DE10213595A1 - Fahrzeug-Mittellageranordnung einschließlich einer Einrichtung auf Piezobasis zur Schwingungsdämpfung - Google Patents
Fahrzeug-Mittellageranordnung einschließlich einer Einrichtung auf Piezobasis zur SchwingungsdämpfungInfo
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Abstract
Es werden eine oder mehrere Einrichtungen auf Piezobasis angegeben, die an einer Mittellageranordnung einer Antriebsstranganordnung vorgesehen sind, um Schwingungen zu reduzieren, die während des Betriebs in diesem Bereich erzeugt werden. Die Einrichtung auf Piezobasis wird eingesetzt, um diese Schwingungen dadurch zu dämpfen, daß die physikalische Schwingungsbewegung des Antriebswellenrohrs in einen elektrischen Strom umgewandelt wird, welcher dann über ein Widerstandselement als Wärme abgeleitet wird. Durch Verändern des Werts des Widerstandselements läßt sich die mittlere Dämpfungsfrequenz der Einrichtung auf Piezobasis gegebenenfalls unter Anpassung an die jeweilige Mittellageranordnung in dem jeweiligen Antriebsstrang variieren. Gegebenenfalls kann ein induktives Element zusammen mit dem Widerstandselement vorgesehen sein, um den elektrischen Strom abzuleiten. Der Widerstandswert des Widerstandselements kann mittels einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Größe und/oder Frequenz der Schwingungen variiert werden, welche mittels eines Sensors erfaßt werden. Alternativ kann die Steifigkeit der Einrichtung auf Piezobasis durch einen elektrischen Stromgenerator gesteuert werden, welcher als eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Größe und/oder Frequenz der Schwingungen betrieben werden kann, welche mittels des Sensors erfaßt werden.
Description
Die Erfindung befaßt sich allgemein mit Lagern zum Lagern von Drehwellen,
und insbesondere mit einer verbesserten Konstruktion für eine Mittella
geranordnung zum drehbaren Lagern eines Zwischenabschnitts eines
Fahrzeugantriebsstrangs oder einer Verbindungswellenanordnung. Insbeson
dere befaßt sich die Erfindung mit der Auslegung von Schwingungsdämp
fungseinrichtungen in Mittellageranordnungen, welche bei Fahrzeugantriebs
stranganordnungen zum Einsatz kommen.
Bei den meisten hinterradgetriebenen Fahrzeugen ist eine Drehenergiequelle,
wie eine Brennkraftmaschine oder eine Dieselbrennkraftmaschine in der Nähe
des vorderen Bereichs des Fahrzeuges angeordnet. Die Brennkraftmaschine
ist über einen Antriebsstrang derart drehverbunden, daß ein oder mehrere
getriebene Räder angetrieben werden, die in der Nähe des hinteren Teils des
Fahrzeugs angeordnet sind. Der Antriebsstrang verläuft in typischer Weise
zwischen einem Getriebe, welches mit der Brennkraftmaschine verbunden ist,
und einem Differential, welches mit den getriebenen Rädern verbunden ist. Bei
einigen Fahrzeugen ist der Abstand zwischen dem Getriebe und dem
Differential relativ kurz. Bei diesen Fahrzeugen umfaßt der Antriebsstrang ein
einziges Antriebsrohr, welches üblicherweise als Antriebswelle bezeichnet
wird. Bei anderen Fahrzeugen ist der Abstand zwischen dem Getriebe und
dem Differential relativ groß, so daß der Einsatz einer einzigen Antriebswelle
unpraktisch ist. Bei diesen Fahrzeugen umfaßt der Antriebsstrang eine
Antriebswelle und ein oder mehrere Verbindungswellen. Die Verbindungswel
len sind mit der Antriebsweile (oder miteinander) über Universalgelenke
(Kardangelenke) verbunden.
Antriebsstränge, welche eine Antriebswelle und ein oder mehrere Verbin
dungswellen umfassen, erfordern den Einsatz von ein oder mehreren federnd
nachgiebigen Zwischenlageranordnungen, welche im allgemeinen als
Mittellageranordnung oder Wellentraglageranordnungen bezeichnet werden.
Eine typische Mittellageranordnung umfaßt ein kreisförmiges Wälzlager, in
welchem die Verbindungswelle drehbar gelagert ist. Das Wälzlager selbst ist in
einem allgemein ringförmigen, federnd nachgiebigen Tragteil angeordnet. Das
federnd nachgiebige Tragteil ist seinerseits mit einer relativen Starrheit an
einem im allgemeinen U-förmigen Träger angeordnet, welcher fest mit einem
Querteil verbunden ist, welches sich zwischen den Längsträgern des Fahr
zeugrahmens erstreckt.
Das federnd nachgiebige Tragteil ist vorgesehen, um Schwingungen des
Antriebsstranges in der Nähe der Mittellageranordnung zu reduzieren und um
zu verhindern, daß derartige Schwingungen auf den Fahrzeugrahmen
übertragen werden. Das elastisch nachgiebige Tragteil wird typischer Weise
von einem elastomeren Material, wie Kautschuk, gebildet. Unter den meisten
Fahrzeugbetriebsbedingungen sind an sich bekannte Kautschuklagerteile
hinsichtlich der Herabsetzung der Übertragung von Schwingungen von dem
Antriebsstrang auf den Fahrzeugrahmen wirksam. Jedoch bleiben die
Dämpfungscharakteristika dieser bekannten Lagerteile, welche von den
spezifischen Materialien und der speziellen Ausgestaltungsform abhängig
sind, unabhängig von den Fahrzeugbetriebsbedingungen konstant. Daher
lassen sich die Schwingungsdämpfungscharakteristika dieser bekannten
Lagerteile nur für jeweils gesonderte Betriebsbedingungen optimieren. Die
Schwingungen, die durch den Antriebsstrang erzeugt werden, ändern sich
jedoch ständig mit den Änderungen der Betriebsbedingungen des Fahrzeugs.
