DE10355199A1 - Hydrolager, bei dem ein hydraulischer Anschlag durch eine verschiebbare Bodenplatte mittels magnetorheologischer Flüssigkeit steuerbar ist - Google Patents

Abstract

Es ist bekannt, die elastische Lagerung für Verbrennungsmotoren und Getriebe eines Kraftfahrzeuges an unterschiedliche Betriebszustände anzupassen. Dazu werden im vorliegenden Fall lager mit magnetorheologischer Flüssigkeit eingesetzt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Lager, bei dem die magnetorheologische Flüssigkeit dazu benutzt wirde, die Beweglichkeit einer Ausgleichsmembran (8) der unteren Fluidkammer (9) einzuschränken bzw. zu kontrollieren. Dies geschieht durch eine axial verschiebbare Bodenplatte (11), die mit Hilfe der im Scherungsmodus belasteten magnetorheologischen Flüssigkeit arretiert werden kann. Durch die Variation des in der unteren Fluidkammer (9) zur Verfügung stehenden Volumens kann die Dämpfung bzw. Steifigkeit des Lagers variiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hydrolager mit steuerbarer Dämpfung zur Befestigung von Motoren und Getrieben zur Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs.
• Es ist bekannt, die elastische Lagerung für Verbrennungsmotoren und Getriebe eines Kraftfahrzeuges an unterschiedliche Betriebszustände anzupassen. Dabei sind die Lager zwischen einer hohen Steifigkeit im Extremfall bis zum Blockieren der Federwirkung zur Unterdrückung störender Schwingungen und einer geringen Steifigkeit zum Verhindern des Entstehens störender Geräusche und Vibrationen veränderbar.
• Aus der Patentschrift US 6 412 761 B1 ist ein Hydrolager mit magnetorheologischer Flüssigkeitskammer bekannt, das wie herkömmliche Motorlager aus einem Tragkörper und zwei Flüssigkeitskammern besteht. Beide Flüssigkeitskammern werden durch eine Zwischenplatte getrennt, die elastisch an einem äußeren Ring angebunden ist. Der durch diese Anbindung entstehende und gegenüber den beiden Kammern abgedichtete Zwischenraum enthält die magnetorheologische Flüssigkeit. Ein durch eine Spule erzeugtes Magnetfeld führt zu einer Zunahme der Viskosität in der magnetorheologischen Flüssigkeit und damit zu einer Erhöhung der Steifigkeit der gesamten Lagerung.
• Weiterhin ist aus der Patentschrift US 5 878 997 ein magnetorheologischer Dämpfer mit einem optimierten Magnetkreis bekannt, bei dem zwei Spulen konzentrisch zueinander angeordnet und vollständig von einer magnetorheologischen Flüssigkeit umgeben sind. Die Position und das Magnetfeld der Spulen ist so abgestimmt, dass der magnetische Fluss auf den Raum zwischen den beiden Spulen, der die Form eines Hohlzylinders besitzt, konzentriert wird. Durch die Überlagerung der beiden Spulenfelder entsteht hier eine maximale magnetische Flussdichte. In den anderen Bereichen des Dämpfers heben sich die beiden Magnetfelder teilweise auf. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht in der kurzen Reaktionszeit. Dies wird dadurch erreicht, dass auf eine magnetische Flussführung, die Wirbelstromverluste verursacht, verzichtet werden kann. Geringe Amplituden mit hoher Frequenz, deren Dämpfung bei herkömmlichen Hydrolagern durch die bewegliche Membran in der Zwischenplatte erfolgt, werden mit Hilfe eines Kolbens gedämpft.
• Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 197 17 693 A1 eine steuerbare Stell- und Dämpfungsvorrichtung für ein Motorlager mit magnetorheologischer Flüssigkeit bekannt, bei der die Dämpfung des Systems durch die im Strömungsmodus ausgeführten Aktoren verstellt werden kann. Der Druckraum wird durch eine eingebaute Flügelzellenpumpe mit magnetorheologischer Flüssigkeit versorgt. Der Rückfluss des Fluids in den Vorratsraum und damit die Dämpfung kann mit Hilfe der magnetorheologischen Ventile kontrolliert werden. Ein weiterer Vorteil des Systems besteht darin, dass die Flügelzellenpumpe auch zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden kann. Dabei versetzen mechanische Schwingungen die magnetorheologischer Flüssigkeit in Bewegung, wodurch die Flügelzellenpumpe angetrieben wird.
• Ein weiteres magnetorheologisches Motorlager mit verstellbarer Dämpfung ist aus der Patentschrift US 54 92 312 bekannt. Durch eine Spule wird ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld bewirkt eine Viskositätsänderung der magnetorheologischen Flüssigkeit, wodurch die Dämpfung des Systems variiert werden kann.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 197 11 689 A1 ist weiterhin ein Motorlager bekannt, bei dem durch eine Veränderung der Lagersteifigkeit die Dämpfung an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden kann. Dazu wird eine Kammer mit einer magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllt und mittels eines Elektromagneten eine Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit bewirkt. Als Lösung sind fünf verschiedene Ausführungsformen offenbart. Dabei wird entweder die magnetorheologische Flüssigkeit in den Gummikörper integriert oder über die Flüssigkeit bei anliegenden Magnetfeld eine Kopplung zwischen Lagerkörpern erzeugt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lager zur Befestigung von Antrieben für Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit dem die Schwingungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen eines Kraftfahrzeuges gezielt bedämpft bzw. isoliert werden können.
• Diese Aufgabe wird durch ein Hydrolager mit steuerbarer Dämpfung gemäß den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst.
• Das Lager besteht im Wesentlichen aus zwei strömungstechnisch miteinander verbundene Flüssigkeitskammern, die übereinander angeordnet sind und unterschiedliche Steifigkeiten bzw. Elastizitäten aufweisen: Die Elastizität der oberen Flüssigkeitskammer ist hart ausgelegt, die der unteren dagegen variabel. Diese Variabilität wird durch das Einschränken und Kontrollieren der axial verschiebbaren Bodenplatte mit Hilfe der magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF) erreicht. Durch die Variation des in der unteren Lagerkammer zur Verfügung stehenden Volumens wird die Dämpfung bzw. die Steifigkeit des Lagers variiert. Die magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) kann durch die Betätigung des Elektromagneten in einen festen Zustand versetzt werden und blockiert so die Bodenplatte in ihrer zur Ausgleichsmembran eingenommenen Stellung. Dadurch kann sich die Ausgleichsmembran nur bis zur Bodenplatte ausdehnen und der Dämpfungsgrad des Lagers wird beibehalten. Eine Änderung des Zustands kann erst wieder durch das Ausschalten des oder der Elektromagneten erreicht werden.
• Eine gezielte Reaktion zur Dämpfung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen wird durch den Einsatz eine elektronischen Steuereinheit bewirkt. Um zu erreichen, dass bei bestimmten Betriebsbedingungen eine Dämpfung der Motorschwingungen in einer vorgesehenen Weise erfolgt, müssen ihr Schwingungsdaten von relevanten Bauteilen des Fahrzeuges zugeführt werden. An diesen Teilen, an der Bodenplatte sowie an den Fluidkammern werden Sensoren angebracht und die von diesen empfangenen Signale der elektronischen Steuereinheit zugeführt, in der diese Signale nach einem Programm ausgewertet werden und erforderlichenfalls eine Betätigung des Elektromagneten vorgesehen ist, wodurch die Bodenplatte festgestellt, gelöst oder gebremst wird.
