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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hydrolagers und ein zur
Durchführung des Verfahrens ausgebildetes Lager.
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Lager, insbesondere Gummilager, werden in der Automobilindustrie im großen
Umfang eingesetzt. Die Automobilhersteller sind um eine ständige Erhöhung des
Komforts der Fahrzeuge bemüht. Neben der Erweiterung und Verbesserung der
Bedienfunktionen kommt in diesem Zusammenhang vor allem
Dämpfungsmaßnahmen eine große Bedeutung zu, deren Ziel darin besteht, dass von den
Schwingungsquellen des Fahrzeugs bzw. durch Fahrbahnunebenheiten verursachte
Geräusche und Vibrationen weitgehend von der Fahrgastzelle ferngehalten werden.
Dabei kommen in der Regel Gummilager und -buchsen zum Einsatz. Ihre Feder-
und Dämpfungseigenschaften werden zum Beispiel zur Lagerung des Motors oder
des Hilfsrahmens genutzt. Abhängig vom speziellen Einsatzfall des jeweiligen
Lagers werden unterschiedliche Anforderungen an dessen Feder- und
Dämpfungseigenschaften gestellt. Eine Anpassung an diese unterschiedlichen
Anforderungen wird im Allgemeinen durch die Variation der Lagergeometrie
und/oder der Härte sowie der Elastizität des Gummis erreicht. Allerdings sind die
hierdurch gegebenen Möglichkeiten begrenzt. Hohe Schwingungsamplituden
bestimmter Frequenzen, wie sie zum Beispiel beim Leerlauf des Motors oder
aufgrund periodischer Krafteinwirkungen auf das Fahrwerk auftreten, können mit
Gummilagern herkömmlicher Bauart nur unzureichend gedämpft werden oder
bedingen unerwünscht große Lagermassen. Immer häufiger kommen daher
Hydrolager zum Einsatz, welche auch bei einer geringen Eigenmasse eine
wirkungsvolle Dämpfung hoher Schwingungsamplituden ermöglichen.
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Die Hydrolager bestehen aus einem von Gummilagern herkömmlicher Bauart bekannten
elastomeren Tragkörper und einem schwingungsfähigen System. Das schwingungsfähige
System wird ausgebildet durch in den Tragkörper eingeordnete Kammern zur Aufnahme
eines fluiden Dämpfungsmittels, deren Wände und einem oder mehreren, die Kammern
miteinander verbindenden Überströmkanälen. Als Dämpfungsmittel kommt in der Regel
ein Gemisch aus vorzugsweise Glykol und Wasser zum Einsatz. Beim Eintragen von
Schwingungen in derartige Lager ändert sich aufgrund des Einfederns das Volumen der
Kammern. Diese Volumenänderung wird durch die flexiblen Kammerwände
aufgenommen. Jedoch setzen die Kammerwände der Formänderung einen Widerstand
entgegen, der zu einer Druckänderung in den Kammern führt. Ein Maß für die
Druckänderung durch Volumenverdrängung wird als Beulfederrate bezeichnet. Durch den
die Kammern miteinander verbindenden Kanal erfolgt, in Folge eines Überströmens des
Dämpfungsmittels von einer Kammer in die andere, ein Druckausgleich. Bei niedrigen
Frequenzen der Schwingungen erfolgt der Druckausgleich unmittelbar zwischen den
Kammern, so dass lediglich der elastomere Tragkörper zur Federung und Dämpfung des
Lagers beiträgt. Mit steigender Schwingungsfrequenz wird allerdings die Dämpfung
zunehmend durch das schwingungsfähige System, nämlich durch die Masse der im Kanal
hin und her schwingenden Flüssigkeit bewirkt. Oberhalb einer bestimmten Frequenz
(Resonanzfrequenz) kann jedoch die sich hin und her bewegende Flüssigkeit, aufgrund
ihrer Trägheit, den eingetragenen Schwingungen nicht mehr folgen. Das
Dämpfungsverhalten des Lagers bricht zusammen und über den von der Flüssigkeit auf die
Kammerwände ausgeübten Druck entsteht eine sich zur Steifigkeit des Tragkörpers
addierende Steifigkeit. Die Resonanzfrequenz des jeweiligen Lagers hängt dabei von der
Lagergeometrie, insbesondere der Geometrie des Kanals und der Flüssigkeitsmenge ab. In
Abhängigkeit von der Beschaffenheit und Konstruktion der zu verbindenden Komponenten
und Module ist es erforderlich die Lager hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz
unterschiedlich abzustimmen. Selbst geringe Änderungen der Konstruktion, wie sie bei der
Fahrzeugentwicklung häufiger erforderlich sind, wirken sich unmittelbar auf die für die
Lager vorzunehmende Abstimmung aus. Insoweit ist es wünschenswert die Lager so
auszubilden, dass deren Dämpfungsverhalten an die veränderten Bedingungen einfach
angepasst werden kann. Eine hierzu bekannte Möglichkeit besteht zum Beispiel in der
Veränderung der Eigenschaften des Tragkörpers, indem parallel oder in Reihe zum
eigentlichen Hydrolager eine zusätzliche Feder- bzw. Gummianordnung positioniert wird.
