DE10155587C1 - Lager mit magneto-rheologisch einstellbarer Dämpferkraft - Google Patents

Lager mit magneto-rheologisch einstellbarer Dämpferkraft

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Abstract

Ein Lager (2) besteht aus einer Feder (4) und einem Dämpfer (6), wobei der Dämpfer (6) einen Zylinder (8) und einen Kolben (10) aufweist. DOLLAR A Um bei Verwendung einer magneto-rheologischen Hydraulikflüssigkeit eine Sedimentation zu vermeiden, ist die Hydraulik-Kammer erfindungsgemäß so ausgebildet, dass zwischen Zylinder (8) und Kolben (10) ein beidendig abgeschlossener Spalt (12) vorgesehen ist, der eine Ringkammer bildet, wobei ausschließlich diese Ringkammer (12) mit magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllt ist und mittels einer Spule (18) mit einem Magnetfeld beaufschlagbar ist. DOLLAR A Die Spaltbreite ist vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 mm. DOLLAR A Durch eine Strom-Beaufschlagung der Spule (18) in Abhängigkeit von der mechanischen Stoß- bzw. Schwingungsanregung des Dämpfers (6) können an die Betriebsbedingungen anpassbare Dämpferkennlinien realisiert werden. DOLLAR A Anwendungsbereiche sind Motorlager, Fahrwerkslager und Stoßdämpfer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lager, bestehend aus einer Feder und einem Dämpfer mit magneto-rheologisch bzw. elektro-rheologisch einstellbarer Dämpferkraft.
Lagerelemente werden insbesondere im Kraftfahrzeugbereich zur dämpfend-elastischen Abstützung von Motoren eingesetzt.
Mit elektro-rheologischer oder magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllte Stoß- bzw. Schwingungs-Dämpfer sind seit Jahrzehnten bekannt. Ihre wesentliche Eigenschaft beruht auf der Wirkung von Flüssigkeiten, die ihre Viskosität in beispielsweise einem Magnetfeld ändern (magneto-rheologische Flüssigkeiten).
Die DE 38 30 836 A1 beschreibt einen aus einer Kolben/Zylinder-Anordnung bestehenden Dämpfer, dessen Hydraulikflüssigkeit elektro-rheologische Eigenschaften aufweist, wobei durch eine angelegte Spannung die Viskosität der, Flüssigkeit verändert werden kann. Eine größere Viskosität hat zur Folge, dass eine erzwungene Strömungsbewegung in der Kolben/Zylinder-Anordnung einen größeren Kraftaufwand erfordert.
Stoß- bzw. Schwingungs-Dämpfer mit elektro- bzw. magneto-rheologisch einstellbarer Viskosität der Hydraulikflüssigkeit sind aus diversen Schriften bekannt: z. B. US-A- 2,661,596; US-A-3,174,587; EP 0 644 987 B1 (= DE 693 29 851 T2) und DE 197 11 689 A1.
Alle genannten Konstruktionen benötigen eine relativ große Menge an rheologischen Flüssigkeiten, die üblicherweise Dispersionen sind. Diese Dispersionen neigen zur Entmischung und Sedimentbildung, da es in bestimmten Bereichen der Flüssigkeitsmengen kaum zur Flüssigkeitsbewegung kommt. Ist die Flüssigkeit erst einmal sedimentiert, dann ist es sehr schwer, diesen Vorgang wieder umzukehren. Eine bereits sedimentierte Flüssigkeit kann innerhalb des Dämpfers kaum wieder redispergiert werden. Das bedeutet aber auch, dass der Dämpfer nicht mehr funktionstüchtig ist. Damit ist eine mangelhafte Alterungsbeständigkeit gegeben. Eine permanente Feinstfilterung und Umwälzung des Mediums ist aufwendig und damit teuer. Ein zweites Problem der praktischen Anwendung von Dämpfungssystemen basierend auf MRF oder ERF sind die hohen Kosten der Flüssigkeit. Wegen der aufgezählten Probleme und Kosten gibt es bisher in der Automobilindustrie nur einige wenige Anwendungen (z. B. Fahrersitzfederung LKW).
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Lagers bzw. eines Dämpfers mit rheologisch einstellbarer Dämpferkraft, bei dem möglichst wenig Flüssigkeit benötigt wird, um die Kosten gering zu halten und/oder die Sedimentation zuverlässig vermieden wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Abwandlungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-10.
Die Dämpfung ist über die Viskosität, die selbst über ein Magnetfeld steuerbar ist, variierbar. Das Magnetfeld wird durch eine um den Dämpfer gelegte Spule erzeugt. Die Reibung zwischen Dämpfer-Kolben und -Zylinder ist somit einstellbar. Bei sehr geringer Viskosität ist die Reibung vernachlässigbar und das Lagerelement ist rein elastisch. Bei hoher Viskosität ist die Reibung sehr stark und die Dämpfung damit sehr hoch. Mit einem solchen Lager lässt sich die Dämpfung jeweils optimal auf den Betriebszustand/Drehzahl des Motors einstellen. Dies kann zum Beispiel frequenz- und/oder amplitudenabhängig mit einem für das System spezifischen Regelalgorithmus geschehen.
Die Größe des Spalts wird durch Optimierung dreier Parameter erhalten: Spaltbreite (möglichst großer Spalt führt zu einer niedrigen Nulldämpfung) bzw. Nullviskosität, Magnetfeld (je größer das Magnetfeld, desto größer ist der magneto-rheologisch erzielbare Dämpfungseffekt und relative MRF-Effekt. Da der relative MRF-Effekt Δη/η° von der Grundviskosität der MRF abhängt, die absolute magnetisch gesteuerte Zunahme der Viskosität Δη aber für magneto-rheologisch gegebene aktive Festkörperpartikel in etwa konstant ist, ist es günstig, eine Trägerflüssigkeit mit niedriger Viskosität zu nehmen.
Damit lässt sich bei einer geringen Spaltbreite ein großer MR-Effekt erzielen. Bei geringer Spaltbreite wird nun Flüssigkeit benötigt. Der Spalt sollte daher möglichst klein sein). Der Spalt muss nun so bemessen sein, dass sich im nicht geschalteten Zustand die gewünschte, möglichst geringe Nachgiebigkeit (= Dämpfung) einstellt. Aus Optimierung aller drei Parameter ergibt sich, das für ein typisches Motorlager die Spaltweite vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 mm liegt.
