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Die
Erfindung betrifft ein Elastomerlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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An
vielen Stellen im Kraftfahrzeug sind Elastomerlager eingesetzt.
Beispielsweise Motorlager, Fahrschemellager, Lenker- oder Getriebelager
sind als Elastomerlager ausgeführt.
Der Elastomerwerkstoff soll die Einleitung von Schwingungen in eine
als Fahrgastzelle ausgeführte
Karosserie weitgehend vermeiden. Die Schwingungen können von
vielerlei Erregerquellen wie beispielsweise Fahrwerkskomponenten,
Motor, Pumpen, Getriebe oder anderen Aggregaten ausgehen.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
101 45 857 A1 ist ein Elastomerlager zur Schwingungsisolation bekannt,
bei dem zwischen einem Außen-
und Innenring des Lagerkörpers
ein volumenelastisches Dämpfungsmaterial
angeordnet ist. In dem Dämpfungsmaterial
sind Masseelemente in Form von Ringelementen angeordnet. Das Dämpfungsmaterial
ist mit dem Innen- und Außenring
sowie mit den Ringelementen durch Anvulkanisieren verbunden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein
Elastomerlager zur Verfügung
zu stellen, das eine verbesserte Schwingungsisolation in störenden Frequenzbereichen
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Elastomerlager mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Elastomerlager zeichnet
sich durch ein erstes Masselelement, das über ein Federelement mit einem
zwei ten Masseelement verbunden ist, aus. Das erste Masseelement
ist in dem Elastomerwerkstoff eingegossen und in metallischem Werkstoff
ausgeführt.
Das erste Masseelement ist beispielsweise als Ringelement mit kreisrundem
oder rechteckigem Querschnitt ausgeführt. Alternativ kann das Masseelement
auch parallel zur Längsachse
des Lagers verlaufende, stabförmige Elemente
umfassen. Das erste und das zweite Masseelement weisen Einrichtungen
auf, an der das Federelement anbindbar ist. Die Einrichtungen zur
Anbindung des Federelementes aus Elastomerwerkstoff sind beispielsweise
als Flanschflächen
ausgeführt,
an die das Federelement anvulkanisierbar ist. Die Einrichtung kann
alternativ auch Zapfen umfassen, die mit dem Federelement über eine
form- und/oder kraftschlüssige Verbindung
verbunden ist. Unter kraftschlüssigen
Verbindungen sind Press-, Klebeverbindungen oder durch Vulkanisation
hergestellte Verbindungen zu verstehen. Das erfindungsgemäße Elastomerlager
ist über
Variation der Federelementeigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung sowie über Variation
der Masse des ersten und zweiten Masseelementes derart abstimmbar,
dass die relevante Frequenz eines Schwingungserregers im Isolationsgebiet
des Elastomerlagers liegt. Das Isolationsgebiet ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplitude des erregten Systems kleiner als die des Schwingungserregers
ist. Unter den relevanten Frequenzen sind die Frequenzen zu verstehen,
die im Betrieb des Fahrzeuges zu Auffälligkeiten und zu nicht akzeptablem
Fahrverhalten führen.
Gleichzeitig reduziert das erfindungsgemäße Elastomerlager gegenüber einem
konventionellen Lager, d.h. einem Lager ohne erstem und zweitem
Masseelement, die Resonanzüberhöhung bei
einem Verhältnis
einer Erregerfrequenz zur Systemeigenfrequenz von 1.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Masseelement als Hohlzylinder
ausgeführt.
Das erste Masseelement ist zwischen einem Außendurchmesser eines inneren
und einem inneren Durchmesser eines äußeren Lagerbauteils in dem
Elastomerwerkstoff eingebettet. Die Hohlzylinderform ist als Umformteil
leicht herstellbar und nutzt vorteilhaft den Bauraum zwischen einem
ringförmigen äußeren und inneren
Lagerbauteil.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement aus einem
Elastomerwerkstoff hergestellt. Das Federelement ist aus einem elastischen
Material, z.B. aus Naturkautschuk, Silikonkautschuk oder Polybutadien
hergestellt. Neben den elastischen Eigenschaften weist der Elastomerwerkstoff
auch vorteilhafte schwingungsdämpfende
Eigenschaften auf.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Masseelement als geschlossener
Ring ausgeführt. Der
Ring weist beispielsweise einen rechteckigen oder halbrunden Querschnitt
auf. Ein geschlossener Ring ermöglicht
in vorteilhafter Weise den Einbau eines durchgehenden Zapfens, so
dass beidseitig des Lagers eine Lagerkraft abstützbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das Federelement und das
zweite Masseelement innerhalb der Innenkontur des äußeren Lagerbauteils angeordnet.
