DE19807340A1 - Elastisches Lager für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Lager für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Fahrverhalten und der Fahrkomfort eines Kraftfahrzeuges wird entscheidend durch das Fahrwerk mit den zugehörigen Schwingungsdämpfern und Aufbaufedern bestimmt. Neben diesen Elementen beeinflussen auch die Lager an den Verbindungspunkten Fahrwerk und Karosserie das Fahr- und Akustikverhalten des Gesamtfahrzeuges.

Meist werden elastische Lager eingesetzt die im einfachsten Fall aus einem Elastomerkörper bestehen und vorwiegend zur Schwingungsisolierung dienen. Die Hauptkraftwirkung auf die Lager ist hierbei durch die Lenkergeometrie des Fahrwerks vorgegeben. Neben Zug- oder Druckspannungen treten auch Schubspannungen auf. Durch Auswahl des Elastomers und seiner Gestalt (z. B. Nierenlager) ist die Steifigkeit des Lagers festgelegt. Um unterschiedliche Steifigkeiten in den verschiedenen Belastungsrichtungen zu erhalten, weisen die Elastomerkörper häufig Hohlräume auf, die z. B. mit Metalleinlagen gefüllt sind. Die Steifigkeit des Lagers beeinflußt unter anderem auch die Übertragung von Schwingungen auf die Karosserie und damit die Akustik des Fahrzeuges.

Ein Nachteil bei den bekannten Lagern ist, daß die einmal gewählte Steifigkeit im nachhinein nicht mehr veränderbar ist; Werden unter­ schiedliche Steifigkeiten z. B. für sportliches bzw. komfortbetontes Fahren benötigt, so müssen die Lager aufwendig ausgetauscht werden.

Weiterhin sind hydraulische Lager bekannt. Diese Lager weisen eine oder mehrere Hohlräume auf, die über ein oder mehrere Drosselkanäle mit­ einander verbunden sind. Als Funktion der Anregungsfrequenz zeigen diese Lager ein Resonanzverhalten in der Dämpfung und ein Stufenverhalten in der Steifigkeit.

Durch Änderung der Drosselkanäle läßt sich der Grad der Dämpfung verändern. Dabei verschiebt sich gleichzeitig auch die Resonanzfrequenz des Lagers. Unterhalb der Resonanzfrequenz besitzt dieses Lager eine geringe Steifigkeit, oberhalb der Resonanzfrequenz dagegen eine große Steifigkeit. Dieses Verhalten wird auch als dynamische Verhärtung bezeichnet. Der Anstieg der Steifigkeit ist im Bereich der Resonanzfrequenz etwa stufenförmig. Solche Änderungen der Steifigkeit wirken sich auch negativ auf das Akkustikverhalten des Fahrzeugs aus. Die statische Steifigkeit, d. h. die Steifigkeit bei relativ langsamen Bewegungen unterhalb der Resonanzfrequenz, läßt sich mit Hilfe dieser Lager nicht oder nur geringfügig verändern.

Aus der DE-OS 39 12 058 ist ein elastisches Lager bekannt, bei dem eine elektroviskose Flüssigkeit eingesetzt wird. Durch Variation der Viskosität über die angelegte Spannung, läßt sich das Dämpfverhalten des Lagers in gewissen Grenzen variieren. Bei diesem Lager wird hauptsächlich die Dämpfung verändert mit den bereits oben angesprochenen Auswirkungen auf die Steifigkeit und Akustik. Auch mit diesem Lager läßt sich die statische Steifigkeit nicht variieren. Außerdem sind die teilweise notwendigen hohen Spannungen sicherheitsproblematisch. Die aufwendigen elektrischen Einrichtungen verursachen zudem einen permanenten Energieverbrauch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elastisches Lager für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere eine Variation der statischen Steifigkeit erlaubt, das zudem einfach und kostengünstig herstellbar ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem elastischen Lager mit einem Elastomerkörper in der Verbindungsleitung, die den fluidgefüllten Hohlraum des Elastomerkörpers mit einem Ausgleichsbehälter verbindet, ein ansteuerbares Ventil vorzusehen und den Querschnitt Q der Verbindungsleitung so zu wählen, daß auf das strömende Fluid kaum oder nur eine geringe Drosselwirkung ausgeübt wird.

