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Die Erfindung betrifft ein Elastomerlager zur Isolation von Schwingungen mit einem ersten Kopplungselement, beispielsweise einer Innenhülse oder einem Kern, einem zweiten Kopplungselement, beispielsweise einer Außenhülse oder ähnlicher Anbindung an Fahrwerkskomponenten, einem zwischen dem ersten Kopplungselement und dem zweiten Kopplungselement angeordneten Elastomer und mindestens einem Aktuator, mit welchem sich mindestens ein Kraftübertragungspfad zwischen dem ersten Kopplungselement und dem zweiten Kopplungselement beeinflussen lässt, um die Steifigkeit des Elastomerlagers einzustellen.
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Solche Elastomerlager werden beispielsweise im Automobilbau eingesetzt, insbesondere zur Lagerung von Fahrwerkskomponenten. Dabei soll das Elastomerlager im Wesentlichen Schwingungen dämpfen und dadurch den Fahrkomfort verbessern. Die Schwingungsdämpfung ist häufig besser je weicher das Elastomerlager ausgebildet ist. Allerdings führt ein weiches Elastomerlager zu Nachteilen bei der Fahrdynamik und/oder Fahrstabilität. Aus diesem Grund ist ein Elastomerlager mit einer variablen Steifigkeit wünschenswert.
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Aus der
DE 10 2007 048 183 A1 ist ein Verfahren zur Beeinflussung der Steifigkeit eines Federelements aus Elastomer- oder Gummimaterial, das zur Aufnahme von Schwingungslasten dient, wobei eine veränderbare mechanische Vorspannung in das Federelement eingebracht wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde weitere Elastomerlager mit variabler Steifigkeit bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe von Aktuatoren, welche ein aktives Material aufweisen, die Steifigkeit des Elastomerlagers zu beeinflussen. Zweckmäßig ist es, dass, in dem Elastomer ein Spalt angeordnet ist und dass durch den mindestens einen Aktuator das Elastomer verformbar ist, so dass sich der Spalt zumindest teilweise schließt. Auf diese Weise wird durch formschlüssige oder reibschlüssige Verbindung der Spalt in dem Elastomer verkleinert, wodurch sich die zwischen der Innenhülse und Außenhülse kraftübertragende Fläche innerhalb des Elastomers vergrößert und die Kopplungskonstante zwischen Innenhülse und Außenhülse vergrößert wird. Folglich kann durch den Aktuator die Steifigkeit des Elastomerlagers eingestellt werden.
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Besonders zweckmäßig ist es, dass in dem Elastomer mindestens eine Flüssigkeitskammer angeordnet ist, in der eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit angeordnet ist und die elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit den mindestens einen Aktuator bildet. Auf diese Weise kann ein Bereich innerhalb des Elastomers durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes gezielt versteift werden, indem die Viskosität der Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer beeinflusst wird. Folglich kann somit die Steifigkeit des Elastomerlagers beeinflusst werden.
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Ferner ist es besonders zweckmäßig, dass das Elastomerlager mindestens eine Flüssigkeitskammer und mindestens einen Flüssigkeitskanal aufweist, und dass der Flüssigkeitskanal durch den mindestens einen Aktuator erweiterbar und/oder verengbar ist. Bei einer Verformung des Elastomers in dem Elastomerlager wird Flüssigkeit aus der mindestens einen Flüssigkeitskammer durch den mindestens einen Flüssigkeitskanal geleitet. Dadurch, dass dieser Flüssigkeitskanal durch den Aktuator erweiterbar und/oder verengbar ist, kann die Kraft, die benötigt wird, um die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal zu drücken, eingestellt werden, wodurch sich auch die Steifigkeit des Elastomerlagers einstellen lässt.
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Darüber hinaus ist es besonders zweckmäßig, dass durch den mindestens einen Aktuator Spannungen in das Elastomer eingebracht werden können. Durch die eingebrachten Spannungen ändert sich die Steifigkeit des Elastomers und damit auch die Steifigkeit des Elastomerlagers. Bei einer richtungs- und/oder ortsabhängigen Einbringung der Spannungen in das Elastomer kann eine richtungs- und/oder ortsabhängige Steifigkeit des Elastomerlagers erzielt werden.
