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Die Erfindung betrifft eine Entkopplungseinrichtung für ein Hydrolager, insbesondere für ein Motorlager, mit einem von Membranen eingeschlossenen Volumen einer elektrorheologischen Flüssigkeit, die über der Flüssigkeit zugeordnete Elektroden in ihrer Viskosität veränderbar ist, und die Elektroden als Gitterelektroden ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Hydrolager mit einer solchen Entkopplungseinrichtung.
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Hydrolager sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt, wobei die Hauptaufgabe bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen in der Schwingungsisolation zwischen der Antriebseinheit und dem Fahrzeug liegt. Die Funktionalität eines solchen Hydrolagers im Hinblick auf das Übertragungsverhalten mechanischer Schwingungen ist immer ein Kompromiß und wird durch eine Vielzahl konstruktiver Parameter festgelegt, die unter Betriebsbedingungen in aller Regel nicht mehr veränderbar sind.
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Bei Hydrolagern ist es bekannt, Entkopplungsmembranen zur akustischen Entkopplung vorzusehen, die in einer Zwischenplatte angeordnet sind und eine Arbeitskammer von einer Ausgleichskammer trennt, wobei die Arbeitskammer mit der Ausgleichskammer über einen Überstromkanal verbunden ist.
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Eine Entkopplungseinrichtung mit einem von Membranen eingeschlossenen Volumen einer elektrorheologischen Flüssigkeit ist aus der
DE 196 17 840 A1 bekannt. Die Elektroden sind dabei als eine innen liegende Membranplatte und ringförmige Steuerelektroden ausgebildet. Die Membranplatte mit der Entkopplungsmembran ist an ihrem Außenumfang in einem ringförmigen Rollbalg gelagert, der aus einem leitfähigen Gummimaterial besteht. Durch Anlegen einer Spannung kann die elektrorheologische Flüssigkeit in ihrer Viskosität verändert werden, was zu einer veränderten Steifigkeit der Entkopplungseinrichtung und damit zu einem veränderten Schwingungsverhalten des Hydrolagers führt.
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Aus der
EP 0 271 848 B1 ist eine Entkopplungseinrichtung für ein hydraulisch dämpfendes Motorlager mit einem von Membranen eingeschlossenen Volumen einer elektrorheologischen Flüssigkeit bekannt. Die Elektroden sind dabei als Siebplatten aus einem Drahtgewebe ausgebildet.
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Aus der
US 4,720,087 A ist ein Motorlager mit einer Entkopplungseinrichtung bekannt, die einen ersten und einen zweiten von Membranen eingeschlossenen Raum mit elektrorheologischer Flüssigkeit aufweist. Die Elektroden sind senkrecht zu der Erstreckungsebene der Membranen angeordnet und in dem ersten Raum gitterförmig und in dem zweiten Raum spiralförmig ausgebildet.
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Aus der
JP 03 168 437 A ist ebenfalls ein Hydrolager mit einer Entkopplungseinrichtung bekannt. Die in einer Kammer angeordneten Elektroden sind als Elektrodenplatten ausgebildet.
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Nachteilig an der bekannten Ausgestaltung ist der hohe konstruktive Aufwand und die hohe notwendige Spannung, die zur Veränderung der Viskosität aufgebracht werden muss.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Entkopplungseinrichtung bereitzustellen, die einfach, billig und unkompliziert zu fertigen ist und eine geringe Komplexität aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Elektroden in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu der Erstreckungsebene der Membranen ausgerichtet ist, und als Interdigitalelektroden ausgebildet sind, deren Finger sich kreuzend ausgerichtet sind, und das Volumen der Flüssigkeit dergestalt bemessen ist, dass bei ausgeschalteten Elektroden ein Aufliegen einer Membran auf einer Elektrode bei Ausübung eines Druckes auf die Membran möglich ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Gitterelektroden können bei der Entkopplungseinrichtung hohe Durchflußquerschnitte und eine große Elektrodenfläche realisiert werden, um große Schalteffekte über einen weiten Frequenzbereich zu erzeugen, was mit wenigen Bauteilen zu realisieren ist. Weiterhin kann durch eine einfache Abstimmung der Elektrodenabstände, der Elektrodenfläche und der Elektrodendichte die Entkopplungseinrichtung und damit das gesamte Hydrolager einfach eingestellt werden.
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Ferner sieht die Erfindung vor, dass die zwischen den Membranen angeordneten, in elektrorheologischer Flüssigkeit befindlichen Elektroden als Interdigitalelektroden ausgebildet sind, deren Finger sich kreuzend ausgerichtet sind, was zu einer Erhöhung des Durchflußquerschnittes führt.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Volumen der elektrorheologischen Flüssigkeit dergestalt bemessen ist, dass bei ausgeschalteten Elektroden ein Aufliegen einer Membran auf einer Elektrode bei Ausübung eines bestimmten Druckes auf die Membran möglich ist, so dass eine passive Versteifung der Entkopplungseinrichtung durch das Aufliegen der bzw. einer Membran auf den Gitterelektroden bewirkt wird.
