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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydrolager, insbesondere ein amplitudenabhängig schaltendes Hydrolager, mit einem Traglager und einem Auflager, die durch eine elastomere Tragfeder miteinander verbunden sind, wobei eine Arbeitskammer und eine Ausgleichskammer vorgesehen sind, die mit einem Fluid gefüllt und durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, wobei die Arbeitskammer und die Ausgleichskammer über einen in die Trennwand eingebrachten Dämpfungskanal miteinander verbunden sind und wobei in die Trennwand eine Öffnung eingebracht ist, in der eine Tilgermasse an einem Elastomerring axial schwingfähig aufgehängt ist.
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Lager der eingangs genannten Art werden zur Lagerung von Kraftfahrzeugaggregaten verwendet, um die während des Betriebs auftretenden Schwingungen zu dämpfen beziehungsweise zu tilgen. Hierbei weist das Hydrolager mehrere Dämpfungssysteme auf, die bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen eine Dämpfungs- oder Tilgungswirkung erzielen. So bewirkt die aus einem elastomeren Material bestehende Tragfeder eine akustische Isolierung, während eine Dämpfung niederfrequenter Schwingungen mit großer Amplitude über den Dämpfungskanal erfolgt. Hierbei führen die eingeleiteten Schwingungen zu einer Bewegung der Tragfeder, wodurch ein hydraulischer Druck innerhalb der Arbeitskammer aufgebaut wird. Infolge des Drucks strömt das Fluid von der Arbeitskammer über den Dämpfungskanal in die Ausgleichskammer. Aufgrund des geringen Durchmessers des Dämpfungskanals und der damit verbundenen hohen mechanischen Übersetzung, die sich aus dem äquivalenten, verdrängenden Querschnitt der Tragfeder in Relation zu dem Dämpfungskanalquerschnitt ergibt, werden die eingeleiteten Schwingungen getilgt beziehungsweise gedämpft.
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Zur Entkopplung hochfrequenter, kleinamplitudiger Schwingungen, das heißt im akustisch relevanten Bereich, ist die Einbringung einer elastischen Membran mit oder ohne Spiel innerhalb der Trennwand bekannt. Hierbei schwingt die Membran bei hochfrequenten, kleinamplitudigen Schwingungen, so dass eine Dämpfung über den Dämpfungskanal entkoppelt wird.
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Ferner ist es bekannt, zur Reduzierung der dynamischen Lagersteifigkeit im Motorleerlauf in die Trennwand eine Durchbrechung beziehungsweise einen Kanal, der auch als Leerlaufkanal oder Tilgerkanal bezeichnet werden kann, einzubringen, der mittels eines schaltbaren Stellglieds freigebbar und verschließbar ist. Derartige Lager werden auch als schaltbare Lager bezeichnet. Je nach Motordrehzahl wird der Kanal geöffnet oder geschlossen. Bei einem geschlossenen Kanal arbeitet das Lager wie ein herkömmliches Lager, indem niederfrequente Schwingungen mit großen Amplituden durch eine Flüssigkeitsverschiebung innerhalb des Dämpfungskanals gedämpft und hochfrequente Schwingungen mit kleinen Amplituden mit Hilfe der Membran isoliert beziehungsweise entkoppelt werden. In der Offenstellung des Kanals schwingt eine Flüssigkeitssäule innerhalb des Kanals, so dass die im Motorleerlauf auftretenden hochfrequenten Motorschwingungen aufgrund der kleinen wirksamen Federrate in deutlich geminderter Form auf das Chassis übertragen werden.
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Ein Hydrolager dieser Art ist aus der
DE 43 30 560 C1 bekannt. Darin ist ein schaltbares Hydrolager offenbart, dessen Leerlaufkanal mittels eines mit Unterdruck beaufschlagbaren Stellglieds freigebbar oder verschließbar ist. Nachteilig hierbei ist, dass bei modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieben, eine Energieversorgung mit Unterdruck nicht in ausreichender Menge verfügbar ist.