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Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass der mindestens eine Aktuator mindestens ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Liste: ferroelektrische Polymere oder Keramiken, beispielsweise Polyvenylidenfluorid, dielektrische Elastomere, ionische Polymere, Karbon-Nano-Röhrchen, magnetorheologische Flüssigkeiten, elektrorheologische Flüssigkeiten, chemisch reaktive Polymere und thermisch aktivierbare Legierungen, beispielsweise Formgedächtnislegierungen.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass der mindestens eine Aktuator vollständig oder teilweise in dem Elastomer eingebettet ist, wodurch der Aktuator direkt Einfluss auf das Verhalten des Elastomers nehmen kann und die Beeinflussung der Steifigkeit des Elastomerlagers effektiver und schneller möglich ist.
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Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Spalt in dem Elastomer schräg zu dem ersten Kopplungselement, beispielsweise der Innenhülse, und dem zweiten Kopplungselement, beispielsweise der Außenhülse, verläuft. Dadurch wird auch bei sehr hohen Belastungen sichergestellt, dass das erste Kopplungselement nicht aus dem Elastomerlager gezogen werden kann.
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Ferner sieht eine besonders günstige Möglichkeit vor, dass der Aktuator ringförmig ausgebildet ist und mehrlagiges, mit Elektroden versehendes aktives Material, insbesondere Polyvenylidenfluorid, aufweist, und zwischen dem ersten Kopplungselement, beispielsweise der Innenhülse, und dem zweiten Kopplungselement, beispielsweise der Außenhülse, angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Spalt in dem Elastomer günstig durch den Aktuator verschlossen werden.
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Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass das Elastomerlager mindestens ein Versteifungselement aufweist, welches den Spalt in dem Elastomer überbrückt. Dadurch weist das Elastomerlager eine Grundsteifigkeit auf, auch ohne dass die Aktuatoren aktiv sind.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass in dem Elastomer mindestens eine Flüssigkeitskammer angeordnet ist, in der eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit angeordnet ist und dass in dem Elastomer mindestens eine weitere Flüssigkeitskammer angeordnet ist, welche ringförmig um das erste Kopplungselement, beispielsweise um die Innenhülse, umlaufend ausgebildet und angeordnet ist und in welcher eine weitere, von der elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit angeordnet ist. Dadurch kann durch Variation der Viskosität der elektrorheologischen und/oder magnetorheologischen Flüssigkeit die Kraftübertragung auf die weitere Flüssigkeitskammer eingestellt werden, so dass auf diese Weise eine Steifigkeitsänderung des Elastomerlagers erzielt werden kann.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Aktuator ein chemisch reaktives Polymer aufweist, welches abhängig von einem pH-Wert eines das Polymer umgebenden Fluids quillt. Dadurch kann mit Hilfe des pH-Werts des das Polymer umgebenden Fluids der Flüssigkeitskanal verengt und/oder erweitert werden, so dass die Steifigkeit des Elastomerlagers eingestellt werden kann.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht ein nicht radial symmetrisches Lager vor, wobei ein Aktuator mehrschichtiges Polyvenylidenfluorid aufweist, und wobei das Elastomerlager mehrere getrennt ansteuerbare Aktuatoren und/oder mehrere getrennte Elektroden zur Ansteuerung des Aktuators aufweist. Dadurch können Formänderungen bestimmter Teilbereiche des Elastomers unterschiedlich eingestellt werden und somit die Steifigkeit des Lagers in verschiedenen Freiheitsgraden beeinflusst werden.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der mindestens eine Aktuator ein elektroaktives Polymer aufweist. Elektroaktive Polymere weisen eine günstige Dehnung und verhältnismäßig hohe Kraft auf. Darüber hinaus sind die elektroaktive Polymere kostengünstig zu beschaffen.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der mindestens eine Aktuator eine mehrlagige Rolle und/oder einen mehrlagigen Stapel aus Schichten des aktiven Materials aufweist.
