DE19848799A1 - Doppelisolierendes Lager - Google Patents

Abstract

Ein Lager 1, insbesondere ein Motorlager, zur dämpfenden Anordnung einer schwingenden Masse 2, wie einem Motor, erzielt seine Dämpfungscharakteristik durch die Anbindung einer zum Lager 1 externen Zusatzmasse 9 und über eine entsprechende Dimensionierung eines oder mehrerer auflastseitiger und widerlagerseitiger aus einem Elastomer bestehender Tragfederelemente 6, 7. Das erfindungsgemäße Prinzip dieses Lagers 1 beruht darauf, daß als Zusatzmasse 9 ein bereits vorhandenes separates funktionales Bauelement herangezogen wird, beispielsweise ein Differentialgetriebe.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Lager zur dämpfenden Anordnung schwingender Massen, wie es insbesondere im Kraftfahrzeugbau als Motorlager oder Lager für Antriebsaggregate zur Anwendung kommt.

Unterschiedliche Kolbenfrequenzen bedingen unterschiedliche Motor­ schwingungen, die als Körperschall in die Karosserie des Motorraums übertragen und anschließend in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs als Luftschall abgestrahlt werden. Zur Bedämpfung dieser Motorschwin­ gungen sind aus dem landläufigen Stand der Technik unterschiedliche Lagersysteme bekannt. Die einfachste Ausgestaltung bilden hierbei Feststofflager, die zwischen einem Auflastanschlußstück und einem Wi­ derlageranschlußstück ein aus einem Elastomer bestehendes Federele­ ment aufweisen, das beispielsweise eine Hülsen- oder konische Kegel­ form zeigt. Bei dieser technisch allgemein verwendeten Lösung ist das Dämpfungsverhalten des Lagersystems stark von der dynamischen Fe­ dersteifigkeit dieses Federelements abhängig. Diese liegt im allgemei­ nen höher als die statische Federsteifigkeit und steigt bei einer zuneh­ menden Frequenz der Motorschwingungen an. Es ist allgemein bekannt, daß bei einem reinen Feststofflager mit einem Tragfederelement aus ei­ nem Elastomer keine Möglichkeit besteht, oberhalb der Eigenfrequenz dessen dynamische Federsteifigkeit unter den statischen Wert abzusen­ ken. Zur weitgehenden Vermeidung einer dynamischen Versteifung des Federelements in kritischen Fällen kommt in der Regel eine hochelasti­ sche Gummimischung wie Naturkautschuk zum Einsatz. Um den Effekt einer dynamischen Verhärtung möglichst zu umgehen, kann Naturkau­ tschuk allerdings nur bis zu einer Umgebungstemperatur von ca. 80°C eingesetzt werden. Obwohl andere Elastomer-Werkstoffe grundsätzJich eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, zeigen diese die Ten­ denz zu einer höheren dynamischen Versteifung mit dem Nachteil eines im Vergleich zu Naturkautschuk schlechteren Dämpfungsverhaltens.

