DE102007048183A1

DE102007048183A1 - Verfahren zur Beeinflussung der Steifigkeit von Federelementen sowie Federelement

Info

Publication number: DE102007048183A1
Application number: DE200710048183
Authority: DE
Inventors: Knut Schmidt; Oliver Dr. Schauerte; Joachim Dr. Baron; Gunther Naumann; Mathias Riedel; Holger Kunze; Michael Dr. Wolf; Günther Hans Deinzer
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Steifigkeit eines Federelementes (1) aus Elastomer- oder Gummimaterial (3), das zur Aufnahme von Schwingungslasten (L) dient, sowie ein Federelement. Es ist vorgesehen, dass eine veränderbare mechanische Vorspannung (F) in das Federelement eingebracht wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Steifigkeit des Federelementes durch das erfindungsgemäße Verfahren beeinflussbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Steifigkeit eines Federelementes aus Elastomer- oder Gummimaterial, das zur Aufnahme von Schwingungslasten dient, sowie ein Federelement.
Passive Federelemente werden für die Aufnahme von schwingungsbehafteten Lasten im Maschinenbau und bei Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind im einfachsten Fall Gummioder Elastomerlager. Durch die Auswahl der Geometrie und des Werkstoffes liegt die Lagersteifigkeit fest. Über Löcher und Bohrungen in dem Federelement lässt sich in Grenzen die Steifigkeit an die dynamischen Anforderungen der zu lagernden Bauteile anpassen. Diese einmal getroffene Auslegung ist dabei für die Hauptanregung bei einer Frequenz optimiert. Bei anderen Frequenzen ist dann meist die dynamische Qualität des Lagers deutlich reduziert. Außerdem führen Temperatureinflüsse und das Alterungsverhalten des Gummis zu einer negativen Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften.
Passive Tilger bestehen im einfachsten Fall aus einer Masse, die über ein Federelement mit einer definierten Steifigkeit mit einer schwingenden Maschinen- oder Fahrzeugstruktur verbunden ist. Dabei werden die Steifigkeit und die Masse so aufeinander abgestimmt, dass bei der Frequenz der störenden dynamischen Anregung das Feder-Masse-System in Resonanz schwingt. Aufgrund der Trägheit wird eine dynamische Gegenkraft in die Struktur eingeleitet und die störende Schwingungsamplitude reduziert. Da diese passiven Tilger die Energie aus dem schwingenden System beziehen und bei monofrequenter Anregung große dynamische Gegenkräfte entwickeln können, sind diese Tilger im Fahrzeug- und Maschinenbau weit verbreitet.
Es ist das Ziel der passiven Tilgerauslegung, das Amplitudenspektrum der schwingenden Struktur bei der Resonanzfrequenz des schwingenden Bauteils möglichst gering zu halten. Durch Temperatureinflüsse, Alterung und unterschiedliche Betriebslasten verschieben sich die Steifigkeit und damit die Resonanzfrequenz, bei der die optimale Tilgung erfolgen kann.
Wenn es sich bei der Bauteilschwingung um eine erzwungene Schwingung in einem weiten Frequenzbereich handelt, zum Beispiel bei einem Motoranlauf, ist der Tilger nur für einen schmalen Frequenzbereich optimal. In den übrigen Frequenzbereichen ist er wirkungslos beziehungsweise verstärkt in einem Frequenzbereich, aufgrund seiner eigenen Masse und Steifigkeit, noch die Amplitude der Schwingung in der Struktur.
Sowohl bei Lagern als auch bei Tilgern sind daher aktiv steuerbare Steifigkeiten für die Anpassung an unterschiedliche dynamische Betriebsbedingungen oder auch zum Ausgleich von Temperatur- und Alterungseinflüssen wünschenswert.
Bekannte aktive Lager arbeiten hydraulisch oder pneumatisch. Dazu werden aber stets eine Druckversorgung und -speicherung benötigt. Bekannte aktive Tilger werden elektromechanisch betrieben. Dabei wird eine Tilgermasse mit einem elektromechanischen Schwingerreger so angesteuert, dass eine Tilgerkraft variabel bei unterschiedlichen Frequenzen eingestellt werden kann. Nachteil aller bekannten aktiven Tilger ist der permanente Energieaufwand zur Erzeugung der Tilgerschwingung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine aktive Steifigkeitsbeeinflussung von Federelementen, insbesondere für Lager und Tilger, bei kleinem Energieeintrag anzugeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine veränderbare mechanische Vorspannung in das Federelement eingebracht wird.
Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausführungsformen des Verfahrens sowie das Federelement selbst und seine Verwendung als Lager oder Tilger.
Passive Federelemente aus Elastomer- oder Gummimaterial sind komplex geformte Körper mit Bohrungen und Löchern zur Realisierung eines bestimmten Steifigkeitsverhaltens. Solche Federelemente werden mit Hilfe von aktiv veränderbaren Vorspannungen, die in das Federelement eingebracht werden, in ihrer Steifigkeit beeinflusst.
Dabei kann die Vorspannung in Längsrichtung zur Last oder auch senkrecht dazu aufgebracht werden.
Durch eine senkrechte Vorspannung ergibt sich durch die Querkontraktion des Materials auch eine Vorspannung und damit Steifigkeitsänderung in der Längsrichtung.
Durch unterschiedliche Vorspannungen in verschiedenen Richtungen werden auch unterschiedliche Steifigkeiten in verschiedenen Richtungen realisiert.
Der Energieaufwand zu Anpassung der Steifigkeit an unterschiedliche Lasten wird minimiert, wenn das Federelement eine Grundsteifigkeit besitzt, die für eine normale Betriebslast optimiert ist und durch die veränderbare Vorspannung für abweichende Lasten und auch dynamische Laständerungen angepasst wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, die Vorspannung in definierten Stufen zu konstanten Steifigkeitswerten zu ändern. Über ein weiteres aktives Vorspannungselement können dann diese Stufen kurzzeitig weiter verändert werden.