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Eine günstige Lösung sieht mehrere Aktuatoren vor, welche seriell und/oder parallel geschaltet sind. Auf diese Weise können die erzielbaren Formänderungen, insbesondere Hub und Kraft der Formänderung angepasst werden.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, mindestens zwei der mehreren Aktuatoren unterschiedliche aktive Materialien aufweisen. Dadurch können die Vorteile der unterschiedlichen aktiven Materialien günstig kombiniert werden.
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Eine besonders günstige Möglichkeit sieht eine Steuereinrichtung vor, welche die Aktuator statisch und/oder dynamisch ansteuern. Dadurch kann eine statische Steifigkeit und Dämpfungsänderung und eine dynamische Steuerung und/oder Regelung des Elastomerlagers erzielt werden. Dadurch kann eine dynamische Parameteränderung des Elastomerlagers und dessen Übertragungsverhaltens erzielt werden, mit welcher eine eingeleitete Schwingung beruhigt oder getilgt werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Elastomerlager im Grundzustand,
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2 eine Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Elastomerlager in einem Versteifungszustand,
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3 eine Schnittdarstellung eines Elastomerlagers gemäß einer zweiten Ausführungsform im Grundzustand,
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4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus 3,
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5 eine Schnittdarstellung eines Elastomerlagers gemäß einer dritten Ausführungsform im Grundzustand, und
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6 eine Schnittdarstellung des Elastomerlagers aus 5 im Versteifungszustand.
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Ein in 1 dargestelltes Elastomerlager 10 wird beispielsweise zur Lagerung von Fahrwerkskomponenten von Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Lagerung von Hinterachsgetrieben verwendet. Das Elastomerlager 10 weist eine erstes Kopplungselement 11, beispielsweise eine Innenhülse 12, ein zweites Kopplungselement 13, beispielsweise eine Außenhülse 14, und einen Elastomer 16 auf, welches sich im Wesentlichen zwischen der Innenhülse 12 und der Außenhülse 14 erstreckt und somit die Innenhülse 12 mit der Außenhülse 14 koppelt.
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Das Elastomer 16 bietet eine elastische Kopplung zwischen der Innenhülse 12 und der Außenhülse 14, so dass eine schwingungsgedämpfte Lagerung zwischen einem an der Innenhülse 12 gehaltenen und einem an der Außenhülse 14 gehaltenen Gegenstand möglich ist.
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Um eine variable Steifigkeit des Elastomerlagers 12 zu erzielen, weist das Elastomer 16 einen Spalt 18 auf, welcher das Elastomer 16 im Wesentlichen in einen Innenteil 20 und einen Außenteil 22 unterteilt. Der Spalt 18 verläuft im Wesentlichen ringförmig und schräg zu der Innenhülse 12 und der Außenhülse 14. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Spalt 18 den Innenteil 20 des Elastomers nicht vollständig von dem Außenteil 22 des Elastomers trennt, so dass weiterhin Verbindungsbereiche, zwischen dem Innenteil 20 und dem Außenteil 22 bestehen, welche Versteifungselemente 24 bilden. Durch die Versteifungselemente 24 weist das Elastomerlager 10 eine in Grundsteifigkeit auf, welche im Wesentlichen durch den Querschnitt oder die Fläche der Versteifungselemente 24, über die die Kräfte zwischen dem Innenteil 20 des Elastomers 16 und dem Außenteil 22 des Elastomers 16 übertragen werden, bestimmt ist.
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Der Spalt 18 verjüngt sich zur Innenhülse 12 hin in Richtung einer Belastungsrichtung der Innenhülse 12 gesehen. Dadurch kann bei einem Versagen der Verbindungselemente 24 gewährleistet sein, dass das Elastomerlager 10 nicht auseinander fällt, da durch die axiale Relativbewegung der Innenhülse 12 zu der Außenhülse 14 sich der Spalt 18 schließt und dadurch die Innenhülse 12 mit dem Innenteil 20 des Elastomers 16 an dem Außenteil 22 des Elastomers 16 gehalten und somit innerhalb der Außenhülse 14 gehalten ist.
