DE102004048249A1

DE102004048249A1 - Verfahren zur Herstellung eines Federkörpers aus Elastomerwerkstoff mit einer durch ein äußeres Magnetfeld veränderbaren Federsteifigkeit

Info

Publication number: DE102004048249A1
Application number: DE102004048249A
Authority: DE
Inventors: Horst Zimmermann
Original assignee: Wegu GmbH and Co KG
Current assignee: Wegu GmbH Schwingungsdaempfung
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2005-08-11

Abstract

Zur Herstellung eines Federkörpers aus Elastomerwerkstoff mit einer durch ein äußeres Magnetfeld veränderbaren Federsteifigkeit wird eine mit magnetisierbaren Partikeln versetzte flüssige Ausgangssubstanz (10) für den Elastomerwerkstoff in ein Formwerkzeug (1) eingespritzt und in dem Formwerkzeug (1) zu dem Federkörper ausgehärtet. Dabei wird ein äußeres Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz (10) in das Formwerkzeug (1) aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federkörpers aus Elastomerwerkstoff mit einer durch ein äußeres Magnetfeld veränderbaren Federsteifigkeit, wobei das Verfahren die Schritte des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist.
Der Federkörper kann beispielsweise Teil einer Buchse mit veränderbarer Steifigkeit oder eines Schwingungstilgers mit veränderbarer Tilgereigenfrequenz sein. Diese Vorrichtungen können insbesondere im Automobilbau zur Anwendung kommen. Auch andere Anwendungen sind möglich. Von besonderem Interesse werden alle Gebiete sein, auf denen Probleme auftreten, die der Schwingungstechnik zuzurechnen sind.

Aus der EP 0 784 163 B1 ist eine Buchse mit veränderbarer Steifigkeit bekannt, die einen Federkörper aus einem sogenannten magnetorheologischen Elastomerwerkstoff aufweist.

Der magnetorheologische Elastomerwerkstoff verändert seine Federsteifigkeit unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds. Zur Herstellung der bekannten Buchse, die eine erste Strukturkomponente zum Anschluss an einen Federungslenker eines Fahrzeugs und eine zweite Strukturkomponente zum Anschluss an ein Rahmenbauteil des Fahrzeugs aufweist, ist ein Verfahren mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Eine nicht ausgehärtete Ausgangssubstanz mit darin eingebetteten magnetisierbaren Partikeln wird zwischen den beiden Strukturkomponenten angeordnet. Das Aushärten der Ausgangssubstanz erfolgt bei erhöhter Temperatur, während die Ausgangssubstanz einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist. Hierdurch sollen die in die Ausgangssubstanz eingebetteten Partikel bleibend in dem äußeren Magnetfeld ausgerichtet werden. Die durch die zu dem Elastomerwerkstoff ausgehärtete Ausgangssubstanz konservierte Ausrichtung der Partikel soll für eine Erhöhung der Grundsteifigkeit des Federkörpers ohne ein anliegendes äußeres Magnetfeld sowie für einen vergrößerten magnetorheologischen Effekt durch ein äußeres Magnetfeld sorgen. Das heißt, die Federsteifigkeit des Federkörpers aus dem magnetorheologischen Elastomerwerkstoff ändert sich mit einer Änderung der Feldstärke des äußeren magnetischen Felds stärker als ohne die Ausrichtung der Partikel während des Aushärtens der Ausgangssubstanz zu dem Elastomerwerkstoff. Aus der EP 0 784 163 B1 ist es weiter bekannt, eine Magnetspule, an die die Ausgangssubstanz in dem Formwerkzeug angespritzt wird und die zum späteren Verändern der Steifigkeit der Buchse vorgesehen ist, zum Aufbringen des äußeren Magnetfelds während des Aushärtens der Ausgangssubstanz zu verwenden. Der Aushärtevorgang einer auf einer zu vulkanisierenden Gummimischung basierenden Ausgangssubstanz dauert typischerweise ca. 10 min. Eine Magnetspule kann über einen solchen Zeitraum hinweg nur mit einem solchen Strom für das Aufbringen des äußeren Magnetfelds beaufschlagt werden, der nicht über dem Strom liegt, mit dem eine Dauerbelastung der Magnetspule zulässig ist.