Als Folge hiervon können diese Lagerteile keine optimale Schwingungs
dämpfung der Schwingungen bei sich ändernden Betriebsbedingungen
bereitstellen.
Eine zusätzliche in Verbindung mit der Schwingung von Mittellageranordnun
gen bestehende Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß unerwünschte hörbare
Geräusche erzeugt und anschließend zu dem Fahrzeugführer und zu der
Umgebung des Fahrzeugs übertragen werden. Es ist bekannt, daß alle
mechanischen Körper eine natürliche Resonanzfrequenz haben, bei der sie zu
Schwingungen angeregt werden, wenn gewisse Drehgeschwindigkeiten bzw.
Drehzahlen auftreten. Diese natürliche Resonanzfrequenz ist eine Eigenheit
jedes mechanischen Körpers, und sie basiert auf vielen Einflußgrößen, welche
die Auslegung, die Abmessungen und die Gestalt umfassen. Im Zusammen
hang mit Fahrzeug-Antriebsstranganordnungen kann die Brennkraftmaschi
nen- und Getriebeanordnung manchmal Schwingungen erzeugen, welche auf
die Antriebsstrangkomponenten bei einer Drehbewegung übertragen und
hierdurch verstärkt werden. Auch können sich die Antriebsstrangkomponenten
mit einer Geschwindigkeit drehen, welche gleich oder in der Nähe der
natürlichen Resonanzfrequenz (oder ein oder mehrerer harmonischer
Komponenten hiervon) liegt, so daß Schwingungen hierdurch induziert
werden. In jedem Falle können in den Antriebsstrangkomponenten erzeugte
Schwingungen zur Erzeugung von spürbaren Geräuschen führen. Derartige
Geräusche sind im allgemeinen natürlich unerwünscht.
Verschiedene Anstrengungen wurden unternommen, um die während des
Betriebs von Fahrzeug-Antriebssträngen erzeugten Geräusche zu reduzieren.
Bisherige Vorschläge haben sich hauptsächlich mit der Geräuschdämpfung
von Antriebswellenrohren befaßt: Übliche Geräuschdämpfungseinrichtungen
wurden aus den verschiedenartigsten Materialien hergestellt, welche Karton,
Schaum und dergleichen umfassen. Obgleich bekannte Geräuschdämpfungs
einrichtungen relativ einfach und kostengünstig herzustellen und einzubauen
sind, so haben sie sich dennoch als relativ mittelmäßig hinsichtlich der
Geräuschdämpfung bei einigen Fahrzeugantriebswellenrohren erwiesen.
Daher ist es erwünscht, eine verbesserte Konstruktion zur Reduzierung der
Schwingungs- und Geräuscherzeugung zu haben, welche bei Fahrzeugan
triebsstranganordnungen während des Betriebs auftreten können.
Daher ist es erwünscht, eine verbesserte Auslegungsform einer Mittella
geranordnung zu haben, welche eine Einrichtung zum steuernden Beeinflus
sen der Schwingungscharakteristika der Mittellageranordnung umfaßt. Eine
solche Einrichtung dient zur Dämpfung der Mittellageranordnungen und führt
zu einer Herabsetzung von unerwünschten Geräuschen, welche ansonsten
durch diese Schwingungen erzeugt werden.
Nach der Erfindung wird eine Konstruktion zur Herabsetzung der Schwingun
gen und Geräusche bereitgestellt, welche während des Betriebs in einer
Fahrzeug-Antriebsstranganordnung erzeugt werden. Insbesondere befaßt sich
die Erfindung mit einer Einrichtung auf Piezobasis, welche an einer Mittella
geranordnung angebracht oder auf eine sonstige Weise mit dieser in einer
Fahrzeugantriebsstranganordnung fest verbunden ist, um Torsions- und
Querschwingungen aktiv und passiv zu reduzieren, welche im Gebrauchszu
stand erzeugt werden. Die Einrichtung auf Piezobasis wird eingesetzt, um
diese Schwingungen dadurch zu dämpfen, daß die physikalischen Schwin
gungsbewegungen der Mittellageranordnung in einen elektrischen Strom
umgewandelt werden, welcher über ein Widerstandselement als Wärme
abgeleitet wird. Durch die Veränderung der Größe des Widerstandselements
läßt sich die mittlere Dämpfungsfrequenz der Einrichtung auf Piezobasis in
Abhängigkeit von den spezifischen Gegebenheiten an der jeweiligen
Mittellageranordnung und der Antriebsstranganordnung als solche variieren.
Gegebenenfalls kann ein induktives Element in einer Schaltung in dem
Widerstandselement vorgesehen sein, um den elektrischen Strom abzuleiten.