Darüber hinaus sind zu diesem Zweck auch bereits Lager mit veränderlicher Kanallänge
oder variablem Kanalquerschnitt bekannt geworden. Entsprechend den bisherigen
Lösungen werden hierfür elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebe benutzt.
Mittels dieser werden Aktuatoren im Lager betätigt und so dessen Lagergeometrie bzw. die
Eigenschaften seines Tragkörpers verändert. Dies erfordert jedoch bewegte Teile innerhalb
des Lagers und Durchführungen zum Bewegen der entsprechenden Teile. In der Folge
steigen die Anforderungen an die Abdichtung der vom Dämpfungsmittel durchflossenen
Bereiche des Lagers.
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Aus der DE 199 59 391 A1 ist ein hydraulisch dämpfendes Lager bekannt, dessen
Steifigkeitseigenschaften gezielt verändert werden können. Das Lager weist neben einem
Überströmkanal zwei kurze Entkopplungskanäle auf. Mittels dieser Entkopplungskanäle
wird das schwingungsfähige System des Lagers bei kleinen Amplituden entkoppelt. Im
Lager auftretende Druckunterschiede werden dabei nicht über den Überströmkanal,
sondern über die Entkopplungskanäle ausgeglichen. Das schwingungsfähige System ist
also beim Auftreten von Schwingungen niedriger Amplitude kurzgeschlossen. Nach der in
der Druckschrift offenbarten Lösung ist in die Entkopplungskanäle jeweils ein
Schwingkörper eingeordnet. Dieser Schwingkörper bremst den Flüssigkeitsstrom durch die
Entkopplungskanäle. In Abhängigkeit von der Stärke dieser Bremswirkung kann die
Amplitude beeinflusst werden, ab welcher der Überströmkanal zum Druckausgleich
beiträgt, d. h. es kann der Grad der Entkopplung eingestellt werden. Gemäß der Schrift
wird eine Veränderung der Bremswirkung mittels eines Stiftes erreicht, der mit
veränderlicher Kraft seitlich auf den Schwingungskörper drückt. Die veränderliche Kraft
wird bei einer durch die Schrift offenbarten Ausführungsform des Lagers berührungslos
auf den Stift übertragen und dabei senkrecht bzw. quer zur Längsrichtung der
Entkopplungskanäle eingetragen. Sie wird beispielsweise von einem Magneten generiert.
Das beschriebene Lager wirkt also übertragen auf die Elektrotechnik, vergleichbar einem
Schwellwertschalter. In Abhängigkeit der senkrecht auf den Schwingungskörper
einwirkenden Kraft wird dabei der Schwellwert festgelegt (Schwingungsamplitude), bis zu
dessen Erreichen, das schwingungsfähige System aus dem Gesamtsystem entkoppelt wird.
