DE10201925C2 - Schwingungstilger in Kraftfahrzeugen, insbesondere mit einer Elektrobatterie als Tilgermasse - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Schwingungstilger, insbesondere mit einer Elektrobatterie als Tilgermasse in Kraftfahrzeugen, wobei die Elektrobatterie über Federelemente an der Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt ist.

Es ist bekannt, dass Fahrzeugkarosserien zu Schwingungen neigen, zu denen diese sowohl vom Fahrwerk als auch von der antreibenden Brennkraftmaschine angeregt werden und die von einem Fahrzeuginsassen als unangenehm und damit komfortmindernd empfunden werden. Diesen Schwingungen wird durch eine entsprechende Auslegung von Aggregatlagern begegnet, aber auch durch Schwingungsenergie-aufnehmende Zusatzmassen, die entweder im Vorder- oder im Hinterwagen elastisch befestigt werden. Diese Maßnahmen sind jedoch in ihrer Wirkung begrenzt, wegen des zusätzlichen Raumbedarfs nachteilig und wegen der Erhöhung des Fahrzeuggewichts unerwünscht. Deshalb ist schon vorgeschlagen worden, im Fahrzeug vorhandene Massen als Schwingungstilger zu verwenden, insbesondere von Massen mit hohem Raumgewicht, wie zum Beispiel die Elektrobatterie des Fahrzeugs.

Stand der Technik

In der DE 43 40 007 A1 ist eine solche Lösung vorgesehen, bei der die Batterie auf einer fahrzeugseitig-elastisch abgestützten und entsprechend ausgelegten Aufnahme angeordnet ist, die ein entsprechend ausgelegtes elastisches Verbindungsglied zwischen der Batterie und der unerwünschte Schwingungen ausführenden Fahrzeugkarosserie oder Teilen von dieser bildet, wobei die Aufnahme zusammen mit der Batterie eine störenden Schwingungen entgegenwirkende Tilgeranordnung bildet. Dabei kann das elastische Verbindungsglied Schraubenfedern aufweisen, die zusammen mit der Batterie ein auf die störenden Schwingungen frequenzseitig abgestimmtes Tilgersystem bilden. Anstelle der Schraubenfedern können auch Formkörper aus einem geeigneten elastischen Material verwendet werden. Auch kann die Batterie in einer gehäuseartigen Aufnahme allseitig in elastischem Material gelagert sein.

In der JP 2197446 ist ein Batterie-Schwingungstilger beschrieben, bei dem die Batterie lösbar in einer U-förmigen Aufnahme befestigt ist, die an einen elastischen Körper in einer fahrzeugfesten U-förmigen Wanne am Front-Ende aufgehängt ist, wobei die Körper in horizontaler Ebene zwischen den Schenkeln der beiden U-Profile angeordnet und allseitig elastisch sind, so dass sich der Fahrzeugaufbau relativ zur Batterie in jeder Fahrzeugachse bewegen kann.

Damit die Schwingwege der Elektrobatterie nicht zu groß werden, sind bei allen Ausführungen Anschläge vorgesehen, die die Schwingwege der Batterie begrenzen. Hierdurch entsteht der Nachteil, dass die Batterie sehr stark gebremst wird und die Möglichkeit besteht, dass die mechanischen Belastungsgrenzen der Batterie überschritten werden. Es können deshalb keine Standardbatterien eingesetzt werden. Notwendig sind vielmehr rüttelfeste Batterien, die wesentlich teurer als Standardbatterien sind und außerdem ist der für rüttelfeste Batterien vorhandene Ersatzteilmarkt nicht befriedigend.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kraftfahrzeug- Schwingungstilger, insbesondere mit einer Elektrobatterie als Tilgermasse so auszubilden, dass bei vorgegebenen Schwingungswegen während des Schwingungstilgungsvorgangs eine Zerstörung der Elektrobatterie nicht eintritt und folglich die Verwendung von Standardbatterien als Tilgermasse möglich ist. Der Schwingungstilger soll einfach in seinem Aufbau sein und sich für die Herstellung von Serienprodukten eignen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei einem Schwingungstilger der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass die Federelemente in Arbeitsbereich der Tilgermasse eine Federkennlinie mit wenigstens zwei, im Wesentlichen linearen Kennlinienabschnitten aufweisen, von denen der zweite Kennlinienabschnitt eine höhere Steifigkeit als der erste Kennlinienabschnitt hat. Auf diese Weise wird der Arbeitsbereich der Tilgermasse in zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Steifigkeit aufgeteilt, wovon der Abschnitt mit der weicheren Steifigkeit zunächst für die Schwingungstilgung herangezogen wird und erst nach Überschreiten dieses Abschnitts durch einen größeren Ausschlag der Tilgermasse kommt der zweite Kennlinienabschnitt mit der höheren Steifigkeit zur Wirkung.