Die Größe des Widerstandselements kann mittels einer Steuereinrichtung in
Abhängigkeit von der Größe und/oder der Frequenz der Schwingungen
verändert werden, welche mittels eines Sensors erfaßt werden. Alternativ kann
die Steifigkeit der Einrichtung auf Piezobasis durch einen elektrischen
Stromgenerator gesteuert werden, der nach Maßgabe einer Steuereinrichtung
in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Frequenz der Schwingungen
betrieben wird, welche mittels eines Sensors erfaßt werden. Die Einrichtung
auf Piezobasis kann an verschiedenen Stellen an der Mittellageranordnung
angebracht sein. Gegebenenfalls kann eine Mehrzahl derartiger Einrichtungen
auf Piezobasis an der Mittellageranordnung vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs zur Verdeutli
chung der Lage einer Mittellageranordnung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer geteilten Antriebswelle bei einem
Fahrzeug, welche mittels einer Mittellageranordnung nach der Er
findung gelagert ist;
Fig. 3 eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung einer
Mittellageranordnung nach der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungs
form einer in Fig. 1 gezeigten Einrichtung auf Piezobasis;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausfüh
rungsform einer in Fig. 1 gezeigten Einrichtung auf Piezobasis;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungs
form einer in Fig. 1 gezeigten Einrichtung auf Piezobasis;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer vierten bevorzugten Ausfüh
rungsform einer in Fig. 1 gezeigten Einrichtung auf Piezobasis;
Fig. 8 eine Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
einer Mittellageranordnung nach der Erfindung, wobei Einrichtun
gen auf Piezobasis integriert mit einem Kautschuklagerteil vorgese
hen sind;
Fig. 9 eine Schnittansicht der in Fig. 8 gezeigten Mittellageranordnung
längs der Linie 9-9; und
Fig. 10 eine Schnittansicht der Mittellageranordnung nach Fig. 8 längs der
Linie 10-10.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt ein insgesamt mit 10 bezeich
netes Fahrzeug eine Antriebsstranganordnung 24. Die Antriebsstranganord
nung 24 umfaßt Antriebswellenkomponenten, wie eine Verbindungswelle 20
und eine Antriebswelle 11, welche zwischen einem Getriebe 12 vorgesehen
ist, und ein Differenzialgetriebe 13, welches zum Antreiben eines Paars von
Hinterrädern 14 bestimmt ist. Das Getriebe 12 ist mit einer Ausgangswelle
(nicht gezeigt) mit üblicher Auslegung versehen und hat eine Mehrzahl von
Keilteilen, welche um den Umfang ausgebildet sind und sich parallel zur Achse
erstrecken. Eine Gleitgabel 15 hat einen mit einer Innenkeilauslegung
versehenen, rohrförmigen Endabschnitt 16, welcher gleitbeweglich mit der
Getriebeausgangswelle zusammen arbeitet. Die Gleitgabel 15 hat auch ein
Gabelende 17, welches eine Seite eines Universalgelenks (Kardangelenks) 18
bildet. Die ändere Seite des Universalgelenks 18 wird von einer Gabel 19
gebildet. Die Verbindungswelle 20 hat ein gegenüberliegendes Ende, welches
mit einem Keilwellenabschnitt 21 ausläuft. Eine Mittellageranordnung 22 nach
der Erfindung lagert die Verbindungswelle 20 in der Nähe des Keilwellenab
schnitts 21. Die Mittellageranordnung 22 umfaßt einen starren Rahmen oder
einen Träger 23, welcher starr an einem Fahrzeugrahmen, einem Fahrgestell
oder einer Karosserie 25 angebracht ist.
Der Keilwellenabschnitt 21 am Ende der Verbindungswelle 20 ist in einem mit
einer Innenkeilverzahnung versehenen Endabschnitt 26 einer Gleitgabel 27
auf der Antriebswelle 11 aufgenommen. Der Keilwellenabschnitt 21 und der
als Keil ausgebildete Endabschnitt 26 bewegen sich bezüglich einander in
axialer Richtung, wenn sie sich zusammen drehen. Die Gleitgabel 27 hat ein
Gabelende 28, welches einen Abschnitt eines Universalgelenks 29 bildet. Eine
Gabel 30 auf der Antriebswelle 11 bildet einen zweiten Abschnitt des
Universalgelenks 29. Die Antriebswelle 11 hat ein zweites Abschlußende mit
einer Gabel 32, welche einen Abschnitt eines Universalgelenks 33 bildet. Eine
Gabel 34 auf einer Welle 35 bildet einen zweiten Abschnitt des Universalge
lenks 33. Die Welle 35 ist mit dem Differentialgetriebe 13 verbunden, welches
über die Hinterachse 36 mit den Hinterrädern 14 des Fahrzeugs 10 antriebs
verbunden ist. Alle vorstehend beschriebenen Antriebssystemeinzelheiten sind
an sich bekannt, und sind beispielsweise in US-A-4,392,696 beschrieben,
welches der vorliegenden Anmelderin gehört. Dort sind allgemeine Ausle
gungsformen und Arbeitsweisen von Mittellageranordnungen gezeigt und
beschrieben, und durch die Bezugnahme gehört dieses Dokument vollum
fänglich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist die Mittellageranordnung 22 im wesentlichen
drei Hauptteil auf, ein Tragteil 38 zum Tragen eines Wälzlagers 40, den Träger
23 zur Aufnahme des Tragteils, und ein kanalförmiges Befestigungsteil 42.