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Zur Umgehung dieses Nachteils ist es ferner bekannt, in den Kanal eine axial schwingfähig aufgehängte Tilgermasse einzubringen, die gegen die Blähfeder der Tragfeder schwingt und in einem Frequenzbereich die dynamische Steifigkeit des Hydrolagers absenkt. Dieser Frequenzbereich, insbesondere die Lage des Minimums der dynamischen Steifigkeit, wird in der Regel auf die im Motorleerlauf dominante, anregende Frequenz abgestimmt.
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Aus der
DE 36 17 813 A1 geht ein Hydrolager hervor, in dessen Trennwand ein verschiebbares Kompensationsteil schwingfähig aufgehängt ist. Das Kompensationsteil umfasst zwei Trägheitsmassen, die durch Ringmembranen miteinander und mit der Trennwand verbunden sind. Zur Begrenzung der axialen Bewegungen des Kompensationsteil können an einer der Trägheitsmassen in Axialrichtung abragenden Anschläge angebracht sein. Das Hydrolager hat jedoch den Nachteil, dass eine Bewegungsbegrenzung mittels Anschlägen akustisch wahrnehmbar ist. Eine Ausgestaltung ohne die Anschläge hat ferner den Nachteil einer geringen Überlastsicherheit, da das Kompensationsteil, insbesondere die Ringmembran keiner Verformungsbegrenzung unterliegt und somit hohen Belastungen ausgesetzt ist.
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In
DE 10 2009 021 994 A1 ist ein Hydrolager offenbart, in dessen Kanal ein scheibenförmiger steifer Einsatz elastisch mittels einer Verschlussmembran aufgehängt ist. Diesem Hydrolager ist ebenfalls die fehlende Verformungsbegrenzung und die damit einhergehende fehlende Überlastsicherheit von Nachteil.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hydrolager der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Überlastsicherheit und eine verminderte Geräuschbildung aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Hydrolager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hydrolagers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Hydrolager weist der Elastomerring bei Einleitung großer Amplituden ein progressives Verhalten auf. Die schwingfähig aufgehängte Tilgermasse bedämpft die im Leerlauf auftretenden Schwingungen und führt somit zu einer deutlich kleineren wirksamen Lagersteifigkeit. Bei großen Amplituden liegt der Elastomerring an der Trennwand an, wobei der Elastomerring aufgrund seines progressiven Verhaltens eine steife Verbindung zwischen der Tilgermasse und dem Auflager ausbildet. Dadurch wird das Lagerverhalten eines konventionellen Lagers erreicht, wobei nunmehr eine Dämpfung über einen Flüssigkeitsaustausch zwischen der Arbeitskammer und der Ausgleichskammer mittels des Dämpfungskanals erfolgt. Somit hat die Tilgermasse kaum merklich einen Einfluss auf die Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen mit großen Amplituden. Ferner wirkt sich die Blähfederrate des Elastomerrings aufgrund seines progressiven Verhaltens kaum auf die Gesamtblähfederrate aus. Somit ist die Wirkungsweise des Elastomerrings vergleichbar mit einem Schaltlager beziehungsweise einem schaltbaren Stellglied. Ferner weist der Elastomerring eine hohe Überlastsicherheit aufgrund seiner vergleichsweise robusten Ausgestaltung auf. Die hierbei in Rede stehenden leerlauftypischen, motorerregten Frequenzen betragen ca. 20 Hz bis 40 Hz, wobei die Anregungsamplitude ca. zwischen 0,1 mm und 0,3 mm ist. Im Dämpfungsfall, d.h. bei fahrbahnerregten großen Amplituden, betragen die Frequenzen ca. 10 Hz und die Anregungsamplitude ca. zwischen 1 mm und 2 mm. Da die fahrbahnerregten Schwingungsamplituden etwa 10-mal größer sind als die vom Motor eingeprägten Schwingungen, ist mit nur 10% geminderter Stuckerbedämpfung eine selbsttätige Absenkung der Hydrolagersteifigkeit, in der Regel auf etwa 50% der statischen Steifigkeit, im Leerlauffall gegeben.