Wenn das aus der EP 0 784 163 B1 bekannte Verfahren beispielsweise zur Herstellung eines Schwingungstilgers angewandt wird, stellt sich heraus, dass die Tilgereigenfrequenz durch ein äußeres Magnetfeld bestimmter Größe, das mit noch vertretbarem Aufwand auf den Elastomerwerkstoff aufbringbar ist, sich nicht so stark ändert, wie dies in vielen Fällen mit einer sich ändernden schwingungserregenden Frequenz wünschenswert wäre. Dies gilt insbesondere dann, wenn das äußere Magnetfeld beim Aushärten der Ausgangssubstanz zu dem Elastomerwerkstoff mit der Magnetspule aufgebracht wird, mit der später das äußere Magnetfeld zum Variieren der Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers aufgebracht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Federkörpers aus Elastomerwerkstoff mit einer durch ein äußeres Magnetfeld veränderbaren Federsteifigkeit, wobei das Verfahren die Schritte des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, aufzuzeigen, das in größere Änderungen der Federsteifigkeit bei einer bestimmten Änderung der Feldstärke des äußeren Magnetfelds resultiert.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei dem neuen Verfahren wird das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug aufgebracht. Beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug weisen die magnetisierbaren Partikel ihre maximale Mobilität auf. Das heißt, hier ist ihre Ausrichtung in dem äußeren Magnetfeld mit dem geringstmöglichen Aufwand zu erreichen. Wenn das Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug abgeschlossen ist, wird nicht erst durch das sich anschließende Aushärten der Ausgangssubstanz die Mobilität der magnetisierbaren Partikel beschränkt. Bereits durch die dann nicht mehr vorhandene Strömung der Ausgangssubstanz ist eine Reduktion ihrer Mobilität gegeben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Ausgangssubstanz für den Elastomerwerkstoff zwar als flüssig bezeichnet wird. Dies bedeutet aber keine Dünnflüssigkeit. Vielmehr ist eine vergleichsweise hohe Viskosität gegeben, die bei ruhender Ausgangssubstanz die Mobilität der magnetisierbaren Partikel stark beschränkt. Verglichen mit dem Zeitraum des Aushärtens der flüssigen Ausgangssubstanz zu dem Elastomerwerkstoff ist die Dauer des Einspritzens der flüssigen Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug nur kurz. Sie liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden. Der Aufwand, ein großes äußeres Magnetfeld aufzubauen, um die magnetisierbaren Partikel in der Ausgangssubstanz auszurichten, reduziert sich mit der Dauer des Zeitraums, für den das äußere Magnetfeld aufzubringen ist. D.h., dass mit gleichem Aufwand für kürzere Zeit ein größeres Magnetfeld aufgebracht werden kann.

Insbesondere kann das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz eine größere Feldstärke aufweisen als das äußere Magnetfeld zum Ändern der Federsteifigkeit des Federkörpers, das typischerweise für einen längeren Zeitraum aufgebracht wird.

Nach dem Beenden des Einspritzens der flüssigen Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug kann das äußere Magnetfeld, ohne dass hierdurch die eingestellte Ausrichtung der magnetisierbaren Partikel verloren geht, zurückgefahren oder auch ganz abgeschaltet werden. Ob noch ein gewisses äußeres Magnetfeld während des Aushärtens der flüssigen Ausgangssubstanz zu dem Elastomerwerkstoff sinnvoll ist, hängt von der zu diesem Zeitpunkt noch gegebenen Restbeweglichkeit der Partikel ab.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei der die flüssige Ausgangssubstanz in dem Formwerkzeug an eine Magnetspule angespritzt wird, die zum Aufbringen des äußeren Magnetfelds zum Ändern der Federsteifigkeit des Federkörpers vorgesehen ist. In diesem Fall kann mit dieser Magnetspule das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz aufgebracht werden. Dabei ist es problemlos möglich, die Magnetspule mit einem höheren Strom zu beaufschlagen, als er bei einer Dauerbelastung zulässig wäre, da das Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz in wenigen Sekunden abgeschlossen ist. Eine kurzzeitige Stromüberbelastung einer Spule ist als unkritisch anzusehen.