Diese Teile arbeiten zusammen, um die Verbindungswelle 20 drehbeweglich
zu lagern. Das Lagerteil wird von einer Buchse gebildet und kann aus
halbstarrem Kautschukmaterial hergestellt sein. Vorzugsweise ist das Tragteil
38 mit einer Reihe von Schlitzen 44 versehen, welche ermöglichen, daß die
Verbindungswelle 20 in gewissem Maße sich in radialer Richtung relativ frei
bewegen kann. Die Tragteile oder Lagerteile dieser Bauart, welche bei der
Erfindung zum Einsatz kommen, sind an sich bekannt. In typischer Weise sind
diese Lagerteile verformbar, um Bewegungen der Verbindungswelle 20
auszugleichen. In dem Lagerteil ist ein Wälzlager 40 angeordnet, bei denen es
sich um irgendeine geeignete Lagereinrichtung zur Lagerung der Antriebs
welle von Fahrzeugen handeln kann. Das Wälzlager kann einen Innenlaufring
und einen Außenlaufring (nicht gezeigt) und Wälzkörper, wie Kugeln oder
dergleichen, umfassen, was nicht näher dargestellt ist. Diese Einzelheiten
können auf übliche Weise ausgelegt sein.
Das Kautschuklagerteil 38 ist in dem Träger 23 untergebracht. Der Träger hat
eine U-förmige Konstruktion mit einem gekrümmten Abschnitt 72 und zwei im
allgemeinen vertikale Schenkel 54, welche an oberen Enden 56 abschließen.
Der Träger hat auch eine nach innen weisende Lippe 58 an der vorderen Seite
des Trägers und eine nach hinten gerichtete Lippe 60 an der hinteren Seite
desselben. Es ist zu ersehen, daß die vorderen und hinteren Lippen einen
Aufnahmeraum für das Kautschuklager 38 bilden. Ein hinterer Flansch 62
erstreckt sich von der hinteren Lippe 60 nach innen. Der hintere Abstand des
hinteren Flansches von der nach hinten weisenden Lippe 60 ermöglicht, daß
das Kautschuklagerteil unter normalen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs
keinen Kontakt mit dem hinteren Flansch hat.
Das kanalförmige Befestigungsteil 42 ist derart ausgelegt, daß es zu den
Enden 56 des Trägers paßt. Im allgemeinen hat das kanalförmige Teil eine
Basis 64 und zwei Stege oder Seitenwände 66. Die kanalförmige Konstruktion
stellt die erforderliche Festigkeit bereit, um eine sichere Lagerung der
Mittellagereinrichtung an einem Fahrzeugrahmen bereitzustellen. Das
kanalförmige Befestigungsteil ist vorzugsweise aus Stahl hergestellt, obgleich
auch andere Materialien in Betracht kommen können. Um den Träger 23 fest
an dem kanalförmigen Montageteil anbringen zu können, sind die Seitenwän
de 66 dieses Teils vorzugsweise an den Trägerenden 56 angeschweißt. In
idealer Weise sind die Trägerenden und die Seitenwände des kanalförmigen
Montageteils in etwa aus dem gleichen Stahlmaterial und mit gleicher Dicke
ausgelegt, um das Verschweißen zu erleichtern. Als bevorzugtes Schweiß
verfahren kommt das Inertgasschweißen von Metallen in Betracht. Andere
Auslegungsformen des Trägers einschließlich der gekrümmten Enden (welche
nicht gezeigt sind) zur Montage an dem Fahrzeugrahmen oder der Fahrzeug
karosserie 25 können in Betracht kommen, wobei beispielsweise die geradlini
gen Enden 56, welche bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform
angeschweißt sind, auch mit entsprechenden Schraubverbindungen nach der
Erfindung befestigt sein können.
Das kanalförmige Basisteil 64 ist mit Öffnungen 68 versehen, durch die
Schrauben durchgehen können, um die Mittellageranordnung fest mit dem
Fahrzeugrahmen zu verbinden. Obgleich in der Zeichnung zwei Öffnungen
dargestellt sind, kann natürlich auch eine beliebige andere Anzahl von
Öffnungen und eine beliebige andere Anzahl von Schrauben vorgesehen sein,
um die Mittellageranordnung fest mit dem Fahrzeugrahmen zu verbinden. Die
Seitenwände 66 des kanalförmigen Montageteils sind mit vertikal umgeben
den Seitenflanschen 70 versehen, welche die axiale Bewegung des Kau
tschuklagerteils innerhalb des Trägers steuern oder begrenzen. Andere
geeignete Teile zur Steuerung und Beeinflussung der Axialbewegung des
Kautschuklagerteils können gegebenenfalls vorgesehen sein.