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Vorteilhaft ist der Elastomerring aus zwei abgerundeten Endabschnitten, die über einen länglichen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind, gebildet. Hierbei dienen die Endabschnitte zur Befestigung des Elastomerrings an der Trennwand und der Tilgermasse. Über den Verbindungsabschnitt erfolgt die Anlage des Elastomerrings an der Trennwand.
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Der Elastomerring ist vorteilhaft im Querschnitt katzenzungenförmig ausgebildet. Die katzenzungenförmige Ausgestaltung des Elastomerrings wirkt hierbei als axiale Wegbegrenzung für die Tilgermasse, indem der Elastomerring, vorzugsweise dessen Verbindungsabschnitt, an der Trennwand anstößt. Dadurch sind keine störenden Geräusche wahrnehmbar. Ferner ist der Elastomerring aufgrund der katzenzungenförmigen Ausgestaltung vergleichsweise robust ausgebildet, so dass der Elastomerring eine hohe Überlastsicherheit aufweist. Bei großen Amplituden liegt der Elastomerring an der Trennwand an, so dass die Tilgermasse nicht mehr schwingen kann. Dadurch ist der Einfluss auf die Bedämpfung der niederfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude, wie sie durch die fahrbahnerregten Schwingungen auftreten, gering.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elastomerring in sich in Umfangsrichtung torsionsweich ausgebildet, so dass bei Einleitung kleiner Amplituden die Tilgermasse gekoppelt über das Fluid eine Schwingungstilgung bewirkt. Dadurch kann die Tilgermasse gekoppelt über das Fluid gegen die Blähfeder der Tragfeder schwingen und so die leerlauftypischen Frequenzen bei kleinen Amplituden bedämpfen. Ferner ermöglicht die torsionsweiche Ausgestaltung des Elastomerrings eine axial, weiche Zentrierung und exakte Positionierung der Tilgermasse innerhalb des Kanals.
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Vorteilhaft ist die Tilgermasse in der Hydrolagersymmetrieachse angeordnet. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Öffnung mittig in der Trennwand angeordnet ist.
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Ferner kann der Außendurchmesser der Tilgermasse dem Innendurchmesser der Öffnung entsprechen, so dass eine Außenfläche der Tilgermasse an einer Innenwand der Öffnung geführt ist. Der Außendurchmesser der Tilgermasse und der hydraulische Wirkdurchmesser der Tragfeder definieren eine mechanische Übersetzung. Die Übersetzung in gekoppelten mechanischen Systemen ist mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses wirksam. Aufgrund der großflächigen Tilgermasse beträgt das vorliegende Übersetzungsverhältnis ca. zwischen 10 und 40, vorzugsweise ca. 20. Dadurch wird eine große Wirkhöhe der schwingenden Tilgermasse erzielt. Somit wird die dynamische Federrate der Tragfeder auf Werte kleiner 50% der statischen Federrate der Tragfeder abgesenkt.
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Vorteilhaft ist in die Tilgermasse eine Ringnut zum Einknüpfen eines Endabschnitts des Elastomerrings eingebracht. Hierdurch wird eine einfache formschlüssige Befestigung des Elastomerrings an der Tilgermasse zur Verfügung gestellt. Vorteilhaft ist die Ringnut in die Außenfläche der Tilgermasse eingebracht. Ferner kann der Elastomerring stoffschlüssig mit der Tilgermasse verbunden sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trennwand als Düsenkäfig ausgebildet und umfasst zwei Düsenscheiben, in die jeweils eine die Öffnung umgebende Vertiefung zur Aufnahme eines Endabschnitts des Elastomerrings eingebracht ist. Dadurch kann der Elastomerring beziehungsweise die Tilgermasse mit dem eingeknüpften Elastomerring in die umlaufende Vertiefung einer der Düsenscheiben eingelegt und mittels der zweiten Düsenscheibe dann axial gesichert werden. Somit ist der Elastomerring als einfaches Einlegeteil ausgebildet.
