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Die Erfindung betrifft ein schwingungsdämpfendes Lager für einen schwingenden Körper mit einem Lagerkern und einem Widerlager, zwischen denen ein Federelement und ein flüssigkeitsgefüllter Arbeitsraum einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung angeordnet sind, mit einer mit einem Stellglied versehenen Kompensationswand, die mindestens 10% der Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes überdeckt, und mit einer Steuereinheit, die einen Prozeßrechner umfaßt, der ein mit einem Signalgeber erfaßtes Führungssignal des schwingenden Körpers, dem sich Störschwingungen in repräsentativer Weise zuordnen lassen, sowie mindestens ein weiteres, den Zustand des Körpers kennzeichnendes Signal aufnimmt und der Steuersignale an das Stellglied abgibt, um eine Kompensation der durch die Störschwingungen verursachten Druckänderungen der Flüssigkeit zu bewirken.
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Ein Motorlager der vorgenannten Art beschreibt die DE-OS 34 23 698. Die dabei zur Anwendung gelangende Steuereinheit bewirkt eine starre Ankoppelung der Bewegungen der Kompensationswand an diejenigen der Kurbelwelle, was eine befriedigende Kompensationswirkung der auftretenden Störschwingungen nur bei einer ganz bestimmten Drehzahl der Kurbelwelle zur Folge hat. Das ist unter praktischen Gesichtspunkten wenig befriedigend.
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Auf eine andere Vorrichtung nimmt die DE-PS 27 37 985 Bezug. Sie ist für die Lagerung eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug bestimmt. Neben dem Arbeitsraum ist dabei eine durch eine Kompensationswand begrenzte Umsetzerkammer vorhanden, die durch eine flüssigkeitsdurchlässige Leitung mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Die von der schwingenden Hubkolbenmaschine in eine synchrone Bewegung versetzte Kompensationswand hat pulsierende Druckänderungen im Arbeitsraum zur Folge, die auch in diesem Falle an die Bewegungen der Hubkolbenmaschine starr angekoppelt ist. Damit wird eine Isolierung hochfrequenter Schwingungen der zweiten Motorordnung angestrebt, die jedoch nur unvollkommen gelingt, weil die Druckänderungen den Bewegungen der Hubkolbenmaschine je nach Drehzahl mit einer mehr oder weniger ausgeprägten Phasenverschiebung folgen. Andere Störschwingungen, die beispielsweise durch die Eigenfrequenz von elastisch mit dem Motor verbundenen Zusatzaggregaten verursacht werden oder durch Biegeschwingungen des Antriebsstranges, bleiben unberücksichtigt. Sie werden durch andere Schwingungen als diejenigen der zweiten Ordnung angeregt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die auftretenden Störschwingungen in ihrer Gesamtheit optimal kompensierbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Prozeßrechner in Abhängigkeit von der Führungsgröße frei programmierbar ist.
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Die Konstruktion der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung geht somit davon aus, daß neben einer definierten Art von niederfrequenten Schwingungen im Regelfalle ein mehr oder weniger indifferentes Spektrum hochfrequenter Störschwingungen zusätzlich aufgenommen werden muß. Das ist in besonderem Maße bei der Motorlagerung eines Kraftfahrzeuges der Fall.
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Niederfrequente Schwingungen werden in ein Motorlager eines Kraftfahrzeuges vor allem beim Überfahren von Bodenunebenheiten oder beim Anlassen des Motors eingeleitet. Sie bedürfen dringend der Dämpfung, wenn eine Amplitudenüberhöhung und eine erhebliche Beeinträchtigung des Fahrkomforts vermieden werden soll.
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Hochfrequente Schwingungen des Bereiches zwischen 25 bis 1000 Hz sind bei der Motorlagerung eines Kraftfahrzeuges eine Folge des in der Praxis nur unvollkommen erzielbaren Massenausgleiches der bewegten Motorteile sowie von Eigenfrequenzen der am Motor befestigten Zusatzaggregate und der Antriebseinheit selbst. Diese Schwingungen haben nur eine relativ kleine Amplitude und können sich als Dröhnschwingungen während der Fahrt recht störend bemerkbar machen. Sie treten insbesondere dann auf, wenn der Motor stärker beansprucht wird. Eine Isolierung solcher Schwingungen durch Kompensation wird deshalb angestrebt. Sie ist bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführung jedoch nicht an eine oder mehrere Eingangsgrößen und Betriebszustände des Motors starr angekoppelt, sondern in Abhängigkeit von einer oder mehreren Eingangsgrößen und/oder Betriebszuständen empirisch festgelegt, wobei sich je nach Motor- und Fahrzeugtyp unterschiedlichste Einstellungen ergeben können.
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Die tatsächlich auftretenden Störschwingungen lassen sich hierdurch in einer einzigartigen und bisher noch nicht erreichten Weise beseitigen, wobei die Grundeinstellung regelmäßig auf dem Prüfstand und am fertig montierten Fahrzeug vorgenommen wird. Eine Anpassung des Kompensationsverhaltens an unterschiedlichste Motoren, Kraftfahrzeugtypen und Drehzahlen ist dadurch leicht möglich, eine optimale Wirksamkeit unter allen denkbaren Betriebsbedingungen stets gewährleistet.