Wie an sich bekannt, treten bei dem Arbeiten der Brennkraftmaschine des
Fahrzeuges 10 verschiedene Schwingungen bei den verschiedenen Kompo
nenten des Antriebsstranges und insbesondere an der Verbindungswelle 20
auf. Die Verbindungswelle 20 führt manchmal auch Drehbewegungen in der
Nähe oder mit ihrer natürlichen Resonanzfrequenz aus, so daß hierdurch
Schwingungen induziert werden können. Diese Schwingungen können zu der
Mittelachsanordnung 22 einschließlich des Trägers 23 übertragen werden. Um
die Erzeugung von unerwünschten, hörbaren Geräuschen zu reduzieren oder
zu eliminieren, die sich durch Schwingungen der Mittellageranordnung
ergeben, ist eine insgesamt mit 30 bezeichnete Einrichtung auf Piezobasis an
der Mittellageranordnung 22 angebracht, oder auf eine andere geeignete
Weise hiermit verknüpft. Die Auslegung und die Arbeitsweise der Einrichtung
30 auf Piezobasis wird nachstehend näher beschrieben. Allgemein gespro
chen kann jedoch die Einrichtung 30 auf Piezobasis eingesetzt werden, um
diese Schwingungen dadurch zu dämpfen, daß die physikalische Schwin
gungsbewegung der Mittellageranordnung 22 in einen elektrischen Strom
umgewandelt wird, welcher durch ein Widerstandselement als Wärme
abgeleitet wird. Durch Verändern der Größe des Widerstandselements läßt
sich die mittlere Dämpfungsfrequenz der Einrichtung 30 auf Piezobasis
gegebenenfalls zur Abstimmung auf die jeweilige Mittellageranordnung und
ariderer Komponenten der Antriebsstranganordnung verändern, welche
hauptsächlich zu einer Schwingungserzeugung führen. Alternativ und wie dies
nachstehend noch näher beschrieben wird, kann die Einrichtung 30 auf
Piezobasis auch als eine aktive Betätigungseinrichtung eingesetzt werden,
wobei ein elektrischer Strom an die Einrichtung auf Piezobasis angelegt wird,
um die Steifigkeit oder Flexibilität derselben zu verändern. Nach der Erfindung
kommen ein oder mehrere Einrichtungen 30 auf Piezobasis in Betracht,
welche an dem Kautschuklagerteil 38 angebracht werden können, um
Torsions- und Querschwingungen der Mittellageranordnung 22 entweder
passiv oder aktiv zu beeinflussen.
Wie nachstehend noch näher beschrieben werden wird, umfaßt die Einrich
tung 30 auf Piezobasis ein oder mehrere Elemente, welche aus einem
piezoelektrischen Material ausgebildet sind. Allgemein gesprochen, ist ein
piezoelektrisches Material jegliches Material, welches einen elektrischen
Stromausgang erzeugt, wenn es mechanischen Belastungen oder Verformun
gen oder umgekehrt ausgesetzt wird. In typischer Weise wird das piezoelektri
sche Material elektrisch polarisiert, wenn mechanische Belastungen, wie
Schwingungen, einwirken, die während des Betriebs an der Mittellageranord
nung 22 erzeugt werden. Bei der Erfindung kommen auch jegliche an sich
bekannte piezoelektrische Materialien für die Einrichtung 30 auf Piezobasis in
Betracht, wobei auch keramische Piezomaterialien mit eingeschlossen
werden, bei denen es sich beispielsweise um Bleizirkontitanat handeln kann.
Fig. 4 verdeutlicht eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung
30 auf Piezobasis. Wie dort gezeigt ist, umfaßt die Einrichtung 30 auf
Piezobasis ein Element 31, welches aus einem piezoelektrischen Material
ausgebildet ist, und einen Widerstand 32, welcher in einer elektrischen
Serienschaltung vorgesehen sind. Zusätzlich zu der Erzeugung eines
elektrischen Ausgangs unter einer mechanischen Belastung verhält sich das
Element 31 elektrisch als ein Kondensator. Somit ist die Einrichtung 30 auf
Piezobasis im wesentlichen eine elektrische RC-Schaltung. Wenn die
Brennkraftmaschine betrieben wird, um die Antriebsstrangkomponenten
drehanzutreiben, werden in der Mittellageranordnung 22 Schwingungen
erzeugt. Diese Schwingungen führen zur mechanischen Belastungen, welche
in dem Element 31 induziert werden, wodurch eine elektrische Abgabegröße
(beispielsweise eine Spannung) erzeugt wird. Diese Spannung wird in einen
elektrischen Strom umgewandelt, welcher durch den Widerstand 32 geht und
dort als Wärme abgeleitet bzw. vernichtet wird. Als Folge hiervon arbeitet die
Einrichtung auf Piezobasis als passive Dämpfungseinrichtung für die
Schwingungen, welche in der Mittellageranordnung 22 erzeugt werden.
Wie an sich bekannt, haben elektrische RC-Schaltungen eine mittlere
Dämpfungsfrequenz, welche durch die Größen des Widerstands und der
Kapazität bestimmt ist. Es ist erwünscht, daß die mittlere Dämpfungsfrequenz
derart gewählt ist, daß sie in der Nähe der Frequenz der Schwingungen der
Mittellageranordnung liegt, welche mit Hilfe der Einrichtung 30 auf Piezobasis
zu dämpfen sind. Die Größe des gewünschten Widerstandswertes des
Widerstands 32 läßt sich durch den folgenden Zusammenhang ermitteln:
R = {[1-(λk2)/(1-k2)]1/2}/Cω
wobei R gleich dem Widerstandswert des Widerstands 32 ist, C gleich der
Kapazität des Elements 31 ist, k gleich der Querkopplungskonstante ist, λ
gleich der Belastungsenergieaufnahme ist, und ω gleich der dämpfenden
Schwingungsfrequenz ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann die Einrichtung 30 auf Piezobasis zwischen
dem kanalförmigen Montageteil 42 und einer oberen Fläche 39 des Kautschu
klagerteils 38 angeordnet oder angebracht sein. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform nach der Erfindung ist die obere Fläche 39 mit einem
Einsatzbereich 74 versehen, welcher eine derartige Gestalt und Tiefe hat, daß
die Einrichtung 30 auf Piezobasis aufgenommen und festgelegt werden kann.
