DE10329954A1

DE10329954A1 - Hydrolager zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse und Verfahren zur Berechnung der auf das Hydrolager wirkenden Vertikalkraft

Info

Publication number: DE10329954A1
Application number: DE2003129954
Authority: DE
Inventors: Frank Heideneich
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hydrolager zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse, insbesondere zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse in einem Kfz, mit einer Verdrängerkammer. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hydrolager bereitzustellen, über das die auf das Lager einwirkenden Kräfte, insbesondere Vertikallasten, zuverlässig bestimmt werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass an dem Hydrolager (1) ein mit der Verdrängerkammer (3) in Verbindung stehender Drucksensor (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrolager zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse, insbesondere zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse in einem Kraftfahrzeug, mit einer Verdrängerkammer. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Berechnung der Vertikalkraftkomponente, die auf ein solches Hydrolager ausgeübt wird.

Hydrolager sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt, wobei die Hauptaufgabe bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen in der Schwingungsisolierung zwischen der Antriebseinheit und dem Fahrzeug liegt. Ein Beispiel eines solchen Hydrolagers ist in der DE 196 17 840 A1 beschrieben.

Aus der DE 100 52 248 C1 ist ein System zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse bekannt, bei dem ein Gummilager ein Elastomerbauteil aufweist, über das die Masse gegenüber einer Basis schwingungsfähig gelagert ist. Ein Sensor mit einem Sensorelement ist zumindest teilweise in dem Elastomerbauteil des Lagers eingebettet und ermöglicht die Messung der auf das Lager einwirkenden Kräfte.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Hydrolager bereitzustellen, über das die auf das Lager einwirkenden Kräfte, insbesondere Vertikallasten, zuverlässig bestimmt werden können.

Über die Bestimmung der auf das Lager einwirkenden Vertikalkräfte wäre es möglich, das Fahrwerk situtationsabhängig zu verändern, beispielsweise indem ein Lager steifer oder nachgiebiger gestaltet wird. Ebenfalls ist es möglich, auf der Grundlage der berechneten Vertikalkräfte an der Vorderachse die Radlastverteilung zu bestimmen, wodurch beispielsweise die Bremskraftverteilung in Abhängigkeit von der auf die Räder wirkenden Vertikalkraft eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Drucksensor mit einer Verdrängerkammer des Hydrolagers gekoppelt ist, der den Druck innerhalb der Verdrängerkammer mißt. Über den gemessenen Druck kann über verschiedene Auswerte- und Rechenverfahren die Vertikallast des jeweiligen Hydrolagers bestimmt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Drucksensor unmittelbar in der Verdrängerkammer angeordnet ist, das heißt, dass zumindest ein Teil des Drucksensors in die Verdrängerkammer hineinragt oder einen entsprechenden Wandungsabschnitt der Verdrängerkammer ausbildet.

Vorteilhafterweise ist der Drucksensor in einer Gummifeder bzw. einem Gummikörper des Hydrolagers angeordnet. Dabei ist es vorgesehen, dass der Drucksensor entweder einvulkanisiert, eingeschraubt oder eingepresst wird, um so den Drucksensor sicher und geschützt festzulegen.

Üblicherweise weist ein Hydrolager an der Oberseite der Verdrängerkammer eine Einrichtung zur Aufnahme der schwingungsfähigen Masse auf, die üblicherweise aus Metall gefertigt ist. Diese Aufnahmeeinrichtung bildet an der der Verdrängerseite zugeordneten Seite die Krafteinleitungsfläche aus, über die von der gelagerten Masse aufgenommene Kräfte an die in der Verdrängerkammer eingeschlossene Flüssigkeit weitergegeben werden. Eine Anbringung des Drucksensors als Alternative zu der Anbringung in der Gummifeder ist in der Aufnahmeeinrichtung möglich, wobei der Drucksensor in der Aufnahmeeinrichtung eingeschraubt oder in diese eingepresst ist. Vorteilhafterweise bildet der Drucksensor einen bündigen Abschluss mit der Aufnahmeeinrichtung auf Seiten der Verdrängerkammer.

Zur Auswertung der von dem Drucksensor aufgenommenen Größen ist eine Recheneinheit vorgesehen, die mit dem Drucksensor gekoppelt ist und in der über verschiedene Rechenalgorithmen die auf das Hydrolager wirkende Vertikalkraftkomponente ausgerechnet wird.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein System zur Lagerung schwingungsfähiger Massen, insbesondere zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse in einem Kraftfahrzeug, bei dem eine schwingungsfähige Masse gegenüber einer Basis über ein Hydrolager gelagert ist, wobei in der Verdrängerkammer des Hydrolagers ein Drucksensor angeordnet ist oder ein Drucksensor mit der Verdrängerkammer in Verbindung steht, beispielsweise über einen entsprechenden Druckkanal.

