DE102006025055A1

DE102006025055A1 - Multi-Direktionaler Schwingungsentkoppler

Info

Publication number: DE102006025055A1
Application number: DE200610025055
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-29

Abstract

Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler, beruhend auf dem Prinzip der Luftfeder, als Lager und entkoppelndes Zwischenglied, zwischen einem vibrationserzeugenden Bauteil, wie z. B. zwischen einem Motor und einem Chassis. Hierbei ist ein Ring mit variierbaren, festen oder lösbaren Verbindungsmöglichkeiten von innen her in einen Gummifederkörper mit einer innerlich umlaufenden oder in mehrere unterteilte Luftkammern eingebettet. Ring und Gummifederkörper befinden sich zwischen zwei Flachscheiben, welche durch die Mitte der Luftfeder und des Ringes hindurch, starr miteinander verbunden sind. Die Verbindung der beiden Flachscheiben bildet dabei gleichzeitig die andere Befestigungsmöglichkeit. Um den Innendruck der Luftkammer(n) überwachen und regulieren zu können, kann oder sollte das Element ein Ventil oder eine Anschlußmöglichkeit an ein Steueraggregat besitzen.

Description

Gegenstand der Anmeldung ist ein Lager zum entkoppeln von Schwingungen welches auf dem Prinzip der Luftfeder beruht. Das Lager ist für die Aufhängung vibrationserzeugender Maschinen bzw. Motoren, als entkoppelndes Zwischenglied, auf einen Untergrund wie zum Beispiel einem Fahrzeugchassis gedacht. Ziel der Erfindung ist eine möglichst hochwirksame Federung so zu gestalten, daß sie universal verwendbar ist. (Bild 1, 2)
Die Möglichkeiten und Ansätze auf dem Gebiet der Entkopplung von Schwingungen, sind so Vielfältig wie sonst wohl kaum auf einem Gebiet der Mechanik und gehen hin bis zur Entwicklung von elektronisch gesteuerten, aktiven Systemen, die in jüngerer Zeit vorgeschlagen wurden. Dies könnte vermuten lassen, daß hier die ideale und endgültige Lösung noch nicht gefunden wurde, sofern es diese bei der Komplexität des Themas überhaupt gibt. Zumindest gibt dies dem Erfinder Anlaß, hier auch sein Glück zu versuchen.
Was den Markt betrifft, ist in diesem Segment die Firma ContiTech, mit der Marke Schwingmetall und diversen Luftfedern vorherrschend. Da Conti-Tech seine Produkte weltweit mit Erfolg vermarktet, könnte man davon ausgehen, daß deren Produktpalette Stand der Technik und gewissermaßen als das höchste der Kunst anzusehen ist. Jedoch sind diese Produkte nicht vergleichbar mit dem hier vorgestellten multi-direktionalen Schwingungsentkoppler. Dieser entspricht vor allem dem Einsatzzweck, welcher durch die Schwingmetall-Palette vorgesehen ist. Deshalb soll hier als erstes und im Besonderen darauf eingegangen werden.
Die Federwirkung von Schwingmetallen basiert hauptsächlich auf Elastomer-Federkörpern welche als Vollmaterial ausgeführt sind.
Als großer Nachteil diese Lösungen ist anzusehen, daß die Federwirkung, unmittelbar von der Elastizität des Materials abhängt. Dies zeigt sich vor allem bei extremen Temperaturunterschieden. Während bei hohen Temperaturen die Federwirkung aufgrund der Weichheit zunimmt und bei zu hoher Temperatur die Struktur des Materials Schaden nimmt, nimmt die Steifigkeit bei niedrigen Temperaturen, je kälter es ist um so mehr, zu. Das kann bis dahin gehen, daß das Elastomer bei extremer Kälte, glashart und spröde wird. Bei stoßartiger Belastung kann es dann sogar zum Bruch des Elastomers kommen.
Ein weiterer Nachteil solcher Federelemente ist, daß es, je nach Material mehr oder weniger, durch Umwelteinflüsse und Ausgasung der Weichmacher, zum nachlassen der elastischen Eigenschaften kommen kann.
ContiTech gibt zwar an, daß seine Schwingmetall-Elemente abrißsicher sind, ist die Struktur durch die hier aufgeführten schädlichen Einflüsse jedoch erst mal geschädigt, räumt Contitech sogar in seinem Produkt-Prospekt selbst ein, daß die Abreißsicherheit dann nicht mehr gegeben ist.
Bei dem hier vorgestellten multi-direktionalen Schwingungsentkoppler bestehen diese Nachteile nicht. Da die Federwirkung hauptsächlich auf der Kompression der in dem Gummikörper eingeschlossenen Luft basiert, würde trotz extremer Temperaturunterschiede und sonstiger negativen Einflüsse, kaum eine Beeinträchtigung der Federeigenschaften eintreten. Aufgrund der Konstruktion, die weiter unten noch beschrieben wird, ist der multi-direktionale Schwingungsentkoppler 100%ig abreißsicher, selbst wenn sämtliche Luft darin entweichen sollte. In diesem Fall, wäre dann lediglich kaum noch eine Federwirkung vorhanden.