Weitere Lösungsansätze aus dem Stand der Technik umfassen hydrau­ lisch dämpfende Traglager, auch Hydrolager genannt, die typischerwei­ se eine Arbeitskammer aufweisen, in der ein hydraulisch dämpfendes Arbeitsfluid eingeschlossen ist, das im Fall einer dynamischen Belastung des Hydrolagers über einen drosselnden Überströmkanal in eine Aus­ weichkammer überströmt. Oftmals wird dabei zumindest ein Teil der Ar­ beitskammerwände durch eine zumeist mehr oder weniger kegelmantel­ förmig ausgebildete Tragfeder aus einem Elastomer gebildet, so daß sich eine Kombination aus hydraulischer und elastischer Dämpfung ein­ stellt. Das technische Dauerproblem bei Lagersystemen dieser Art liegt in einer fehlenden Breitbandeffektivität der Entkopplung bzw. Dämpfung zwischen dem Auflastanschlußstück und dem Widerlageranschlußstück unter dynamischer Stoß- und Schwingungsbelastung aus den unter­ schiedlichsten Quellen, wie sie jedoch insbesondere im Kraftfahrzeug gleichzeitig auf das Lager einwirken. Eine Abstimmung des Hydrolagers, die beispielsweise eine optimale Dämpfung der typischerweise im Be­ reich zwischen 5 und 10 Hz auftretenden niederfrequenten Motor­ schwingungen bewirkt, vermag Körperschallschwingungen nicht wirksam zu dämpfen, die von den durch Fahrbahnunebenheiten verursachten Stoßanregungen induziert werden und typischerweise in einem kriti­ schen niederfrequenten akustischen Bereich von ca. 100 bis 300 Hz lie­ gen. Mit anderen Worten ist es durch eine besondere Abstimmung des Hydrolagers lediglich möglich, die dynamische Federsteifigkeit schmal­ bandig unter den statischen Wert abzusenken, so daß das gesamte Dämpfungsverhalten eines derartigen Hydrolagers nur in einem be­ stimmten relativ schmalen Frequenzbereich besser ist als bei einem rei­ nen Gummilager. Die unterschiedlichsten Motorentypen mit den vielfäl­ tigsten funktionalen Anbauteilen besitzen unterschiedliche Massenwerte und weisen demzufolge verschiedene, individuell kritische Resonanzfre­ quenzwerte auf. So treten bei Dieselaggregaten in der Regel typbedingt höhere Motorschwingungen auf als bei herkömmlichen Benzinmotoren. Es ist allgemein bekannt, daß ein Hydrolager nur in beschränktem Maße zur Verbesserung der Dämpfung einsetzbar ist, wobei je nach Motoren­ typ individuell unterschiedliche Abstimmungen erforderlich werden, die wiederum einen zeit- und kostenintensiven Entwicklungsaufwand vor­ aussetzen.

Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Lösungsansatz be­ trifft Motorlagerungen mit einem Hilfsrahmen als ein zusätzliches Bau­ teil, bei denen das Antriebsaggregat über ein Gummilager auf diesem Hilfsrahmen montiert ist und dieser seinerseits über weitere elastische Lagerelemente an der Karosserie des Kraftfahrzeugs abgestützt ist. Derartige Lagersysteme zeigen einen Doppel-Isolierungseffekt dahinge­ hend, daß das Lager meistens bezüglich der Anregungsfrequenzen von durch Fahrbahnunebenheiten eingeleiteten Schwingungen unterkritisch und bezüglich der Anregungsfrequenz der vom Motor induzierten Schwingungen überkritisch abgestimmt ist. Nachteilig ist bei dieser Lö­ sung der erhebliche Konstruktionsaufwand, da die Grenzen der Ausge­ staltung schon bei der Entwicklung des Kraftfahrzeuges entsprechende Berücksichtigung finden müssen.

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein extrem gut isolierendes Lager zu schaffen, dessen dynamische Steifigkeit im relevanten Arbeitsbereich unterhalb dessen statischer Steifigkeit liegt und dadurch sowohl die durch die Masse selbst erregten als auch auf diese Masse einwirkenden Schwingungen im nahezu gesamten hörbaren Bereich gegenüber der unmittelbaren Umgebung bestmöglich zu isolieren vermag.

