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Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives, hydraulisch dämpfendes, elastisches Motorlager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und des diesem nebengeordneten Patentanspruchs 7.
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Ganz allgemein soll mittels elastischer Motorlager verhindert werden, dass die Schwingungsbewegungen von Motoren auf das Kraftfahrzeugchassis und den Passagierraum übertragen werden, was mit den verschiedenen Ausführungsformen der Lager auf unterschiedliche Art und mit unterschiedlichem Erfolg bewerkstelligt wird. Während man früher reine Gummilager verwendete, bei denen die eingeleiteten Schwingungen lediglich durch die innere Dämpfung der verwendeten Gummipolster zum Abklingen gebracht wurden, werden heute Lagerungen mit integrierten Dämpfungseinrichtungen eingesetzt, insbesondere in Form sogenannter Zweikammer-Hydrolager. Diese bieten zusätzlich zur Schwingungs-Isolierung und -Dämpfung den Vorteil, dass sie die auf sie einwirkenden Schwingungen selektiv verarbeiten, und zwar in der Weise, dass sie niederfrequente Schwingungen, also Schwingungen mit Frequenzen unterhalb von ca. 20 Hz , die im allgemeinen mit großen Amplituden auftreten, stark dämpfen, während sie hochfrequente Schwingungen, also Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb des genannten Wertes, die zwar im allgemeinen nur mit kleinen Amplituden auftreten, aber wegen ihrer akustischen Wirkung sehr lästig sind, nahezu ungedämpft aufnehmen und hierdurch weitgehend vom Chassis abkoppeln.
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Nachdem die angestrebte Abkopplung solcher akustischer Schwingungen auch mittels rein passiver Hydrolager bereits recht erfolgreich realisiert werden konnte und die Lager - insbesondere durch Einsatz einer Freiweg-Membran in die ihre beiden Hydraulikkammern trennende Zwischenplatte (siehe z.B.
DE 34 07 553 C2 ) - sehr weitgehenden Forderungen gerecht wurden, gelang ein weiterer wesentlicher technischer Fortschritt in Form der sogenannten aktiven Hydrolager. Ein solches aktives Hydrolager ist beispielsweise aus der
DE 40 21 038 C2 bekannt, und zwar dergestalt, dass seine starre Zwischenplatte auf der der Arbeitskammer zugewandten Seite eine zentrale Ausnehmung aufweist, die durch eine von einem piezoelektrischen Aktor getragene steife Ausgleichsscheibe überdeckt wird.
Diese Scheibe wird von dem Aktor nach Maßgabe eines die hochfrequenten Motorschwingungen aufnehmenden Sensors in Richtung ihrer Flächennormale synchron ausgelenkt, wodurch die entsprechenden hochfrequenten Druckschwankungen der Lagerflüssigkeit möglichst vollständig kompensiert und die sie verursachenden hochfrequenten Motorschwingungen abgekoppelt werden sollen.
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Es zeigte sich jedoch, dass mit einer Anordnung der aus der o.a. Druckschrift bekannten Art eine Abkopplung der hochfrequenten Motorschwingungen nicht in zufriedenstellender Qualität erreicht werden konnte, da sowohl die wirksame Fläche der durch den piezoelektrischen Aktor betätigten starren Ausgleichsscheibe als auch deren erzielbare Auslenkungsamplituden zu klein waren, um die in der Praxis auftretenden hochfrequenten Druckschwankungen in der Lagerflüssigkeit vollständig zu kompensieren. Dieses Manko konnte weder durch eine größere starre Ausgleichsscheibe noch durch säulenförmig geschichtete, leistungsfähigere Piezo-Aktoren (wie beispielsweise aus der
DE 38 21 368 A1 bekannt) überwunden werden.