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Ferner weist das Elastomerlager 10 mehrere, insbesondere ringförmige Aktuatoren 26 auf, die beispielsweise in dem Innenteil 20 des Elastomers 16 angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend hierzu können die Aktuatoren 16 auch in dem Außenteil 22 des Elastomers 16 angeordnet sein.
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Die Aktuatoren 26 sind aus mehreren Lagen eines elektroaktiven Materials, beispielsweise Polyvenylidenfluorid oder Acryl und mehreren flachen Elektroden gebildet.
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Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden verformen sich die Aktuatoren 26, so dass das Elastomer 16, in welchem die Aktuatoren 26 eingebettet sind, ebenfalls verformt wird.
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Dabei verkürzen sich die Aktuatoren 26 in axialer Richtung. Entsprechend wird das Elastomer 16, in welchem die Aktuatoren 26 eingebettet werden, ebenfalls in axialer Richtung verkürzt. Aufgrund der Volumenkonstanz dehnen sich die Aktuatoren 26 und das Elastomer 16 als Ausgleich in radialer Richtung.
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Wenn also durch das Anlegen der Spannung die Aktuatoren 26 und damit das Elastomer 16 in axialer Richtung verkürzt wird, muss es sich das Elastomer 16 in radialer Richtung ausdehnen. Dadurch verschließt sich der Spalt 18 zumindest teilweise. Je nach Auslenkung der Aktuatoren 26 bilden sich Berührungsstellen zwischen dem Innenteil 20 des Elastomers 16 und dem Außenteil 22 des Elastomers 16, über welche Kräfte zwischen der Innenhülse 12 und der Außenhülse 14 übertragen werden können.
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Somit vergrößert sich die kraftübertragende Fläche in dem Elastomer 16, wodurch die Federkonstante zwischen der Innenhülse 12 und der Außenhülse 14 erhöht wird, was wiederum zu einem steiferen Elastomerlager 10 führt. Somit kann durch das Ansteuern der Aktuatoren 26 die Steifigkeit des Elastomerlagers 10 variiert werden.
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Zur Steuerung der Steifigkeit des Elastomerlagers 10 ist eine Steuereinrichtung 28 vorgesehen, welche die Aktuatoren 26 ansteuern kann. Die Steuereinrichtung kann die Aktuatoren je nach Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs anpassen um einen jeweils optimalen Kompromiss zwischen Fahrdynamik und Komfort zu erzielen.
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Darüber hinaus kann durch die Steuereinrichtung 28 eine periodisch variierende Steifigkeit des Elastomerlagers 10 eingestellt werden, um auf diese Weise gezielt Schwingungen zu dämpfen.
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Eine in den 3 und 4 dargestellte zweite Ausführungsform des Elastomerlagers 10 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 dadurch, dass das Elastomer 16 keinen Spalt 18 aufweist, sondern mehrere, beispielsweise zwei, Flüssigkeitskammern 30 aufweist, und dadurch dass in einer der Flüssigkeitskammern 30 eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit angeordnet ist, welche den Aktuator 26 bildet.
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Die Flüssigkeitskammern 30 sind im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und umschließen die Innenhülse 12. Dabei sind die Flüssigkeitskammern 30 vollständig in dem Elastomer 16 eingebettet. Durch eine Füllung mit einer viskosen Flüssigkeit kann eine Dämpfung des Elastomerlagers 10 erzielt werden. Wenn das Elastomer 16 verformt wird, insbesondere elastisch verformt wird, wird die Flüssigkeit in den Flüssigkeitskammern 30 ebenfalls verformt. Durch die Viskosität der Flüssigkeit in den Flüssigkeitskammern 30 entsteht Reibung, welche die Bewegung der Innenhülse 12 zu der Außenhülse 14 dämpft.
