DE2929084C2 - Schwingungsdämpfendes Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein schwingungsdämpfendes Lager, insbesondere zur Aufhängung des Motors in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Von einem derartigen schwingungsdämpfenden Lager wird verlangt, daß es eine genau definierte statische Festigkeit aufweist zur Aufnahme einer statischen Last, wobei die Festigkeit von den geometrischen Abmessungen und der Härte des verwendeten Materials abhängt, daß es eine bestimmte Dämpfungwirkung bei mechanischen Schwingungen geringer Frequenzen von 10 bis 20 Hertz und Amplituden in der Größenordnung von 0,5 bis 5 mm besitzt, um so die Übertragung der Schwingungen der aufgehängten Masse zu begrenzen, die bei Kraftfahrzeugen zu dem bekannten »Nick-Effekt« führen und daß es fernerhin eine geringe dynamische Steifigkeit gegenüber höheren Schwingungsfrequenzen von ungefähr 50 bis 300 Hertz aufweist, um lärmerzeugende Schwingungen möglichst gut auszufiltern.

Eine der Eigenschaften visko-elastischer Materialien, wie z. B. Gummi, liegt gerade in der Erhöhung des dynamischen Steifigkeitsgrades mit zunehmender Frequenz und demzufolge in einer abnehmenden Filterwirkung gegenüber Schwingungen. Je stärker die Dämpiungswirkung des Materials ist, desto stärker macht sich diese Erhöhung bemerkbar. Es wurde bereits versucht, durch geeignete Wahl der Mischungsverhältnisse akzeptable Kompromisse zu erzielen.

Aus der DE-OS 17 75 260 ist ein schwingungsdämpfendes Lager bekannt, zur Aufhängung des Motors in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einem Gummiblock mit zwei, an sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Gummiblocks haftend befestigten Beschlagen, wobei der Gummiblock von einem Ring aus einem Elastomer umgeben ist der wiederum von einer an ihm haftenden trägen Masse umgeben ist Zur anschlagartigen Begrenzung des Federweges unter geringer Beeinflussung der Schubcharakteristik dieses als Gummifeder dienenden Lagers umgibt der Ring den Gummikörper mit einem vorbestimmten Abstand, der bei einer Druckbelastung infolge der Querdehnung im Gummikörper aufgehoben wird, da bei einer Druckbelastung sich diese Gummifeder in Querrichtung solange ausdehnt, bis nach einem gewünschten Federweg der Gummikörper in Querrichtung am Ring zur Anlage kommt und damit den Federweg praktisch beendet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein schwingungsdämpfendes Lager zu schaffen, das einfach aufgebaut ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann und das sowohl eine gute Dämpfungswirkung für mechanische Schwinguigeri geringer Frequenzen im Bereich von 10 bis 20 Hertz und für Amplituden in der Größenordnung von 04 bis 5 mm aufweist und das gleichzeitig eine geringe dynamische Steifigkeit gegenüber höheren Frequenzen von ungefähr 50 bis 300 Hertz aufweist zur Filterung von lärmerzeugenden Schwingungen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung schafft also auf einfache und billige Weise ein zuverlässig arbeitendes, schwingungsdämpfendes Lager, das aus der Vereinigung eines Elastomers mit einem dynamischen Dämpfer besteht, der als Phasenschieber ausgebildet ist, wobei sich das Lager besonders gut zur Aufhängung des Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeuges eignet.

Das Prinzip eines dynamischen phasenschiebenden Dämpfers für Schwingungen ist an und für sich bekannt. Der Phasenschieber besteht dabei aus einer trägen Masse, die über das Lager sowohl mit dem schwingenden Teil auch mit der Haltestruktur verbunden ist. Das Lager besitzt eine Eigenfrequenz, die der Resonanzfrequenz der an den elastischen Teilen befestigten trägen Masse entspricht. Solange die Schwingungsfrequenz unterhalb der Eigenfrequenz liegt, schwingt die Masse in Phase und sofern die Schwingungsfrequenz oberhalb der Eigenfrequenz liegt, schwingt die Masse gegenphasig.