Die Kennlinienabschnitte können unmittelbar aneinander anschließen. Eine besonders gute Wirkung wird jedoch erreicht, wenn zwischen den beiden Kennlinienabschnitten ein Kraftsprung vorliegt.

Die beiden Kennlinienabschnitte können etwa gleich groß ausgebildet sein. Je nach den vorliegenden Gegebenheiten können hier auch andere Abmessungen gewählt werden, beispielsweise, dass der zweite Kennlinienabschnitt eine geringere Länge, als der erste Kennlinienabschnitt hat.

Die Kennlinienabschnitte können in parallel zueinander ausgerichteten Ebenen verlaufen, das heißt, dass bei beiden Abschnitten die Steifigkeit sich in gleichem Maße verändert. Möglich ist aber auch die Kennlinienabschnitte in im Winkel zueinander ausgerichteten Eben vorzusehen, so dass der zweite Kennlinienabschnitt einen steileren Verlauf als der erste Kennlinienabschnitt hat.

Der Kraftsprung zwischen den Kennlinienabschnitten kann so gewählt werden, dass der zweite Kennlinienabschnitt die doppelte Steifigkeit wie die des ersten Kennlinienabschnitts hat. Hierdurch wird eine besonders günstige Schwingungsdämpfung erreicht.

In die Federkennlinie ist ein weich ausgestalteter Endanschlag einbezogen. Es zeigt sich, dass ein weich ausgestalteter Endanschlag im Vergleich zu einem hart ausgestalteten Endanschlag ein günstigeres Ergebnis liefert.

In der praktischen Ausführungsform wird in jeder Bewegungsrichtung der Tilgermasse mindestens ein Federelement vorgesehen, welches die Elektrobatterie abfedert.

Bevorzugt sind die Federelemente baugleich mit gleichen Federkennlinien ausgebildet, so dass in beiden Schwingungsrichtungen der Tilgermasse die gleiche Wirkung beim Tilgungsvorgang erreicht wird.

Verschiedene Ausführungsformen der Federelemente sind möglich. Günstig ist eine Ausführungsform, bei der die Feder des Federelements aus einer Gummimembran mit Randwülsten besteht. Die Randwülste werden im eingebauten Zustand vorgespannt, um den gewollten Kraftsprung zu erreichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der beiliegenden Zeichnung wird die Wirkungsweise der Federelemente und eine praktische Ausführungsform derselben wiedergegeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Kraft-Weg-Diagramm der Federkennlinie mit Federn unterschiedlicher Steifigkeit mit den zugehörigen Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungskurven über der Zeit,

Fig. 2 eine Kraft-Weg-Diagramm für ein Federelement mit einem Kraftsprung zwischen den Federn mit den zugehörigen Weg-Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufen über der Zeit und

Fig. 3 schematisch ein praktisches Ausführungsbeispiel für die Ausbildung und Anordnung des Federelements in einer Halterung.