Was die ContiTech-Luftfedern bzw. Luftfedersysteme betrifft, so gleicht zumindest der Zweifaltenbalg der hier vorgestellten Erfindung, allerdings nur optisch/äußerlich.
Konzeptionell ist der Zweifaltenbalg etwas völlig anderes, da die Kräfte nur an den, an den Enden befindlichen Metallplatten angreifen, die auf Grund ihrer Wirkweise, durch den Federbalg voneinander getrennt sind. Beim multi-direktionalen Schwingungsentkoppler sind die Metallplatten starr miteinander verbunden.
Als relevant anzusehen, ist die Lösung von Herrn Hideo Tani aus Japan, da sie auf dem gleichen Prinzip beruht, (siehe unten). Diese ist mit den Nummern WO 00/55522 A1, sowie US 6,402,129 B1 , unter dem Titel – Air damper – als Patent eingetragen. Es handelt sich hierbei ebenfalls um ein Luftfederelement, ist hier jedoch ausschließlich für die Entkopplung von CD-Laufwerken bzw. dergleichen angegeben und für diesen Zweck optimiert.
Der Air damper weist nicht die Merkmale der hier vorgestellten Erfindung auf, welche ihn universal verwendbar machen. Dies ist hautsächlich die Möglichkeit, die Verbindungstücke zu den einzelnen Komponenten eines Systems zu variieren.
Zur Sache:
Schallwellen breiten sich in einem Medium nach allen Seiten, also multi-direktional aus. Dieses physikalische Grundprinzip gilt bedingt, auch für Vibrationen welche etwa von Motoren erzeugt werden. Ziel der Erfindung sollte deshalb, ein möglichst hochwirksames vibrationsentkoppelndes Lager sein, welches in alle Richtungen möglichst gleich wirksam sowie, und auch dafür steht der Name, in alle Richtungen möglichst gleich belastbar ist.
Wie schon gesagt, sollte der multi-direktionale Schwingungsentkoppler noch dazu, möglichst universal verwendbar sein.
Um diese Multidirektionalität und Universalität zu erreichen, wurde das Federelement so gestaltet, daß der kraftaufnehmende Teil auf der einen Seite, als Ring ausgebildet ist, an dem sich eine Verbindungsmöglichkeit für die Aufnahme von Lasten befindet. Dies kann eine Lasche, ein Flansch, (siehe Bilder) oder was sonst dafür in Frage kommt sein.
Besser im – Sinne von universal verwendbar – wäre es jedoch, an dem Ring einfach eine Nut anzubringen, die an dem Ring ein Formschluß-Profil bildet, dort hinein können dann unterschiedliche Varianten von Verbindern einfach „eingeklickt" werden.
Der Ring ist von innen herum von einen Gummifederkörper umschlossen welcher eine oder mehrere Hohlkammern besitzt, so daß der lastaufnehmende Teil auf der vibrierenden Seite, in einem Luftkissen quasi schwimmend, von drei Seiten eingebettet ist.
Ein weiterer Faktor für die universelle Einsetzbarkeit des multi-direktionalen Schwingungsentkopplers besteht darin, daß sich der federnde Teil (sprich die Luftfeder), sowie der kraftaufnehmende Ring, zwischen zwei Flachscheiben befindet, welche durch die Mitte der Luftfeder und des Ringes hindurch, starr miteinander verbunden sind. Dies dient zum Einen der konstruktiven Stabilität, zum Anderen befindet sich hieran auch die andere Verbindungsmöglichkeit und ist, auf der quasi ruhenden Seite, somit wiederum der kraftaufnehmende Teil.
Natürlich kann das Federelement auch genau anders herum verwendet werden, so daß der ruhende Teil der Verbindung am Ring angreift.
Der multi-direktionale Schwingungsentkoppler kann, durch Veränderung seiner Proportionen und des Luft-Innendrucks für jeden erdenklichen Zweck optimiert werden.
Für das „Innenleben" des Federkörpers gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum Einen die, mit nur einer umlaufenden Luftkammer (Bild 3, 4). Dies ist die einfachste Variante, vor allem die am einfachsten herzustellende. Sie ist zugleich die von der Federwirkung her effektivste, da man hier die schon beschriebene, optimale Situation vorfindet, daß der Lasttragende Ring innenseitig in den Federkörper eingebettet ist und nach allen selten quasi auf einem Luftkissen schwimmt. Wenn diese Variante auch die nötige Seitenstabilität hat, hätten wir es hier mit einem Idealfall zu tun. Da zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Zeilen, noch kein geeigneter Prototyp und Versuchsaufbau existierte, kann daüber hier leider nur „spekuliert" werden.