• Bei dieser Lösung werden im Gegensatz zu heute erhältlichen schaltbaren Motorlagern keine elektromechanischen Antriebe oder pneumatische Verbindungen benötigt. Mittel- oder langfristig entfällt jedoch die im Fahrzeug derzeit verwendete Elektropumpe zur Unterdruckerzeugung. Ursächlich hierfür ist, dass Fahrzeugbereiche, die derzeit ebenfalls diese Elektropumpe nutzen, technische Lösungen entwickeln, welche eine Unterdruckerzeugung überflüssig machen. Gegenüber den bekannten Lösungen besteht vor allem in Hinblick auf die Elektropumpe, welche für andere Fahrzeugbereiche mittel- oder langfristig entfallen wird, ein geringerer Energiebedarf, was zu einer Verminderung der CO₂-Emissionen führt. Das gesamte Lager wird leichter und die Kosten dafür sind geringer. Als elektronische Steuereinheit kann der in den Kraftfahrzeugen vorhandene Bordcomputer verwendet werden. Die Reaktionszeiten auf veränderte Betriebsbedingungen sind kurz.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
• 1 einen Längsschnitt durch ein Hydrolager, bei dem zur steuerbaren Dämpfung ein hydraulischer Anschlag durch eine verschiebbare Bodenplatte mittels magnetorheologischer Flüssigkeit steuerbar ist und
• 2 eine vergrößerte Darstellung des Mechanismus.
• Das Hydrolager ist mit weiteren gleichartig ausgebildeten Lagern zur elastischen Befestigung des Antriebsaggregats für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Es soll sich selbsttätig an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen, in dem es durch Überbeanspruchungen hervorrufende Schwingungen durch das Herbeiführen einer hohe Steifigkeit der Federwirkung unterdrückt und störende Geräusche und schädigende Vibrationen durch das Einstellen einer geringen Steifigkeit verhindert.
• Das Hydrolager ist in der Draufsicht kreisförmig ausgebildet und besteht nach 1 aus dem Gehäuseoberteil 1 und dem Gehäuseunterteil 2. Beide Gehäuseteile 1, 2 sind miteinander verschraubt und bilden so eine geschlossenen Hohlkörper. Das Gehäuseoberteil 1 besteht im Wesentlichen aus einem Elastomerkörper 4, einem Befestigungsflansch 3 und einem Gewindebolzen 5.
• Unten wird der Elastomerkörper 4 von einer kreisförmigen Zwischenplatte 6 verschlossen. Der so gebildete Raum wird als obere Fluidkammer 7 bezeichnet. Der von der Zwischenplatte 6 und der Ausgleichsmembran 8 begrenzte Raum bildet die untere Fluidkammer 9. Beide Fluidkammern 7, 9 sind mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt und durch einen in der Zwischenplatte 6 befindlichen Überströmkanal 10 miteinander verbunden. Direkt unter der Ausgleichsmembran 8 ist eine Bodenplatte 11 axial verschiebbar im Gehäuseunterteil 2 angeordnet. Sie wird durch einen sich am Boden des Gehäuseunterteils 2 abstützenden Mechanismus 12 gehalten. Dieser Mechanismus 12 ist in 2 vergrößert dargestellt. Er besteht aus einer äußeren Druckfeder 13, die zwischen dem Boden des Lagers 2 und der Bodenplatte 11 angeordnet ist. Im Inneren der Druckfeder 13 befindet sich ein Elektromagnet 14. Er besteht aus dem im Boden des Gehäuseunterteils 2 eingelassenen Spulenträger 15, der die Spule 16 aufnimmt. Von außen taucht in den Ringspalt 19 eine Scherungshülse 17. Koaxial dazu ist die äußere Flussführung 18 angeordnet. Der Ringspalt 19 zwischen der Scherungshülse 17, der Flussführung 18 und dem Elektromagneten 14 sowie dem Spulenträger 15 ist mit magnetorheologischer Flüssigkeit (MRF) 20 gefüllt.