Das Verfahren zur Ermittlung der auf das Lager einwirkenden Vertikalkraft sieht vor, dass auf der Grundlage des ermittelten Druckes innerhalb der Verdrängerkammer ein Kräftegleichgewicht, die Volumenänderung des Hydrolagers sowie die Beschleunigung der Flüssigkeit in einem Hydro-Kanal ermittelt wird und in Verbindung mit der bekannten, statischen Last auf das Lager die Vertikalkraft ausgerechnet wird.

Zusätzlich ist es möglich, dass über die Volumenänderung und die Beschleunigung der Flüssigkeit im Hydro-Kanal auf der Grundlage des gemessenen Verdrängerkammerinnendruckes die Vertikalkraft-komponente errechnet wird.

Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 – eine Schnittansicht durch ein Hydrolager;
2 – ein Ersatzschaltbild des Hydrolagers; sowie
3 – ein Blockschaltbild zur Ermittlung der auf das Lager einwirkenden Vertikalkraft.
1 zeigt in Querschnittsansicht ein Hydrolager 1, das beispielsweise als ein hydraulisches Federbeinkopflager ausgestaltet sein kann. Für den Fall eines hydraulischen Federbeinkopflagers wäre eine andere konstruktive Ausgestaltung vorhanden. Das dargestellte Hydrolager 1 weist eine Verdrängerkammer 3 auf, die über einen Hydro-Kanal 7 mit einer Ausgleichskammer 8 verbunden ist. Der Hydro-Kanal 7 ist in einer im wesentlichen steifen Trennplatte 6 ausgebildet, die die Verdrängerkammer 3 von der Ausgleichskammer 8 trennt. Die Verdrängerkammer 3 wird durch die Trennplatte 6 und die Gummifeder ausgebildet, die einen kegelstumpfförmigen Innenraum ausgebildet, wobei im oberen Abschnitt der Gummifeder 4 eine Aufnahmeeinrichtung 5 einvulkanisiert ist. Die Aufnahmeeinrichtung 5 bildet den oberen Abschluss der Verdrängerkammer 3 und die Unterseite der Aufnahmeeinrichtung 5 bildet die Wirkfläche 15, über die Kräfte in die Verdrängerkammer 3 übertragen werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist innerhalb der Aufnahmeeinrichtung 5 ein Drucksensor 2 angeordnet, vorzugsweise eingeschraubt, wobei der Drucksensor 2 in die Verdrängerkammer 3 hineinragt und dort den Innendruck mißt. Alternativ zu dem Hineinragen in die Verdrängerkammer 3 ist es vorgesehen, dass der Drucksensor 2 einen bündigen Abschluss mit der Wirkfläche 15 der Aufnahmeeinrichtung 5 bildet. Ebenfalls kann der Drucksensor 2 zurückgesetzt über einen Strömungskanal mit der Verdrängerkammer 3 verbunden sein.
Eine Alternative sieht vor, dass der Drucksensor in der Gummifeder 4 einvulkanisiert, eingeschraubt oder eingepresst ist und entweder einen bündigen Abschluss mit der Wandung der Gummifeder 4 bildet, in den die Verdrängerkammer 3 hineinragt oder über einen entsprechenden Kanal mit der Verdrängerkammer 3 gekoppelt ist.
Von dem Drucksensor 2 führen Kabel 9 zu einer nicht dargestellten Recheneinheit, in der die ermittelten Daten ausgewertet werden. Anhand des gemessenen Innendruckes der Verdrängerkammer 3 ist es möglich, die Vertikalkraftkomponente zu ermitteln, die auf das Hydrolager 1 wirkt. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit wird das Verfahren zur Ermittlung der auf das Hydrolager einzuwirkenden Vertikalkraft anhand des in der 2 dargestellten Ersatzschaltbildes erläutert.
In der 2 ist das Ersatzschaltbild des Hydrolagers gemäß der 1 dargestellt, bei der die Federsteifigkeit der Gummifeder 4 mit dem Bezugszeichen c bezeichnet ist. Ein Kräftegleichgewicht ergibt sich, wenn bei bekannter statischer Last F₀ auf das Hydrolager 1 und bekannter Federsteifigkeit c sowie der bekannten Wirkfläche 15 der Krafteinleitung sowie der Einfederung x des Hydrolagers 1 die Vertikalkraft F ermittelt werden kann. Die Formal dazu lautet: F = F0 + c·x + A·Pi, wobei A die Wirkfläche 15 der Krafteinleitungsfläche darstellt. Aus der Summe der statischen Last F₀, dem Produkt der Federsteifigkeit c, der Gummifeder 4 und der Einfederung x des Hydrolagers 1 sowie dem Produkt der Wirkfläche A mit dem gemessenen Innendruck P_i der Verdrängerkammer 3 kann die Vertikalkraftkomponente F berechnet werden.
Ebenfalls ist es möglich, die Volumenänderung der Verdrängerkammer zu berechnen, indem die Summe aus dem Produkt des Integrals des Volumenstroms durch den Hydro-Kanal 7 mit der Querschnittsfläche a des Hydro-Kanals 7 und dem Produkt der Volumennachgiebigkeit mit dem Innendruck P_i der Verdrängerkammer 3 gebildet wird. Die Formel lautet: A·x =ξ·a + χ·Pi.
ξ ist dabei das Integral des Volumenstromes durch den Hydro-Kanal 7 über die Zeit ist, a die Querschnittsfläche des Hydro-Kanals 7 und χ die Volumennachgiebigkeit dv über dp ist.
Die Beschleunigung der Flüssigkeit im Hydro-Kanal 7 kann gemäß der Formel L·τ·ξ = Pi ermittelt werden, wobei L die Länge des Hydro-Kanals 7 ist, τ die Dichte des Fluids ist und ξ die zweifache Ableitung von ξ nach der Zeit ist.
Auf der Grundlage der oben genannten Berechnungsschritte kann das Verfahren zur Ermittlung der Vertikalkraftkomponente F gemäß dem Blockschaltbild der 3 zusammengefaßt werden.
Bei einem bekannten Gesamtgewicht des Fahrzeuges bzw. der schwingungsfähigen Masse und bei mehrfacher Lagerung mit Hydrolagern 1 kann eine Kraftverteilung auch bei dynamischen Systemen ermittelt werden. Für den Fall eines Fahrzeuges können die Vertikalkräfte der Vorderachse und damit die Radlastverteilung über das Kräftegleichgewicht in vertikaler Richtung ermittelt werden, wobei Fvorne = m·g – Fhinten ist.
Der Einbau eines Drucksensors 2 ist praktisch in jedem Hydrolager 1 möglich. Die Position des Drucksensors 2 kann an beliebiger Stelle in der Verdrängerkammer 3 des Hydrolagers 1 angeordnet sein, wobei die fertigungstechnischen Randbedingungen Berücksichtigung finden. Eine mögliche Anwendung eines Hydrolagers 1 besteht als Einsatz eines Federbeinkopflagers.