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Die
GB 2 358 900 A beschreibt eine elastische Halterung zum elastischen Abstützen eines Elements auf einem Körper, umfassend Körperbefestigungsmittel zum Befestigen der Halterung an dem Körper, Elementbefestigungsmittel zum Befestigen der Halterung an dem Element, elastische Verbindungsmittel zum elastischen Verbinden der Körperbefestigungsmittel und der Elementbefestigungsmittel zum Biegen als Reaktion auf Vibrationen des Elements in Bezug auf den Körper, wobei die elastischen Verbindungsmittel zumindest teilweise eine mit Flüssigkeit gefüllte Arbeitskammer definieren, wobei die Halterung ferner eine Verstärkungskammer und eine Menge an piezoelektrischem Material beinhaltet, die zum Steuern des Volumens der Verstärkungskammer betreibbar ist, und elektrische Steuermittel, die mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt sind und angeordnet sind, um das piezoelektrische Material zu veranlassen, das Volumen der Verstärkungskammer in Bezug auf die Frequenz der Vibration zu steuern und dadurch eine Kraft zwischen den Körperbefestigungsmitteln und den Elementbefestigungsmitteln zu erzeugen.
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Die
JP H08- 135 727 A beschreibt eine flüssigkeitsdichte Motorhalterung, die effektiv verhindert, dass die Vibration eines Motors auf eine Karosserie übertragen wird, indem sie die Vibration durch den viskosen Widerstand einer inkompressiblen Flüssigkeit dämpft, die durch eine Öffnung strömt, wenn ein Auto mit niedriger Geschwindigkeit fährt, aber durch die Reduzierung des Strömungsvolumens der Flüssigkeit, die durch die Öffnung strömt, wenn das Auto mit hoher Geschwindigkeit fährt, einen schnellen, schweren Klang erzeugt. Daher wird der schwingungsdämpfende Effekt willkürlich eingestellt, indem piezoelektrische Platten an einer Membranplatte angebracht werden, durch die ein Hauptfluidraum von einem Unterfluidraum getrennt wird, indem eine piezoelektrische Platte von einem Steuerkreis oder dergleichen mit beliebiger Spannung beaufschlagt wird, sowie eine Verformung der Membran, d.h. eine Druckdifferenz zwischen dem Hauptfluidraum und dem Unterfluidraum mittels der anderen piezoelektrischen Platte, erfasst wird, indem die Druckdifferenz gesteuert wird, indem die Membranplatte in einem beliebigen Modus verformt wird, und indem der inkompressible Fluidstrom gesteuert wird, der von außen durch die Öffnung fließt.
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Die
CA 2 608 289 A1 beschreibt eine Schwingungsentkopplungsvorrichtung, die ein Lastaufnahmeelement, das in schwingender Weise in Bezug auf eine Stützeinheit mindestens entlang einer aktiven Richtung, in der mindestens ein Teil der Last aufgebracht wird, montiert ist, und mindestens eine Sensor-/Erfassungseinheit umfasst, die die Schwingungen des Elements aufgrund der Last erfasst und mit Hilfe von Stellgliedern gegen diese Last wirkt. Die Stützeinheit ist modular aufgebaut und dient als Tragkonstruktion für mindestens eine Einheit, die das Element aufnimmt und mindestens entlang der aktiven Richtung des Lastaufnahmeelements elastisch verformbar ist. Das Lastaufnahmeelement ist mit der elastisch verformbaren Einheit verbunden und die Einheit umfasst mindestens einen die Verformung beeinflussenden Aktor, der auf die Einheit angewendet oder in diese integriert wird, so dass der Aktor eine Verformung verursacht, die gegen die elastische Verformung aufgrund der Belastung innerhalb der Einheit wirkt.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, ein aktives, hydraulisch dämpfendes Motorlager zu schaffen, das unter den in der Praxis auftretenden Rahmenbedingungen nicht nur - wie bekannt - die Dämpfung langhubiger, niederfrequenter Motorschwingungen gewährleistet, sondern auch eine effektive Abkopplung hochfrequenter Motorschwingungen erzielt. Ferner schloss die Aufgabenstellung die Forderung ein, gegenüber einem vergleichbaren passiven Hydrolager weder die Fertigungskosten noch das Gewicht wesentlich zu erhöhen und - falls erwünscht - auch den benötigten Einbauraum und die Anschlussmaße nicht zu verändern.