Eine gezielte Beeinflussung der nach dem Überschreiten dieses Schwellwertes
einsetzenden, durch das schwingungsfähige System hervorgerufenen Dämpfung ist jedoch
mit dieser Anordnung nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, welches eine unmittelbare
Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens eines Hydrolagers ermöglicht. Weiterhin besteht
die Aufgabe in der Schaffung eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Lagers.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Das zur Durchführung des Verfahrens geeignete Lager ist durch die Merkmale des ersten
vorrichtungsbezogenen Anspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen
der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf das Betreiben eines Hydrolagers,
welches aus einem elastomeren Tragkörper und einem schwingungsfähigen System
gebildet ist. Dabei umfasst das schwingungsfähige System zumindest in den Tragkörper
eingeordnete Kammern zur Aufnahme eines fluiden Dämpfungsmittels, deren als
Beulfedern wirkende Wände und einen oder mehrere die Kammern miteinander
verbindende Überströmkanäle. Mittels des Verfahrens wird das Dämpfungsverhalten des
Lagers in vorgegebener Weise dadurch beeinflusst, dass unmittelbar in das
schwingungsfähige System, nämlich im Bereich des Überströmkanals oder der
Überströmkanäle, eine definierte Kraft berührungslos in das Lager eingetragen wird. In
erfindungsgemäßer Weise wird der Richtungsvektor dieser Kraft dem Richtungsvektor des
sich bei einer Beanspruchung des Lagers durch den Überströmkanal oder die
Überströmkanäle bewegenden Dämpfungsmittels parallel, gleich- oder gegenphasig
überlagert.
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Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei der in das schwingungsfähige System
eingetragenen Kraft um eine statische Kraft zur Festlegung der Dämpfungscharakteristik
des Lagers, entsprechend seines vorgesehenen Einsatzzwecks oder um eine dynamisch
veränderliche Kraft, deren Betrag und/oder Richtungsvektor sich korrespondierend mit der
jeweiligen Beanspruchung des Lagers bei dessen Einsatz verändert.
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Entsprechend einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in
das schwingungsfähige System eingetragene Kraft von einem Magnetfeld verursacht,
wobei das schwingungsfähige System dann zumindest ein durch die Kraft des
Magnetfeldes verschiebbares Masseelement umfasst, auf welches diese Kraft wirkt. Bei
einer praxisgerechten Ausführungsform wird die einwirkende Kraft von einem
Elektromagneten erzeugt. Dabei ist abhängig vom jeweiligen Einsatzfall auch ein
Verfahrensregime vorgesehen, bei dem die Richtung des von dem Elektromagneten
erzeugten elektromagnetischen Feldes während des Lagerbetriebes durch Beaufschlagung
mit einer Wechselspannung veränderlich ist, so dass im Ergebnis das Dämpfungsverhalten
des Lagers in Reaktion auf seine jeweilige Beanspruchung beeinflussbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet, statische und/oder dynamische Kräfte
berührungslos an die Masse der sich im Kanal befindenden Flüssigkeitssäule anzukoppeln.
Dies kommt einer unmittelbaren, aber berührungslosen Beeinflussung des
schwingungsfähigen Systems gleich, welches durch die Kanalmasse (Flüssigkeitssäule)
und die Federrate der von den Wänden der Kammern ausgebildeten Beulfedern geprägt
wird. Hierdurch lässt sich das Dämpfungsverhalten des Lagers im Sinne einer
Vorabstimmung vor seinem Einbau oder im Hinblick auf eine variable Reaktion auf
auftretende Belastungen sehr genau und flexibel einstellen. Dies geht deutlich über eine
bedarfsweise bloße Entkopplung des schwingungsfähigen Systems vom Gesamtsystem
hinaus. Durch das unmittelbare Angreifen an dem schwingungsfähigen System und die
parallele Überlagerung des die Bewegung der schwingenden Flüssigkeit beschreibenden
Richtungsvektors mit dem Vektor der angreifenden Kraft ist es dabei möglich, der
Bewegung der Flüssigkeitssäule entgegenzuwirken (gegenphasige Überlagerung) oder
diese zu unterstützen (gleichphasige Überlagerung). Durch die gleichzeitige Variation des
Betrages der einwirkenden Kraft ist somit die Dämpfungswirkung des Lagers innerhalb
bestimmter Grenzen völlig frei einstellbar.
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Das zur Durchführung des Verfahrens geeignete Hydrolager ist wahlweise als Motor- bzw.
Fahrwerkslager oder als Buchsenlager ausgebildet. In an sich bekannter Weise umfasst es
einen elastomeren Tragkörper und ein schwingungsfähiges System, welches von in den
Tragkörper eingeordneten Kammern zur Aufnahme eines fluiden Dämpfungsmittels, deren
als Beulfeder wirkenden Wänden sowie einem oder mehreren die Kammern miteinander
verbindenden Überströmkanälen gebildet wird. In erfindungswesentlicher Weise wird
dabei wenigstens von einem Überströmkanal ein Masseelement aufgenommen, welches
von einer mittels eines Magnetfeldes erzeugten Kraft in dem Überströmkanal verschiebbar
und damit hinsichtlich seiner in Addition zur Rückstellkraft der Beulfedern des
schwingungsfähigen Systems wirksam werdenden Kraft beeinflussbar ist. Der Begriff
Addition bezieht sich dabei auf eine vektororientierte Betrachtung der einander
überlagernden Kräfte und kann insoweit natürlich auch eine betragsmäßige Subtraktion
bedeuten.