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Vorteilhafterweise sind die Gitterelektroden spiegelsymmetrisch ausgebildet, was die Bauteilevielfalt reduziert. Indem senkrecht zu deren Erstreckungsebene elastisch ausgebildete oder elastisch gelagerte Membranen in der Entkoppplungseinrichtung vorgesehen werden, kann das benötigte Volumen der elektrorheologischen Flüssigkeit stark reduziert werden, da das gesamte Hydrolager nicht mehr vollständig mit der elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt werden muss. Die Membranen bestehen dabei aus einer nicht leitenden oder nur gering leitenden Gummimischung, so dass mit dieser Ausführung das übrige Hydrolager mit einer Standardflüssigkeit gefüllt werden kann, ohne dass eine besondere Materialwahl beachtet werden muss.
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Die erfindungsgemäße Entkopplungseinrichtung kann als Baugruppe vorgefertigt werden und in einem Standard-Arbeitsprozeß zum Zusammenbau des Hydrolagers montiert werden. Dadurch werden sowohl materialseitig als auch prozeßseitig Kosten gespart.
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Vorteilhafterweise sind die Kontakte der Elektroden als Steckeraufnahmen ausgebildet, die aus einem die Membranen und die Gitterelektroden aufnehmenden Gehäuse herausgeführt sind und einfach über eine Steckverbindung während der Montage mit einer Hochspannungsquelle und einem geeignetem Steuermechanismus oder Regler verbunden werden können. Zur Steuerung werden entsprechende Sensorsignale oder Motorsteuersignale verwendet, um frequenz- und amplitudenabhängig das Motorlager steuern zu können.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die Elektroden in einem Abstand von 0,1 mm bis 10 mm zueinander angeordnet sind und dass gegebenenfalls eine Vielzahl an Elektroden übereinander angeordnet sind. Dies hängt von der Größe der Entkopplungseinrichtung, des zu schaltenden Volumens und der gewünschten Schnelligkeit des Schaltvorganges ab.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 – einen prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise eines Hydrolagers mit Entkopplungseinrichtung;
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2 – eine Gesamtansicht einer Entkopplungseinrichtung im zusammengebauten Zustand;
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3 – eine Explosionszeichnung einer Entkopplungseinrichtung; sowie
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4 – eine Schnittdarstellung durch eine zusammengebaute Entkopplungseinrichtung.
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In der 1 ist in der linken Darstellung ein Hydrolager 1 dargestellt, das als Motorlager verwendet wird und das statische und dynamische Kräfte, die in Pfeilrichtung wirken, aufnehmen kann. Das Hydrolager 1 hat eine oben angeordnete Arbeitskammer und eine darunter angeordnete Ausgleichskammer, die mit einer hydraulischen Flüssigkeit 8 gefüllt ist. Die Arbeitskammer und die Ausgleichskammer sind lediglich durch einen Ausgleichskanal 7 dergestalt miteinander verbunden, dass ein Stoffaustausch möglich ist. Weiterhin ist in der Trennwandung zwischen der Arbeitskammer und der Ausgleichskammer eine Entkopplungseinrichtung 10 angeordnet, die bei entsprechender Ausgestaltung und kleinen Amplituden, z. B. kleiner als 0,1 mm, mitschwingt und somit von der Wirkungsweise als ein zweiter Durchflußkanal ausgebildet ist. Der Steifigkeitsanstieg innerhalb des Hydrolagers 1 erfolgt erst bei relativ hohen Frequenzen, z. B. größer als 150 Hz. Ein solcher Verlauf der dynamischen Steifigkeit über die Frequenz im ungeschalteten Motorlager 1 ist in der rechten oberen Darstellung der 1 dargestellt.
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Bei relativ großen Amplituden, z. B. größer als 0,5 mm, erfolgt der Steifigkeitsanstieg im Hydrolager 1 typischerweise sehr tieffrequent, also bereits unterhalb von 50 Hz, da die Entkopplungseinrichtung 10 bei hohen Amplituden an ihren Anschlägen anliegt und somit einen weiteren Ausgleich von Arbeitskammer und Ausgleichskammer verhindert. Dies wirkt so, als ob ein Durchflußkanal verschlossen wird. Dies ist gewünscht, da man normalerweise eine große Steifigkeit im tieffrequenten Bereich nur bei großen Amplituden benötigt, nicht jedoch bei kleinen. Typischerweise wird die Frequenz des Anstiegs der Steifigkeit und die damit in Verbindung stehende Dämpfung im Hydrolager 1 durch den Ausgleichskanal 7 mit festgelegt. Der Verlustwinkel und die dynamische Federrate in einem geschalteten Motorlager, also bei versteifter Entkopplungseinrichtung 10, ist in der unteren rechten Darstellung der 1 in der durchgezogenen Linie gezeigt.