• Die Steifigkeit der Druckfeder 13 ist so ausgelegt, dass die Bodenplatte 11 bei statischer Belastung des Hydrolagers in ihre obere Ausgangsposition gedrückt wird. Bei der dynamischen Belastung des Lagers wird die Bodenplatte 11 durch den ansteigenden Druck in der unteren Fluidkammer 9 nach unten verschoben. Soll diese zum Erreichen anderer Dämpfungseigenschaften arretiert bzw. deren Position gehalten werden, wird durch den zum Mechanismus 12 gehörenden Elektromagneten 14 ein magnetisches Feld erzeugt. Dies führt zur Ausbildung einer Grenzscherspannung in der magnetorheologische Flüssigkeit 20. Diese wird in der aus der Scherungshülse 17, der äußeren Flussführung 18 und dem Spulenträger 15 mit der Spule 16 bestehenden Einheit im Scherungsmodus belastet. Die Erweiterung des für die Ausgleichsmembran 8 zur Verfügung stehenden Volumens führt zu einer Verringerung der Lagerdämpfung. Die Führung der Bodenplatte 11 erfolgt zwischen ihrem Außendurchmesser und dem Innenzylinder des Gehäuseunterteils 2. Zur Optimierung des magnetischen Kreises bzw. des magnetischen Flusses wird der im Boden des Gehäuseunterteils 2 befestigte Spulenträger 15 aus einem Material gefertigt, dass eine höhere Parmeabilität als das Gehäuseunterteil 2 aufweist. Der mit der magnetorheologischen Flüssigkeit 20 befüllte Raum wird gegenüber dem Freiraum zwischen der Bodenplatte 11 und dem Lagerboden 2 durch einen Faltenbalg 21 abgedichtet. Um den Abfluss magnetorheologischer Flüssigkeit 20 von der Oberseite des Spulenträgers 15 zu gewährleisten, ist dieser dort kegelförmig ausgebildet. In der Unterseite der Bodenplatte 11 ist in einem Ausgleichsraum 22 eine flexible Membran 23 integriert, wodurch die Verringerung des Volumens innerhalb des Faltbalgs 21 bei einer Abwärtsbewegung der Bodenplatte 11 kompensiert wird.
• Da die Bodenplatte 11 gegenüber dem Boden des Gehäuseunterteils 2 eine Relativbewegung ausführt, kann die Scherungshülse 17 und die Flussführung 18 nur maximal so lang wie die lichte Weite der geringsten Entfernung von der Bodenplatte 11 zum Boden des Gehäuseunterteils 2 minus eines Sicherheitsmaßes sein. Bei der Flussführung 18 ist zusätzlich noch das Maß des zusammengeschobenen Faltenbalges 21 abzuziehen.
• Bei einer Einschränkung des zur Ausdehnung der Ausgleichsmembran 8 zur Verfügung stehenden Volumens kommt es im Vergleich zu bekannten Hydrolagern zu einer erhöhen Belastung der Verbindung zwischen der Ausgleichsmembran 8 und dem Lagerkörper. Diesem Umstand wird dadurch entgegen gewirkt, dass die Ausgleichsmembran 8 zwischen dem Gehäuseunterteil 2 und der Zwischenplatte 6 eingeklemmt und durch einen in den Außenring der Ausgleichsmembran 8 integrierten Verstärkungsring 24 stabilisiert wird. Bei der Montage wird die Ausgleichsmembran 8 in diesen Freiraum eingefügt und das Gehäuseunterteil 2 mit dem Gehäuseoberteil 1 unter Einhaltung eines bestimmten Anzugsmoments verschraubt.
• Bei dieser Lösung ist zur gezielten Steuerung der Lagerdämpfung neben den Belastungen des Lagers die Position der Bodenplatte 11 zu erfassen, da bei deren Ausgangsposition eine stärkere Dämpfung erreicht wird. Hingegen muss die Bodenplatte 11 zum Erreichen einer möglichst weichen Lagerung in ihrer unteren Position gehalten werden.