Zu diesem Zweck beschreibt die Erfindung ein Lager, das die im Patent­ anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Dabei werden in konsequen­ ter Ausgestaltung dieses Lagers optimale Ergebnisse mit einem Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erzielt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Der Gegenstand der Erfindung orientiert sich am Grundprinzip eines Schwingungssystems mit zwei Freiheitsgraden. Neben der ersten, durch die schwingende Masse selbst hervorgerufenen Resonanzfrequenz tritt in diesem System eine zweite Resonanzfrequenz auf, die sich durch die Anbindung einer Zusatzmasse bestimmt und je nach Abstimmung des Systems oberhalb dieser ersten Resonanzfrequenz angesiedelt ist. Die Abstimmung kann dabei erfindungsgemäß so erfolgen, daß der charak­ teristische Wert der Zusatzmassenresonanz im nahezu nicht mehr hör­ baren und nur noch schwach fühlbaren Frequenzbereich von 35-45 Hz liegt. Maßnahmen einer richtigen Abstimmung und Optimierung zur Festlegung der jeweiligen Resonanzwerte können sich einerseits auf die Auswahl der einzelnen Federsteifigkeiten der Tragfederelemente über deren geometrische Ausgestaltung, Werkstoffauswahl sowie deren An­ stellung und lastaufnehmende Ausrichtung im Lager zueinander usw. und andererseits auf eine Bestimmung der Größe der Zusatzmasse im Verhältnis zur gegebenen Größe der zu dämpfenden schwingenden Masse beziehen. Wird gemäß der Erfindung ein bereits vorhandenes funktionales Bauelement als Zusatzmasse herangezogen, dessen Mas­ senwert ebenfalls vorgegeben ist, kann die Abstimmung des Dämp­ fungsverhaltens demzufolge alleinig über eine Auswahl und Optimierung der Federsteifigkeiten erfolgen.

Im Schwingungssystem bzw. Lager mit zwei aufeinanderfolgenden Re­ sonanzbereichen senkt sich die dynamische Federsteifigkeit des Ge­ samtsystems ab einer bestimmten Frequenz, die oberhalb der zweiten Resonanzfrequenz liegt, mit zunehmender Frequenz unterhalb der stati­ schen Federsteifigkeit ab. Dies bedeutet, daß der Isolierungseffekt der Dämpfung größer ausfällt als bei einer einfachen Lagerung ohne darin integrierter Zusatzmasse. Infolge der Vorgabe zweier Resonanzfre­ quenzbereiche spricht man auch vom sogenannten Prinzip der Doppe­ lisolierung, die auswahlbedingt idealerweise im akustisch relevanten Be­ reich der schwingenden Masse, beispielsweise dem akustisch relevan­ ten Drehmomentenbereich eines Motors, liegt.

ln einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet ein derartiges Lager als Motorlager im Kraftfahrzeugbereich besondere Anwendung. Hierbei erweist es sich als zweckmäßig, bereits vorhandene funktionale Bauelemente des Fahrzeugs als Zusatzmasse zu nutzen, beispielsweise ein auf der Karosserie des Motorraums bzw. Trägern oder Verstrebun­ gen davon starr befestigtes oder elastisch gelagertes vorderes Differen­ tialgetriebe. Durch entsprechende konstruktive Maßnahmen in Form von entsprechend ausgestalteten Zwischenelementen läßt sich diese Zu­ satzmasse in das Motorlager sozusagen integrieren. Der Ansatz gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlicht, daß bei der Konstruktion eines Kraftfahrzeugs hierzu vorab keine wesentlichen Anforderungen an die Lagerung berücksichtigt werden müssen, sondern diese mit relativ ge­ ringen, auch nachträglichen Modifizierungen in der Motorraumkonstruk­ tion verwirklicht werden kann. So eignet sich beispielsweise das Lager gemäß der vorliegenden Erfindung mit entsprechenden Änderungen auch für einen nachträglichen Einbau in bereits gefertigten Fahrzeugty­ pen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen aus der nachfol­ genden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausfüh­ rungsbeispielen. Diese zeigen in

Fig. 1 in schematischer Darstellung das Prinzip des Lagers ge­ mäß der Erfindung;

Fig. 2 das Schema einer Schnittdarstellung einer weiteren Aus­ führungsform des Lagers gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Hälfte des Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung in einer weiteren Aus­ gestaltung; und

Fig. 4 ein Diagramm mit exemplarischen Verläufen der dynami­ schen Federsteifigkeiten eines Gummilagers, Hydrolagers und eines Lagers gemäß der Erfindung im Vergleich.