Oberhalb der Eigenfrequenz, die durch die Größe der tragen Masse und die Steifigkeit der elastischen Teile bestimmt wird, wird also auf die Haltestruktur nur eine Schwingung übertragen, die sich aus der vom Lager übertragenen Schwingung, die in Phase mit der Anregungsschwingung ist, zusammensetzt und einer gegenphasigen, vom Phasenschieber stammenden Schwingung. Durch geeignete Auswahl der den Phasenschieber bildenden Bauteile kann also eine mehr oder minder starke Auslöschung der vom Lager übertragenen Schwingungen erzielt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lager mit einem Phasenschieber, wobei das Lager kreisförmig, viereckig oder anders ausgestaltet sein kann;

Fig. 2 ein Funktionsschema für das in F i g. 1 dargestellte Lager;

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Schwingungsübertragung mit dem erfindungsgemäßen Lager im

Vergleich zu einem elastischen Lager ohne Phasenschieber und

Fig.4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagers mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Begrenzung der Schwingungsnmplitude beim Oberschreiten der Resonanzfrequenz des Phasenschiebers.

Wie F i g. 1 zeigt, enthält das schwingungsdämpfende Lager einen Gummiblock 1, beispielsweise aus Naturgummi oder synthetischem Gummi, mit einer Shore A Härte von 40 bis 50, in dem i5 bis 20 Teiie Ruß eingelagert sind. Dieser Gummiblock ist mit zwei an ihm haftenden Beschlagen 2 und 2' versehen, die z. B. anvulkanisiert sein können. Die Beschläge sind mit mechanischen Halteteilen zur Befestigung des Lagers im Kraftfahrzeug versehen.

Entlang des Umfangs des Gummiblocks ist ein elastischer Ring 3 angeordnet, der mit ihm in Kontakt steht, z. B. durch elastischen Preßsitz oder durch Klebung. Der Ring 3 ist ferner mit einer trägen Masse 4 fest verbunden. Um zu vermeiden, daß sich der aus Ring 3 und träger Masse 4 bestehende Phasenschieber bezüglich des Gummiblocks 1 verschiebt, weist der Block vorteilhafterweise eine Nut 5 auf, in welche der Ring 3 eingreift Der Ring 3 kann aus einem natürlichen oder synthetischen Gummi, z. B. des Typs SBR bestehen, in dem 30 bis 70 Teile Ruß eingelagert sind. Die genaue Materialauswahl hängt von der Anwendung und den gewünschten Eigenschaften ab.

F i g. 2 zeigt ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter herkömmlicher Darstellung von Massen und Federn.

Das schwingende Teil befindet sich dabei auf der mit A bezeichneten Seite, wobei seine Bewegung durch die Anregungsamplitude a_e angedeutet ist. Die Haltestruktur befindet sich auf der mit B bezeichneten Seite und nimmt die übertragene Kraft F₁ auf. Mit K ist die Gesamtsteifigkeit des schwingungsdämpfenden Lagers allein bezeichnet. Der Faktor K kann dabei in drei additive Steifigkeiten unterteilt werden und zwar in k\ und /C2 oberhalb bzw. unterhalb des Phasenschiebers und in fa, welche parallel zu ihm liegt. In der Praxis gibt K nicht genau die Steifigkeit des einfachen Lagers wieder, da der Phasenschieber einen Einschnüreffekt erzeugt, der die statische Steifigkeit der Gesamtanordnung erhöht. Mit m ist die träge Masse des Ringes 4 des Phasenschiebers bezeichnet, während <\ und kΊ die Steifigkeit des elastischen Ringes darstellen.

Die Resonanzfrequenz des Phasenschiebers hängt dabei ab von der Masse m und von der Steifigkeit k\ + k'u sowie At2 + Jt'2, d. h. sowohl von den Eigenschaften des Gummis, aus dem der Ring 3 gebildet ist als auch von den Eigenschaften des Gummis, aus dem der Gummiblock 1 besteht.