Ausführung der Erfindung

Im oberen Teil der Fig. 1 ist im Diagramm die Kraft-Weg-Federkennlinie 1, 2, 3 beziehungsweise -1, -2, -3 von zwei gleichen Federelementen dargestellt, die gegenläufig wirksam sind. In der Ruhelage befindet sich die Batterie in der Mitte des Diagramms an der Stelle der sich kreuzenden Null-Linien von Kraft und Weg. Ein Ausschlag der Tilgermasse nach rechts oder links hat zur Folge, dass die Tilgermasse in den jeweils ersten Arbeitsbereich A beziehungsweise B eines der Federelemente gelangt. Dieser Arbeitsbereich A, B erstreckt sich von 0 bis 2 mm beziehungsweise von 0 bis -2 mm. Je größer der Ausschlag der Batterie, umso höher ist die entgegenwirkende Kraft. Sobald der Ausschlag die Weglänge von 2 mm übersteigt, wird ein zweiter Arbeitsbereich AA beziehungsweise BB der Federelemente erreicht, in dem die Federkennlinie eine höhere Kraft hat, das heißt, ihr Anstieg beziehungsweise Abfall ist steiler als der Anstieg beziehungsweise der Abfall der Federkennlinie im ersten Arbeitsbereich A beziehungsweise B. Untersuchungen zeigten, dass durch diesen Wechsel in der Steifigkeit der Federkennlinie 1, 2, 3 eine außergewöhnlich gute Schwingungsdämpfung erreicht wird. Die beiden Arbeitsbereiche A und AA werden jeweils von einem im Wesentlichen linearen Kennlinienabschnitt 1 und 2 überdeckt. Der zweite Kennlinienabschnitt 2 hat eine höhere Steifigkeit als der erste Kennlinienabschnitt 1. Die Arbeitsbereiche A und AA der Kennlinienabschnitte 1 und 2 sind etwa gleich groß. Der zweite Arbeitsbereich AA beziehungsweise BB umfasst den Weg von 2 mm bis 4 mm. An den zweiten Arbeitsbereich AA schließt jeweils ein weich ausgestalteter Endanschlag mit den Bereichen E beziehungsweise F an. Die weiche Ausgestaltung der Endanschläge ist an der leicht gekrümmten Form der Federkennlinie 3 in diesem Bereich zu erkennen, aus der zu ersehen ist, dass der Endanschlag E beziehungsweise F mit zunehmendem Ausschlag der Tilgermasse eine stark ansteigende zunehmende Steifigkeit hat.

In den unterhalb des Diagramms für die Kraft-Weg-Federkennlinie wiedergegebenen Tilgerkurven ist erkennbar, dass mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Federkennlinie 1, 2, 3 eine Verbesserung erreicht wird. Bei einer Anregung, die einen Ausschlag der Tilgermasse von nahezu 5 mm hat, wird in kürzester Zeit eine gute Dämpfung erreicht.

Auch das darunter liegende Geschwindigkeitsdiagramm zeigt eine im Vergleich zu bisher Bekanntem starke Dämpfung der Geschwindigkeitsausschläge. Besonders wichtig ist aber das Beschleunigungsdiagramm, aus dem nur wenige Spitzen hervorragen, die außerdem nur einen sehr geringen Ausschlag haben. Die Beschleunigung der Tilgermasse ist für das Tilgungsverhalten des Tilgers von besonderer Bedeutung. Die mit der neuen Ausbildung der Federelemente erzielte Reduzierung der Beschleunigungsausschläge war außergewöhnlich überraschend.

In der Fig. 2 sind Federkennlinien 1, 6, 2, 3 vergleichbar zu denen in Fig. 1 dargestellt, mit der Abweichung, dass zwischen den Kennlinienabschnitten 1 und 2 ein Steifigkeitssprung 6 zwischen den einzelnen Federn vorgesehen ist. Der Steifigkeitssprung 6 hat zur Folge, dass der zweite Kennlinienabschnitt 2 geringfügig nach außen verschoben wird und dass im zweiten Arbeitsbereich AA eine deutlich höhere Steifigkeit als im ersten Arbeitsbereich A vorliegt. Die Steifigkeit des zweiten Kennlinienabschnitts 2 beträgt hier mehr als das Doppelte. Außerdem ist der Winkel β des zweiten Kennlinienabschnitts 2 größer gewählt, als der Winkel α des ersten Kennlinienabschnitts 1, so dass der zweite Kennlinienabschnitt 2 eine höhere Steifigkeitszunahme als der erste Kennlinienabschnitt 1 hat. Die beiden gedachten Ebenen 4 und 5 der Kennlinienabschnitte 1 und 2 verlaufen im Winkel γ zueinander. An den zweiten Kennlinienabschnitt 2 schließt wiederum ein weich ausgestalteter Endanschlag 3 mit dem Arbeitsbereich E an.

Die mit dieser Ausgestaltung der Federelemente erreichbare Dämpfung ist wiederum in den Diagrammen von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung dargestellt. Im Vergleich mit den Diagrammen der Fig. 1 wird sichtbar, dass durch den Steifigkeitssprung in den Federkennlinie eine noch weitere Reduzierung der Ausschläge in allen drei Diagrammen erreicht wird. Besonders im Diagramm zur Beschleunigung wird eine erhebliche Reduzierung der Spitzenwerte erzielt.

Es wird angemerkt, dass obige Ausführungen bezüglich der Federkennlinie 1, 6, 2 und 3 sich in gleicher Weise auch auf die links von der 0-Abszisse befindliche Federkennlinie der in entgegengesetzter Richtung wirksamen Feder beziehen.

