DE102010051619A1

DE102010051619A1 - Lager für ein Maschinenelement

Info

Publication number: DE102010051619A1
Application number: DE201010051619
Authority: DE
Inventors: Dr. Wodtke Hans-Walter
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Lager eines Maschinenelementes, mit einer maschinenseitigen Lagerstelle (3) für das Maschinenelement, und mit einem Federelement (7), das zwischen der maschinenseitigen Lagerstelle (3) und einem Stellelement (6) wirksam angeordnet ist, wobei das Stellelement (6) in den Wirkrichtungen des Federelementes (7) verstellbar ist, und mit einer Regeleinrichtung (15) mit Tiefpassverhalten für das Einhalten einer Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle (3), wobei die Regeleinrichtung eine Verstellung des Stellelementes (6) in Abhängigkeit von einer Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle (3) regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lager für ein Maschinenelement. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Lager, bei denen das Maschinenelement variable Lagerkräfte auf das Lager ausübt, die sich aus einem niederfrequenten (quasi-statischen) und einem höherfrequenten Anteil (Vibrationen) zusammensetzen.
Bspw. sind Motorlager zur Lagerung von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen bekannt geworden, bei denen zwischen der Brennkraftmaschine als Maschinenelement und einem Fahrzeugaufbau Gummielemente angeordnet sind. Der Betrieb von Brennkraftmaschinen ist mit Vibrationen verbunden, wobei die Gummilager eine Übertragung dieser Vibrationen auf den Fahrzeugaufbau weit gehend unterbinden.
Die auf die Motorlager ausgeübten Lagerkräfte sind nicht konstant und weisen eine zeitlich periodische Struktur auf. Ferner sind quasi-statische Lagerkräfte ebenfalls variabel. Wenn bspw. beim Anfahren des Kraftfahrzeuges im 1. Gang stark beschleunigt wird, werden antriebsseitig hohe Drehmomente übertragen, die als quasi-statische Lagerkräfte von dem Motorlager aufgenommen werden. Das bedeutet, zum Zeitpunkt der Beschleunigung wirken deutlich vergrößerte Lagerkräfte im Motorlager. Wenn das Motorlager ein Gummilager ist, erfährt der Motor gegenüber dem Fahrzeugaufbau aufgrund elastischer Verformung im Gummilager eine Kippbewegung. Einerseits ist eine gute Schwingungsisolation gefordert und andererseits eine steife Lagerung der Brennkraftmaschine. Eine gute Schwingungsisolation erfordert eine weiche Lagerung, die jedoch mit zum Teil erheblichen Kippbewegungen der Brennkraftmaschine einhergeht. Zur Reduzierung dieser Kippbewegungen ist eine steife Lagerung erforderlich.
Zur Abmilderung des Zielkonflikts werden bspw. die Federraten von Abstützelementen progressiv ausgeführt, wobei jedoch die Schwingungsisolation bei zunehmender Last verschlechtert ist. Alternativ sind bspw. nachstellbare Luftfedern denkbar, die jedoch eine Luftdruckversorgung erfordern und im Allgemeinen nur langsam reagieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Lager für ein Maschinenelement anzugeben, das einerseits eine gute Schwingungsisolation ermöglicht und andererseits eine steifere Lagerung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch das Lager gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Lager weist unter anderem eine maschinenseitige Lagerstelle für das Maschinenelement auf. Diese Lagerstelle kann bspw. ein Lagerauge sein, oder auch ein Flansch, an den bspw. eine Brennkraftmaschine angeflanscht werden kann.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Federelement vorgesehen, dass zwischen der maschinenseitigen Lagerstelle und einem Stellelement wirksam angeordnet ist. Wirksam im Sinne der Erfindung bedeutet, dass dieses Federelement zwischen der maschinenseitigen Lagerstelle und dem Stellelement ein- und ausfedert.
Das Stellelement kann in der Wirkrichtung des Federelementes verstellt werden. Wenn das Federelement bspw. durch eine Schraubendruckfeder gebildet ist, kann das eine Federende gegen die maschinenseitige Lagerstelle angefedert sein, wobei das andere Federende an dem Stellelement abgestützt ist. Unter einer Verstellung des Stellelementes wird das untere Federende in Richtung auf oder weg von dem oberen Federende verschoben. Über eine Verstellung des Stellelementes in den Wirkrichtungen des Federelementes wird die Federvorspannung manipuliert.