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Der einfache Aufbau und die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Entkopplungseinrichtung 10 ist in der 2 dargestellt, die in Schrägdraufsicht das scheibenförmige Gehäuse 6 mit zwei herausgeführten Kontakten 5 und einer auf der Oberseite angeordneten Membran 2 zeigt. Die Entkopplungseinrichtung 10 wird in eine entsprechende Aufnahme des Hydrolagers 1 eingesetzt, die elektrischen Kontakte 5 werden angeschlossen und die als formatierte Baueinheit lieferbare Entkopplungseinrichtung 10 kann schnell und einfach eingebaut werden.
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In der 3 ist in Explosionsdarstellung der Aufbau der Entkopplungseinrichtung 10 dargestellt, die zwei Gehäuseteile 6, zwei Membranen 2, zwei elektrische Kontakte 5 und insgesamt drei Elektroden 4 aufweist, die als Gitterelektroden ausgebildet sind, wobei das mittig angeordnete Ladungselement 4 zwischen zwei Ladungsträgern 4 angeordnet ist.
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Zwischen den Membranen 2 sind die Elektroden 4 und die elektrischen Kontakte 5 angeordnet und bilden zusammen mit dem Gehäuse 6 ein Volumen 3, das in der 4 dargestellt ist, das mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt ist. Durch Anlegen einer Spannung über die Kontakte 5 kann die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit innerhalb des Volumens 3 verändert werden, wodurch sich die Steifigkeit der Entkopplungseinrichtung 10 insgesamt ändert, was zu einem veränderten Steifigkeitsverhalten des gesamten Motorlagers 1 führt. Diese Schaltung kann sowohl frequenz- als amplitudenabhängig ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß sind die Elektroden 4 als elektrische Rechen, sogenannte Interdigtialelektroden, ausgebildet, die aus identischen Bauhälften gefertigt sind, so dass eine einfache Herstellung gewährleistet ist. Die Elektroden 4 sind so gefertigt, dass sie einen möglichst großen Durchfluß im ungeschalteten Zustand ermöglichen, wodurch der dynamische Anstieg im Motorlager 1 erst bei hohen Frequenzen eintritt und der Schaltbereich somit höher ist. Die Höhe des Elektrodenpaketes liegt zwischen 1 mm und 100 mm, vorzugsweise bei 5 mm bis 20 mm, wobei die Elektroden 4 möglichst eben sind, um die Ausbildung eines möglichst homogenen Feldes zu ermöglichen. Um Spannungsspitzen zu vermeiden, sind die Elektroden 4 an den Kanten abgerundet. Als Elektrodenmaterial kann jedes leitende Material eingesetzt werden, vorzugsweise jedoch Metall und darunter vorzugsweise nichtrostender Stahl.
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Die elektrischen Kontakte 5 der Elektroden 4 sind als flache Elektrodenlitzen nach außen geführt, wobei das Gehäuse 6 aus einem nicht leitenden Kunststoff besteht.
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In der 4 ist gezeigt, dass die Membranen 2 in Pfeilrichtung elastisch ausgebildet oder elastisch gelagert sind und dass der Befüllungsgrad des Volumens 3 dergestalt ausgebildet ist, dass auch im ungeschalteten Zustand, also bei nicht angelegter Spannung, bei entsprechenden Amplituden und Frequenzen eine Membran 2 auf der Gitterelektrode 4 aufliegen kann, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Das Volumen 3 ist somit nicht prall mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllt, sondern nur so weit, dass bei hohen Amplituden die Membranen 2 jeweils auf den Gitterelektroden 4 aufliegen. Dadurch wird ein Steifigkeitsanstieg des Hydrolagers 1 schon bei geringen Frequenzen erreicht, ohne dass eine Schaltung erforderlich ist.
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Mit einer entsprechenden Ansteuerelektronik bietet sich nun die Möglichkeit, während des Fahrbetriebes und in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrzuständen die Frequenz des Steifigkeitsanstieges sowie die Abhängigkeit von der Amplitudengröße einzustellen. So kann man beispielsweise erst im hochfrequenten Bereich die Steifigkeit ansteigen lassen, indem an die Elektroden 4 eine entsprechende Spannung angelegt wird, wobei die Abhängigkeit von der Amplitude durch das Einstellen verschiedener Viskositäten der elektrorheologischen Flüssigkeit erfolgt.