Obgleich die Einrichtung 30 auf Piezobasis dargestellt ist, daß sie zwischen
dem kanalförmigen Montageteil 42 und der oberen Fläche 39 des Kautschu
klagerteils 38 angeordnet ist, kommen auch andere Montagestellen an der
Mittellageranordnung für die Einrichtung auf Piezobasis bei der erfindungsge
mäßen Auslegung in Betracht. Beispielsweise können ein oder mehrere
Einrichtungen 37 auf Piezobasis ähnlich der Einrichtung 30 auf Piezobasis
zwischen den Seiten 76 des Kautschuklagerteils 38 und den beiden im
allgemeinen vertikal verlaufenden Schenkeln 54 des Trägers 23 angeordnet
sein. Die an der Seite angebrachten Einrichtungen 37 auf Piezobasis können
einzeln, paarweise oder in Kombination mit der Einrichtung 30 auf Piezobasis
zum Einsatz kommen.
Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Anordnungsstellen können die
Einrichtungen auf Piezobasis nach der Erfindung auch in Elemente der
Mittellageranordnung 22, wie dem Kautschuklagerteil 38, dem Träger 23 oder
anderen Elementen der Mittellageranordnung eingebettet sein. Die günstigste
Stelle für die Einrichtungen 30 auf Piezobasis oder für die seitlichen Einrich
tungen 37 auf Piezobasis an der Mittellageranordnung 22 läßt sich auf der
Basis von Modellversuchen, Modellanalysen und tatsächlichen Versuchen
bestimmen. Im allgemeinen jedoch werden die Einrichtungen 30, 37 auf
Piezobasis im Bereich der stärksten Belastungen angeordnet, um die größten
Schwingungen zu reduzieren.
Die Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis können an der Mittellageranordnung
22 mit Hilfe von Klebstoff angebracht werden, mittels einer Druckkraft des
Trägers 22 gegen das Kautschuklagerteil 38 an Ort und Steile gehalten
werden, oder auf eine andere Art und Weise festgelegt sein. Eine Methode
zum Anbringen der Einrichtungen auf Piezobasis an dem Kautschuklagerteil
38 ist darin zu sehen, die Einrichtungen auf Piezobasis in das Lagerteil 38 bei
der Ausbildung des Lagerteils einzugießen. Eine weitere Methode zur
Anbringung der Einrichtungen auf Piezobasis in die Mittellageranordnung 22
ist darin zu sehen, daß man das Lagerteil 38 aus zwei oder mehreren Teilen
(nicht gezeigt) zusammensetzt, und die zwei oder mehreren Teile unter
Zwischenlage der Einrichtungen auf Piezobasis zwischen den beiden
Lagerteilelementen anordnet. In einem solchen Fall können die beiden
Lagerteile auch derart ausgelegt werden, daß sie mittels Preßsitz zusammen
arbeiten, und die Einrichtungen auf Piezobasis zwischen diesen beiden Teilen
angeordnet sind.
Die Erfindung kann auch derart beschaffen und ausgelegt sein, daß wenig
stens eine der Einrichtungen auf Piezobasis derart angeordnet ist, daß sie sich
über den Zwischenraum zwischen dem Lager 40 und dem Träger 23 erstreckt.
Wie in den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, umfaßt die Mittellageranordnung 82
eine Mehrzahl von Einrichtungen auf Piezobasis, welche in Umfangsrichtung
beabstandet um das Lager 40 angeordnet sind, wie dies nur in Fig. 9
verdeutlicht ist. Es ist zu ersehen, daß die Einrichtungen 84 auf Piezobasis
sich von dem Lager 40 zu dem Träger 23 erstrecken. Obgleich acht Einrich
tungen 84 auf Piezobasis gezeigt sind, kann auch irgendeine andere Anzahl
von Einrichtungen auf Piezobasis, wie vier oder dergleichen, eingesetzt
werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wirkt der Träger 23 als
Masse, und die Einrichtungen 84 auf Piezobasis sind zwischen dem Träger
und dem Lager angeordnet oder mit diesen verknüpft, um die Schwingungs
bewegungen des Lagers zu dämpfen. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in den
Fig. 8 und 10 das Lager 40 nicht gezeigt, aber wenn die Mittellageranord
nung 82 vollständig zusammengebaut ist, wird das Lager mittels den
ringförmigen Flanschen 86 des Kautschuklagerteils 38 an Ort und Stelle
gehalten. Wie gezeigt, können die Einrichtungen 84 auf Piezobasis in dem
Kautschuklagerteil ausgebildet oder integral in dieses eingeformt sein.
Die physikalischen Abmessungen der Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis
können sich gegebenenfalls ändern. Wenn man mehrere piezoelektrische
Materialien in den Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis vorsieht, läßt sich mehr
Belastungsenergie einfangen und in Wärme umwandeln. Zusätzliche
Materialien vergrößern jedoch das Gewicht und können daher Auswirkungen
auf das Arbeiten der Mittellageranordnung 22 haben. Die Menge des
piezoelektrischen Materials in dem Element 31 ändert sich von Anwen
dungsfall zu Anwendungsfall in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von
Faktoren. Der Zusammenhang zwischen der Dämpfung ζ der Einrichtungen
30, 37 auf Piezobasis und der eingefangenen Belastungsenergie λ läßt sich
wie folgt beschreiben:
ζ = ¼[(λk2)/(1-k2)]1/2
wobei λ gleich der eingefangenen Belastungsenergie ist, und k gleich der
Querkopplungskonstante ist.