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Die vorliegende Erfindung geht zur Lösung der gestellten Aufgaben von einem aktiven Hydrolager der beispielsweise aus der
DE 40 21 038 C2 bekannten, im Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 7 genannten Gattung aus. Von einem derartigen bekannten Motorlager unterscheidet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. die im kennzeichnenden Teil des dem Patentanspruch 1 nebengeordneten Patentanspruchs 7 aufgeführten Merkmale.
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Allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, dass in ihre zwischen Arbeits- und Ausgleichskammer angeordnete Zwischenplatte ein aktives folienartiges Flächengebilde - also eine aktive Schwingungs-Ausgleichsmembran - eingesetzt ist. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie nicht nur als Trenn- und Ausgleichselement fungiert, sondern auch den für ihre Funktion als aktive Ausgleichsmembran erforderlichen Antrieb bereits in sich selbst enthält. Das heißt, erfindungsgemäß erübrigen sich zusätzliche externe Antriebe auf piezoelektrischer oder elektromagnetischer Basis, wie sie z.B. in den bereits genannten Druckschriften
DE 38 21 368 A1 und
DE 40 21 038 C2 oder auch beispielsweise in der
DE 34 33 255 C2 beschrieben sind.
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Dabei löst die Erfindung die gestellte Aufgabe nicht nur mit überraschend geringem konstruktivem und fertigungstechnischem Aufwand, indem sie die Bauteile eines passiven Hydrolagers weitgehend unverändert beibehält, sondern sie schlägt - ausgehend von dem im Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 7 angegebenen Stand der Technik - zwei Lösungsvarianten vor, mit denen eine erheblich verbesserte Abkopplung hochfrequenter Motorschwingungen erzielbar wird. Die beiden vorgeschlagenen LösungsVarianten unterscheiden sich durch die Ausbildung ihrer aktiven Ausgleichsmembranen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie aktiv flexibel wölbbar sind. Die 1. Variante ist gemäß Patentanspruch 1 ausgebildet, während die 2. Variante die Merkmale des Patentanspruchs 7 aufweist. In den Unteransprüchen 2 bis 6 bzw. 8 bis 12 sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Zeichnung erläutert die Erfindung anhand verschiedener schematischer Darstellungen:
- 1a zeigt ein schematisches Schnittbild eines aktiven Hydrolagers gemäß Patentanspruch 1 im Ruhezustand des Lagers, das heißt, die Ausgleichsmembran 8 liegt ungekrümmt-flach in der Ausnehmung 5 der Zwischenplatte 3.
- 1b gibt dasselbe Lager mit maximal aktivierter Ausgleichsmembran wieder, das heißt, die Ausgleichsmembran 8 ist maximal gewölbt.
- 2 demonstriert anhand von schematischen Schnittbildern der Ausgleichsmembran 8 deren verschiedene Betriebzustände und ihre Funktionsweise.
- 3 zeigt in Prinzip-Darstellungen Beispiele verschiedener, mittels piezoelektrischer Flächenaktoren 7 realisierbarer, insbesondere auch kreisrunder, Ausgleichsmembranen 8 sowie eine Möglichkeit der elektrischen Kontaktierung einer kreisrunden Membran.4 gibt ein vorteilhaftes Konzept zur Ansteuerung der aktiven Ausgleichsmembran 8 eines erfindungsgemäßen aktiven Hydrolagers wieder.