Zur „Einkammer-Variante" (Bild 3) gibt es noch zahlreiche Möglichkeiten den Hohlraum des Federkörpers in mehrere Kammern zu unterteilen (Bild 4). Die Unterteilung sollte idealerweise symmetrisch und so erfolgen daß jeweils ober- und unterhalb des Ringes ein reifenförmiger Hohlraum vorhanden ist.
Der verbleibende Hohlraum innerhalb des Ringes kann wiederum auch durchgehend, oder ebenfalls unterteilt sein. Diese Unterteilung sollte jedoch längs verlaufen, so daß der Hohlraum entweder gedrittelt oder gefünfteilt wird. Bild 4 zeigt die M. E. idealste Variante hierfür, wobei die innen liegenden Hohlräume, als verdeckte (gestrichelte) Linien dargestellt, hier dreigeteilt sind. Da der Schnitt genau mittig der Längsachse verläuft, sieht man also 1½ Luftkammern.
Diese Längsaufteilung führt auf jeden Fall zu einer ausreichenden Seitenstabilität, da die jetzt vorhandenen Luftkammern und Trennwände als Querversteifung wirken. Es würde sich aber negativ auf die vertikalen Federeigenschaften auswirken, vor allem wäre hier der Vorzug der Temperaturunempfindlichkeit etwas eingeschränkt.
Der Herstellungsaufwand einer solchen Variante wäre auch etwas größer. Dabei müßten die unterteilten Kammern als Segmente wahrscheinlich einzeln hergestellt, und dann mit den Metallteilen zusammenvulkanisiert werden.
Die Hohlräume könnten, statt mit Luft auch mit einem speziellen Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt werden, wenn das aus schwingungstechnischen sinnvoll sein sollte.
Es wäre ebenfalls möglich, die Luftkammern jedes Elements über ein Druckleitungssystem miteinander zu koppeln, wie dies bei einigen Luftfedersystemen bereits üblich ist. Hierdurch kann der Innendruck und damit die Dämpfungseigenschaften im Betrieb an die jeweiligen Frequenzen optimal angepaßt werden.
Dabei wäre es sinnvoll, in das Federelement einen elektronischen Sensor zu integrieren, der den Innendruck, die Schwingungsfrequenz oder andere wichtige Parameter mißt und an die Steuerung eines solchen Systems übermittelt. Dem Erfinder ist bekannt daß Continental (Contitech) zusammen mit der Uni Paderborn an der Entwicklung solcher Sensoren gearbeitet hat oder Arbeitet.
Alle Teile sollten flächig miteinander verbunden sein. Diese Verbindung geschieht üblicherweise durch Vulkanisation, mit Hilfe eines speziellen Bindesystems. Deshalb empfiehlt es sich für die Herstellung der lasttaufnehmenden Teile, also die Flachscheibeneinheit und den Ring Metall zu verwenden.
Die Zeichnungen zeigen eine Bauart des Elementes, in der der Bolzen, der die starre Verbindung der beiden Flachscheiben bildet, mit der oberen Scheibe ein Teil ergibt, während an seinem unteren Ende ein Gewinde ist, auf welches die untere Scheibe, welche das entsprechende Innengewinde aufweist, abschließend, einfach aufgeschraubt wird. Durch das hervorstehende Gewinde ergibt sich gleichzeitig die weitere erforderliche Verbindungsmöglichkeit.
Ein andere Variante währe, statt des Bolzens eine Hülse zu verwenden, da durch diese hindurch später beim Einbau des Elementes, eine Schraube geführt werden kann.
Der Gummifederteil sollte nach außen einen Festigkeitsträger in Form eines Gewebes bzw. einer netzartigen Struktur aufweisen, so wie man dies auch von anderen Luftfedern oder von Fahrzeugreifen kennt.
Es wurde bereits erwähnt, daß die Hohlkammern mit komprimierter Luft gefüllt werden (können).
Aus diesem Grund, und um den Innendruck später kontrollieren zu können, muß ein Ventil, bzw. wenn mehrere Kammern vorhanden sind auch mehrere Ventile, angebracht werden. Bei der Mehrkammer-Variante genügen evtl. zwei Ventile, die jeweils den über und unter dem Ring liegenden reifenförmigen Luftkammern angebracht werden müssen. Auch für die Anordnung und Art der Ventile gibt es die verschiedensten Möglichkeiten. Dies muß hier M. E., jedoch nicht näher erörtert werden.
Beim Verbau des Schwingungsentkopplers ist es, wegen der symmetrischen Bauform im Prinzip egal wieherum der Einbau geschieht. Bei der Bolzenversion ist die Einbau-Richtung nur durch das Gewinde vorgegeben.