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In den Elastomerring kann ein umlaufender Verstärkungsring eingebracht sein, der vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet ist. Weiterhin vorteilhaft ist der Verstärkungsring aus Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff hergestellt.
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Vorteilhaft kann zwischen den Düsenscheiben eine biegeweiche elastische Membran eingebracht sein. Die Entkopplungsmembran bewirkt eine Entkopplung der Schwingungen mit hohen Frequenzen und kleinen Amplituden, wie diese beispielsweise im Fahrbetrieb auftreten. Hierbei handelt es sich um Frequenzen von ca. 50 Hz bis 100 Hz sowie um Amplituden von ca. kleiner als 0,1 mm.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Hydrolager anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Hydrolager;
- 2 eine Trennwand des erfindungsgemäßen Hydrolagers, wobei der Elastomerring an der Trennwand anliegt;
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines in die Trennwand und in die Tilgermasse eingeknüpften Elastomerrings
- 4 einen Querschnitt durch einen Elastomerring mit einem darin eingebetteten Verstärkungsring und
- 5 einen Schnitt durch den Elastomerring entlang der Linie V-V in 4.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Hydrolager 10 für ein Kraftfahrzeug zur Dämpfung der im Fahrbetrieb auftretenden Schwingungen dargestellt.
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Das Hydrolager 10 weist ein Traglager 12 und ein Auflager 14 auf, wobei sich das Traglager 12 über eine aus einem elastomeren Werkstoff gefertigte Tragfeder 16 auf dem Auflager 14 abstützt. Die Tragfeder 16 begrenzt eine Arbeitskammer 18, die durch eine Trennwand 24 von einer Ausgleichskammer 20 getrennt ist. Die Ausgleichskammer 20 wird durch eine Abschlussmembran 26 begrenzt. Die Kammern 18, 20 sind mit einem Fluid 22 gefüllt. In die Trennwand 24 ist ein Dämpfungskanal 28 eingebracht, der die beiden Kammern 18, 20 flüssigkeitsleitend miteinander verbindet.
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Die Trennwand 24 ist als Düsenkäfig 30 ausgebildet und weist eine obere Düsenscheibe 32 und eine untere Düsenscheibe 34 auf. Zwischen den beiden Düsenscheiben 32, 34 ist eine Entkopplungsmembran 36 aus einem elastischen Werkstoff angeordnet. Zudem ist in der Trennwand 24 in Richtung der Hydrolagersymmetrieachse S eine Öffnung 38, die auch als Leerlaufkanal oder Tilgerkanal bezeichnet werden kann, mittig eingebracht.
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Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, ist innerhalb der Öffnung 38 eine axial schwingfähig aufgehängte Tilgermasse 40 angeordnet. Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist die Tilgermasse 40 über einen im Querschnitt katzenzungenförmigen Elastomerring 42 schwingfähig an der Trennwand 24 beziehungsweise dem Düsenkäfig 30 aufgehängt.