Fig. 5 verdeutlicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer insge
samt mit 45 bezeichneten Einrichtung auf Piezobasis. Wie dort gezeigt ist,
umfaßt die Einrichtung 45 auf Piezobasis ein Element 41, welches aus
einem piezoelektrischen Material ausgebildet ist, einen Widerstand 46 und
eine Induktionseinrichtung 43, welche in einer elektrischen Serienschaltung
vorgesehen sind. Somit stellt die Einrichtung 45 auf Piezobasis im wesentli
chen eine elektrische RLC-Schaltung dar. Die Einrichtung 45 auf Piezobasis
arbeitet im wesentlichen gleich wie die Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis,
welche zuvor beschrieben worden sind, um Schwingungen passiv zu
dämpfen, welche in der Mittellageranordnung 22 erzeugt werden. Das
zusätzliche Vorsehen der Induktionseinrichtung 43 bewirkt, daß ein größerer
elektrischer Strom durch den Widerstand 46 geht, so daß man eine größere
Dämpfungsgröße als bei den zuvor beschriebenen Einrichtungen 30, 37 auf
Piezobasis erhält, sich aber ein engerer Dämpfungsfrequenzbereich ergibt.
Die gewünschten Größenwerte für den Widerstand 46 und die Induktanz für
die Induktionseinrichtung 43 lassen sich aus den folgenden Zusammenhän
gen ermitteln:
L ={Cω 2[1+(λk2)/(1-k2)]1/2}-1
und
R = {(2)1/2[λk2)/(1-k2)]1/2}/{Cω 2[1+(λk2)/(1-k2)]}
wobei R ein Widerstand ist, C die Kapazität ist, k die Querkopplungskonstante
ist, λ die Belastungseinfangenergie ist und ω die Frequenz der dämpfenden
Schwingungen ist. Die Einrichtung 45 auf Piezobasis kann beispielsweise bei
Tourenfahrzeugen eingesetzt werden, bei denen der Schwingungssollwert mit
höheren Ordnungsgrößen auftritt. Die Frequenz der Biegebelastung versucht
sich nicht in starkem Maße in Abhängigkeit von den tatsächlichen Wertver
hältnissen zu variieren, da die Fahrbahnoberflächen relativ gleichmäßig sind.
Somit stellt die Einrichtung 45 auf Piezobasis in verstärktem Maße eine
passive Dämpfung bei mittleren Dämpfungsfrequenz bereit.
Fig. 6 verdeutlicht eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer insgesamt
mit 50 bezeichneten Einrichtung auf Piezobasis. Wie gezeigt, umfaßt die
Einrichtung 50 auf Piezobasis ein Element 51, welches aus einem piezoelek
trischen Material ausgebildet ist, und einen Widerstand 52, welcher in Form
einer elektrischen Serienschaltung angeordnet sind. Somit stellt die Einrich
tung 50 auf Piezobasis im wesentlichen eine elektrische RC-Schaltung dar.
Der Widerstandswert des Widerstands 52 ist eine Variable und wird durch eine
Steuereinrichtung 53 in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Frequenz
der Schwingungen gesteuert, welche mit Hilfe eines Sensors 55 erfaßt
werden. Die Steuereinrichtung 53 kann ein Mikroprozessor oder eine ähnliche
Einrichtung sein, welche den Widerstandswert des Widerstands 52 in
Abhängigkeit von den erfaßten Schwingungen variieren kann, und diese
Einrichtung kann an der Mittellageranordnung 22 oder an einer anderen Stelle
am Fahrzeug vorgesehen sein. Der Sensor 55 kann in Form einer oder
mehreren an sich bekannten Sensoreinrichtungen ausgelegt sein, und kann
direkt an dem Kautschuklagerteil 38 angebracht sein, um die elektrischen
Signale für die Steuereinrichtung 53 zu liefern, welche die Größe und/oder die
Frequenz der Schwingungen wiedergeben. Die Einrichtung 50 auf Piezobasis
arbeitet im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Einrichtungen 30, 37
auf Piezobasis, die zuvor beschrieben worden sind, um Schwingungen passiv
zu dämpfen. Es ist jedoch eine Abstimmung auf die Betriebsverhältnisse des
Fahrzeuges 10 nach Maßgabe von Vorgabewerten möglich. Der variable
Widerstand 52, die Steuereinrichtung 53 und der Sensor 55 können gegebe
nenfalls in der RLC-Schaltung nach Fig. 5 ebenfalls zusätzlich vorgesehen
sein.