Das in Fig. 1 dargestellte Lager 1 zur dämpfenden Anordnung einer schwingenden Masse 2 besteht aus einem Auflastanschlußstück 4 zur Ankopplung der schwingenden Masse 2, beispielsweise eines Motors, und aus einem Widerlageranschlußstück 5 zur Befestigung des Lagers 1 an einem Träger 3, der beispielsweise Bestandteil der Karosserie eines Kraftfahrzeugs ist. Darüber hinaus weist das Lager 1 vier Tragfederele­ mente 6, 7 aus einem Elastomer auf, wobei zwei dieser Tragfederele­ mente 6, 7 als auflastseitige Tragfederelemente 6 am Auflastanschluß­ stück 4 angreifen, wohingegen die anderen zwei sich als widerlagersei­ tige Tragfederelemente 7 am Widerlageranschlußstück 5 abstützen. Die Anordnung und lastaufnehmende Ausrichtung der auflastseitigen bzw. widerlagerseitigen Tragfederelemente 6, 7 im Lager 1 ist dabei so, daß diese jeweils Schwingungskomponenten im wesentlichen in Richtung der zu dämpfenden Angriffslast F als auch senkrecht dazu aufnehmen kön­ nen.

Zwischen dem auflastseitigen Tragfederelement 6 und dem widerlager­ seitigen Tragfederelement 7 befindet sich ein Zwischenelement 8, das je nach Ausgestaltung des Lagers 1 und sonstiger konstruktiver Erforder­ nisse unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Dieses Zwischenelement 8 dient über ein Verbindungsmittel 12 der Anbindung einer Zusatzmasse 9, die sich außerhalb des Lagers 1 befindet. Als Zusatzmasse 9 kann gemäß der Erfindung ein funktionales Bauelement dienen, das sich in unmittelbarer Umgebung der schwingenden Masse 2 befindet und gege­ benenfalls mit dieser in einer funktionalen Verbindung steht, beispiels­ weise ein im Motorraum befindliches vorderes Differentialgetriebe. Ge­ nerell sind gemäß der Erfindung sämtliche, im Motorraum befindliche funktionalen Bauelemente als Zusatzmasse 9 vorstellbar, die unter Be­ rücksichtigung der zu erzielenden Dämpfungscharakteristik des Lagers 1 zur Ankopplung geeignet sind. Zu nennen sind hier beispielsweise u. a. der Kühler, die Lichtmaschine usw.

In der in Fig. 1 schematisch gezeigten Ausführungsform weist das Auf­ lastanschlußstück 4 je nach konstruktiver Ausgestaltung einen oder mehrere Anschläge 11.1 auf, die bei auftretenden Extrembelastungen, wie Lastwechsel des Motors oder Stoßanregungen infolge von Fahrbah­ nunebenheiten, die Auslenkung der Tragfederelemente 6, 7 senkrecht zur Angriffsrichtung der zu dämpfenden Hauptlast F beschränken. Zur Begrenzung der Federwege in Richtung der angreifenden Last F dienen ein oder mehrere am Widerlageranschlußstück 5 angeordnete Anschlä­ ge 10.1. Auf diese Art und Weise ist ein Ein- bzw. Ausreißen dieser Tragfederelemente 6, 7 durch Überdehnung oder Schereinwirkungen ausgeschlossen.

ln Fig. 2 ist ein Lager 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in rotations­ symmetrischer Ausgestaltung schematisch dargestellt, bei dem die Tragfederelemente 6, 7 ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Unter Berücksichtigung der Angriffsrichtung der zu dämpfenden Last F wirken diese wie Axialfedern. Der wesentliche Vorteil dieser Ausgestal­ tung des Lagers 1 gegenüber dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel liegt darin, daß sowohl das auflastseitige Tragfe­ derelement 6 als auch das widerlagerseitige Tragfederelement 7 bei Krafteinwirkung in der Angriffsrichtung F im wesentlichen nur auf Druck belastet werden.