Die Veränderung der Steifigkeit kann nicht nur kontinuierlich, sondern auch stufenweise mit dem Vorteil erfolgen, dass ein energieloses Halten des Steifigkeitszustandes möglich ist.
In einer Ausführungsform wird die Vorspannung durch einen über das Federelement gezogenen Ring aus Piezokeramik oder auch durch einen über Piezokeramikelemente vorgespannten Ring oder Hülse erzeugt, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Änderung der Querkontraktion und damit der Steifigkeit bewirken.
In einer anderen Ausführungsform wird die Vorspannung durch in das Federelement eingezogene Drähte aus einer Formgedächtnislegierung verändert, die bestromt und damit beheizt werden und sich in eine vortrainierte Form ändern. Einfache Drähte können sich stark verkürzen oder auch dehnen und somit die Vorspannung verändern. Parallel zur Lastrichtung eingebrachte Drähte führen zu einer axialen Vorspannungsänderung, eine spiralförmige Umschlingung zu einer radialen Vorspannungsänderung.
In einer weiteren Ausführungsform wird die veränderbare Vorspannung durch ein magnetisches Feld aufgebracht, das auf magnetisierbare Metallpartikel in dem Elastomer- oder Gummimaterial wirkt. Die eingebetteten Metallpartikel richten sich bei einem Anlegen eines magnetischen Feldes in Richtung des Feldvektors aus und führen durch Abstützung aufeinander zur Erhöhung der inneren Reibung. Somit wird die Steifigkeit des Materials verändert. Die Applikation des Magnetfeldes kann durch ein Spulensystem erfolgen, das in das Material eingebracht ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die veränderbare Vorspannung durch ein magnetisches Feld aufgebracht, das auf ein magneto-rheologisches Fluid in dem Elastomer- oder Gummimaterial wirkt. Das Fluid ändert bei einem Anlegen eines magnetischen Feldes seine Viskosität und damit die Steifigkeit. Das magnetische Feld wird auf die gleiche Weise wie bei den Metallpartikeln erzeugt.
In einer Abänderung der Ausführungsform wird die veränderbare Vorspannung durch ein elektrisches Feld aufgebracht, das auf ein elektro-rheologisches Fluid in dem Elastomer- oder Gummimaterial wirkt. Das Fluid ändert bei einem Anlegen eines elektrischen Feldes seine Viskosität und damit die Steifigkeit. Das elektrische Feld wird durch Elektroden, die in dem Material eingelegt sind, erzeugt.
Ein Federelement zur Aufnahme von Schwingungslasten aus Elastomer- oder Gummimaterial, dessen Steifigkeit durch eines der vorstehenden Verfahren beeinflusst ist, lässt sich zur Dämpfung und Tilgung der Störungen von schwingenden Bauteilen auch unter wechselnden Lastbedingungen gezielt einsetzen. Der Energieaufwand zur Anpassung der Steifigkeit ist gegenüber den bekannten Verfahren gering.
Insbesondere lassen sich diese veränderbaren Federelemente für Lager und Tilger in Maschinen und Fahrzeugen mit schwingungsbehafteten Bauteilen, wie etwa Motoren, mit gutem Erfolg einsetzen.
Ein weiterer Einsatz der Federelemente erschließt sich durch die Parallelschaltung oder Serienschaltung solcher beeinflussbarer Federelemente mit klassischen Metallfedern, deren Steifigkeit durch die beschriebenen Verfahren gezielt verändert werden kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Federelement mit Bohrungen (Stand der Technik);
2 das Federelement mit einer Vorspannkraft;
3 das Federelement mit einem Ring aus Piezokeramik;
4 das Federelement mit Spanndrähten;
5 das Federelement mit Metallpartikeln und Spulen und
6 das Federelement mit einer Kammer für elektro-rheologische Flüssigkeit und Elektroden.
In 1 ist ein Federelement 1 dargestellt, das dem Stand der Technik entspricht. Eine Schwingungslast L wirkt axial auf das Federelement 1 aus einem Elastomer- oder Gummimaterial 3. Durch die Bohrungen 2 ist die Steifigkeit der Schwingungslast L angepasst. Eine Veränderung der Steifigkeit ist nicht vorgesehen.
In 2 ist das Federelement 1 mit der Schwingungslast L und einer Vorspannkraft F dargestellt, die radial eine Querkontraktion des Elastomer- oder Gummimaterials 3 bewirkt. Die Bohrungen 2 sind entsprechend verformt. Die Steifigkeit ist jetzt abhängig von der Vorspannkraft F und kann verändert werden.
3 zeigt ein Federelement 1 mit einem Ring 4 aus Piezokeramik oder auch eine über ein Piezoelement vorgespannten Hülse. Dieser Ring beziehungsweise die Hülse kann eine Querkontraktion des Elastomer- oder Gummimaterials 3 bewirken und damit die Steifigkeit für die Schwingungslast L verändern.
4 zeigt ein Federelement 1 mit beheizbaren Drähten 5, 6 aus einer Formgedächtnislegierung, die in das Elastomer- oder Gummimaterial 3 eingelassen sind. Durch die Wärme nehmen die Drähte 5, 6 eine vortrainierte Form an und bewirken eine Vorspannung. Die Drähte 5 bewirken eine axiale Vorspannung, die Drähte 6 eine radiale Vorspannung.
In 5 ist ein Federelement 9 aus einem Material mit magnetisierbaren Metallpartikeln dargestellt. In das Material eingelassene Spulen 7, 8 erzeugen ein magnetisches Feld, das eine Ausrichtung der Metallpartikel bewirkt und damit die Steifigkeit verändert. Die Spulen 7a, 7b bewirken eine radiale Veränderung, die Spulen 8a, 8b eine axiale Veränderung.
In 6 ist ein Federelement 1 mit der Schwingungslast L dargestellt, das eine Kammer 11 für ein elektro-rheologisches Fluid enthält. Die Viskosität diese Fluides wird über die Elektroden 10 beeinflusst und über die Scherspannung des Fluides wird eine Steifigkeitsänderung herbeigeführt. Über den Einfüllkanal 12 kann das Fluid in das Federelement eingefüllt werden.