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Wie in den 4 und 5 ersichtlich ist, weist der Elastomerring 42 einen eingebetteten, umlaufenden Verstärkungsring 56 auf, wobei der Verstärkungsring 56 mäanderförmig ausgebildet ist. Vorliegend ist der Verstärkungsring 56 aus einem Kunststoff hergestellt. Neben der mäanderförmigen Ausgestaltung kann der Verstärkungsring 56 beispielsweise auch ringförmig ausgebildet sein. Des Weiteren kann der Verstärkungsring 56 auch aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Zur Einbettung des Verstärkungsrings 56 in den Elastomerring 42 wird dieser in eine Vulkanisationsform eingelegt und mittels bekannter Haltemittel fixiert. Anschließend wird der Verstärkungsring 56 umspritzt.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist die Tilgermasse 40 derart dimensioniert, dass deren Außendurchmesser dA dem Innendurchmesser dI der Öffnung 38 entspricht, so dass eine Außenfläche 44 der Tilgermasse 40 an einer Innenwand 46 der Öffnung 38 großflächig geführt ist. Der Außendurchmesser dA der Tilgermasse 40 und der hydraulische Wirkdurchmesser der Tragfeder 16 definieren eine mechanische Übersetzung. Da Übersetzungen in gekoppelten mechanischen Systemen mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses wirksam sind, beträgt aufgrund des vergleichsweise großen Außendurchmessers dA der Tilgermasse 40 das Übersetzungsverhältnis ca. zwischen 10 und 40, vorzugsweise ca. 20. Dadurch wird eine hohe Wirkhöhe der schwingenden Tilgermasse 40 erzielt.
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Wie in 3 dargestellt ist, umfasst der Elastomerring 42 zwei abgerundete Endabschnitte 48, die über einen Verbindungsabschnitt 50 miteinander verbunden sind. Der Elastomerring 42 ist bei kleinen Amplituden in sich torsionsweich ausgebildet, so dass die Tilgermasse 40 gekoppelt über das Fluid 22 gegen die Blähfeder der Tragfeder 16 schwingen kann. Bei großen axialen Amplituden liegt der Elastomerring 42 beziehungsweise der Verbindungsabschnitt 50 an der Trennwand 24 an, wobei der Elastomerring 42 mit starker Progression reagiert. Hierdurch wird eine steife Verbindung zwischen der Tilgermasse 40 und dem Auflager 14 erzielt, so dass die Tilgermasse 40 innerhalb der Öffnung 38 nicht mehr schwingen kann und eine Dämpfung erfolgt nunmehr über den Dämpfungskanal 28.
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Zur Verbindung des Elastomerrings 42 mit der Tilgermasse 40 ist in die Tilgermasse 40 eine Ringnut 52 eingebracht, wobei einer der Endabschnitte 48 in die Ringnut 52 eingeknüpft wird. Dadurch liegt der Elastomerring 42 form- und kraftschlüssig in der Ringnut 52 ein. Zur Verbindung des Elastomerrings 42 mit der Trennwand 24 ist in jede der Düsenscheiben 32, 34 eine die Öffnung 38 umgebende Vertiefung 54 eingebracht, in die der Elastomerring 42 beziehungsweise dessen freier Endabschnitt 48 einlegbar ist. Durch den Zusammenbau der beiden Düsenscheiben 32, 34 wird der Elastomerring 42 beziehungsweise der eingelegte Endabschnitt 48 form- und/oder kraftschlüssig fixiert.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Hydrolagers 10 kann wie folgt beschrieben werden. Die während des Fahrbetriebs auftretenden hochfrequenten Schwingungen mit kleinen Amplituden werden durch die Entkopplungsmembran 36 isoliert. Hierbei schwingt die zwischen den Düsenscheiben 32, 34 eingebrachte Entkopplungsmembran 36 in Richtung der eingeleiteten Schwingungen und entkoppelt so die Dämpfung über den Dämpfungskanal 28. Derartige von der Verbrennungskraftmaschine eingeprägten Schwingungen werden von der Betriebsdrehzahl und der Zylinderanzahl, d.h. der anregenden Ordnung, bestimmt. Beispielsweise beträgt die Frequenz eines Motors mit Sechszylindern und Viertaktakt bei 6000 U/min 300 Hz.