Erfindungsgemäß ist ferner für die Einhaltung einer Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle eine Regeleinrichtung vorgesehen, die eine Verstellung des Stellelementes in Abhängigkeit von einer Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle regelt.
Die Regeleinrichtung steuert gegebenenfalls unter Zwischenschaltung beispielsweise eines Leistungsverstärkers das Stellelement an, wobei als Sollgröße eine Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle an der Regeleinrichtung eingestellt sein kann. Diese Sollposition kann toleranzbehaftet sein.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Regeleinrichtung zeigt ein Tiefpassverhalten. Als Tiefpass bezeichnet man in der Elektronik solche Filter, die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen abschwächen oder nicht passieren lassen. Bei dem erfindungsgemäßen Tiefpassverhalten greift die Regeleinrichtung bei niederfrequenten oder quasistatischen mechanischen Schwingungsanteilen an der maschinen seitigen Lagerstelle ein. Oberhalb einer gegebenen Frequenz greift die Regeleinrichtung abgeschwächt oder nicht mehr ein.
Die kritische Frequenz, die im Übergang von den niederfrequenten zu den höherfrequenten Schwingungen liegt, ist abhängig von dem Anwendungsfall. Beispielsweise kann bei einer Anwendung als Motorlager einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ein niederfrequenter Bereich von weniger als einem Hertz bis zu mehreren Hertz – beispielsweise 3 Hertz definiert werden. Der Übergang liegt in diesem Beispiel bei etwa 3 Hertz.
In der Sollposition kann die maschinenseitige Lagerstelle Vibrationen ausgesetzt sein, die sich als schnelle Auslenkungen mit geringem Hub in den Wirkrichtungen des Federelementes darstellen. Diese Vibrationen werden von dem Federelement aufgenommen, ohne dass die Regeleinrichtung eingreift. Diese Vibrationen können innerhalb einer Toleranzzone um die Sollposition auftreten. Eine Sollposition gilt mit diesen Vibrationen als eingehalten. Eine Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle kann mithilfe eines an die Regeleinrichtung angeschlossenen Wegsensors erfasst werden.
Bspw. ist es bei der Lagerung einer Brennkraftmaschine sinnvoll, wenn die Brennkraftmaschine auch unter einer starken Beschleunigung des Kraftfahrzeuges nicht oder nur geringfügig gegenüber der Karosserie in den Motorlagern verkippt. Dieses Verkippen der Brennkraftmaschine erfolgt vergleichsweise langsam und stellt eine niederfrequente oder quasistatische Belastung dar. Mit dem erfindungsgemäßen Lager wird dieses unerwünschte Verkippen in den Motorlagern deutlich reduziert.
Wenn eine Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle vorgegeben ist, wird unter einer Zunahme einer quasistatischen Last das erfindungsgemäß angeordnete Federelement zunehmend belastet. Ein Einfedern der maschinenseitigen Lagerstelle wird nun erfindungsgemäß dadurch verhindert, dass das Stellelement in den Wirkrichtungen des Federelementes verstellt wird, und zwar in Richtung einer Zunahme der Federkraft oder der Federvorspannung. Unter Zunahme der Federkraft wird ein Auslenken der maschinenseitigen Lagerstelle weg von der Sollposition vermieden. Die als Sollgröße vorgegebene Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle kann – wie oben ausgeführt wurde – toleranzbehaftet sein.
Die Regelaufgabe der Regeleinrichtung besteht darin, eine Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle auch unter Lastschwankungen möglichst genau einzuhalten. Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass diese lediglich bei langsam veränderlichen Kraftschwankungen – also quasistatischen Belastungen im Bereich weniger Hertz regeltechnisch eingreift. Bei hohen Frequenzen – also bspw. Vibrationen einer Brennkraftmaschine – übernimmt das erfindungsgemäß angeordnete Federelement die Aufgabe, Vibrationen aufzunehmen, so dass diese Vibrationen nicht oder nur deutlich reduziert in eine gestellseitige Lagerstelle des erfindungsgemäßen Lagers eingeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Lager beinhaltet demzufolge das Stellelement als Aktor, der für die Einhaltung einer Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle sorgt, Bei erfindungsgemäßen Lagern kann das Federelement eine deutlich geringere Steifigkeit aufweisen, als es die Lagerung des Maschinenelementes aufgrund der variablen Lasten in der maschinenseitigen Lagerstelle und der gegebenen Beweglichkeit Grenzen zulassen würde.