Das Zwischenelement 8 in dieser Ausgestaltung liegt in der Art einer Lochscheibe vor, wobei dieses über die Anbindung des auflastseitigen Tragfederelements 6 im radialen Innenbereich der Lochscheibe und des widerlagerseitigen Tragfederelements 7 am Außenumfang der Loch­ scheibe im Lager 1 sozusagen frei lagernd angeordnet ist. Zur Begren­ zung des axialen Federwegs weist das Auflastanschlußstück 4 einen oder mehrere Anschläge 10.2, beispielsweise in der Form eines umlau­ fenden Rings oder von Ringsegmenten, auf. Der radiale Federweg der Tragfederelemente 6, 7 hingegen wird einerseits durch radial außenlie­ gende, am Widerlageranschlußstück 5 angeordnete Anschläge 11.2 und andererseits durch radial innenliegende, am Zwischenelement 8 ange­ ordnete Anschläge 11.2' beschränkt. Das Auflastanschlußstück 4 be­ steht aus zwei topfartigen Gehäuseteilen 4.1, 4.2, die über eine Distanz­ hülse 13 verbunden sind, die gegebenenfalls der Aufnahme von Befesti­ gungsmitteln, beispielsweise einer Schraube, zur Anbindung der schwingenden Masse 2 dient.

Wie in der Fig. 3 in einer weiteren Ausführungsform perspektivisch dar­ gestellt, schließt sich an das Zwischenelement 8 in einem begrenzten offenen Bereich des Lagers 1 mindestens ein Verbindungsmittel 12, bei­ spielsweise in der Form eines Stegs an, der der Anbindung der Zusatz­ masse 9 dient. Das Verbindungsmittel 12 kann entweder einstückig mit dem Zwischenelement 8 ausgebildet oder mit diesem über an sich be­ kannte Verbindungstechniken schwingungsübertragend in Verbindung stehen. Ring- oder ringsegmentförmige Anschläge 10.3 am Widerla­ geranschlußstück 5 dienen der Begrenzung des axialen Federwegs. Das Widerlageranschlußstück 5 ist beispielsweise ein an der Karosserie be­ festigtes Trägerblech, das eine Durchgangsöffnung aufweist, an die sich zu beiden Seiten das Auflastanschlußstück 4 mit den Gehäusetöpfen 4.1, 4.2 anschließt, wobei die Verbindung zum Blech des Trägers nur über die Tragfederelemente 6, 7 und das Zwischenelement 8 bewerkstel­ ligt ist, wie dies beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Ebenso können bei dieser Ausführungsform im Zuge eines nachträglichen Einbaus des La­ gers 1 gemäß der Erfindung bereits vorhandene Karosserieteile mit ei­ ner Öffnung zur Aufnahme des Lagers 1 versehen werden.

Für jede Ausgestaltung des Lagers 1 gemäß der Erfindung gilt, daß die Federeigenschaften der Tragfederelemente 6, 7 über eine entsprechende Materialauswahl, konstruktive Ausgestaltung, Anordnung zueinander usw. individuell zu bestimmen sind. In Verbindung mit einer entspre­ chenden Auswahl der Größe der Zusatzmasse 9 im Verhältnis zur gege­ benen Größe der schwingenden Motormasse 2 oder durch die ebenfalls vorgegebene Masse des Differentialgetriebes läßt sich so die dynami­ sche Federsteifigkeit des gesamten Lagers 1 und somit dessen Dämp­ fungsverhalten im relevanten Bereich individuell festlegen.