Mit dieser Anordnung baut das Lager kompakt und eine Beschädigung axial
hervorstehender Teile ist vermieden. Soweit es der Bauraum zulässt, sind
das Federelement und das zweite Masseelement innerhalb des Elastomerkerns,
der vom inneren und äußeren Lagerbauteil
umschlossenen ist, anordenbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Elastomerlager eine
Vorrichtung zur hydraulischen Dämpfung
auf. In dem Elastomerkern ist eine erste mit Flüssigkeit gefüllte Kammer.
Zur Erzielung einer hydraulischen Dämpfung ist eine zweite Kammer
vorgesehen, die mit der ersten Kammer über einen Kanal verbunden ist.
Bei Druckbelastung des Elastomerlagers fließt die Flüssigkeit gedrosselt von der
einen in die andere Kammer. Die hydraulische Dämpfung ermöglicht in vorteilhafter Weise
eine weitere Verminderung der Amplitude des erregten Bauteils.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht darge stellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elastomerlagers in einer
Ansicht in Richtung Lagerlängsachse,
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2 das
erfindungsgemäße Elastomerlager
in einer Schnittdarstellung,
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Elastomerlagers,
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4 eine
weitere, vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Elastomerlagers,
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5 ein
Schwingungsmodell des erfindungsgemäßen Elastomerlagers und
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6 ein
vereinfachtes Modell zur Erläuterung
der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Elastomerlagers.
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Gleiche
Bauteile in den 1-6 sind im Folgenden
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 1 ist
schematisch ein Elastomerlager 1 in einer Ansicht in Richtung
der Längsachse
dargestellt. Das Elastomerlager weist ein inneres Lagerbauteil 2 in
Form eines Innenrings 2 und ein äußeres Lagerbauteil 3 in
Form eines Außenrings
auf, dazwischen ist ein Elastomerkern 4 angeordnet. Die
mit dem Innenring 2 und dem Außenring 3 verbundenen Bauteile
sind durch den Elastomerkern 4 schwingungsentkoppelt. Der
Innen- oder Außenring 2,3 kann
selbstverständlich
Bestandteil der zu entkoppelnden Bauteile sein, beispielsweise kann
der Außenring 3 als
Auge eines Fahrwerkslenkers ausgeführt sein. In dem Elastomerkern 4 ist
ein als Hohlzylinder ausgeführtes
erstes Masseelement 5 angeordnet.
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In 2 ist
ein Schnitt durch das Elastomerlager 1 in Längsrichtung
dargestellt. Der Hohlzylinder 5 ist vorzugsweise aus einem
metallischen Werkstoff hergestellt und an dem Elastomerwerkstoff
anvulkanisiert. Der Hohlzylinder 5 weist Durchbrüche 6 auf, die
durch Formschluss eine bessere Verbindung des Hohlzylinders 5 mit
dem Elastomerwerkstoff ermöglichen.
Der aus dem Elastomerkern 4 herausragende Teil des Hohlzylinders 5 ist
rechtwinklig zu einem Flansch 7 abgekröpft. Auf dem Flansch 7 ist
ein ringförmiges
Federelement 8 angeordnet, das gleichfalls aus Elastomerwerkstoff
hergestellt ist. Das Federelement 8 weist bei Bedarf eine
vom Werkstoff des Elastomerkerns 4 abweichende Federsteifigkeit
auf. An dem Federelement 8 ist ein zweites Masseelement 9, das
als Ringelement mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt ist,
angeordnet. Das aus Elastomerwerkstoff hergestellt Federelement 8 ist
an dem Flansch 7 und dem Ringelement 9 anvulkanisiert.
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In 3 ist
eine modifizierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Elastomerlagers 1 dargestellt.
In dieser Ausführungsform
sind das Federelement 8 und das zweite Masseelement 9 innerhalb des
Elastomerkerns 4 angeordnet. Diese vorzugsweise bei großvolumigen
Lagern und/oder bei Lagern mit einem kleinen zweiten Masseelement 9 einsetzbare
Konstruktion ermöglicht
eine kompakte Bauweise und vermeidet aus dem Elastomerkern 4 abstehende
Bauteile.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Elastomerlagers.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist
das Federelement 8 und das zweite Masseelement 9 auf
dem Außendurchmesser
des aus dem Elastomerkern 4 herausragenden ersten Masseelements 5 angeordnet.