Das erfindungsgemäße Lager kann auch als selbstjustierende elastische Lagereinheit aufgefasst werden, die bspw. im Automobilbereich zum Einsatz kommen kann, insbesondere als Motorlager.
Für den Fall, dass bei dem erfindungsgemäßen Lager das Federelement auch unter regeltechnischem Eingriff der Regeleinrichtung die vorgegebene Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle nicht aufrecht erhalten kann, kann eine Anlage für die maschinenseitige Lagerstelle vorgesehen sein, wobei diese Anlage durch ein weiteres Federelement gebildet sein kann, das zu dem oben genannten Federelement parallel geschaltet ist. Wenn die maschinenseitige Lagerstelle an die Anlage anschlägt, ist eine weitere Verschiebung der maschinenseitigen Lagerstelle aufgrund des weiteren Federelements deutlich reduziert oder ausgeschlossen. Dieses weitere Federelement kann bspw. durch einen Gummi-Puffer gebildet sein. Außerhalb der eingesellten Sollposition kann demzufolge ein unerwünschtes Auslenken der maschinenseitigen Lagerstelle begrenzt werden.
Zur Ermittlung der Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle kann ein Wegsensor vorgesehen sein. Der Wegsensor kann bspw. an einem Lagergehäuse des erfindungsgemäßen Lagers gehaltert sein. Dieser Wegsensor kann absolut messend sein, also eine absolute Position der maschinenseitigen Lagerstelle bestimmen, wobei beispielsweise gehäuseseitig eine Referenzmarke vorgesehen sein kann, um die absolute Position der maschinenseitigen Lagerstelle zu bestimmen.
Das Stellelement umfasst vorzugsweise einen Motor und ein Federlager, an dem das Federelement abgestützt ist. Bspw. kann das Stellelement einen Gewindetrieb aufweisen, dessen auf einer angetriebenen Gewindespindel aufgeschraubte Spindelmutter dieses Federlager aufweist, an dem das Federelement abgestützt ist.
Der Gewindetrieb kann durch einen an sich bekannten Kugelgewindetrieb gebildet sein, dessen Gewindespindel von einem Elektromotor angetrieben wird.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Lager ein Gehäuse auf, das das Stellelement sowie das Federelement aufnimmt. Vorzugsweise ist das Gehäuse mit einer gestellseitigen Lagerstelle versehen, mit der das Lager beispielsweise an einem Maschinengestell oder einem Fahrzeuggestell aufgenommen werden kann.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in einer einzigen Figur abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Das in der einzigen Figur im Längsschnitt abgebildete erfindungsgemäße Lager weist ein Gehäuse 1 auf, mit einer gestellseitigen Lagerstelle 2, und mit einer maschinenseitigen Lagerstelle 3. Diese beiden Lagerstellen 2, 3 sind im Ausführungsbeispiel durch Lageraugen 4, 5 gebildet.
Das Gehäuse 1 nimmt ein Stellelement 6 auf, sowie ein Federelement 7, das im Ausführungsbeispiel als Schraubendruckfeder 8 ausgeführt ist. Das Stellelement 6 umfasst einen Elektromotor 9, ein an den Elektromotor 9 angeschlossenes Getriebe 9a und einen Gewindetrieb 10, der vorliegend als Kugelgewindetrieb 11 ausgebildet ist.
Der Kugelgewindetrieb 11 weist eine Spindelmutter 12 auf, die auf einer Gewindespindel 13 angeordnet ist. In bekannter Weise ist die Gewindespindel 13 an ihrem Umfang mit einer schraubenförmig um die Spindelachse gewundenen Kugelrille versehen, die im Ausführungsbeispiel lediglich durch schräg zur Spindelachse gezogene Linien angedeutet ist. Die Spindelmutter 12 ist an ihrem Innenumfang ebenfalls mit einer schraubenförmig um die Mutterachse angeordneten Kugelrille versehen, die im Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellt ist. Ferner ist die Spindelmutter 12 in bekannter Weise mit einer Umlenkeinrichtung versehen, in der die nicht dargestellten Kugeln von einem Ende zu einem Anfang eines endlosen Kugelkanals umgelenkt werden.