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Das in 1a und 1b dargestellte erfindungsgemäße aktive Hydrolager besitzt gattungsgemäß eine von einer gummielastischen Umfangswand umgebene Arbeitskammer 1 und eine Ausgleichskammer 2, die mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt und durch eine starre Zwischenplatte 3 von einander getrennt sind, wobei die beiden Kammern über einen die starre Zwischenplatte 3 durchdringenden Drosselkanal 4 miteinander in Strömungsverbindung stehen. Die Zwischenplatte 3 weist eine Ausnehmung 5 auf, in die ein in Abhängigkeit von den Motorschwingungen gesteuerter, elektrisch betreibbarer Aktor 7 eingesetzt ist, der eine durch ihn in Richtung ihrer Flächennormale auslenkbare, die Ausnehmung 5 überdeckende Ausgleichsplatte (bzw. Trägermembran) 6 trägt.
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Wie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben und in 1a der Zeichnung (im Ruhezustand) und in 1b (im aktivierten Zustand) schematisch dargestellt, ist in der bevorzugten 1. Variante des erfindungsgemäßen aktiven Hydrolagers die Ausgleichsplatte als eine flexible Membran 6 ausgebildet, mit der ein piezoelektrischer Flächenaktor 7 stoffschlüssig haftend zu einer aktiven Ausgleichsmembran 8 in Form eines flexiblen Verbundflächengebildes vereinigt ist. Im Bereich der Ausnehmung 5 trennt diese flexible aktive Ausgleichsmembran 8 die Arbeitskammer 1 von der Ausgleichskammer 2 .
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Dabei wird unter einem piezoelektrischen Flächenaktor im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrischer Aktor verstanden, wie er beispielsweise in der
US 6 629 341 B2 beschrieben ist, und insbesondere auch ein piezoelektrischer Aktor, wie er in der Fachliteratur mit dem Begriff „Macro-Fiber Composit Actuator“ (MFC) bezeichnet wird. Ein piezoelektrischer Flächenaktor ist demnach ein Kunststoffflächengebilde, in das piezokeramische Fasern oder Faserstränge eingebettet sind und an das über flächig mit ihm verbundene Elektroden elektrische Steuerspannungen angeschlossen werden können, die infolge des piezoelektrischen Effekts erhebliche Änderungen der Abmessungen des Flächengebildes bewirken können. Dabei ist ein derartiger Flächenaktor mechanisch robust und weist in Richtung seiner Flächennormale eine hohe Flexibilität auf.
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Erfindungsgemäß ist ein solcher piezoelektrischer Flächenaktor 7 mit einer maßstabilen flexiblen Trägermembran 6 zu einem Verbundflächengebilde vereinigt, das erfindungsgemäß als großflächige aktive Ausgleichsmembran 8 verwendet wird. Eine solche aktive Ausgleichsmembran wird in die Ausnehmung 5 der die Lagerkammern 1 und 2 voneinander trennenden Zwischenplatte 3 eingesetzt und ist dort - vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Randbereichen 8.1 und 8.2 - in der Ausnehmung 5 fixiert. Eine durch Anlegen einer Steuerspannung erzeugte Längung des Flächenaktors 7 bewirkt infolge der Längenkonstanz der mit ihm verbundenen maßstabilen flexiblen Trägermembran 6 eine Krümmung und damit eine Wölbung der Ausgleichsmembran 8 in Richtung ihrer Flächennormale 9.
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In 2 ist die beschriebene Art der Aufwölbung der Ausgleichsmembran 8 gesondert dargestellt. Die 2a und 2b zeigen die Membran im Ruhezustand bzw. im aktivierten Zustand, während in 2a/b eine Zusammenschau der beiden Zustände wiedergegeben und damit die Wölbung der aktivierten Ausgleichsmembran in einer der Richtungen ihrer Flächennormale 9 verdeutlicht ist.