Um einen Schwingungstilger mit veränderlicher Tilgereigenfrequenz auszubilden, kann die Ausgangssubstanz auf einer der Magnetspule gegenüberliegenden Seite des späteren Federkörpers an eine Befestigungsplatte angespritzt werden.

Das äußere Magnetfeld kann bei dem neuen Verfahren auch durch eine in dem Formwerkzeug angeordnete Magnetspule oder durch dort angeordnete Permanentmagnete aufgebracht werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei der das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz mit Hilfe sowohl einer Magnetspule, an die die flüssige Ausgangssubstanz angespritzt wird und die zum Aufbringen des äußeren Magnetfelds zum Ändern der Federsteifigkeit des späteren Federkörpers dient, als auch einer weiteren Magnetspule, die auf einer der zuerst genannten Magnetspule gegenüberliegenden Seite des späteren Federkörpers an dem Formkörper vorgesehen ist, erzeugt wird. Die Ausrichtung der Feldlinien des äußeren Magnetfelds im Bereich des späteren Federkörpers, an denen sich die magnetisierbaren Partikel ausrichten sollen, kann dabei gezielt beeinflusst werden. Hierzu ist es in der Regel sinnvoll, dass die weitere Magnetspule coaxial zu der zuerst genannten Magnetspule angeordnet ist. Sie kann auch bewusst einen größeren Innendurchmesser aufweisen als die zuerst genannte Magnetspule. Weitere Möglichkeiten der Einflussnahme auf den Verlauf der Feldlinie des äußeren Magnetfelds bestehen in der Auswahl des Materials für das Formwerkzeug und für eine etwaige Befestigungsplatte, an die die flüssige Ausgangssubstanz angespritzt wird, in Bezug auf seine magnetischen Eigenschaften. Dabei kann das Formwerkzeug auch aus Einzelteilen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften zusammengesetzt werden.

Die Ausgangssubstanz bei dem neuen Verfahren kann eine thermoplastische Mischung sein, die in verflüssigtem Zustand in das Formwerkzeug eingespritzt und dort zum Aushärten abgekühlt wird. Bevorzugt ist es aber, wenn die Ausgangssubstanz eine Gummimischung ist, die in dem Formwerkzeug unter Zufuhr von äußerer Wärme vulkanisiert wird.