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Der mit der Grundeinstellung versehene Prozeßrechner bildet eine starre Baueinheit, die bei der serienmäßigen Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Modifizierung nicht erfährt. Die Betriebssicherheit ist dementsprechend ausgezeichnet, die Herstellung in einer Massenproduktion denkbar einfach.
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In den Prozeßrechner wird zur Steuerung des Stellgliedes der Kompensationswand kontinuierlich eine Führungsgröße eingegeben, der sich bestimmte Störschwingungen in einer besonders repräsentativen Weise zuordnen lassen. Die Verwendung des Zündsignals hat sich diesbezüglich als besonders geeignet erwiesen. Neben dieser Führungsgröße können zusätzliche Eingangsgrößen, wie beispielsweise eingelegter Gang, Drosselklappenstellung, Unterdruck im Ansaugrohr, somit Eingangsgrößen, die geeignet sind, den Betriebszustand des Antriebes in seiner Gesamtheit zu charakterisieren, in den Prozeßrechner eingegeben werden. Die Führungsgröße sowie die anderen Eingangsgrößen werden in dem Prozeßrechner durch Phasenverschiebung und/oder Frequenzvervielfältigung und/oder Amplitudenvervielfältigung so modifiziert, daß sich eine optimale Kompensation der Störschwingungen ergibt. Diese werden dadurch in einer ausgezeichneten Weise isoliert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert: Es zeigt
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Fig. 1 den Verlauf von Amplitude, Frequenz und Phase zwischen Führung und Regelgröße, aufgetragen über der Drehzahl,
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Fig. 2 ein Lager im Schnitt,
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Fig. 3 den Verlauf der dynamischen Federsteifigkeit über der Frequenz,
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Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der am Lagerfußpunkt auftretenden dynamischen Kraft.
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In Fig. 2 sind die Hubkolbenmaschine 13 und der daran befestigte Signalgeber 12, der vorzugsweise die Motordrehzahl mißt, schematisch dargestellt. In den frei programmierbaren Prozeßrechner 14 werden neben der Führungsgröße von Signalgeber 12 weitere Eingangsgrößen, wie z. B. eingelegter Gang, Drosselklappenstellung, Unterdruck im Ansaugrohr u. a. miteingespeist. Die Eingangsgrößen werden in dem Prozeßrechner 14, der sich in der Steuereinheit befindet, entsprechend einem bestimmten Programm verarbeitet und in die entsprechende Phasenlage zur Führungsgröße gebracht. Zusätzlich können der Amplitudengang und die Frequenz der Führungsgröße verändert werden. Das so aufbereitete Signal gelangt über einen Leistungsverstärker 16 zum Stellglied der Kompensationswand. Das Hydrolager besteht aus einem Lagerkern 2, in dem das Stellglied 11 und die Kompensationswand 10 angeordnet sind. Der Lagerkern 2 ist über einen Gummischubkörper 3 mit dem Lagerring 4 haftend verbunden. Mit dem Lagerring fest verbunden sind der Lagerdeckel 7, die Düsenplatte 5 und der Abschlußbalg 6. Der oberhalb der Düsenplatte 5 angeordnete Arbeitsraum 9 wird durch Gummischubkörper 3 und Kompensationswand 10 begrenzt und ist mit einem Fluid gefüllt. Zwischen Düsenplatte 5 und Abschlußbalg 6 befindet sich der ebenfalls mit einem Fluid gefüllte Ausgleichsraum 8. Arbeitsraum 9 und Ausgleichsraum 8 sind durch eine Lochdüse 15 miteinander verbunden.
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Der die Störschwingungen erzeugende Erreger (Verbrennungskraftmaschine) ist starr mit dem Lagerkern 2 verbunden, während der Lagerdeckel 7 am Fundament (Karosserie) befestigt ist.
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Der mit dem Motor verbundene Signalgeber 12 liefert ein elektrisches Signal, welches in einer festen Phasenbeziehung zu den durch die Massenkräfte zweiter Ordnung hervorgerufenen Störschwingungen des Motors steht, d. h. eine Verschiebung des Motors nach unten erzeugt z. B. ein positives elektrisches Signal am Signalgeber 12. Dieses Signal wird in dem Prozeßrechner 14 entsprechend der Drehzahl und den übrigen Eingangsgrößen so aufbereitet und an das Stellglied 11 weitergeleitet, daß die Kompensationswand genau entgegengesetzt der Motorbewegung, also in diesem Fall nach oben bewegt wird und die durch die Abwärtsbewegung des Motors hervorgerufene Kompression des Fluids durch die Aufwärtsbewegung der Kompensationswand völlig ausgeglichen wird. Sämtliche anderen Störschwingungen am Motor (siehe Beispiel weiter vorn) werden von der zweiten Motorordnung angeregt und stehen zu dieser deshalb in genau definierten drehzahlabhängigen Phasenbeziehungen. Diese Beziehungen sind in dem Prozeßrechner 14 programmiert und werden entsprechend den anliegenden Führungs- und Eingangsgrößen aufgerufen.