Diese Anordnung ermöglicht durch
Variation der Länge
l eine leichte Abstimmung des Elastomerlagers 1. Beispielsweise
durch Abdrehen des Federelements 8 und des zweiten Masseelements 9 ist
die Länge
l reduzierbar. Dabei reduziert sich gleichzeitig die Masse m des
zweiten Masseelementes 9 sowie die Federsteifigkeit c des
Federelementes 8, so dass die durch ω = √c/m bestimmte
Eigenfrequenz dieses Teilschwingungssystem weitgehend konstant bleibt.
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In 5 ist
ein Schwingungsmodell des erfindungsgemäßen elastischen Lagers dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen 2' ist
der mit einer Schwingungsquelle wie beispielsweise einem Motor verbundene
Innenring 2 des Elastomerlagers 1 bezeichnet. Mit
dem Bezugszeichen 3' ist
der mit beispielsweise einer Karosserie verbundene Außenring 3 bezeichnet.
Das Elastomerlager 1 soll eine Übertragung von Schwingungen
vom Innenring 2 auf den Außenring 3 vermeiden
bzw. reduzieren. Dazu ist der mit 4 bezeichnete Elastomerkern
zwischen Innen- und Außenring 2,3 geschaltet.
In dem Elastomerkern ist wie vorhergehend beschrieben ein erstes
Masseelement 5 angeordnet, das über ein Federelement 8 mit
einem zweiten Masseelement 9 gekoppelt ist. Ist der Innenring 2 durch
Motorschwingungen angeregt, so übertragen
sich diese Schwingungen in Abhängigkeit der
Anregungsfrequenz auf den Außenring 3 und
die Karosserie. Durch Verminderung der Steifigkeit des Elastomerkerns 4 ist
die Isolationswirkung erhöhbar. Das
Elastomerlager 1 muss jedoch aufgrund von dynamischen und
statischen Anforderungen eine Mindeststeifigkeit aufweisen, so dass
dieses nicht beliebig weich auslegbar ist. Um mit einer erforderlichen Mindeststeifigkeit
des Elastomerkerns 4 für
kritischen Anregungsfrequenzen dennoch ein ausreichende Schwingungsabkopplung
zu erhalten, ist das Federelement 8 und das erste und zweite
Masseelement 5,9 derart abzustimmen, dass in einem
vorgebbaren Frequenzbereich eine Reduktion des Verhältnisses der
Amplitude Fe des erregten Bauteiles zu der Amplitude Fa der Erregerschwingung
erzielbar ist.
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In 6 ist
eine Übertragungsfunktion 11 eines
Ein-Masse-Schwingers
im Vergleich zu der Übertragungsfunktion 12 des
Schwingungsmodells aus 5 aufgetragen. Die vereinfachten Modelle
dienen zur Erklärung
der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Elastomerlagers 1.
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Auf
der Abszisse ist das Verhältnis
fa/fo einer Erregerfrequenz fa zur Systemeigenfrequenz fo des Elastomerlagers 1 aufgezeichnet.
Auf der Ordinate ist das Verhältnis
Fe/Fa der Amplitude des erregten Systems Fe zu der Amplitude der
Erregerschwingung Fa aufgetragen. Bei dem Ein-Masse-Schwinger steigt
das Verhältnis
Fe/Fa gemäß der Übertragungsfunktion 11 über der
Erregerfrequenz ausgehend von dem Wert 1 aus an, weist bei einer
Resonanzfrequenz, d.h. bei einem Verhältnis von fa/fo=1 einen Maximalwert
auf und fällt
dann wieder ab.
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Über eine
Abstimmung der Eigenschaften des Federelementes 8 und der
Masse des ersten und zweiten Masseelements 5,9 ist
die Übertragungsfunktion 12 hingegen
bei dem erfindungsgemäßen Elastomerlager 1 so
einstellbar, dass beispielsweise oberhalb einem relevanten Frequenzverhältnis von beispielsweise
ca. fa/fo=0.25 das Verhältnis
Fe/Fa einen Wert kleiner 1 annimmt. Der Bereich in dem Fe/Fa einen
Wert kleiner 1 annimmt wird Isolationsgebiet 13 genannt.
Das Elastomerlager 1 ist so abgestimmt, dass eine erste
Resonanz 15 zwischen Erregerfrequenz fa und der Lagereigenfrequenz
fo unterhalb des beispielsweise für den Betrieb eines Motors relevanten
Frequenzverhältnisses
fa/fo von ca. 0.25-0.8 auftritt. Weiter ist das Elastomerlager 1 derart
abgestimmt, dass in dem relevanten Frequenzverhältnis von beispielsweise ca.