Fig. 4 verdeutlicht den hierbei erzielten Isolierungseffekt. Die Kurven I bis III zeigen exemplarisch den Verlauf der dynamischen Federsteifig­ keiten K_dyn für ein Gummilager (Kurve I - gestrichelt), ein Hydrolager (Kurve II - punktiert) und ein Lager gemäß der Erfindung (Kurve III strich-punktiert). Es ist zu erkennen, daß einerseits die dynamische Fe­ dersteifigkeit K_dyn(I) eines Feststofflagers mit zunehmender Anregungs­ frequenz ansteigt ohne jemals den Wert der statischen Federsteifigkeit K_stat zu unterschreiten, während andererseits die dynamische Federstei­ figkeit K_dyn(II) eines Hydrolagers mit äquivalenten Tragfederelementen nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich die statischen Federstei­ figkeit K_stat zu unterschreiten vermag, in welchem ein optimaler Isolie­ rungseffekt erzielt wird. Hingegen senkt sich beim Lager gemäß der Er­ findung die dynamische Federsteifigkeit K_dyn(III) ab einem bestimmten Frequenzwert f₁, der sich u. a. in Abhängigkeit der beiden vorgelagerten Resonanzwerte bestimmt, unterhalb der statischen Federsteifigkeit K_stat ab und sinkt mit zunehmender Anregungsfrequenz deutlich weiter. Oberhalb dieses Frequenzwerts f₁ liegt der akustisch relevante Bereich, beispielsweise Drehmomentenbereich des zu dämpfenden Motors. Je größer der Abstand der störenden Erregerfrequenz zu den Resonanzfre­ quenzen ist, um so stärker tritt die durch das erfindungsgemäße Lager hervorgerufene Dämpfungswirkung in Erscheinung. In Abhängigkeit der gewählten Abstimmungsparameter (Federsteifigkeiten, Zusatzmasse) ist der Isoliereffekt oberhalb einer gewissen Frequenz f₁ stets größer als bei den anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lagertypen.

Claims (8)

1. Lager zur dämpfenden Anordnung einer schwingenden Masse, bestehend aus einem Auflastanschlußstück zur Ankopplung der schwingenden Masse, aus zumindest zwei aus einem Elastomer bestehenden Tragfederelementen und aus einem Widerlageranschlußstück zur Befestigung des Lagers an einem Träger, gekennzeichnet durch zumindest ein an dem Auflastanschlußstück (4) angreifendes auflastseitiges Tragfederelement (6), durch ein mit dem auflastseitigen Tragfederelement (6) verbundenes Zwischenelement (8) zur Anbindung einer externen Zusatzmasse (9) und durch zumindest ein an dem Zwischenelement (8) angreifendes und an dem Widerlageranschlußstück (5) abgestütztes widerlagerseitiges Tragfederelement (7).

2. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit der schwingenden Masse (2) in funktionaler Verbindung stehendes Bauelement als externe Zusatzmasse (9).

3. Lager nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf dem Träger (3) starre Befestigung oder dämpfende Lagerung des funktionalen Bauelements.

4. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen in Angriffsrichtung der zu dämpfenden Hauptlast F am Auflastanschlußstück (4) axial angeordneten Anschlag (10.2) oder am Widerlageranschlußstück (5) axial angeordneten Anschlag (10.1, 10.3).

5. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen zur Angriffsrichtung der zu dämpfenden Hauptlast F am Auflastanschlußstück (4) radial angeordneten Anschlag (11.1) oder am Widerlageranschlußstück (5) radial angeordneten Anschlag (11.2) oder am Zwischenelement (8) radial angeordneten Anschlag (11.2').

6. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der auflastseitigen und widerlagerseitigen Tragfederelemente (6, 7) als rotationssymmetrische Axialfedern.

7. Lager nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Zwischenelements (8) als Lochscheibe, die von einer mit dem Auflastanschlußstück (4) verbundenen Distanzhülse (13) frei durchsetzt ist.

8. Verwendung des Lagers mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6 als Motorlager in Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch ein Differentialgetriebe als externe Zusatzmasse (9).