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Die 3a bis 3d zeigen verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten von erfindungsgemäßen aktiven Ausgleichsmembranen. 3a gibt z.B. eine rechteckige Ausgleichsmembran 8 wieder, die aus einer rechteckigen flexiblen Trägermembran 6 und einem ebenfalls rechteckigen piezoelektrischen Flächenaktor 7 aufgebaut und an ihren Randbereichen 8.1 und 8.2 fixierbar ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch relativ einfache Herstellung und sichere Funktion aus und hat sich bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen. In 3b ist eine Ausgleichsmembran 8 wiedergegeben, bei der eine kreisrunde Trägermembran 6 mit radial ausgerichteten rechteckigen Flächenaktoren 7 bestückt ist, und 3c zeigt eine entsprechende Ausführung mit segmentförmigen Flächenaktoren 7. Während die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Flächenaktoren i.Allg. mittels ein- oder beidseitig aufgebrachter, kammartig ineinandergreifender Elektroden erfolgt, ist in 3d eine vorteilhafte Kontaktierungsöglichkeit speziell für kreisrunde Membranen wiedergegeben.
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Die flexible Trägermembran 6 ist erfindungsgemäß vorzugsweise aus gummiertem Federstahl gebildet. In anderen vorteilhaften Ausführungen werden glasfaser-verstärkte Kunststoffe (GFK) oder kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet, die zusätzlich die vorteilhafte Möglichkeit bieten, dass die piezoelektrischen Flächenaktoren (7) unmittelbar in die Kunststoffmatrix der flexiblen Trägermembran (6) eingebettet und hierdurch mit dieser verbunden werden können.
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Alternativ zu dem im Vorstehenden beschriebenen Erfindungsvorschlag gemäß Patentanspruch 1 und den Ausführungsformen gemäß den Patenansprüchen 2 bis 6 schlägt die vorliegende Erfindung zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe ein gattungsgleiches aktives, hydraulisch dämpfendes Motorlager vor, das die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 genannten Merkmale aufweist. In dieser ebenfalls sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die aktive , flexible Ausgleichsmembran 8 nicht aus einer flexiblen Trägermembran und einem mit dieser zusammenwirkenden Aktor zusammengesetzt, sondern sie ist folienartig aus an sich bekannten sogenannten elektroaktiven Polymeren gebildet oder enthält solche Polymere.
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Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „elektroaktive Polymere“ solche Polymere verstanden, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift SCIENCE, (Vol. 287, No. 5454 (04. Febr. 2000), Seiten 836-839) beschrieben sind. Ergänzend sei zur Erläuterung auf das Dokument
DE 10 027 375 A1 verwiesen. Die aus den besagten elektroaktiven Polymeren hergestellten Flächengebilde ändern unter dem Einfluss einer an sie angelegten Steuerspannung ihre flächigen und/oder räumlichen Abmessungen, und die vorliegende Erfindung nutzt diesen Effekt in überraschender Weise, indem sie die Ausgleichsmembranen der aktiven, hydraulisch dämpfenden Hydrolager gemäß Patentanspruch 7 unter Verwendung solcher Polymere ausbildet.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen, aus elektroaktiven Polymeren gebildeten Ausgleichsmembranen entspricht weitgehend derjenigen der mit piezoelektrischen Flächenaktoren hergestellten Ausgleichsmembranen, so dass sie konstruktiv mit diesen kompatibel sind. Beide Versionen der aktiven Ausgleichsmembranen 8 können daher auf dieselbe Weise in die Ausnehmung 5 der Zwischenplatte 3 eingesetzt und elektrisch angesteuert werden. Die Fixierung der erfindungsgemäßen aktiven Ausgleichsmembranen 8 am Rand der Ausnehmung 5 erfolgt bei beiden Versionen vorzugsweise, wie in den Patentansprüchen 8 bis 11 angegeben.