Die magnetisierbaren Partikel in der Ausgangssubstanz bestehen vorzugsweise aus ferromagnetischem Metall. Ihre Orientierung, die sich an dem äußeren Feld während des Einspritzens der Ausgangssubstanz in das Formwerkzeug ausrichten soll, kann durch die Kristallstruktur der magnetisierbaren Partikel vorgegeben sein. Die magnetisierbaren Partikel können aber auch nicht sphärische, d. h. nicht kugelrunde Außenabmessungen aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines anhand der Figur erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiels in weiteren Details beschrieben.
1 zeigt einen Querschnitt durch ein Formwerkzeug für die Herstellung eines Schwingungstilgers mit veränderbarer Tilgereigenfrequenz gemäß dem neuen Verfahren.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt ein Formwerkzeug 1, das in eine Unterform 2 und eine Oberform 3 unterteilt ist und in dem eine Tilgermasse 4 und eine Befestigungsplatte 7 für einen Schwingungstilger angeordnet sind. Bei dem späteren Schwingungstilger sind die Tilgermasse 4 und die Befestigungsplatte 7 durch einen Federkörper aus Elastomerwerkstoff miteinander verbunden, der die Tilgermasse 4 elastisch an die Befestigungsplatte 7 anbindet. Wenn der spätere Schwingungstilger beispielsweise mit durch Befestigungsbohrungen 14 in der Befestigungsplatte 7 hindurchgreifende Schrauben an einer schwingenden Struktur befestigt wird, entzieht der Schwingungstilger der schwingenden Struktur Schwingungsenergie, die in dem Federkörper in Wärme dissipiert wird. Der Wirkungsgrad des Schwingungstilgers ist im Bereich seiner Tilgereigenfrequenz sehr gut; außerhalb dieses Bereichs ist er aber nur gering. Um die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers zu verändern, wird der Federkörper gemäß dem neuen Verfahren aus magnetorheologischem Elastomerwerkstoff ausgebildet, dessen Federsteifigkeit durch Aufbringen eines äußeren Magnetfelds veränderbar ist. Dieses äußere Magnetfeld wird mit Hilfe einer in einen Weicheisenkern 5 eingebetteten Magnetspule 6 aufgebracht. Die Magnetspule 6 erzeugt ein äußeres Magnetfeld in Abhängigkeit von dem Strom, mit dem sie beaufschlagt wird. Die Magnetspule 6 bildet zusammen mit dem Weicheisenkern 5 zudem die Tilgermasse 4 aus. Die Magnetspule 6 ist weiterhin dazu vorgesehen, während des Einspritzens einer Ausgangssubstanz 10 über einen Einspritzkanal 9 in das Formwerkzeug 1 ein äußeres Magnetfeld aufzubringen. Um die Magnetspule 6 beim Erzeugen des äußeren Magnetfelds zu unterstützen, ist im Bereich der Oberform 3 eine weitere Magnetspule 15 vorgesehen, die coaxial zu der Magnetspule 6 angeordnet ist und einen größeren Innendurchmesser 16 als den Innendurchmesser 17 der Magnetspule 6 aufweist. Durch die weitere Magnetspule 15 wird nicht die absolute Größe des von der Magnetspule 6 erzeugten äußeren Magnetfelds beeinflusst sondern der Verlauf der Feldlinien des äußeren Magnetfelds. Dieser Verlauf kann neben der Lage der weiteren Magnetspule 15, deren Innendurchmesser 16 und den durch sie von einer weiteren Spannungsquelle 18 fließenden Strom auch durch die Auswahl der magnetischen Eigenschaften der Materialien beeinflusst werden, die das Formwerkzeug 1 und die Befestigungsplatte 7 ausbilden. Dabei kann das Formwerkzeug beispielsweise auch in Teilbereiche mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften unterteilt werden. Durch das mit Hilfe der Magnetspulen 6 und 15 erzeugte äußere Magnetfeld werden magnetische Partikel, die der flüssigen Ausgangssubstanz 10 zugesetzt sind, während des Einspritzens der flüssigen Ausgangssubstanz 10 in einen Freiraum 8 zwischen der Tilgermasse 4 und der Befestigungsplatte 7 definiert ausgerichtet. Dies erhöht den magnetorheologischen Effekt des späteren Federkörpers unter Einwirkung des äußeren Magnetfelds der Spule 6. Das während des Einspritzens mit der Magnetspule 6 aufgebrachte Magnetfeld kann verglichen mit einem späteren Magnetfeld zum Abstimmen der Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers groß gewählt werden, weil der Einspritzvorgang der Ausgangssubstanz 10 nur einige Sekunden dauert. Für solch einen kurzen Zeitraum kann die Magnetspule 6 über eine Spannungsquelle 13 mit einem hohen Strom beaufschlagt werden, der deutlich über einem Strom liegt, den die Magnetspule 6 dauernd aushalten könnte. Die die magnetisierbaren Partikel in der Ausgangssubstanz 10 ausrichtenden Kräfte aufgrund des äußeren Magnetfelds sind also vergleichsweise groß, und sie wirken in dem Moment auf die Ausgangssubstanz 10 ein, in dem die in sie eingebetteten magnetisierbaren Partikel die größte Mobilität aufweisen. Sobald die Ausgangssubstanz 10 in dem Freiraum 8 zur Ruhe gekommen ist und auszuhärten beginnt, ist die Beweglichkeit der magnetisierbaren Partikel bereits deutlich reduziert. Ein Entlüftungskanal 11 in dem Formwerkzeug 1 lässt von der Ausgangssubstanz 10 verdrängte Luft 12 entweichen. Die Ausgangssubstanz 10 basiert hier auf einer Gummimischung, die durch eine erhöhte Temperatur in dem Formwerkzeug 1 vulkanisiert wird. Eine hierzu für das Formwerkzeug 1 vorgesehene Heizung ist in 1 nicht wiedergegeben. Auch ansonsten ist festzustellen, dass 1 eine schematische Darstellung ist, bei der bewusst auf die Wiedergabe von Details, wie beispielsweise der Anschlüsse der Magnetspule 6 an die Spannungsquelle 13, verzichtet ist, welche der Fachmann ohne Mühen in Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall in unterschiedlicher Weise ausführen kann.
Der gemäß dem neuen Verfahren hergestellte Schwingungstilger weist im Vergleich zu Schwingungstilgern, die ohne ein äußeres Magnetfeld während des Einspritzens der Ausgangssubstanz in den Freiraum 8 hergestellt wurden, einen deutlich vergrößerten Bereich seiner mit einem äußeren Magnetfeld bestimmter maximaler Feldstärke einstellbaren Tilgereigenfrequenz auf. Dieser Vorteil ist auch gegenüber Schwingungstilgern gegeben, bei denen ein äußeres Feld erst während des Aushärtens der in den Freiraum 8 eingespritzten Ausgangssubstanz 10 aufgebracht wurde. Wenn die Ausgangssubstanz 10 in dem Freiraum 8 bereits zur Ruhe gekommen ist, ist es kaum noch möglich, die in ihr enthaltenen magnetisierbaren Partikel durch ein äußeres Magnetfeld begrenzter Feldstärke auszurichten.