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Entsprechend einer praxisgerechten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers
handelt es sich bei dem Masseelement um einen kolbenförmigen Festkörper. Für die
Erzeugung der aus einem Magnetfeld resultierenden Kraft sind unterschiedliche
Möglichkeiten gegeben. Eine besteht darin, dass das Masseelement als ein
weichmagnetischer Festkörper ausgebildet ist, auf den ein Magnetfeld einwirkt, welches
von einem außerhalb des Überströmkanals, in dessen Nähe angeordneten Dauermagneten
oder Elektromagneten erzeugt bzw. generiert wird. Gemäß einer anderen Ausbildungsform
ist das Masseelement ein Permanentmagnet, auf den das Magnetfeld eines anderen
Dauermagneten oder einer stromdurchflossenen Spule einwirkt. Schließlich kann das
Masseelement selbst eine kurzgeschlossene Spule aufnehmen oder als eine solche
ausgebildet sein, wobei vermittels eines veränderlichen äußeren Magnetfeldes eine
Spannung in dieser Spule induziert wird. Durch die Spannung werden in der Spule
Wirbelströme erzeugt, welche ein der jeweiligen Ursache entgegengerichtetes Magnetfeld
um die Spule und damit das Masseelement aufbauen. Das veränderliche äußere Magnetfeld
kann dabei zum Beispiel von einem in den Tragkörper eingelegten und sich bei der
Beanspruchung des Lagers in seiner Lage zur Spule verändernden Permanentmagneten
generiert werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher
erläutert werden. Die zugehörige Fig. 1 zeigt, vergleichbar einem Ersatzschaltbild,
die schematische Darstellung eines Lagers, wobei es zur Erläuterung des
Wirkprinzips der Erfindung nicht von Bedeutung ist, ob es sich dabei beispielsweise
um ein Motorlager mit axial übereinander angeordneten Dämpfungsmittelkammern
oder um ein Buchsenlager mit zumeist radial gegenüberliegenden Kammern handelt.
Das Lager stellt, in dieser Weise betrachtet, eine Art Parallelschaltung zwischen dem
elastomeren Tragkörper 1 - verdeutlicht durch symbolisierte Tragfedern - und dem
schwingungsfähigen System 2, 2', 3, 7, 7' dar, welches zumindest Kammern 2, 2' zur
Aufnahme eines fluiden Dämpfungsmittels, die als Beulfedern 7, 7' wirkenden Wände der
Kammern 2, 2' und einen oder mehrere - im Beispiel einen - die Kammern 2, 2'
verbindenden Überströmkanal 3 umfasst. Auf das Lager einsatzbedingt einwirkende Kräfte
werden in dieses über die Wirkflächen 6, 6' eingetragen. Soweit es sich dabei um
niederfrequente Schwingungen handelt, führen diese in den Kammern 2, 2' zu einer
Volumenänderung, welche eine Veränderung des auf das in den Kammern enthaltene
fluide Dämpfungsmittel wirkenden Drucks nach sich zieht. Allerdings erfolgt bei derart
niedrigen Schwingungsfrequenzen ein sofortiger Druckausgleich zwischen den
Kammern 2, 2', da das Dämpfungsmittel unmittelbar über den Überströmkanal von der
sich in ihrem Volumen verringernden Kammer 2 oder 2' in die jeweils andere Kammer 2'
oder 2 strömt. Das aus den Kammern 2, 2' mit den Beulfedern 7, 7', dem (nicht
erkennbaren) fluiden Dämpfungsmittel und dem Kanal 3 gebildete schwingungsfähige
System 2, 2', 3, 7, 7' trägt dadurch bei auftretenden niederfrequenten Schwingungen im
Grunde nicht zur Dämpfung bei. Die Federung bzw. Dämpfung des Lagers wird bei
derartigen Betriebsbedingungen vielmehr nur durch dessen elastomeren Tragkörper 1
beeinflusst.