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Zur Steuerung der verschiedenen erfindungsgemäßen flexiblen Ausgleichsmembranen werden die - ggf. verstärkten und elektronisch umgeformten - Signale eines die hochfrequenten Motorschwingungen aufnehmenden Sensors verwendet, so dass die Aufwölbungen der Ausgleichsmembran praktisch synchron mit den durch die Motorschwingungen in der Lagerflüssigkeit verursachten Druckschwankungen erfolgen. Hierdurch gelingt - insbesondere dank des hohen Wirkungsgrades und der nahezu verzögerungsfreien, exakten Funktionsweise der erfindungsgemäßen Motorlager - die Abkopplung hochfrequenter Motorschwingungen in einer mit herkömmlichen aktiven Motorlagern nicht realisierbaren Qualität.
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4 zeigt schematisch ein Beispiel für ein besonders vorteilhaftes Ansteuerungskonzept. Die Signale eines am Fuß des Hydrolagers fixierten Sensors 12 - z.B. eines Beschleunigungssensors - werden über einen Tiefpass 13 einem Steuergerät 14 zugeführt, von dem sie zusammen mit Zusatzinformationen 16 - wie z.B. die Motordrehzahl - in einen Verstärker 15 eingespeist werden. Dieser Verstärker 15 liefert dann geeignete Steuersignale zur schwingungssynchronen Auslenkung der flexiblen Ausgleichsmembran 8 des erfindungsgemäßen Hydrolagers.
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Zur Hochspannungsversorgung des Verstärkers 15 dient vorzugsweise ein Piezo-Hochspannungsgenerator 11, der etwa die Abmessungen einer Unterlegscheibe aufweist und zweckmäßig - wie auch in 1 und 2 dargestellt - an dem zur Verschraubung mit dem Motor dienenden Gewindebolzen 10 , also im Kraftpfad zwischen Motor und Lager, angeordnet ist. Dieser Hochspannungsgenerator 11 wird bei vibrierendem Motor direkt mit den durch die Motorschwingungen erzeugten dynamischen Kräften beaufschlagt und generiert eine entsprechende Hochspannung, die zur Hochspannungsversorgung des Verstärkers genutzt wird. Eine zusätzliche externe Hochspannungsversorgung für den Verstärker 15 - insbesondere auch deren Kosten - kann daher in dem dargestellten Ansteuerungskonzept entfallen.
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Es ist bemerkenswert, dass bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen aktiven Hydrolagers ein wesentlicher Teil der Bauteile eines entsprechenden passiven Hydrolagers unverändert übernommen werden kann, wodurch sich Möglichkeiten zur Verringerung von Entwicklungs- und Fertigungskosten ergeben. Ausgehend von einem passiven Hydrolager - beispielsweise gemäß
DE 34 07 553 C2 - braucht lediglich dessen den Drosselkanal und die Freiwegmembran enthaltende Zwischenplatte gegen eine erfindungsgemäße Zwischenplatte ausgetauscht zu werden, also gegen eine Zwischenplatte
3, die einen Drosselkanal
4 und eine Ausnehmung
5 mit einer darin fixierten, erfindungsgemäßen aktiven Ausgleichsmembran
8 aufweist.
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Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen aktiven Hydrolagers besteht darin, dass es ohne weiteres an die Stelle eines entsprechenden passiven Hydrolagers treten kann, da es problemlos mit denselben Anschlussmaßen und demselbem Einbauvolumen konzipierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitskammer
- 2
- Ausgleichskammer
- 3
- Zwischenplatte
- 4
- Drosselkanal
- 5
- Ausnehmung in der Zwischenplatte 3
- 6
- Ausgleichsplatte / flexible Trägermembran
- 7
- piezoelektrischer Flächenaktor
- 8
- aktive, flexible Ausgleichsmembran
- 8.1 und 8.2
- fixierte Membran-Randbereiche
- 9
- Flächennormale der Ausgleichsmembran
- 10
- Gewindebolzen
- 11
- Piezo-Hochspannungsgenerator
- 12
- Sensor / Beschleunigungssensor
- 13
- Tiefpass (Signalanpassung)
- 14
- Steuergerät
- 15
- Verstärker
- 16
- Zusatzinformationen