1: Formwerkzeug
2: Unterform
3: Oberform
4: Tilgermasse
5: Magnetspule
6: Weicheisenkern
7: Befestigungsplatte
8: Freiraum
9: Einspritzkanal
10: Ausgangssubstanz
11: Entlüftungskanal
12: Verdrängte Luft
13: Spannungsquelle
14: Befestigungsbohrung
15: Magnetspule
16: Innendurchmesser
17: Innendurchmesser
18: Spannungsquelle

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Federkörpers aus Elastomerwerkstoff mit einer durch ein äußeres Magnetfeld veränderbaren Federsteifigkeit, wobei eine mit magnetisierbaren Partikeln versetzte flüssige Ausgangssubstanz für den Elastomerwerkstoff in ein Formwerkzeug eingespritzt und in dem Formwerkzeug zu dem Federkörper ausgehärtet wird und wobei ein äußeres Magnetfeld auf die noch nicht ausgehärtete Ausgangssubstanz aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz (10) in das Formwerkzeug (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz (10) eine größere Feldstärke aufweist als das äußere Magnetfeld zum Ändern der Federsteifigkeit des Federkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Magnetfeld mit dem Beenden des Einspritzens der flüssigen Ausgangssubstanz (10) in das Formwerkzeug (1) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Ausgangssubstanz (10) in dem Formwerkzeug (1) an eine Magnetspule (6) angespritzt wird, die zum Aufbringen des äußeren Magnetfelds zum Ändern der Federsteifigkeit des Federkörpers vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz (10) mit Hilfe der Magnetspule (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (6) beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz (10) mit einem höheren Strom beaufschlagt wird, als er bei einer Dauerbelastung der Magnetspule (6) zulässig wäre.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Ausgangssubstanz (10) auf einer der Magnetspule (6) gegenüberliegenden Seite des späteren Federkörpers an eine Befestigungsplatte (7) angespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Magnetfeld beim Einspritzen der flüssigen Ausgangssubstanz mit Hilfe einer weiteren Magnetspule (15) aufgebracht wird, die auf einer der Magnetspule (6) gegenüberliegenden Seite des späteren Federkörpers in dem Formwerkzeug (1) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Magnetspule (15) coaxial zu der Magnetspule (6) angeordnet ist und einen größeren Innendurchmesser (16) aufweist als die Magnetspule (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssubstanz (10) eine Gummimischung ist, die in dem Formwerkzeug (1) vulkanisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel aus ferromagnetischem Metall bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel nichtsphärische Außenabmessungen aufweisen.