Als magneto-rheologische Flüssigkeiten kommen die gängigen, auf dem Markt erhältlichen Flüssigkeiten infrage.
Die Abdichtung kann durch Roll- oder Gleitdichtungen erfolgen oder durch elastische Rollmembranen (z. B. Chloroprenkautschuk, Silikonkautschuk, Naturkautschuk, thermoplastische Elastomere, z. B. Santropren, PU, die auch durch Festigkeitsträger verstärkt sein können). Die Anbindung der Rollmembran kann durch Vulkanisation (Vorbehandlung mit Haftvermittler) erfolgen oder durch Klemmen (z. B. Metallklemmen). Die Membranen haben vorzugsweise wie abgebildet die Form eines Halbtorus, so dass auch größere Hübe im Lager realisiert werden können, oder es handelt sich um elastische Elastomer- oder entsprechend gestaltete Metallmembrane. Membranen sind bei kleinen Amplituden besonders gut geeignet.
Das erfindungsgemäße Lager kann auch im Squeeze-Mode betrieben werden. Dazu erfolgt die Krafteinleitung von der x- oder y-Richtung (also von der Seite, bzw. radial) und nicht über die z-Richtung. Selbstverständlich kann die Kraft auch von allen drei Raumrichtungen gleichzeitig angreifen.
Das Lager kann auch auf elektro-rheologischen Mechanismen beruhen.
Insgesamt ergeben sich folgende weitere Vorteile:
  • - Durch die Spaltbauweise wird nur wenig Flüssigkeit benötigt.
  • - Die Flüssigkeit wird nach Sedimentation leicht wieder aufgeschlämmt, da es keine Bereiche gibt, in denen die Flüssigkeit ständig in Ruhe ist.
  • - Wenn der Dämpfer ausfällt, ist das Lager immer noch aufgrund der elastischen Komponente (eingeschränkt) funktionstüchtig.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Lagers beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein aus Feder und Dämpfer bestehendes Lager in Parallelschaltung, und zwar:
Fig. 1a eine koaxiale Anordnung von Feder und Dämpfer im Längsschnitt dargestellt; und
Fig. 1b eine koaxiale Anordnung von Feder und Dämpfer im Querschnitt, von oben betrachtet.
Fig. 2 zeigt ein aus Feder und Dämpfer in Reihe angeordnetes Lager;
Fig. 3 bis Fig. 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Dämpfern, und zwar:
Fig. 3a, 3b, 5 und 6 mit Rolldichtung,
Fig. 4 mit Membranabdichtung,
Fig. 5 eine Ausführung mit geometrisch konvergierendem Spalt zur Erzeugung eines Gradienten im Magnetfeld, um der Sedimentation entgegenzuwirken, und
Fig. 6 eine weitere Alternative mit Kolben und Zylinder aus Metall mit geringerer Permeabilität (z. B. Aluminium) und außenliegender Spule.
Das in Fig. 1 dargestellte Lager 2 besteht aus einer ringförmigen Feder 4, die aus einem Gummiring besteht und einem koaxial darin ausgerichteten Dämpfer 6. Anstelle einer koaxialen Anordnung von Feder 4 und Dämpfer 6 können Feder 4 und Dämpfer 6 auch nebeneinander angeordnet sein.
Anstelle einer Parallelschaltung von Feder 4 und Dämpfer 6 ist auch eine Reihenschaltung möglich (Fig. 2).
Der in Fig. 3 im Schnitt dargestellte Dämpfer 6 weist einen Zylinder 8 und einen Kolben 10 auf. Der Kolben 10 ist radseitig angebracht, während der Zylinder 8 am Fahrzeugchassis (nicht dargestellt) befestigt ist.
Zwischen Kolben 10 und Zylinder 8 ist ein Spalt 12 freigelassen. Dieser Spalt 12 ist beidendig mit einer Roll- oder Gleitdichtung 14a, 14b versehen, wodurch eine Ringkammer 12 gebildet wird. Diese Ringkammer 12 ist mit einer magneto-rheologischen Flüssigkeit gefüllt.
Im Bereich der Ringkammer 12 ist der Zylinder 8 von einer Spule 18 umgeben, womit die Ringkammer 12 mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden kann.
Mit Hilfe eines solchen Magnetfeldes kann die Viskosität der magneto-rheologischen Flüssigkeit und damit die Dämpferkraft des Dämpfers 6 beeinflusst werden.
Der in Fig. 4 dargestellte Dämpfer 6 weist einen vergleichbaren Aufbau auf. Auch hier befindet sich zwischen Kolben 10 und Zylinder 8 ein Ringspalt 12, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel beidendig mit Hilfe einer Rollmembran 16a, 16b abgedichtet ist und somit ebenfalls eine Ringkammer 12 bildet.
Die Anbindung der Rollmembran 16a, 16b an den Wandungen von Kolben 10 und Zylinder 8 kann durch Vulkanisation oder durch Klemmen 22a, 22b erfolgen. Diese Ringkammer 12 ist ebenfalls mit magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllt, die - wie im vorigen Beispiel - mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden kann.
Um der Sedimentation entgegenzuwirken wird gemäß Fig. 5 und Fig. 6 vorgeschlagen, die Eigenschaft der MR-Teilchen auszunutzen, sich in Gebieten großer Felddichten anzusammeln. Dies kann erreicht werden, indem das Magnetfeld im Spalt einen Gradienten in axialer Richtung aufweist. Dies kann durch eine gezielte Inhomogenität des Magnetfeldes erreicht werden, wobei man praktischerweise entweder die Lagenanzahl oder die Windungsdichte der felderregenden Spule (Fig. 6) über die Länge variiert oder durch einen geometrisch konvergierenden Spalt (Fig. 5) oder durch Kombination beider Effekte (unten größere Spannweite als oben bzw. unten weniger Windungen als oben). Somit wird erreicht, dass durch die Einwirkung der magnetischen Kraft, die MR-Teilchen entgegen der Schwerkraft nach oben bewegt werden und etwa sedimentierte Teilchen somit redispergiert werden. Insgesamt wird damit die Sedimentationsbeständigkeit/Redispergierbarkeit des Lagers erhöht.
Bezugszeichenliste
2
Lager
4
Feder
6
Dämpfer
8
Zylinder
10
Kolben
12
(Ring-)Spalt, Ringkammer, Hydraulik-Kammer
14
a,
14
b Roll- oder Gleitdichtung
16
a,
16
b Rollmembran, Gummimembran, Membran, elastische Begrenzung
18
Spule
20
Festigkeitsträger
22
a,
22
b Klemmen

