst die Federrate und die Dämpfung der Elastomerfeder. Mit steigender Temperatur verringert sich die Dämpfung, mit fallenden Temperaturen steigt die Dämpfung bis zum Maximalwert an. Elastomerfedern werden zur Schwingungsisolation von Maschinen und Anlagen eingesetzt. Elastomerfedern mindern die Weiterleitung von Körperschallund Erschütterungsschwingungen. Sie werden eingesetzt zur Aktiv-Isolation (Schwingungen die ein Aggregat oder eine Anlage verursachen werden nicht bzw. deutlich reduziert in den Aufstellungsuntergrund übertragen) oder zur Passiv- Isolation (Schwingungen aus der Umgebung werden nicht oder stark vermindert in die Anlage übertragen). Der Inhalt dieser Druckschrift ist das Ergebnis anwendungstechnischer Erfahrungen. Alle Angaben und Hinweise erfolgen nach bestem Wissen; sie stellen keine Eigenschaftszusicherung dar. Für die Beratung durch diese Druckschrift ist eine Haftung auf Schadenersatz, gleich welcher Art und welchen Rechtsgrundes, ausgeschlossen. Technische Änderungen im Rahmen der Produktentwicklung bleiben vorbehalten

3 Berechnungsgrundlagen Formelzeichen Einheiten Benennungen a m/s 2 c N/mm c v d Nm/Grad db E N/mm 2 f Hz f e f err F F err G m Hz Hz N, kn N, kn N, kn kg g m/s 2 M Nm s mm ϕ (Grad) s 0 mm n min -1 n Stück Δs mm t s v m/s W Nm η -- D db v min -1 v e min -1 v err min -1 σ N/mm 2 ω s -1 Beschleunigung Federrate Verdrehfederrate Dämmung Elastizitätsmodul Frequenz Eigenfrequenz Erregerfrequenz Kraft Erregerkraft Gewichtskraft Masse Erdbeschleunigung Moment Federweg Verdrehwinkel Amplitude Drehzahl Lagerpunkte Federwegzunahme Zeit Geschwindigkeit Arbeitsaufnahme Isoliergrad Dämpfung Schwingungszahl Eigenschwingungszahl Erregerschwingungszahl Druckspannung Kreisfrequenz 3 FEDERUNGSTECHNIK

4 Federung Wirkt eine Kraft oder ein Moment auf eine Elastomerfeder, so verformt sich die Feder um einen Federweg s bzw. um einen Verdrehwinkel ϕ. Das Verhältnis der aufgewendeten Kraft bzw. des Momentes zum Verdrehwinkel bezeichnet man als Federrate c oder als Verdrehfederrate c v. Je nach Formgebung des Elementes stellt sich eine progressive, eine lineare oder eine degressive Kennlinie ein. Druckbelastete Elastomerfedern neigen zu einem progressiven Kennlinienverlauf. Schub- und zugbelastete Elastomerfedern neigen zu einem degressiven Kennlinienverlauf. Zugbeanspruchungen sind in der Regel nicht zugelassen. Elastomerfedern aus kompakten Werkstoffen sind nicht kompressibel. Damit sie ihre isolierende Wirkung entfalten können, ist ein ausreichender Freiraum für die Ausbauchung erforderlich. Nur bei einer linearen Kennlinie ergibt sich über den gesamten Federungsbereich eine konstante Federrate oder eine konstante Verdrehung. Bei den beiden anderen Kurvenverläufen ist die Federrate abhängig von der Verformung des Isolierelementes. Durch Anlegen der Tangente im Arbeitspunkt A bei der tatsächlichen Belastung F A oder des tatsächlichen Momentes M A erhält man die Strecke s suba bzw. ϕ suba. Der Quotient aus Belastung und dieser so ermittelten Strecke ergibt die Federrate im Arbeitspunkt. Stahlfedern haben über den gesamten Arbeitsbereich eine konstante Federkennlinie. Federelement im entlasteten bzw. belasteten Zustand Kennlinienverläufe 4

5 Federung Kombinationsmöglichkeiten von Federelementen Elastomerfedern können in Kombination miteinander eingesetzt werden. Parallelschaltung von Elastomerfedern Reihenschaltung von Elastomerfedern c ges = c 1 + c 2 + c 3 + c n s = F = F + F + F + F c ges c 1 c 2 c 3 c n s = F c ges = F c 1 + c 2 + c 3 + c n c = c 1 c 2 c 3 c n Federn in Reihe gesetzt Federn parallel eingesetzt Druck- / Schubbelastung von Elastomerfedern s = F Z c Z c Z = 2 (c D cos 2 α + c s sin2 α ) Federn mit Druck- und Schubbelastung 5 FEDERUNGSTECHNIK