An ihrer der Schraubendruckfeder 8 zugewandten Stirnseite ist die Spindelmutter 12 mit einem Federlager 12a versehen, an dem das eine Federende der Schraubendruckfeder 8 abgestützt ist.
Die Gewindespindel 13 ist an einen Getriebeausgang des Getriebes 9a angeschlossen. Unter einer Betätigung des Elektromotors 9 rotiert die Gewindespindel 13 in einer der beiden Drehrichtungen, je nachdem, in welchem Drehsinn der Elektromotor 9 betätigt wird.
Ferner ist ein Leistungsverstärker 14 an den Elektromotor 9 angeschlossen. Eine Regeleinrichtung 15 ist vorgesehen, die eingangsseitig eine Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle 3 erfasst und die ausgangsseitig den Leistungsverstärker 14 zur Beaufschlagung des Elektromotors 9 ansteuert. Die Regeleinrichtung 15 übernimmt die Aufgabe, eine Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle 3 in jedem Betriebspunkt und auch unter Lastschwankungen möglichst genau einzuhalten.
Die maschinenseitige Lagerstelle 3 durchdringt das Gehäuse 1, wobei das Lagerauge 5 außerhalb des Gehäuses 1 für den Anschluss des hier nicht abgebildeten Maschinenelementes angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 1 ist die maschinenseitige Lagerstelle 3 mit einem Federlager 16 versehen, gegen welches Federlager 16 das obere Federende der Schraubendruckfeder 8 angefedert ist.
An dem Gehäuse 1 sind mit axialem Abstand zueinander Gummipuffer 17, 18 angeordnet. In der Abbildung ist die maschinenseitige Lagerstelle 3 in einer Sollposition angeordnet. In dieser Sollposition liegt das Federlager 16 mittig zwischen den beiden Gummipuffern 17, 18.
Ferner ist ein Wegsensor 19 an dem Gehäuse 1 angeordnet, der die Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle 3 vorzugsweise kontinuierlich ermittelt.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lagers für die Anwendung näher erläutert, wenn das erfindungsgemäße Lager als Motorlager in einem Kraftfahrzeug zur Lagerung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Bei dieser Anwendung ist das erfindungsgemäße Lager gestellseitig mit seinem Lagerauge 2 am nicht abgebildeten Fahrzeugrahmen gehaltert. Die nicht abgebildete Brennkraftmaschine ist an dem Lagerauge 5 gehaltert, bspw. angeschraubt. Mehrere erfindungsgemäße Lager können für die Lagerung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine werden die betriebsbedingten Vibrationen in die Schraubendruckfeder 8 eingeleitet und dort abgefedert. Die Schraubendruckfeder 8 dient hier einerseits der Schwingungsisolierung und andererseits der Lastaufnahme z. B. durch die Eigengewichtskraft der Brennkraftmaschine an der Lagerstelle. Diese stationäre Belastung der maschinenseitigen Lagerstelle 3 bezeichnet eine Mittelstellung des Stellelementes 6. In dieser Mittelstellung ist das Federlager 12a in eine axiale Position gefahren, in der die Schraubendruckfeder 8 gerade soweit vorgespannt ist, das die maschinenseitige Lagerstelle 3 in ihre Sollposition gefahren ist.
Wenn nun das Kraftfahrzeug beschleunigt wird, wirken an der Brennkraftmaschine Kippmomente, die als vergrößerte und als reduzierte Lagerkräfte in die maschinenseitigen Lagerstellen eingeleitet werden. Unter dieser quasistationären Belastung der maschinenseitigen Lagerstellen wird eine Verlagerung der maschinenseitigen Lagerstelle – und somit auch des Federlagers 16 – in der Wirkrichtung der Schraubendruckfeder 8 angeregt. Diese Anregung wird von dem Wegsensor 19 erfasst und von dort an die Regeleinrichtung 15 weitergegeben. Ausgangsseitig liefert die Regeleinrichtung 15 geeignete Signale an den Leistungsverstärker 14, so dass der Elektromotor 9 angesteuert wird, um das Federlager 13 derart zu verlagern, dass unter Veränderung der Vorspannung der Schraubendruckfeder 8 das Federlager 16 wieder seine Sollposition – also einen mittigen Position zwischen den beiden Gummipuffer 17, 18 – einnimmt.