Durch Öffnen bzw. Schließen des Ventils läßt sich die statische Steifigkeit des Lagers erheblich ändern.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Da herkömmliche Lager im allgemeinen sehr kompakt ausgebildet sind, ist es vorteilhaft den Ausgleichsbehälter sowie die Verbindungsleitung mit dem Ventil räumlich getrennt vom Elastomerkörper und damit vom eigentlichen Lager anzuordnen. Dadurch kann die Größe des Ausgleichsbehälters im Prinzip beliebig gewählt werden. Außerdem steht für das Ventil und der entsprechenden Ansteuerung genügend Bauraum zur Verfügung.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elastischen Lagers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Fig. 2 Schnitt durch einen Elastomerkörper eines erfindungsgemäßen Lagers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Das elastische Lager 1, das an einem nicht näher dargestellten Verbindungspunkt Fahrwerk-Karosserie z. B. an einem Federbein angeordnet ist, weist ein Elastomerkörper 3 mit einem Hohlraum 5 auf. Die Hauptkraftrichtung auf das Lager 1 ist mit F bezeichnet. Schubkräfte sind nicht eingezeichnet und berücksichtigt. Die Höhe S des Elastomerkörpers 3 und damit das Volumen des Hohlraums 5 ändert sich bei einer Krafteinwirkung. Zum Ausgleich solcher Volumenänderungen ist der Hohlraum 5 über eine äußere Verbindungsleitung 7 mit einem Ausgleichsbehälter 9 verbunden, der räumlich getrennt vom Elastomerkörper 3 und damit vom eigentlichen Lager angeordnet ist. In die Verbindungsleitung 7 ist ein ansteuerbares Ventil 11 eingesetzt.

Der Ausgleichsbehälter 9, die Verbindungsleitung 7 sowie der Hohlraum 5 sind mit einem Fluid 22 gefüllt. Der Querschnitt Q der Verbindungsleitung 7 ist so gewählt, daß auf das in ihr strömende Fluid 22 kaum oder nur eine geringe Drosselwirkung ausgeübt wird.

Bei dem Fluid 22 kann es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Gas z. B. Luft handeln.

Im Ausgleichsbehälter 9 ist eine Membran 15 vorgesehen, die den Fluidraum abgrenzt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 15 befindet sich ein Druckraum 21, in dem der Membrandruck P_o herrscht. Beim Einsatz gleicher gasförmiger Medien auf beiden Seiten der Membran 15 kann die Membran 15 auch entfallen.

Bei geöffnetem Ventil 11 fließt das Fluid 22 zwischen Hohlraum 5 und Ausgleichsbehälter 9 hin- und her. Das System stellt eine Fluidfeder 20 dar, deren Eigenschaft im wesentlichen durch die Kraftwirkung PM der Membran 15 und den Membrandruck P_o, sowie die Masse des schwingenden Fluids festgelegt ist. Zu beachten ist, daß die Resonanzfrequenz dieser Fluidfeder 20 über der Radeigenfrequenz von ca. 15 Hz liegt. Dies wird einerseits durch das geringe Volumen der Verbindungsleitung 7 und der insgesamt geringen Gesamtmasse des Fluids 22 und andererseits durch die Nachgiebigkeit der Membran 15 bewirkt. Für ein geringes Volumen wäre eine kurze dünne Verbindung am sinnvollsten. Bei zu geringem Querschnitt treten aber Drosseleffekte auf. Die Strömungskanäle bekannter hydraulischer Lager sind etwa fingerdick, nennenswerte Drosseleffekte treten aber erst bei Kanaldurchmesser kleiner 1 mm auf. Für das erfindungsgemäße Lager sollte der Querschnitt Q etwa 3 bis 5 mm betragen. Je größer die Gesamtmasse ist, desto niedriger liegt die Eigenfrequenz des Systems. Je kleiner die Nachgiebigkeit bzw. größer die Steifigkeit der Membran 15 ist, desto höher liegt die Eigenfrequenz des Systems. Durch einen ausreichend großen Querschnitt Q der Verbindungsleitung 7 wird gleichzeitig erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 22 relativ gering bleibt und damit Drosseleffekte vermieden werden.