6 Federung Eigenfrequenz, Eigenschwingungszahl und Resonanz Feder-Masse-Systeme schwingen sobald sie angeregt werden. Man unterscheidet zwei Anregearten: Anregung durch Stoß und kontinuierliche Anregung. Wird das Feder-Masse-System durch Stoß angeregt, z.b. durch einen einzelnen Hammerschlag, dann schwingt es in seiner Eigenfrequenz (Eigenschwingungszahl) solange aus, bis die dem System zugeführte Energie durch Dämpfung in Wärme umgesetzt ist. Wenn das Feder-Masse-System kontinuierlich, z.b. durch einen Kolbenkompressor angeregt wird, so schwingt das System mit der ihm aufgezwungenen Frequenz (Erregerfrequenz, Eigenschwingungszahl). Ist die Anregefrequenz und die Eigenfrequenz des Isolierelementes gleich, so schwingen sie in Resonanz. Ist nun keine Dämpfung im System vorhanden, z. B. bei Stahlfedern, würden die Schwingungsausschläge unendlich groß. Die Eigenschwingungszahl v e (Schwingungen pro Minute) ist 60 mal höher als die Eigenfrequenz f e (Schwingungen pro Sekunde). Resonanz liegt vor, wenn die Frequenz einer erregenden Schwingung mit der Eigenfrequenz eines Schwingsystems übereinstimmt. Voraussetzung für eine Dämmung bzw. Isolierung ist, dass die Erregerfrequenz f err um den Faktor 2 = 1,414 größer ist als die Eigenfrequenz des eingesetzten Isolierelementes. Der Isoliergrad η wird bestimmt: η = 1 - f err f e Isoliergrad bezogen auf das Frequenzverhältnis: η in % 0 0,667 0,875 0,958 0,984 0,990 f e f err 1, Die Systemeigenfrequenz errechnet sich wie folgt: f e = 1 c 2π m 1000 Hz Die Dämmung D wird bestimmt: Die Eigenschwingungszahl wird berechnet: v e = 30 π c m 1000 min-1 2 f D = 20 log err - 1 f e db 6

7 Federung Zur sicheren Auslegung einer elastischen Lagerung ist es wichtig, die Masse des zu lagernden Systems und die Erregerfrequenz zu kennen. Vorgehensweise bei außermittigem Schwerpunkt: Hier müssen in Abhängigkeit der erforderlichen Unterstützungskräfte unterschiedliche Federtypen eingesetzt werden. Bei der Auswahl helfen Ihnen die Fachberater der RRG. Resonanzkurve Der Einsatz der Elastomerfedern findet nur im überkritischen Bereich statt. Eine Auslegung im unterkritischen Bereich soll vermieden werden. Skizze zur Bestimmung des Schwerpunktes Berechnung der Einzelmassen: m 1 = m (X 1 - X 2 ) Y 2 X 1 Y 1 m 2 = m X 2 Y 2 X 1 Y 1 m 3 = m (Y 1 - Y 2 ) X 2 X 1 Y 1 m 4 = m (X 1 - X 2 ) (Y 1 - Y 2 ) X 1 Y 1 Diagramm zur Ermittlung des Isolierwirkgrades 7 FEDERUNGSTECHNIK

8 FLUID ANTRIEB ELASTOMER SCHWINGUNG FAX-Antwort: (0208) Bitte senden Sie mir mehr Informationen: Akustik + Sylomer Elastische Befestigungselemente für Decken und Wände Sylomer & Sylodyn Elastomere für die Schwingungsdämpfung im niedrigen, mittleren und hohen Bereich Schwingungsdämpfer Elastische Abhänger für Decken Wände, Geräte und Maschinen KSD -Elemente Isolierung von Körperschall, Schwingungen und Erschütterungen Stahlfeder- Schwingungsdämpfer Aktivisolierung von z. B. Klimageräten, Sicherheits- und Industriestoßdämpfer Elemente zur sicheren Abbremsung bewegter Ventilatoren, etc. Massen Maschinenschuhe zur Nivellierung und Dämpfung von Geräten und Maschinen Lärmschutzkabinen und -kapseln Zur Dämmung und Isolierung von Luftschall Gummi-Metall- Elemente Schwingungsabsorption und Lärmreduzierung Paneel-System HAPS» Do it yourself «Hochabsorbierendes Lärmschutzsystem für den Eigenbau Gummi-Hohlfedern Elastomerfedern Federelemente für den Einsatz im Fahrzeugund Maschinenbau Schallabsorptionselemente Dämmmaterialien für Maschinen, Geräte und den Innenausbau FLUIDTECHNIK Hydraulik Hydraulik-Service ANTRIEBSTECHNIK Antriebselemente Linearsysteme ELASTOMERTECHNIK Gummitechnik Kunststofftechnik Unsere Anschrift lautet: Firma: Platz für Ihre Visitenkarte Einkleben - Kopieren - Faxen Name: Straße: PLZ / Ort: Telefon: Telefax: E-M@il: RRG INDUSTRIETECHNIK GMBH Brunshofstraße 10 D Mülheim an der Ruhr Telefon (0208) Telefax (0208) info@rrg.de Internet: