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Die
Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung einer Einheit aus einer
Hubkolbenmaschine und einem diese antreibenden rotierenden Motor, insbesondere
eines elektromotorisch betriebenen Luftkompressors in einem Fahrzeug,
welche auf zumindest drei im wesentlichen vertikal ausgerichteten Schraubenfedern
stehend gelagert und abgestützt ist.
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Eine
Lagerungsanordnung mit den wesentlichen Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung ist in der
DE 67 52 717 U gezeigt, wobei
es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine Brennkraftmaschine handelt,
die einen elektrischen Generator oder einen Kompressor antreibt. Diese
genannten Elemente sind auf einer Plattform angeordnet, die ihrerseits
auf Schraubenfedern abgestützt
ist und somit auf diesen Schraubenfedern „steht”. Wesentlicher Inhalt dieser
Schrift ist, dass sich diese Lagerungsanordnung in einer Kammer
befindet, deren Wände
schallabsorbierend sind, was praktisch keinen Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung hat.
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Bei
einer bekannten, mit der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung
mehr zusammenhängenden
Lagerungsanordnung einer Einheit aus einem Luftkompressor, einem
diesen antreibenden Elektromotor sowie einem Trockner für die verdichtete
Luft, die als Luftversorgungsanlage eines Luftfedersystems in einem
Personenkraftwagen vorgesehen ist, ist die Einheit hängend elastisch
gelagert, so das sich der Massenschwerpunkt dieser Einheit geodätisch unterhalb
der in den vier Ecken dieser Einheit vorgesehenen Lagerstellen befindet.
Bei diesem bekannten Stand der Technik verläuft die translatorische Bewegungsbahn
des Kompressor-Kolbens in Vertikalrichtung.
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Grundsätzlich stellt
eine solche Luftversorgungsanlage mit Ihren Geräusch emittierenden Baugruppen
Elektromotor und Kompressor in der Fahrzeugentwick lung ein aufwändig zu
integrierendes Funktionselement dar. Die durch den Antriebs-Motor und
den Komprossor-Kolben verursachten Schwingungen lassen sich nämlich bedingt
durch Ihre hohe Anregungsenergie nur mit erheblichem Aufwand zumindest
soweit von der Karosseriestruktur des Fahrzeugs entkoppeln, dass
ein akzeptable Körperschall-Entkopplung
erreicht wird.
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Der
geschilderte bekannte Stand der Technik bildet ein monostabiles
System, wobei eine geringfügige
translatorische Schwingung in Vertikalrichtung zugelassen ist und
bei Abklingen dieser Schwingung über
die Federcharakteristik der elastischen Lagerung eine Vorzugsposition
der Einheit festgelegt ist. Da der Massenschwerpunkt der Einheit
geodätisch unterhalb
der Lagerstellen liegt, ist eine rotatorische Auslenkung der Einheit – hervorgerufen
durch Deviationsmomente bzw. Zentrifugalmomente – nur in geringem Umfang möglich. Eine
erforderliche Körperschallisolation
kann grundsätzlich über die
Hauptdimensionierungsrichtung der elastischen Aufhängung erreicht
werden, jedoch erfordert dies insbesondere wegen der relativ steifen
Lagerung relativ aufwändig ausgebildete
Lagerstellen. Aufgrund der Anforderung zur Aufnahme der dynamischen
und statischen Massekräfte
der Einheit sind nämlich
die Lagerstellen dementsprechend steif zu dimensionieren. Die im Vergleich
zur Massenkraft relativ geringen Anregungskräfte durch die Einheit können demzufolge bedingt
durch die Anordnung von deren Komponenten, nämlich dass die Schwingungs-Anregung
durch den Luftkompressor der Dimensionierungsrichtung der Lagerstelle
entspricht, nur geringfügig
durch die elastische Lagerung gemindert werden. Dieser bekannte
Stand der Technik stellt somit einen Kompromiss zugunsten der Aufnahme
von Massenkräften dar.
Eine Körperschallisolierung
kann hingegen nur in sehr geringem Maße stattfinden.
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Eine
hinsichtlich der notwendigen Isolationsmaßnahmen gegen Körperschall
weniger aufwändige
Lagerungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen,
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand der
Einheit (sowie des diese Einheit enthaltenden Fahrzeugs) sowohl
die Rotationsachse des Motors als auch die translatorische Bewegungsbahn
des Kolbens der Hubkolbenmaschine im wesentlichen horizontal ausgerichtet
sind. Vorzugsweise sind diese Schraubenfedern oder dgl. in Konstruktionslage
der verbauten Einheit im Rahmen der Messgenauigkeit absolut vertikal,
d. h. auf der Horizontalebene senkrecht stehend, ausgerichtet. Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Im
Gegensatz zum bekannten Stand der Technik ist die Einheit nun nicht
mehr hängend,
d. h. mit geodätisch
unterhalb der Lagerstellen liegenden Massenschwerpunkt gelagert,
sondern stehend, d. h. dass sich der Massenschwerpunkt der Einheit
geodätisch
oberhalb der Lagerstellen befindet. Anstelle einer bislang üblichen
stabilen Lagerung ist nun eine geringfügig instabile Lagerung gewählt, wobei
die im wesentlicheren die Lagerstellen bildenden Schraubenfedern
trotz der sog. „stehenden” Lagerung
nicht zwangsweise als Druckfedern ausgebildet sein müssen, sondern
geeignet angeordnet durchaus auch als Zugfedern ausgebildet sein
können.
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Gleichzeitig
ist die Richtung der Schwingungsanregung durch die Hubkolbenmaschine
gegenüber
dem bekannten Stand der Technik in die Horizontalebene verlegt.
Dies erlaubt es, die im wesentlichen durch Schraubenfedern gebildeten
Lagerstellen relativ welch auszubilden, was eine geringere Körperschallübertragung
zur Folge hat, so dass weniger aufwändige Maßnahmen zur Körperschallisolierung
erforderlich sind als im bekannten Stand der Technik. Insbesondere
kann auf diese Weise ein Teil der in der Einheit unerwünscht frei
werdenden Energie, die sich auch in Körperschall äußert, abgebaut werden, und
zwar indem nun ein Freiheitsgrad für das in der Einheit auftretende
Deviationsmoment geschaffen ist. Dieses auch als Zentrifugalmoment
bezeichnete Deviationsmoment ist das Bestreben eines um eine Achse
rotierenden Körpers,
die Rotationsachse zu verlassen und somit zu taumeln. Dieses Taumeln,
d. h. das Deviationsmoment des Kompressors – verursacht durch dessen Kolbenhub – wird nun auf
einer leicht instabilen Lagerung, nämlich „stehend”, wobei sich das Aggregat
bzw. der Schwerpunkt der Einheit geodätisch oberhalb der in Form von
Federn ausgebildeten Lagerstellen befindet, zum Abbau von Energie
genutzt. Hiermit wird also der konventionelle Weg einer schwingungstechnischen Lagerung
verlassen, indem nunmehr die Einheit quasi auf den durch Schraubenfedern
gebildeten Lagerstellen „tänzelt”. Im Betrieb
vollführt
der Kompressor (bzw. die Hubkolbenmaschine) eine lineare außermittige
Arbeitsbewegung und wird dabei bspw. von links nach rechts und wieder
zurück
geworfen. Dieses „Werfen” ergibt
sich dadurch, dass aufgrund der geometrischen Anordnung der Kompressor
nicht nur rotiert sondern die Einheit auch kippen kann. Durch dieses
Kippen werden die die Lagerstellen bildenden Schraubenfedern nicht
nur in Richtung ihrer Hauptachse belastet, sondern in nennenswertem
Umfang zusätzlich
in Richtung ihrer erheblich instabileren Querachse. Die daraus resultierende
Instabilität
der vorgeschlagenen geometrischen Anordnung kann schwingungstechnische
Energie abbauen, welche somit zur Bildung von Körperschall nicht mehr zur Verfügung steht.
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Um
die genannte und gezielt hergestellte Instabilität der Lagerungsanordnung zu
begrenzen bzw. um zu starke Auslenkungen der die Lagerstellen bildenden
Schraubenfedern in Richtung ihrer Querachse zu unterbinden, können die
Schraubenfedern vorzugsweise solchermaßen angeordnet sein, dass eine
Vertikale durch den geodätisch
oberhalb der Schraubenfedern liegenden Massenschwerpunkt der Einheit
eine von den Schraubenfedern begrenzte Horizontalfläche im Bereich
von deren Flächenschwerpunkt
schneidet. Vorzugsweise wird dabei eine Dreipunktlagerung gewählt, d.
h. dass die Einheit auf drei Schraubenfedern abgestützt ist,
die vorzugsweise im wesentlichen in Form eines gleichschenkeligen
Dreiecks angeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist die Auslegung und Anordnung der die Einheit tragenden Schraubenfedern
so getroffen, dass diese ohne äußere Einflüsse bei
Betrieb der Einheit, d. h. des (Elektro-)Motors und der Hubkolbenmaschine,
zwar in beschränktem
Umfang instabil, aber immer noch ausreichend stabil gehalten wird,
d. h. dass die Bewegungsfreiheit der Einheit in der Horizontalebene
auf ein noch vertretbares Maß beschränkt ist.
Wenn jedoch – wie
im bevorzugten Anwendungsfall, nämlich
im Fall einer Luftversorgungsanlage eines Fahrzeugs – zusätzliche
Einflüsse
bzw. Kräfte
hinzukommen, nämlich
ebenfalls im wesentlichen in Horizontalrichtung wirkende Trägheits-Kräfte aus
(positiven und negativen) Beschleunigungsvorgängen des Fahrzeugs, wobei neben Längsbeschleunigungen
auch Querbeschleunigungen desselben zu berücksichtigen sind, so können seitliche
Führungen
für die
Schraubenfedern vorgesehen sein, die deren mögliche Quer-Auslenkung begrenzen.
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Die
beigefügten
Prinzipskizzen zeigen stark abstrahiert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei 1 eine erste Seitenansicht in Horizontalrichtung
(= Ansicht X aus 2), 2 eine hierzu
orthogonale Seitenansicht (Ansicht Y aus 1) und 3 eine
Ansicht von unten in Vertikalrichtung (= Ansicht Z aus 1)
zeigt.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist eine auf einer nicht näher dargestellten
gemeinsamen Plattform 3 montierte Einheit aus einem Luft-Kompressor 1a,
einem diesen antreibenden Elektro-Motor 1b sowie einem Lufttrockner 1c bezeichnet.
Selbstverständlich
gehören
auch diverse Anschlussleitungen zum Umfang dieser Einheit 1,
jedoch sind diese der Einfachheit halber nicht dargestellt. Diese
Einheit 1 ist über
drei Schraubenfedern 2 am nicht näher, sondern nur als Festlagerstelle
dargestellten Aufbau 4 eines Fahrzeugs stehend gelagert.
Dies bedeutet, dass sich der Massenschwerpunkt mges der
Einheit 1 geodätisch oberhalb
der Lagerstellen bzw. der Schraubenfedern 2 befindet. Neben
diese Gesamt-Massenschwerpunkt mges der
Einheit 1 sind ferner der Massenschwerpunkte mr des
Elektro-Motors 1b (als „rotierende” Masse)
sowie dessen rotatorische Anregung als Kreissegment-Pfeil und der
Massenschwerpunkt mt des Kompressors 1a (in
Mittelstellung des Kompressor-Kolbens als „translatorische” Masse)
sowie dessen translatorische Anregung als linearer Pfeil (jeweils
in 2) dargestellt. In 3 ist ferner eine von
denn Schraubenfedern 2 begrenzte Horizontalfläche als
Dreieck gestrichelt dargestellt, woraus ersichtlich wird, dass eine
in 3 senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Vertikale
durch den Massenschwerpunkt mges der Einheit
dieses Dreieck im Bereich von dessen Flächenschwerpunkt schneidet.
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Figürlich nicht
dargestellt sind weiter oben genannte seitliche Führungen
für die
in Konstruktionslage im Rahmen der Messgenauigkeit absolut vertikal
ausgerichteten Schraubenfedern 2, die deren seitliche Auslenkung
in Horizontalrichtung (d. h. in oder entgegengesetzt zur Richtung
der Pfeile X, Y) begrenzen, jedoch können diese seitlichen Führungen
als bspw. aus einem Elastomerwerkstoff geformte Hohlzylinder gestaltet
sein, die die Schraubenfedern 2 unter einem gewissen Abstand
umgeben, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl
von Details auch abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann,
ohne den Inhalt der Patentansprüche
zu verlassen.