Der Außendurchmesser des Blocks kann z. B. 53 mm beiragen, seine Höhe 35 mm und er kann aus natürlichem Gummi oder synthetischem Gummi mit einer Shore Härte von 45 bestehen. Verbindet man ihn nunmehr mit einem Phasenschieber, der aus der Verbindung eines Kautschukrings 3 mit einer Shore Härte von 55, einer Höhe von 26 mm, einem Außendurchmesser von 74 mm und einem Innendurchmesser von 53 mm, mit einem Metallring 4 von 880 g, mit einer Höhe von 35 mm, einem AuBendurchmesser von 98 mm und einem Innendurchmesser von 74 mm besteht, so erhält man ein Lager, dessen statische Kompressionssteifigkeit in der Größenordnung von 50 daN/mm liegt, wobei die kritische Frequenz (Eigenfrequenz) des Phasenschiebers in der Größenordnung von !25 Hertz liegt

F i g. 3 verdeutlicht den durch den Phasenschieber erzielten Effekt durch Vergleich der Übertragungskurven eines Lagers mit und ohne Phasenschieber.
Man erhält diese Kurve, wenn auf den oberen Beschlag 2 des Lagers (A in F i g. 2) eine sinusförmige Belastung mit konstanter Amplitude a_e und veränderlicher Frequenz ausgeübt wird. Auf Höhe des unteren Beschlages 2' (B in F i g. 2) wird die vom Lager übertrage-

ne Kraft F, gemessen. Je geringer diese Kraft ist desto besser ist die Filterwirkung bezüglich der Schwingungen.

Wie F i g. 3 zeigt wurden die Verhältnisse F,/a_e in Einheiten von daN/mm als Funktion der Anrcgungsfrequenz aufgetragen. Bei der Frequenz Null entspricht die Ordinate des Punktes C der statischen Steifigkeit des Lagers. Für das Lager allein nimmt die Steifigkeitskurve zu, wobei die Richtung der Konkavität von der Art des verwendeten Gummis abhängt Diese Zunahme, die eine charakteristische Eigenschaft der Steifigkeit viskoefastischer Materialien ist, erklärt die abnehmende Filterwirkung mit höheren Anregungsfrequenzen.

Im Falle des Lagers mit Phasenschieber erhält man zuerst eine erhöhte Steifigkeit bezüglich des Lagers ohne Phasenschieber (Teil CD der Kurve). Für tiefe Frequenzen, d. h. solange die Eigenfrequenz des Phasenschiebers noch nicht erreicht ist, ist in der Tat die Masse des Phasenschiebers mit der Anregung in Phase. Ihre Trägheitskraft überlagert sich den von der Anregungsquelle stammenden Kräften und erhöht demzufolge deren Übertragung. Die Intensität bei diesen relativ tiefen Frequenzen ist jedoch sehr gering. Auch ist es wenig wahrscheinlich, daß bei diesen Frequenzen in der aufnehmenden Haltestruktur Resonatoren vorhanden sind.

Die übertragenen Schwingungen verlieren sich anschließend in der Haltestruktur durch innere Dämpfung. Es ist jedoch möglich, gewisse Vorkehrungen zu treffen, um diesen nachteiligen Effekt zu beseitigen, insbesondere in der Nähe der Resonanzfrequenz des Phasenschiebers, wie es weiter unten noch näher beschrieben werden wird.

Erreicht die Anregungsfrequenz die Resonanzfrequenz f_r des Phasenschiebers, so erhält man einen plötzlichen Abfall der übertragenen Kraft (Zweig DE der Übertragungskurve). Die Ordinate des Punktes E kann ohne weiteres kleiner als diejenige des Punktes Cgehalten werden; die auftretende dynamische Steifigkeit des Lagers ist also kleiner als die statische Steifigkeit.

Für Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz des Phasenschiebers wirkt sich nun die Gegenphasigkeit aus. Die übertragene Kraft (Zweig EFder Kurve) steigt erneut, jedoch

— ausgehend von einem Punkt, der unterhalb desjenigen für das Lager ohne Phasenschieber liegt und

— mit einem Anstieg, der im allgemeinen kleiner als derjenige des Lagers allein ist, zumindest für einen geeignet bemessenen Phasenschieber.

Für eine gegebene Anregungsfrequenz ist der Abstand zwischen den Ordinaten der Punkte auf den zwei Kurven gleich dem Gewinn an dynamischer Steifigkeit, der durch den phasenschiebenden Effekt erzielt wird und der charakteristisch für die Verbesserung der FiI-terwirkung gegenüber Anregungsschwingungen ist.

Bei sehr hohen Frequenzen (z. B. bei 500 Hertz) bleibt der Einfluß des Phasenschiebers ohne Wirkung. Bei diesen Frequenzen ist jedoch die Anregungsamplitude sehr

gering und die übertragene Energie nicht ausreichend, um mögliche Resonanzeffekte im Aufbau zu erzeugen.