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Die im Fahrbetrieb auftretenden niederfrequenten Schwingungen von ca. 10 Hz mit großer Amplitude werden durch den Dämpfungskanal 28 gedämpft. Bei derartigen Schwingungen strömt das Fluid 22 von der Arbeitskammer 18 in die Ausgleichskammer 20 über den Dämpfungskanal 28 hin und her. Aufgrund des geringen Durchmessers des Dämpfungskanals 28 und der damit verbundenen hohen mechanischen Übersetzung werden hohe Fluidmassen wirksam und damit kräftige Tilgereffekte des Fluids 22 im Dämpfungskanal 28 erschlossen. Damit werden die eingeleiteten Schwingungen gedämpft. Daneben ist der Fluidtilger auch durch Wandreibung und die viskosen Eigenschaften des Fluids 22 wirksam.
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Die motorerregten Schwingungen, wie beispielsweise die im Leerlauf eingeprägten Schwingungen, werden in der Weiterleitung zum Auflager 14 durch die in der Öffnung 38 schwingfähig aufgehängte Tilgermasse 40, die die dynamische Steifigkeit des Hydrolagers 10 absenkt, deutlich reduziert. Hierbei handelt es sich um hochfrequente Schwingungen von ca. 20 Hz bis 40 Hz mit kleinen Amplituden. Da der Elastomerring 42 in sich in Umfangsrichtung torsionsweich ist, schwingt die Tilgermasse 40 bei kleinen Amplituden gekoppelt über das Fluid 22 gegen die Blähfeder der Tragfeder 16 und dämpft so die motorerregten Schwingungen.
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Bei großen axialen Amplituden reagiert der Elastomerring 42 mit starker Progression, wobei sich der Verbindungsabschnitt 40 an der Trennwand 24 anlegt, wie dies in 2 dargestellt ist. Hierdurch wird eine steife Verbindung zwischen der Tilgermasse 40 und der Trennwand 24 geschaffen. Folglich schwingt die Tilgermasse 40 nicht mehr. Dadurch wird das Lagerverhalten eines konventionellen Hydrolagers erreicht, in dem eine Dämpfung nunmehr über den Dämpfungskanal 28 erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Hydrolager 10 zeichnet sich durch die katzenzungenförmige Ausgestaltung des Elastomerrings 42 zur schwingfähigen Aufhängung der Tilgermasse 40 innerhalb der Öffnung 38 aus. Dadurch wird eine Wirkungsweise erzielt, die vergleichbar mit derjenigen eines schaltbaren Hydrolagers ist. Da der Elastomerring 42 in sich torsionsweich ausgebildet ist, kann die Tilgermasse 40 bei kleinen Amplituden gekoppelt über das Fluid 22 gegen die Blähfeder der Tragfeder 16 schwingen. Hierdurch lassen sich die im Motorleerlauf auftretenden Schwingungen dämpfen. Aufgrund der katzenzungeförmigen Ausgestaltung des Elastomerrings 42 reagiert dieser mit einer starken Progression bei großen Amplituden, so dass das Lagerverhalten eines konventionellen Hydrolagers erzielt wird. Somit hat die schwingfähig aufgehängte Tilgermasse 40 nahezu keinen Einfluss auf die Dämpfung der fahrbahnerregten Schwingungen sowie auf die Gesamtblähfederrate der Tragfeder 16. Ferner gewährleistet der Elastomerring 42 eine hohe Überlastsicherheit.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hydrolager
- 12
- Traglager
- 14
- Auflager
- 16
- Tragfeder
- 18
- Arbeitskammer
- 20
- Ausgleichskammer
- 22
- Fluid
- 24
- Trennwand
- 26
- Abschlussmembran
- 28
- Dämpfungskanal
- 30
- Düsenkäfig
- 32
- obere Düsenscheibe
- 34
- untere Düsenscheibe
- 36
- Entkopplungsmembran
- 38
- Öffnung
- 40
- Tilgermasse
- 42
- Elastomerring
- 44
- Außenfläche
- 46
- Innenwand
- 48
- Endabschnitt
- 50
- Verbindungsabschnitt
- 52
- Ringnut
- 54
- Vertiefung
- 56
- Verstärkungsring
- S
- Hydrolagersymmetrieachse
- dA
- Außendurchmesser der Öffnung
- dI
- Innendurchmesser des Kanals