1: Federelement
2: Bohrung
3: Elastomer- oder Gummimaterial
4: Piezokeramik
5: Draht aus Formgedächtnislegierung, längs
6: Draht aus Formgedächtnislegierung, quer
7a, b: Spulen für ein magnetisches Feld, quer
8a, b: Spulen für ein magnetisches Feld, längs
9: Federelement mit Metallpartikeln
10: Elektrode
11: Kammer mit elektro-rheologischem Fluid
12: Einfüllöffnung
F: Vorspannkraft
L: Schwingungslast

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Steifigkeit eines Federelementes (1) aus Elastomer- oder Gummimaterial (3), das zur Aufnahme von Schwingungslasten (L) dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderbare mechanische Vorspannung (F) in das Federelement eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (F) längs zur Lastrichtung des Federelementes aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (F) senkrecht beziehungsweise quer zur Lastrichtung des Federelementes aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Vorspannungen in verschiedene Richtungen des Federelementes aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement eine Grundsteifigkeit für eine Normallast besitzt, die durch die veränderbare Vorspannung für abweichende Lasten angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung in definierten Stufen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung durch einen Ring (4) um das Federelement (1) aus Piezokeramik aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring über ein Piezoelement vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung durch aufheizbare Drähte (5, 6) aus einer Formgedächtnislegierung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung durch ein magnetisches Feld aufgebracht wird, das auf magnetisierbare Metallpartikel in dem Elastomer- oder Gummimaterial (3) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung durch ein magnetisches Feld aufgebracht wird, das auf ein magneto-rheologisches Fluid in dem Elastomer- oder Gummimaterial (3) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Vorspannung durch ein elektrisches Feld aufgebracht wird, das auf ein elektro-rheologisches Fluid in dem Elastomer- oder Gummimaterial (3) wirkt.
Federelement (1) zur Aufnahme von Schwingungslasten (L) aus Elastomer- oder Gummimaterial (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Federelementes durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche beeinflussbar ist.
Federelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit von Metallfederelementen durch die Parallelschaltung oder Serienschaltung von beeinflussbaren Federelementen verändert ist.
Verwendung eines Federelementes nach Anspruch 13 oder 14 als Lager oder Tilger in Maschinen oder Fahrzeugen mit schwingungsbehafteten Bauteilen.