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Kraftverlauf Spiralfeder bei TemperaturänderungenHallo, evtl. gibt es hier einen Spezialisten, der mir folgende Frage zur Mechanik beantworten kann: Ich spanne eine Spiralfeder um einen definierten Wert vor und messe dann die Kraft. Was passiert mit der Kraft bei gleicher Vorspannweg bei Erhöhung der Temperatur von 20°C auf 80°C ? Und was passiert mit der Kraft nach Abkühlung auf 20°C ? Das hängt stark vom Federmaterial ab. So werden bspw. die Unruhfedern guter Uhren aus speziellen Legierungen gefertigt, um die Temperaturabhängigkeit zu minimieren.
Hmm, dann gehen wir mal von normalen Federstahl aus, wie er z.B. in Stoßdämpfern im Auto verbaut wird... Ist so etwas überhaupt technisch möglich: Bei Erwärmung um 60K Kraftabnahme um 5 % Beim anschleißenden Abkühlen auf 20°C wieder Krafzunahme auf den ursprünglichen Wert.......??
Gast
#7787495
Ich habe mal eine Diplomarbeit in Metallphysik gemacht. Die Zusammenfassung: Metallphysik ist nichtlinear, irreversibel und weit weg vom thermodynamischen Gleichgewicht. Alles Elend der Physik in einer Packung. Was Deine Feder macht, haengt z.B. empfindlich davon ab, was Du mit der armen Feder (woraus gemacht?) gemacht hast und wie oft, bei welcher Temperatur. War in den 1985-Jahren ganz wichtig (Zuverlaessigkeit von Reaktoren, Tragflaechen, Turbinen). Bei Stahl passiert im Temperaturbereich 20...80°C eigentlich nichts, was du merken würdest. Grundsätzlich dehnt sich die Feder bei Erwärmung wie alle Körper aus Stahl etwas aus, wenn du die äußere Länge konstant hältst, wird also die Vorspannkraft minimal ansteigen und beim Abkühlen wieder auf den Ursprungswert fallen. Was ist denn der Hintergrund deiner Frage?
Aktuell mache ich Versuche mit federbelasteten Gleichstrommagnete. Bei einer gewissen gleichbleibenden Federvorspannung benötige ich einen bestimmten Strom der überschritten werden muß, damit die Magnetkraft größer als die Federgegenkraft wird. Dann bewegt sich der Anker des Magneten. Wenn ich den Versuch bei +80°C wiederhole, dann ist benötigte Strom zum bewegen des Ankers deutlich geringer. Die Frage ist, warum ? Anzahl der Windungen der Magnetspule bleibt gleich. Verändert sich der magnetische Widerstand im Eisen des Magneten oder ist es eben doch die Feder ? Da hätte ich gerne mal eine Skizze und Fotos vom Versuchsaufbau. Welche Frage willst du damit beantworten?
Warum man im warmen Zustand weniger Strom braucht, um den Magneten in Bewegung zu setzen.... Es wird die Feder sein...
Wie in der Anlage zu sehen. Über den Anker (Rechts) kommt die Spiraldruckfeder mit Mutter...
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Wäre da eine Schraubenfeder nicht deutlich sinnvoller als eine Spiralfeder?
Beitrag #7787665 wurde von einem Moderator gelöscht.
Stimmt, ist eine Schraubenfeder (Druckfeder). Kannte den Fachbegriff nicht.
Das wird nicht an der Feder liegen. Wenn ich mit einem blinden Schuß ins Blaue raten müsste, würde ich zuerst nach dem Schmierstoff schauen. Oder ob beim Aufheizen auf 80°C das System irgendwelchen Vibrationen ausgesetzt ist, die bei 20°C nicht vorhanden oder schwächer sind. Oder - je nach Materialkombinaion - sitzen Passungen lockerer. Naja, das Metall ist bei höherer Temperatur eleastischer (würde ich mal so nennen), neigt weniger zum Splitterbruch wie man bei Kälte haben kann, das Federmaterial müßte also weicher geworden sein. Die Atome zappeln ja auch mehr herum. ich würde auch vermuten, daß sich die Federkraft nicht wieder ganz einstellt, wegen der Entspannung beim Anlassen, muß aber nicht viel sein.