Fig. 7 verdeutlicht eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer insgesamt
mit 65 bezeichneten Einrichtung auf Piezobasis. Wie dort gezeigt ist, umfaßt
die Einrichtung 65 auf Piezobasis ein Element 61, welches aus einem
piezoelektrischen Material ausgebildet ist, und einen Stromgenerator 67,
welche in Form einer elektrischen Serienschaltung ausgelegt sind. Der
Stromgenerator 67 ist von üblicher Bauart und wird mittels einer Steuerein
richtung 63 in Abhängigkeit von der Größe und/oder Frequenz der Schwin
gung gesteuert, welche mittels eines Sensors 69 erfaßt werden. Die Steuer
einrichtung 63 kann von einem Mikroprozessor oder einer ähnlichen Einrich
tung gebildet werden, welche die Größe des elektrischen Stroms variieren
kann, welche an das Element 61 angelegt wird, und zwar in Abhängigkeit von
den ermittelten Schwingungen. Die Steuereinrichtung 63 kann an der
Mittellageranordnung 22 vorgesehen sein. Die Steifigkeit des Elements 61
wird nach Maßgabe der Größe des durch den Stromgenerator 67 erzeugten
elektrischen Stroms gesteuert. Der Sensor 69 kann in Form einer oder
mehrerer an sich bekannten Sensoreinrichtungen ausgelegt sein und kann
direkt an der Mittellageranordnung 22 angebracht sein, um elektrische
Signale für die Steuereinrichtung 63 zu erzeugen, welche die Größe und/oder
Frequenz der Schwingungen wiedergeben. Die Einrichtung 65 auf Piezobasis
arbeitet zum aktiven Dämpfen der Schwingungen, welche in der Mittella
geranordnung 22 erzeugt werden.
Da jede der Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis eine Dämpfung über einen
einzigen Bereich von Schwingungsfrequenzen vornimmt, welche durch die
mittlere Dämpfungsfrequenz bestimmt sind, lassen sich die jeweiligen
unterschiedlichen Einrichtungen 30, 37 auf Piezobasis auf unterschiedliche
mittlere Dämpfungsfrequenzen abstimmen, so daß man Dämpfungen für
mehrere Schwingungsfrequenzbereiche bereitstellen kann. Auch kann eine
passive Einrichtung auf Piezobasis eingesetzt werden, um Energie zu
erzeugen, welche zum Betreiben von aktiven Einrichtungen auf Piezobasis
eingesetzt wird.
Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung
erläutert und beschrieben worden sind, ist die Erfindung natürlich nicht auf die
dort beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche
Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall
treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Claims (10)
1. Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer drehbaren Welle
relativ zu einer Lagerfläche, welche folgendes aufweist:
ein Lager (22), welches derart beschaffen und ausgelegt ist, daß es eine drehbare Welle drehbar lagern kann;
einen Träger (23), welcher derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er an einer Lagerfläche befestigt werden kann;
ein Lagerelement (38), welches das Lager (22) in dem Träger
(23) lagert; und eine Einrichtung (30; 37; 84; 45; 50; 65) auf Piezobasis, welche fest mit dem Lagerelement (38) zur Dämpfung von darin erzeugten Schwingungen verbunden ist.
ein Lager (22), welches derart beschaffen und ausgelegt ist, daß es eine drehbare Welle drehbar lagern kann;
einen Träger (23), welcher derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er an einer Lagerfläche befestigt werden kann;
ein Lagerelement (38), welches das Lager (22) in dem Träger
(23) lagert; und eine Einrichtung (30; 37; 84; 45; 50; 65) auf Piezobasis, welche fest mit dem Lagerelement (38) zur Dämpfung von darin erzeugten Schwingungen verbunden ist.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuereinrichtung (53) vorgesehen ist, welche den Widerstand
des Widerstandselements (51) verändert.
3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ferner ein Sensor (55) zum Erzeugen eines Signals vorgesehen ist,
welches die Schwingungen in dem Lagerteil (38) darstellt, und daß die
Steuereinrichtung (53) auf das Signal von dem Sensor (55) zur
Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandselements (51)
anspricht.
4. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (65) auf Piezobasis mit einem
Stromgenerator (67) eine elektrische Schaltung bildet, daß ferner eine
Steuereinrichtung (63) zum Steuern der Arbeitsweise des
Stromgenerators (67) vorgesehen ist, ein Sensor (69) zur Erzeugung
eines Signals vorgesehen ist, welches die Schwingungen in dem
Lagerteil (38) darstellt, und daß die Steuereinrichtung (63) auf das
Signal von dem Sensor (69) zur Steuerung der Arbeitsweise des
Stromgenerators (67) anspricht.
5. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lagerteil (38) eine Oberfläche hat, daß ferner
ein kanalförmiges Montageteil (42) zur Aufnahme des Lagerteils (38)
vorgesehen ist, und daß die Einrichtung (30; 37; 84; 45; 50; 65) auf
Piezobasis zwischen dem kanalförmigen Montageteil (42) und der
Oberfläche (39) des Lagerteils (38) angebracht ist.
6. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche (39) mit einem Einsatzbereich versehen ist, welcher eine
derartige Gestalt und Tiefe hat, daß die Einrichtung (30; 37; 84; 45; 50;
65) auf Piezobasis darin aufgenommen und festgelegt werden kann.
7. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lagerteil (38) Seiten hat, der Träger (23)
zwei im allgemeinen vertikale Schenkel (54) hat, und daß eine oder
mehrere Einrichtungen (30; 37; 84; 45; 50; 65) auf Piezobasis zwischen
den Seiten des Lagerteils (38) und den Schenkeln des Trägers (23)
angeordnet sind.
8. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30; 37; 84; 45; 50;
65) auf Piezobasis in das Lagerteil (38) eingebettet ist.
9. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Einrichtungen (30;
37; 84; 45; 50; 65) auf Piezobasis fest mit dem Lagerteil (38) zur
Dämpfung von darin erzeugten Schwingungen verbunden ist:
10. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eine der
Einrichtungen (30; 37; 84; 45; 50; 65) auf Piezobasis von dem Lager
(38) zu dem Träger (23) erstreckt.
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