0.25-0.8 das Amplitudenverhältnis
Fe/Fa im Isolationsgebiet 13 liegt. Zur Erklärung der
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Elastomerlagers 1 ist
hier ein Motor angeführt,
selbstverständlich
ist das Elastomerlager 1 bei vorab genannten Erregerquellen
wie Fahrwerk oder Getriebe dementsprechend auf die spezifischen
relevanten Frequenzverhältnisse
fa/fo abzustimmen. Die relevanten Frequenzverhältnissen fa/fo sind durch die
Eigenfrequenzen fo der spezifischen Schwingungssysteme und die Erregerfrequenzen
fa, die im Normalbetriebe eines Kraftfahrzeuges häufig auftreten,
bestimmt.
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Liegt
das Verhältnis
fa/fo im Isolationsgebiet 13, so ist die Amplitude Fe des
erregten Systems wie beispielsweise der Karosserie, sogar kleiner
als die Amplitude Fa des Erregers. Schwingungen des Motors werden
im Isolationsgebiet 13 über
das Elastomerlager 1 ausgefiltert und übertragen sich damit nur abgeschwächt auf
die Karosserie.
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Oberhalb
des Frequenzverhältnisses
fa/fo von 0.8 tritt eine zweite Resonanz 16 auf, die Übertragungsfunktion 12 steigt
bis zu einem Maximum bei einem Frequenzverhältnis fa/fo von 1 an. Ab einem Frequenzverhältnis fa/fo
größer 1.2
nimmt das Verhältnis
Fe/Fa erneut einen Wert kleiner 1 an. Gegenüber der Übertragungsfunktion 11 des
Ein-Masse-Schwingers ist das Maximum der Übertragungsfunktion 12 bei
einem Frequenzverhältnis
fa/fo=1 deutlich geringer ausgeprägt. In diesem Bereich schwingt
das über
das zweite Federelement 8 angebundene Masseelement 9 gegenläufig zur
Schwingung des ersten Masseelementes 5, wodurch eine Schwingungstilgung
erfolgt.
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In
dem erfindungsgemäßen Elastomerlager 1,
ist das zweite Masseelement 9 über ein aus Elastomerwerkstoff
ausgebildetes Federelement 8 angebunden. Der Elastomerwerkstoff
weist gute Dämpfungseigenschaften
auf, die in 5 als Dämpfungselement 10 wiedergegeben
sind. Die Dämpfung
des Federelementes 8 führt
zu einer breitbandigen Schwingungsminderung im Bereich der ersten
Resonanz 15 und der zweiten Resonanz 16, vergleiche Übertragungsfunktion 11 und 12 in 6.
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Das
erfindungsgemäße Elastomerlager 1 bietet
damit in dem gestrichelten Bereich 14 Verbesserungen gegenüber einem
konventionellen Elastomerlager 1. Da bei dem erfindungsgemäßen Elastomerlager 1 die
Unterdrückung
erhöhter
Schwingungsanteile nicht durch eine Erhöhung der Dämpfung mittels weicherer Lager
erfolgt, bleibt die Wärmeentwicklung
im Lager gering und die Langzeitstandfestigkeit erhalten. Vorteilhaft
ist die Möglichkeit,
das Elastomerlager 1 durch Veränderung des zweiten Masse elementes 9 abzustimmen,
ohne die gesamte Geometrie des Elastomerlagers 1 zu verändern. Beispielsweise
kann in einfacher Weise über die
Veränderung
der Masse des zweiten Masseelementes 9 das Elastomerlager 1 auf
verschiedene Motoren abgestimmt werden.
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- 1
- Elastomerlager
- 2
- Inneres
Lagerbauteil, Innenring
- 2'
- Innenring
mit Schwingungsquelle verbunden
- 3
- Äußeres Lagerbauteil,
Außenring
- 3'
- Außenring
mit Karosserie verbunden
- 4
- Elastomerkern
- 5
- Erstes
Masseelement, Hohlzylinder
- 6
- Durchbruch
- 7
- Flansch
- 8
- Federelement
- 9
- Zweites
Masseelement, Ringelement
- 10
- Dämpfungselement
im Federelement
- 11
- Übertragungsfunktion
eines Einmasseschwingers
- 12
- Übertragungsfunktion
der erfindungsgemäßen Anordnung
- 13
- Isolationsgebiet
- 14
- Bereich
mit verbesserten Schwingungseigenschaften
- 15
- Erste
Resonanz
- 16
- Zweite
Resonanz