Eher nicht. 80°C ist weit, weit unterhalb der Übergangstemperatur fürs Kriechen selbst bei Baustahl. Oder kann es an einem veränderten magnetischen Widerstand im Magneten durch die Temperaturänderung gekommen sein. Wird Weicheisen besser wenn es wärmer wird ?
Ich vermute eher, dass sich durch die höhere Temperatur die Reibung verändert, die bei Elektromagneten einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss hat. Der Anker des von Dir skizzierten Magneten läuft im Spulenkörper, der wahrscheinlich aus Kunststoff sein wird. Hier spielen eventuell unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten eine Rolle. Wie misst du den Strom? Und um wieviel ändert er sich?
Um das irgendwie zu fassen müsstest du versuchen das Magnetfeld zu messen. Den Strom misst du? Der würde nämlich bei Temperaturerwärmung eher sinken da der Widerstand der Spule steigt. Oder die Feder so einspannen dass sie auf eine Waage drückt und sie dann erwärmen (wenn möglich nicht die Waage). Nächste Frage: Wie steuerst du den Strom?
Mit eiem TMCS1100A4-Q1 ca. -5 %. Mache nächste Woche erneut Messungen.
Das ist klar. Versorge den Magneten aber mit Konstantstrom. Also.. https://de.wikipedia.org/wiki/Metallurgie https://de.wikipedia.org/wiki/Duktilität https://de.wikipedia.org/wiki/Teile-und-herrsche-Verfahren .. -> mehr eine Frage zum Arbeiten, statt in einem Forum zu diskutieren ;) Hast du den Versuch schon ohne Feder gemacht?
Gast
#7788333
Wo ist die Kraftmessdose eingebaut? Hast Du die Haerte der Versuchsanordnung bestimmt? Wie heizt Du das Ding? Wartest Du auf das thermische Gleichgewicht (so zur Groessenordnung: Wir hatten die Heizung [mit PID-Regler] einen Tag vor dem Experiment eingeschaltet). Ueberhaupt ist exp(-E/kT) meistens nicht zu vernachlaessigen. Photo von dem Aufbau waere hilfreich. Protokollierst Du den Temperatur-Verlauf (wg. Boltzmann)? Und vergiss nicht: irreversibel, nichtlinear und offensichtlich weit weg vom Gleichgewicht. Ächz, ok, es gibt eine Belastungs-hysterese bei Federn, aha. Und bei Erwärmung müßte die Feder weniger Kraft haben. Man will es ja selbst auch wissen. Was nun die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Leitfähigkeit eines Spulenkernes anbelangt habe ich nicht viel info gefunden. Etwas über Trafokerne, die bei Erwärmung erst etwas besser wird und danach wieder abfällt, was nützlich für Selbstbegrenzung ist. Allerdings war das nur ein Satz, keine Fakten. Zur Temperaturabhängigkeit der Permeabilität habe ich sehr wenig gefunden. Es scheint, daß mit Erreichen der Curietemperatur der ferromagnetische Stoff magnetische Leitfähigkeit verliert (wie stellt man dann Permanentmagneten her ?) , er wird dann paramagnetisch, Anwendung im Magnastat-lötkolben. Andeutungsweise steht im Wiki Curietemperatur, daß schon vorher die die magnetische Leitfähigkeit abnimmt. Unter Hitze ist leicher entmagnetisierbar. Die Atome zappeln ja auch mehr herum. Also ich muß wieder einmal sagen, daß man einfach keine harten Fakten findet, internetsuche erfolglos, Forenfrage ist zielführender. Die Links haben vielleicht etwas mit Magnetismus zu tun : https://epub.uni-regensburg.de/9904/1/DissBensch.PDF https://epub.uni-regensburg.de/9904/1/DissBensch.PDF seite 10
Natürlich gibt es für diese Fakten Daten. Dieses Phänomen heißt "Kriechen" oder "Relaxation". Man findet es in jedem Metallkundebuch.