In die Fig. 3 ist die mögliche Ausbildung eines Federelements 10 dargestellt, mit dem eine Federkennlinie mit zwei linearen Kennlinienabschnitten 1 und 2, einem dazwischen Steifigkeitssprung 6 und einem weich aus gestalteten Endanschlag 3 erreicht werden kann. Das Federelement 10 hat die Gummimembran 11 mit den Randwülsten 12. Die Randwülste 12 werden in der Halterung 13 vorgespannt. Hierfür besteht die Halterung 13 aus dem Grundteil 14 und dem damit verschraubten Führungsteil 15. Die Randwülste 12 sind dazwischen eingeklemmt. Das Führungsteil 15 dient zur Führung des Kolbens 16, der an der nicht näher gezeigten Batterie befestigt ist. In der Figur gesehen oberhalb der Gummimembran 11 ist in dem Basisteil 14 eine Bohrung eingefügt, die zur Aufnahme der Gummimembran 11 während des zweiten Arbeitsbereichs AA dient.

Die Wirkungsweise des Federelements 10 ist folgende: Sobald der Kolben 16 durch die nicht näher gezeigte Tilgermasse in Richtung auf die Gummimembran 11 verschoben wird, wird die Gummimembran 11 in ihrem ersten Arbeitsbereich A wirksam. Der Arbeitsbereich A endet, wenn die obere Fläche 18 der Gummimembran 11 etwa den Punkt 17 erreicht hat und die Gummimembran 11 im Wesentlichen waagerecht ausgerichtet ist. Bei einem weiteren Druck durch den Kolben 16 verschiebt sich die Gummimembran 11 weiter in Bohrung 19 und es findet der Steifigkeitssprung 6 in der Federkennlinie statt. Die Oberfläche 18 der Gummimembran 11 hat dann nach dem Steifigkeitssprung 6 den Punkt 20 in der Bohrung 19 erreicht. Mit ihren Rändern 21 liegt die Gummimembran 11 sodann an den Zwischenabsätzen 22 in der Bohrung 19 an. Hierdurch ist die Gummimembran 11 deutlich in ihrer Steifigkeit erhöht und hat den Arbeitsbereich AA, das heißt, den Federkennlinienabschnitt 2 erreicht. Durch eine weiteres Eindrücken der Gummimembran 11 in die Bohrung gelangt die Gummimembran 11 schließlich zur Anlage am Bohrungsgrund 23 und es ist der Endanschlagsbereich E erreicht, in dem die betreffende Federkennlinie 3 wirksam wird. Es wird bemerkt, dass hier nur eine Seite der Federung dargestellt ist. Die andere Seite wird spiegelbildlich ausgebildet und hat die gleiche Wirkung in entgegengesetzter Richtung.

Claims (10)

1. Schwingungstilger, insbesondere mit einer Elektrobatterie als Tilgermasse in Kraftfahrzeugen, wobei die Elektrobatterie über Federelemente an der Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (10) im Arbeitsbereich (A, AA und B, BB) der Tilgermasse eine Federkennlinie (1, 2, 3; 1, 6, 2, 3) mit wenigstens zwei, im Wesentlichen linearen Kennlinienabschnitten (1, 2) aufweisen, von denen der zweite Kennlinienabschnitt (2) eine höhere Steifigkeit als der erste Kennlinienabschnitt (1) hat.

2. Schwingungstilger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsbereiche (A, AA und B, BB) der Kennlinienabschnitte (1, 2) etwa gleich groß sind.

3. Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinienabschnitte (1, 2) in im Winkel (γ) zueinander ausgerichteten Ebenen (4, 5) verlaufen.

4. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kennlinienabschnitten (1, 2) ein Kraftsprung (6) vorliegt.

5. Schwingungstilger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinienabschnitte (1, 2) in parallel zueinander ausgerichteten Ebenen (4, 5) verlaufen.

6. Schwingungstilger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kennlinienabschnitt (2) die doppelte Steifigkeit wie die des ersten Kennlinienabschnitts (1) hat.

7. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie (1, 2, 3) einen weich ausgestalteter Endanschlag (3) mitumfasst.

8. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Bewegungsrichtung der Tilgermasse Federelemente (10) vorgesehen sind.

9. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (10) baugleich mit gleichen Federkennlinien (1, 2, 3) ausgebildet sind.

10. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder des Federelements aus einer Gummimembran (11) mit Randwülsten (12) besteht, wobei die Randwülste (12) im eingebauten Zustand vorgespannt sind.