Im Normalfall wird der Membrandruck P_o etwa dem Atmospärendruck entsprechen. Denkbar ist auch den Membrandruck P_o zusätzlich durch eine Metall- oder Gasfeder zu vergrößern. Der Druck im Druckraum 20 wird bei geöffnetem Ventil 11 durch die Summe P_o + P_M = P_G, dem Gegendruck, festgelegt. Mit Hilfe eines Steuergeräts 30 läßt sich ein Ventil 11 betätigen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Elastomerkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Elastomerkörper 3a weist mehrere Hohlräume 5a, 5b, 5c und 5d auf. Diese Hohlräume erstrecken sich im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene. Sie sind jeweils über Verbindungsleitungen 7a, 7b, 7c und 7d mit Ausgleichsbehälter 9a, 9b, 9c und 9d verbunden. In jeder dieser Verbindungsleitungen 7a, 7b, 7c und 7d ist jeweils ein ansteuerbares Ventil 11a, 11b, 11c und 11d angeordnet. Hier ist die Steifigkeit des Lagers 3a in unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich einstellbar, je nachdem ob das entsprechende Ventil 11a, b, c, d geöffnet oder geschlossen ist.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert. Auf das Elastomerkörper 3 wirkt eine durch Pfeile angedeutete Kraft F. Dadurch verformt sich das Elastomerkörper 3, was eine Änderung des Volumens 5 in seinem Inneren zur Folge hat. Im Fall A, Ventil 11 geöffnet, strömt das Fluid 22 aufgrund der Volumenänderung gegen die Kraftwirkung des Gegendrucks P_G in den Ausgleichsbehälter 9. Der Querschnitt Q der Verbindungsleitung 7 und die Viskosität des Fluids 22 sind dabei so ausgelegt, daß keine merklichen Drosselverluste auftreten und die hydraulische Dämpfung somit vernachlässigbar ist. Im Fall A ist die statische Steifigkeit des Lagers relativ weich eingestellt.

Für den Fall B, d. h. Ventil 12 geschlossen, kann das Fluid 22 nicht zum Ausgleichsbehälter 9 abfließen. Die statische Steifigkeit des Lagers ist deshalb relativ hart. Die Gesamtsteifigkeit des, Lagers 1 ist in diesem Fall im wesentlichen durch die Verformbarkeit des Elastomers und der Kompressibilität des Fluids 22 gegeben. Die Kompressibilität des Fluids 22 spielt aber in der Regel nur bei Gasen eine Rolle.

Das Schalten des Ventils erfolgt über das Steuergerät 30, das z. B. den Fahrerwunsch umsetzt.

Erfindungsgemäß läßt sich die statische Steifigkeit des Lagers 1 in einfacher Weise variieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind nicht nur zwei diskrete Steifigkeiten möglich, sondern im Prinzip eine kontinuierliche Variation der Steifigkeit. Hierbei wird bei geöffnetem Ventil 11 und der Membrandruck P_o im Druckraum 21 in nicht näher dargestellter Weise mit Hilfe eines Druckreglers variiert. Durch Änderung des Membrandrucks P_o läßt sich die statische Steifigkeit des Lagers 1 einfach ändern und einstellen. Hohe Steifigkeit (P_o groß) für ein sportliches Fahrwerk. Geringere Steifigkeit (P_o klein) für ein normal ausgelegtes Fahrwerk. Durch Schließen des Ventils 11 wird sehr schnell eine hohe Steifigkeit des Lagers 1 erreicht.

In einer einfacheren Ausführung entfällt das Ventil 11. Eine hohe statische Steifigkeit kann hierbei nur durch einen entsprechenden Druckaufbau im Druckraum 21 erreicht werden.

Ein Wechsel der statischen Steifigkeit des Lagers 1 läßt sich bei allen Ausführungsbeispielen relativ einfach z. B. nach dem Start des Fahrzeugs aufgrund spezifischer Eingaben oder Fahrerinformationen durchführen. So kann der Fahrer die Fahrwerksabstimmung selbst wählen, oder diese wird von einem Steuergerät automatisch eingestellt. Es ist auch eine Anpassung aufgrund von aktuellen Fahrdaten denkbar z. B. bei einer betont sportlichen Fahrweise.

Claims (4)

1. Elastisches Lager für Kraftfahrzeuge mit einem Elastomerkörper, der einen fluidgefüllten Hohlraum aufweist, der über eine Verbindungsleitung mit einem Ausgleichsbehälter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (7) eine ansteuerbares Ventil (11) angeordnet ist und der Querschnitt Q der Verbindungsleitung (7) ausreichend groß gewählt ist, so daß auf das strömende Fluid (22) keine oder nur eine geringe Drosselwirkung ausgeübt wird.

2. Elastisches Lager für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (7), das Ventil (11) und der Ausgleichsbehälter (9) räumlich getrennt vom Elastomerkörper (3) angeordnet sind.

3. Elastisches Lager für Kraftfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (11) mit einem Steuergerät (30) verbunden ist.

4. Elastisches Lager für Kraftfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbehälter (9) einen Druckraum (21) aufweist, der durch eine Membran (19) vom Fluid (22) abgetrennt ist, wobei der im Druckraum (21) herrschende Druck P_o einstellbar ist