Claims (11)

1. Lager (2),
  • - mit einer Feder (4) und
  • - mit einem Dämpfer (6), der einen Zylinder (8) und einen Kolben (10) aufweist,
wobei zwischen Zylinder (8) und Kolben (10) ein Spalt (12) besteht, der beidendig abgeschlossen ist und somit eine Ringkammer bildet, die mit magneto-rheologischer Flüssigkeit gefüllt ist und die mit einem Magnetfeld (Spule, 18) beaufschlagbar ist.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Beaufschlagung der Spule (18) in Abhängigkeit von der mechanischen Stoß- bzw. Schwingungsanregung des Dämpfers (6) erfolgt, wodurch sich an die Betriebsbedingungen anpassbare Dämpferkennlinien ergeben.
3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (12) eine Weite zwischen 0,1 und 5 mm aufweist.
4. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Kolben (10) und Zylinder (8) befindliche Ringkammer (Hydraulik- Kammer, 12) beidendig mit einer Roll- oder Gleitdichtung (14a, 14b) abgedichtet ist.
5. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Kolben (10) und Zylinder (8) befindliche Hydraulik-Kammer (12) beidendig mit mindestens einer Rollmembran (16a, 16b) abgedichtet ist.
6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische Begrenzung (Rollmembran 16a, 16b) aus Chloroprenkautschuk, Silikonkautschuk, Naturkautschuk oder thermoplastischem Elastomer besteht.
7. Lager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rollmembran (16a, 16b) durch Festigkeitsträger verstärkt ist.
8. Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der mindestens einen Rollmembran (16a, 16b) an die Wandung vor Kolben (10) und Zylinder (8) durch Vulkanisation oder durch Klemmen (22a, 22b) erfolgt.
9. Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rollmembran (16a, 16b) in Form eines Halbtorus an die Wandung von Kolben (10) und Zylinder (8) angebracht ist.
10. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine gezielte Inhomogenität des Magnetfeldes die Sedimentation der magneto-rheologischen Partikel vermieden wird.
11. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von magneto-rheologischen Mechanismen elektro-rheologische Mechanismen zur Anwendung gelangen.
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