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Die in einer der Flüssigkeitskammern 30 angeordnete elektrorheologische und/oder magnetorheologische Flüssigkeit weist die Eigenschaft auf, dass deren Viskosität durch elektrische und/oder magnetische Felder beeinflusst werden kann. Dadurch kann die Viskosität der Flüssigkeit in einer der Flüssigkeitskammern 30 beeinflusst werden und dadurch die Dämpfung des Elastomerlagers 10. Beispielsweise führt eine hohe Dämpfung des Elastomerlagers 10 zu einer hohen Steifigkeit des Elastomerlagers 10. Somit kann durch die einstellbare Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit und/oder der magnetorheologischen Flüssigkeit die Steifigkeit des Elastomerlagers 10 eingestellt werden.
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Um die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit zu beeinflussen, weist das Elastomerlager 10 mindestens zwei Elektroden 32 auf, welche in der Flüssigkeitskammer 30 angeordnet sind, um die elektrorheologische Flüssigkeit mit einem elektrischen Feld zu beaufschlagen.
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Im Übrigen stimmt die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform des Elastomerlagers 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in den 5 und 6 dargestellte dritte Ausführungsform des Elastomerlagers 10 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 dadurch, dass die Aktuatoren 26 in dem Außenteil 22 des Elastomers 16 angeordnet sind. Die Versteifungselemente 24 sind nicht radial umlaufend ausgebildet, so dass sie in den 5 und 6 nicht sichtbar sind. Darüber hinaus weisen die Aktuatoren 26 ionische Polymer-Metall-Komposite oder ferroelektrische Polymere und Elektroden zum anlegen eines elektrischen Feldes an die ionische Polymer-Metall-Komposite oder ferroelektrische Polymere auf.
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Die ionischen Polymer-Metall-Komposite oder ferroelektrischen Polymere biegen sich, wenn ein Elektrisches Feld angelegt wird. Durch die Biegung der ionischen Polymer-Metall-Komposite oder ferroelektrischen Polymere biegen sich die Aktuatoren 26. Da die Aktuatoren in dem Elastomer 16 eingebettet sind, muss sich das Elastomer 16 ebenfalls verformen. Dadurch kann der Spalt 18 zwischen Innenteil 20 des Elastomers 16 und dem Außenteil 22 des Elastomers 16 zumindest teilweise geschlossen werden, wodurch sich die Steifigkeit des Elastomerlagers 10 erhöhen lässt.
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Ferner ist das erste Kopplungselement 11 ist nicht durch eine Innenhülse 12 gebildet, sondern durch die Formgebung des Elastomers 16, welche an eine Form der zu Lagernden Fahrwerkskomponente angepasst ist. Entsprechend ist das zweite Kopplungselement 13 nicht durch eine Außenhülse 13 gebildet, sondern durch die Formgebund des Elastomers 16.
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Im Übrigen stimmt die in den 5 und 6 dargestellte zweite Ausführungsform des Elastomerlagers 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine nicht dargestellte vierte Ausführungsform des Elastomerlagers 10 unterscheidet sich von der in den 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 dadurch, dass das Elastomerlager 10 mindestens eine Flüssigkeitskammer 30 und mindestens einen Flüssigkeitskanal aufweist, durch welchen beim Verformen des Elastomers 16 Flüssigkeit strömt. Die Aktuatoren 26 sind derart angeordnet, dass ein Querschnitt des mindestens einen Flüssigkeitskanals erweitert und/oder verengt wird, so dass dadurch die Dämpfung des Elastomerlagers 10 beeinflusst wird.
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Beispielsweise weisen die Aktuatoren 26 ein elektroaktives Material auf. Alternativ oder ergänzend hierzu könnend die Aktuatoren 26 ein chemisch reaktives Polymer aufweisen, welches durch eine Änderung des pH-Werts eines den Aktuator 26 umgebenden Fluids aufquellen. Durch dieses Aufquellen kann der Flüssigkeitskanal verengt werden und dadurch die Dämpfung des Elastomerlagers 10 erhöht werden.
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Im Übrigen stimmt die vierte Ausführungsform des Elastomerlagers 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 3 und 4 dargestellten zweiten Ausführungsform des Elastomerlagers 10 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007048183 A1 [0003]