• Bei der konstruktiven Ausbildung des Lagers für einen bestimmten Anwendungsfall ist zu prüfen, ob die Grenzscherspannung der magnetorheologischer Flüssigkeit 20 ausreicht, um die durch den Druck in der unteren Fluidkammer 9 erzeugte Kraft abzustützen. Die Grenzscherspannung der magnetorheologischer Flüssigkeit 20 und damit die Kraft zur Arretierung der Bodenplatte 11 kann durch die Variation der MRF-Spaltengeometrie verändert werden. Hierbei führt eine Vergrößerung des mittleren Spaltendurchmessers zu einer Erhöhung der zur Ausbildung von Kettenstrukturen zur Verfügung stehende Fläche und damit zu einer Erhöhung der Grenzscherspannung. Die Spaltenbreite hingegen ist so gering wie möglich zu halten. Dadurch bilden sich kurze und stark belastbare Ketten.

Claims (5)

1. Hydrolager mit steuerbarer Dämpfung zur Befestigung von Antrieben für Kraftfahrzeuge zur Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Oberteil und einem Unterteil, Befestigungselementen zur Anbindung an die zu lagernden Teile, zwei unterschiedliche Dämpfungsgrade aufweisende Fluidkammern, die voneinander durch eine mit einem Überströmkanal versehene Zwischenplatte getrennt sind und die untere Fluidkammer von einer Ausgleichsmembran abgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (2) ein Lagerboden ist, der aus einem unten geschlossenen Hohlzylinder besteht, unter der Ausgleichsmembran (8), die die untere Fluidkammer (9) begrenzt, eine axial verschiebbare Bodenplatte (11) angeordnet ist, deren Führung die Fläche zwischen ihrer zylindrischen Außenfläche und der Innenfläche des Hohlzylinders des unteren Lagergehäuses (2) ist, in dem Freiraum zwischen der Grundfläche dem unteren Lagergehäuse (2) und der Bodenplatte (11) ein Mechanismus (12) angeordnet ist, der aus einer Druckfeder (13) zum Andrücken der Bodenplatte (11) bei statischer Belastung des Hydrolagers in ihre obere Ausgangsposition besteht, zum Mechanismus (12) weiterhin eine zeitweise in Funktion bringbare Stütze mit einem am Boden des unteren Lagergehäuses (2) befestigten Elektromagneten (14) gehört, der koaxial von einer an der Bodenplatte (11) befestigten Scherungshülse (17) umschlossen wird, eine koaxial in einem Abstand dazu angeordnete, mit dem unteren Lagergehäuse (2) fest verbundene rohrförmige äußere Flussführung (18), die durch einen Faltenbalg (21) bis zur Bodenplatte (11) verlängert wird, der so zwischen der äußeren Flussführung (18) und dem Faltenbalg (21) entstandenen Ringspalt (19) mit magnetorheologischer Flüssigkeit (20) gefüllt ist, die Bodenplatte (11) im Bereich des Mechanismus (12) mit einem Ausgleichsraum (22) mit einer Membran (23) für die magnetorheologische Flüssigkeit (20) versehen ist.
2. Hydrolager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Ausgleichsmembran (8) ein in ihren Außenring integrierten Verstärkungsring (24) vorgesehen ist.
3. Hydrolager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseoberteil (1) und das Gehäuseunterteil (2) nach der Montage mit einem solchen Anzugsmoment miteinander verschraubt werden, dass die Ausgleichsmembran (8) mit ihren Außenring fest in ihrer Lagerung gehalten wird.
4. Hydrolager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der mit der Bodenplatte (11) fest verbundenen Scherungshülse (17) gegenüber dem lichten Maß zwischen dem Boden des Gehäuseunterteils (2) und der Bodenplatte (11) um das Maß der maximal möglichen axialen Bewegung der Bodenplatte (11) plus einem Sicherheitsmaß kleiner ist.
5. Hydrolager nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der mit dem Gehäuseunterteil (2) fest verbundenen Flussführung (18) gegenüber dem lichten Maß zwischen dem Boden des Gehäuseunterteils (2) und der Bodenplatte (11) um das Maß der maximal möglichen axialen Bewegung der Bodenplatte (11) plus dem Maß des zusammengeschobenen Faltenbalges (21) plus einem Sicherheitsmaß kleiner ist.