Bei Belastungsspitzen kann die Situation eintreten, dass die Federsteifigkeit der Schraubendruckfeder 8 nicht ausreichend ist, um die angestrebte Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle 3 einzuhalten. In diesem Fall schlägt das Federlager 16 gegen den einen Gummipuffer 17 an. Die beiden Gummipuffer 17,18 sind zu der Schraubendruckfeder 8 parallel geschaltet. In der Anschlagsituation vergrößern sich demzufolge die Stützkräfte für die maschinenseitige Lagerstelle 3 erheblich. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass keinesfalls unerwünscht große Kippbewegungen der Brennkraftmaschine in den Motorlagern erfolgen können.
Die hier abgebildete mittige Position der maschinenseitigen Lagerstelle ist erfindungsgemäß toleranzbehaftet. Bei einer Auslenkung in eine der beiden axialen Richtungen wird diese Auslenkung von dem Wegsensor 19 erfasst und an die Regeleinrichtung 15 in geeigneter Weise weitergegeben.
Bei dem hier abgebildeten erfindungsgemäßen Lager kann das Federelement sehr weich ausgelegt werden, weil das angeschlossene Stellelement 6 als Aktor die Federlast mit kurzen Reaktionszeiten manipulieren kann, so dass einerseits eine weiche Lagerung gewährleistet ist, die Vibrationen gut isolieren kann, wobei jedoch andererseits im Hinblick auf ein unerwünschtes Verkippen in den Lagerstellen in gezielter Weise eine steife Lagerung bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: gestellseitige Lagerstelle
3: maschinenseitige Lagerstelle
4: Lagerauge
5: Lagerauge
6: Stellelement
7: Federelement
8: Schraubendruckfeder
9: E-Motor
10: Gewindetrieb
11: Kugelgewindetrieb
12: Spindelmutter
12a: Federlager
13: Gewindespindel
14: Leistungsverstärker
15: Regeleinrichtung
16: Federlager
17: Gummipuffer
18: Gummipuffer
19: Wegsensor

Claims

Lager eines Maschinenelementes, mit einer maschinenseitigen Lagerstelle (3) für das Maschinenelement und mit einem Federelement (7), das zwischen der maschinenseitigen Lagerstelle (3) und einem Stellelement (6) wirksam angeordnet ist, wobei das Stellelement (6) in den Wirkrichtungen des Federelementes (7) verstellbar ist und mit einer Regeleinrichtung (15) mit Tiefpassverhalten für das Einhalten einer Sollposition der maschinenseitigen Lagerstelle (3), wobei die Regeleinrichtung eine Verstellung des Stellelementes (6) in Abhängigkeit von einer Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle (3) regelt.
Lager nach Anspruch 1, bei dem die maschinenseitige Lagerstelle (3) zwischen zwei Anlagen verfahrbar ist.
Lager nach Anspruch 2, bei dem wenigstens eine der Anlagen durch ein weiteres Federelement gebildet ist, das zu dem Federelement (7) parallel geschaltet ist.
Lager nach Anspruch 1, bei dem ein Wegsensor (19) zur Ermittlung der Ist-Position der maschinenseitigen Lagerstelle (3) vorgesehen ist.
Lager nach Anspruch 1, bei dem das Stellelement (6) einen Motor umfasst, und ein Federlager (12a), an dem das Federelement (7) abgestützt ist.
Lager nach Anspruch 1, bei dem das Stellelement (6) einen Gewindetrieb (10) umfasst, dessen auf einer angetriebenen Gewindespindel (13) aufgeschraubte Spindelmutter (12) ein Federlager (12a) aufweist, an dem das Federelement (7) abgestützt ist.
Lager nach Anspruch 1, bei dem die Gewindespindel (13) von einem Elektromotor (9) angetrieben wird.
Lager nach Anspruch 1, bei dem ein Gehäuse (1) vorgesehen ist, das das Stellelement (6) und das Federelement (7) aufweist.
Lager nach Anspruch 8, bei dem das Gehäuse (1) die gestellseitige Lagerstelle (2) aufweist.