Für jede dämpfende Anordnung aus einem schwingenden Teil und einer Haltestruktur läßt sich erfindungsgemäß ein Lager schaffen unter Berücksichtigung der folgenden Parameter:

— die Abmessung des Gummiblocks 1

— das Material des den Block bildenden Gummis

— die Abmessungen des elastischen Ringes 3

— das Material des den Ring bildenden Elastomers

— die Größe der trägen Masse 4

— die Klemmwirkung zwischen dem Ring 3 und den Block 1.

Diese Klemmwirkung muß unter den Einsatzbedingungen des Lagers, d. h. unter statischer Belastung bestimmt werden. Da die Verformungen des Gummis bei konstantem Volumen erfolgen, bedeutet jedes Zusammendrücken des Gummiblocks in Belastungswirkung eine Vergrößerung seiner seitlichen Abmessungen und damit eine Erlhöhung der Klemmwirkung zwischen dem elastischen Ringbereich und dem Block 1. Die Klemmwirkung wiederum hat einen Einfluß auf die Eigenschaften des Phasenschiebers sowie auf die statische Steifigkeit der gesamten Anordnung (bereits oben erwähnter Einschnüreffekt).

Zur Verringerung des nachteiligen Effektes des Phasenschiebers vor Erreichen der Resonanzfrequenz und insbesondere zur Verringerung des Scheitelpunktes der Übertragungskurve knapp vor Erreichen dieser Frequenz (Punkt D in Fig. 3), können folgende Maßnahmen angewandt werden.

Die erste besteht darin, für den Ring 3 eine Gummimischung zu verwenden, die einen geringen Dämpfungseffekt aufweist. Wie an und für sich bekannt, wird dadurch die Bewegungsamplitude der Masse 4 während des Überschreitens der Resonanz begrenzt, wodurch auch der Trägheitseffekt in diesem Bereich verringert wird.

Die Dämpfungswirkung sollte dabei jedoch sehr klein gehalten werden, um nicht die Wirksamkeit des Phasenschiebers bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz zu beeinträchtigen.

Eine andere Möglichkeit ist in F i g. 4 dargestellt. Sie besteht im Einsatz eines zweiten dynamischen Dämpfers, der aus einem zweiten elastischen Ring 6 und einer zweiten trägen Masse 7 besteht, die miteinander fest verbunden sind und mit der Masse 4 fest, z. B. durch mechanische Klemmwirkung, Verklebung oder dergleichen, verbunden sind. Ein derartiger dynamischer Dämpfer ist an und für sich bekannt. Die Wahl des elastischen Materials für den zweiten Ring 6 und die Größe der zweiten tragen Masse 7 werden so gewählt, daß die Bewegung der Masse 4 des Phasenschiebers für einen Frequenzbereich unterhalb von f_r gedämpft wird. Bei richtiger Wahl dieser Parameter ist der Einfluß dieses Dämpfers für höhere Frequenzen vernachlässigbar und der Phasenschieber erfüllt genau die ihm zugedachte Rolle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schwingungsdämpfendes Lager, insbesondere zur Aufhängung des Motors in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus einem Gummiblock mit zwei, an sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Gummiblocks haftend befestigten Beschlagen, und einem elastischen Ring, der den Gummiblock umgibt und der wiederum von einer an dem elastischen Ring haftenden trägen Masse umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Ring unmittelbar mit dem Gummiblock (1) verbunden ist

2. Schwingungsdämpfendes Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummi- is block (1) 15 bis 20 Teile Ruß aufweist und ein Shore A Härte von 40 bis 50 aufweist

3. Schwingungsdämpfendes Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Umfang des Gummiblocks angeordnete Ring (3) aus Naturgummi oder synthetischem Gummi besteht, 30 bis 70 Teile Ruß enthält und eine Shore A Härte von ungefähr 55 aufweist

4. Schwingungsdämpfendes Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die trüge Masse (4) von einem auf die Resonanzfrequenz des Lagers abgestimmten in Form eines mit der trägen Masse (4) fest verbundenen elastischen Rings (6) und einer mit diesem fest verbundenen zweiten trägen Masse (7) umgeben ist.