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Mit steigender Frequenz der auf das Lager im Betriebszustand einwirkenden
Schwingungen kommt jedoch dem Beitrag des schwingungsfähigen Systems zur
Dämpfung eine zunehmende Bedeutung zu. Dieser Beitrag resultiert aus der von der
Verformbarkeit der Kammerwände bestimmten Federrate der Beulfedern 7, 7', der inneren
Reibung des Dämpfungsmittels bei seiner Bewegung durch den Kanal und aus
Staudruckverlusten, welche beim Hin- und Herschwingen der Flüssigkeit entstehen. Die
Dämpfungscharakteristik und folglich auch die Resonanzfrequenz wird dabei sehr
wesentlich von der sogenannten Kanalmasse bestimmt. Genau hier setzt die Erfindung an.
Bei dem erfindungsgemäßen Lager ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ein Masseelement 4
in den Überströmkanal 3 eingebracht. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich dabei
um einen kolbenartigen Dauermagneten. Mittels eines weiteren in seiner Nähe außerhalb
des Überströmkanals angeordneten Magneten 5 (Dauermagnet oder stromdurchflossene
Spule bzw. Elektromagnet) ist der Kolben aufgrund der magnetischen Anziehungs- oder
Abstoßungskräfte im Kanal 3 berührungslos bewegbar. Dies entspricht dem unmittelbaren
Eintrag einer auf das schwingungsfähige System wirkenden Kraft in den Kanal 3. Der
Richtungsvektor dieser Kraft überlagert sich parallel dem Richtungsvektor der sich im
Kanal 3 bewegenden Flüssigkeit bzw. der dieser Bewegung entsprechenden Kraft. Je nach
dem, ob diese Überlagerung zu einem bestimmten, jeweils betrachteten Zeitpunkt gleich-
oder gegenphasig erfolgt, wird dabei die Wirkung der Beulfeder 7 bzw. 7' verringert
(gleichphasige Überlagerung) oder erhöht (gegenphasige Überlagerung). Sofern der
Krafteintrag durch zeitlich veränderliche, beispielsweise von einem mit einer
Wechselspannung beaufschlagten Elektromagneten generierte Magnetfelder in Richtung
und Betrag wechselt, ist dabei das Dämpfungsverhalten des Lagers nicht nur im Hinblick
auf eine Vorabstimmung, sondern auch dynamisch veränderbar. Der Arbeitspunkt des
Lagers kann somit ohne Veränderung der Kanalgeometrie statisch oder dynamisch, also
auch in Reaktion auf die jeweilige Beanspruchung innerhalb gewisser Grenzen eingestellt
werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die dynamische Steifigkeit weit
oberhalb der Resonanzfrequenz des Hydrolagers- bzw. der Hydrobuchse von der in das
schwingungsfähige System eingetragenen Kraft völlig unbeeinflusst bleibt. Zudem ist ein
weiterer Vorteil darin zu sehen, dass sich bei einem Ausfall der Erregung, also
beispielsweise des Elektromagneten, dessen Magnetfeld auf den Kolben wirkt, dennoch ein
definierter Arbeitszustand einstellt, welcher sich aus der Kanalmasse entsprechend dem
üblichen Aufbau des Lagers zuzüglich der Masse des unbeeinflussten Masseelements
ergibt. Ferner ergeben sich beim Einsatz von Spulen durch den hinsichtlich seines
zeitlichen Verlaufs nahezu beliebig gestaltbaren Spulenstrom vielfältige Möglichkeiten der
Beeinflussung des schwingungsfähigen Systems. Etwaige Führungen oder Gelenke sind
wegen des Fehlens komplizierter bewegter Teile nicht erforderlich. Der Lageraufbau bleibt
dadurch vergleichsweise einfach, was sich in günstigen Gestehungskosten niederschlägt.
Ebenso sind zusätzliche Dichtungen entbehrlich, da besondere Dichtungsmaßnahmen nicht
erforderlich werden. Dies wirkt sich ebenfalls günstig auf die Herstellungskosten aus und
erhöht die Zuverlässigkeit des Lagers.
Bezugszeichenliste
1 elastomerer Tragkörper
2, 2' Kammer
2 Masseelement
3 Kanal
4 Masseelement
5 Magnet (als Permanentmagnet oder Elektromagnet bzw.
stromdurchflossene Spule
6, 6' Wirkfläche
7, 7' Beulfeder