Claims

Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler, bestehend aus einem Ring mit variierbaren Befestigungsmöglichkeiten zur Lastaufnahme, einem Federkörper aus einem dauerelastischen Material, sowie einer Flachscheibeneinheit, aus zwei starr miteinander verbundenen Flachscheiben, welche so angeordnet sind, daß der Ring, von innen her, von dem Elastomer-Federkörper eingebettet ist, wobei Ring und Elastomer-Federkörper, zwischen den zwei Flachscheiben der Flachscheibeneinheit liegen, hierbei weist die Flachscheibeneinheit ebenfalls, eine Befestigungsmöglichkeit zur Lastaufnahme auf.
Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler nach Anspruch 1, wobei der Elastomer-Federkörper einen innen umlaufenden, durchgehenden Hohlraum besitzt.
Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler nach Anspruch 1, wobei der Elastomer-Federkörper innen umlaufend, mehrere gleichmäßig verteilte Hohlräume besitzt.
Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Hohlräume des Elastomer-Federkörpers ganz oder teilweise mit einem Festigkeitsträger wie einem Gewebe oder einer Netzartigen Struktur ummantelt sind.
Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler nach Anspruch 1 bis 4, wobei der Hohlraum/die Hohlräume des Federkörpers ein Ventil oder eine Anschlußmöglichkeit an ein Steueraggregat zur Regulierung und Überwachung des Innendruckes aufweist/aufweisen.
Multi-direktionaler Schwingungsentkoppler, bestehend aus einem Ring mit Befestigungsmöglichkeiten zur Lastaufnahme, zwei Elastomer-Membranen mit integriertem Festigkeitsträger, wie bei Anspruch 4, sowie einer Flachscheibeneinheit aus zwei Flachscheiben, welche so angeordnet sind, daß die Flachscheiben starr durch die Mitte des Ringes verbunden sind, wobei die Elastomer-Membranen die Flachscheibeneinheit außen mit dem Ring ober- und unterhalb dessen, druckdicht verbinden und so einen Hohlraum innerhalb Entkopplungselementes bilden, hierbei weist die Flachscheibeneinheit ebenfalls eine Befestigungsmöglichkeit zur Lastaufnahme auf.
Verbindungsstücke in Form von verschiedenartigen Winkelstücken, Flanschen oder dergleichen, für einen Multi-direktionalen Schwingungsentkoppler nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Verbindungsstück eine Aussparung besitzt und/oder eine Stärke aufweist die dem Formschlußprofil des Ringes des Multi-direktionalen Schwingungsentkopplers nach Anspruch 1 bis 6 entspricht, und sich so in dieses einschieben läßt.