Ist ein Materialkennwert. Und genau wie der Kriechbereich ist diese Temperatur ein einschlägiger Materialkennwert. Beides sind ganz andere Temperaturen als 80°C.
Naja. Deutlich ist was anderes finde ich. Ich denke das wird eher die Permeabilitätsänderung sein. Aber das wirst nur mit getrennten Messungen rausfinden. Effekte von Führung, Schmierung, Feder, Permeabilität in einem zu Messen und richtig zuzuordnen wird kaum gehen. Ich würde da auf jeden Fall mal den Anker (mit was nichtmagnetischen) in beiden Extrempositionen fixieren und Stromverlauf / Stromanstiegsgeschwindigkeit vergleichen. Bei möglichst hoher Spannung und strombegrenzt, um den Einfluss des Tk des Spulenwiderstands gering zu halten. Oder den Spulenwiderstand rausrechnen. Sollte zumindest Hinweise geben. Hach sch...., den wichtigeren Link hatte ich wohl falsch einkopiert. https://www.uni-due.de/imperia/md/content/ag-farle/PDF/dipl-doc/bachelorarbeit_b.sc.nanoengineeringpapadopoulou_3022673.pdf @ walter, daß sich da bei 80°C noch nix tut, weiß ich, auch daß es über Metall, besonders Eisen viel zu lesen gibt auch, aber was ? über magnetische Leitfähigkeit und Suszeptibilität unter Temperatur. Nun ja, es gibt Büchereien, im internet finde ich wenig. https://ei.hs-duesseldorf.de/personen/prochotta/lehre/werkstoffe/Documents/WeKu%2007%20Magnetische%20Eigenschaften%202019_11_14.pdf ach, da stehts, so ein bisschen, keine werte. ich finde nichts.
Kannst Du denn die Feder entfernen und den Anker mit einem Gewicht belasten, das der Magnet hochziehen oder hochdrücken kann? Damit entfällt die Unsicherheit der Feder, denn 100 Gramm bleiben 100 Gramm, unabhängig von der Temperatur. Hallo, erst einmal Danke für die vielen Hinweise und Antworten an euch. Nach neuen Messungen folgende wiederholbare Ergebnisse: Im Bereich von 20°C bis 80°C lineare Abfall des benötigten Stromes um -1250 PPM/K. Also etwa 7,5 % im gesamten Bereich.
Die höhere Temperatur senkt die Gefügestabilität des Stahls, er wird weicher. Es gibt Federstahl bis nur 80°C Einsatztemperatur, aber auch bis über 500°C, z.B. https://blog.federnshop.com/federstahldraht/ Bei tiefen Temperaturen passiert das Gegenteil, wird mancher Stahl schnell spröde, bricht. Kühl die Feder doch mal mit Feuerzeuggas.
Eine Feder bei 80°C weichzukochen ist ähnlich wirksam wie der Versuch, sie mit dem Schnitzelklopfer weichzuklopfen. Aber immerhin ist es weniger Arbeit. Nun Walter, Metallprofi, wird denn Glas magnetisierbar oder magnetisch leitend wenn glühend ?
Ich denke auch es ist nicht die Feder sondern eine Veränderung im Magneteisen (Permeabilität )
Durch den Strom erwärmt sich die Spule, das Magneteisen und auch die Federn. Die Federn sitzen in Bohrungen im Magneteisen (s.Anlage), nicht außerhalb wie auf der alten Skizze dargestellt.
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Hallo Dirk, ich kann jetzt den genauen Aufbau in dem Bild nicht erkennen. Könnte es sein, dass durch die Erwärmung und die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten sich der magnetische Luftspalt verkleinert, so dass ein kleinerer Strom reicht, um die Federkraft zu überwinden?
oberhalb von 1200°C wird es noch weicher.
Nee, der sollte konstant bei 1,8 mm sein. Aber das messe ich nochmal nach. Danke für den Hinweis.
Gast
#7790893
Das glaubst du doch selbst nicht. Du bist unfähig deinen Versuchsaufbau zu beschreiben aber willst auf ein paar % genau messen? Das Ergebnis ist mit Sicherheit zusammengesetzt aus einer Summe von Effekten. Die Abnahme des E-Moduls ist nur einer davon.