Claims

Hydrolager zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse, insbesondere zur Lagerung einer schwingungsfähigen Masse in einem Kfz, mit einer Verdrängerkammer, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hydrolager (1) ein mit der Verdrängerkammer (3) in Verbindung stehender Drucksensor (2) angeordnet ist.
Hydrolager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (2) in der Verdrängerkammer (3) angeordnet ist.
Hydrolager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (2) in einer Gummifeder (4) des Hydrolagers (1) einvulkanisiert, eingeschraubt oder eingepresst ist.
Hydrolager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (2) in eine Aufnahmeeinrichtung (5) für die schwingungsfähige Masse eingeschraubt oder eingepresst ist.
Hydrolager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (5) aus Metall gefertigt ist.
Hydrolager nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit mit dem Drucksensor (2) zur Ermittlung der auf das Hydrolager (1) wirkenden Vertikalkraft gekoppelt ist.
Lagerungssystem mit einer schwingungsfähigen Masse, die gegenüber einer Basis an zumindest einem Hydrolager (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche gelagert ist.
Verfahren zur Berechnung der auf das Hydrolager (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche wirkenden Vertikalkraft, bei dem die Summe aus der auf das Hydrolager (1) wirkenden statische Last mit dem Produkt aus der Einfederung x des Hydrolagers (1) und der Federsteifigkeit c der Gummifeder (4) und mit dem Produkt aus der Wirkfläche A der Krafteinleitungsfläche mit dem gemessenen Innendruck P_i in der Verdrängerkammer (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfederung x berechnet wird indem die Summe aus dem Produkt des Integrals des Volumenstromes durch den Hydrokanal (7) mit der Querschnittsfläche a des Hydrokanals (7) und dem Produkt der Volumennachgiebigkeit mit dem Verdrängerkammerinnendruck P_i gebildet wird und diese Summe durch die Wirkfläche A geteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral des Volumenstromes aus dem Quotienten aus dem gemessenen Druck P_i und dem Produkt der Länge L die Länge des Hydro-Kanals 7 mit der Dichte τ des Fluids und zweimaliger Integation über die Zeit ermittelt wird.