Habe heute nachgemessen. Der Luftspalt hat sich durch Wärmeausdehnung von 1,8mm auf 1,7 mm verändert. Das erklärt alles. Fall geschlossen. Danke an alle.
Das kommt sehr darauf an, ob man die Spule mit Konstantspannung oder Konstantstrom betreibt. Da aber das Magnetfeld proportional zum Strom ist und der Strom gemessen wird, ist der Spulenwiderstand hier völlig egal.
Ist dein Magnet themisch entkoppelt? Eigentlich ist bei der Temperatur nur max. eine geringfügige Änderung zu erwarten. Das alles hängt mit der Gefügeveränderung bei Erwärmung des Stahls zusammen. Wenn man Stahl "anlässt", dann enspannt sich das Gefüge. Ich hatte zwar Materialkunde bis zum erbrechen, ist aber schon über 40 Jahre her. Deshalb kann ich dir das jetzt nicht so ganz präzise beantworten. Such mal unter "Gefügeveränderung unter Wärmeeinfluss bei Stahl und gehärtetem Stahl" nach!
Du hast grundsätzlich recht, aber bei Federn verhält sich das etwas anders. Außerdem, was wir früher gelernt haben, ist nicht mehr ganz richtig. Du hast schon drunter, wenn es die Temperatur lange genug hat, eine gewisse Materialentspannung. Das macht man heute im Kfz-Bereich, wenn man eine Beule aus dem Blech gezogen hat, dass man sie mit Rotlicht wärmt (damit der Lack kein Schaden nimmt), um ein Zurückspringen in die Verformung zu verhindern. Da steht dann für mehrer Stunden eine Lampe davor. Bei den Sachen, die wir wohl früher beide so gelernt hatten, waren die Versuche sicher nicht über lägere Zeiträume durchgeführt. Und ich denke auch, dass man gar nicht solch ein Interesse hatte, das so genau zu untersuchen. Leider kann ich mich nicht mehr genau erinnern, aber schon einige Jahre später, in der Luftfahrt, da habe ich dann ganz neue Sachen über Materialkunde gelernt und auch das wurde sicher angeschnitten.
Nee, ist alles eine Einheit: Spule, Mageteisen und Federn.
Dann ist der ganze Aufbau fürn Ar... So kannst du nichts von der Federkraft ableiten. Der Magnet sollte 20°C Umgebungstemperatur haben. Vor dem Stößel Kunststoff oder anderes Material. Nur die Feder sollte in einer Box unter Temperatur stehen.
Ist ja kein Versuchsaufbau sondern ein fertiges Produkt, was halt nun mal so ist, wie es ist.
Dein erster Beitrag und auch im weiterem Verlauf, liest sich anders. Dann muss man das halt elektronisch zurecht stricken. Was sind denn die Anforderungen, das Problem und das Ziel?
Ja, mache ich ja auch. Die Temperaturfehler wird per Software kompensiert. Wollte halt nur verstehen, was die Ursache dafür ist.
Gast
#7796011
Der Gast scheiterte vmtl. an der Forenhysterese. Hier ist das eben so. Wers überlebt, geht freiwillig, die anderen leisten irgendetwas lebenslänglich.
Gast
#7797372
https://www.schmid-federn.de/de/wissen/der-effekt-der-hysterese-bei-metallfederwerkstoffen.html [achja, Karl scheiterte an der toxischen Forenhysterese. Gips.] So ganz nebenbei, eine magnetische Kraft ist weniger eine Sache des Magnetfeldes, wie des Gradienten. Das Magnetfeld wirkt proportional, Aber der Gradient macht die Kraft. Die Kraft kommt von der Inhomogenitaet. In einem homogenen Magnetfeld misst man kein Kraft. Gradient bedeutet Magnetfeldaenderung ueber den geometrischen Ort, ueber die Position in einer Konfiguration. Antwort schreibenBitte melde dich an, um einen Beitrag zu schreiben. |
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