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Versuche haben gezeigt, daß die zur Steuerung erforderliche Leistung sehr gering ist und zwischen 15 und 25 Watt liegt. Dieser geringe Leistungsverbrauch ist darauf zurückzuführen, daß die Kompensationswand 10 genau an der Stelle und in der Richtung angebracht ist und wirkt, an der die bei Einleitung von Schwingungen in dem Arbeitsraum erzeugten Druckwellen aufeinanderstoßen.
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In Fig. 3 ist der Verlauf der dynamischen Federsteifigkeit über der Frequenz aufgetragen. Ausgangspunkt der Messung war ein Lager mit einer stat. Steifigkeit in vertikaler Richtung von 100 N/mm. Das ungeregelte Lager zeigt den typischen Anstieg der Federsteifigkeit im unteren Frequenzbereich für ein hydraulisch gedämpftes Gummilager. Bei eingeschalteter Regelung wird diese Steifigkeit erheblich reduziert. Als untere Grenzfrequenz des Regelbereiches kann ca. 25 Hz gewählt werden, was bei einem 4-Zylinder-Motor einer Leerlaufdrehzahl von 750 U/min entspricht. Daß die Regelung nicht nur bei reinen Sinusschwingungen, sondern auch bei überlagerten Schwingungen einwandfrei arbeitet, geht aus der Fig. 4 hervor. Im dargestellten Fall wurde das Lager kernseitig mit zwei Frequenzen unterschiedlicher Amplitude (f&sub1; = 5 Hz; a&sub1; = ±0,5 mm und f&sub2; = 50 Hz; a&sub2; = ±0,1 mm) angeregt und die Reaktionskraft am Lagerdeckel 7 gemessen. Im ungesteuerten Fall (Fig. 3a) dringt die hochfrequente Schwingung (f&sub2; = 50 Hz) entsprechend ihrer hohen Federsteifigkeit ungehindert durch das Lager durch, während sie beim gesteuerten Lager nahezu kompensiert wird (Fig. 3b) und gleichzeitig die niederfrequente Schwingung (f&sub1; = 5 Hz) nicht beeinträchtigt wird. Dies ist äußerst wichtig, da in diesem Frequenzbereich die hydraulische Dämpfung zur Wirkung kommen soll.
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Die Kompensationswand kann elektromotorisch angetrieben sein, wobei die Verwendung einer elektrischen Magnetspule neben einer Veränderung der Frequenz zugleich eine Veränderung der Amplitude ermöglicht.
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Das Antriebssystem ist in diesem Falle lautsprecherähnlich. Auf erprobte Einrichtungen kann insofern ohne weiteres zurückgegriffen werden. Es ist beispielsweise möglich, den Antrieb mit einer Rückstellfederung zu versehen. Die Herstellkosten lassen sich hierdurch unter Umständen senken. Die Funktion wird nachfolgend anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels weiter verdeutlicht:
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Die Führungsgröße sowie die anderen Eingangsgrößen werden in dem Prozeßrechner 14 durch Phasenverschiebung und/ oder Frequenzvervielfältigung und/oder Amplitudenvergrößerung so zur Steuergröße umgeformt, daß sich eine optimale Kompensation der Störschwingungen durch die Lagervorrichtung ergibt.
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Anhand eines Beispiels soll das Zusammenwirken zwischen diesen Parametern und der Steuergröße beschrieben werden.
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Gegeben sei ein Kraftfahrzeug mit einem Vierzylinder- Reihenmotor mit folgenden typischen Störschwingungen:
- 1. unausgeglichene Massenkräfte zweiter Ordnung im gesamten Drehzahlbereich,
- 2. Eigenfrequenz des Getriebegehäuses bei 260 Hz, auftretend bei 2000 U/min im zweiten Gang im Schubbetrieb,
- 3. Eigenfrequenz der am Motor elastisch aufgehängten Lichtmaschine bei 100 Hz,
- 4. Biegeschwingung dritter Ordnung der kompletten Antriebseinheit mit Resonanz bei 225 Hz.
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Die unter Punkt 1 erwähnten Störschwingungen werden an der Lagervorrichtung dadurch kompensiert, daß die Kompensationswand mit der Frequenz der doppelten Drehzahl amplituden- und phasenrichtig bewegt wird. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes dient die Fig. 1, in der das Amplitudenverhältnis a/a&sub0; zwischen Regel- und Führungsgröße, die Phasenverschiebung φ zwischen beiden sowie das Frequenzverhältnis f/f&sub0; dieser beiden Größen über der Motordrehzahl aufgetragen ist. Phasen- und amplitudenrichtig heißt in diesem Fall, daß zwischen Führungs- und Steuergröße die Phase mit der Drehzahl ansteigt, während das Amplitudenverhältnis abfällt. Dies ist damit zu erklären, daß mit zunehmender Drehzahl, sprich Erregerfrequenz, die am Motor auftretenden Amplituden auch tatsächlich kleiner werden und somit auch nur eine kleinere Auslenkung der Kompensationswand erforderlich ist. Bei der Phasenverschiebung ist im höheren Drehzahlbereich das Eigenschwingverhalten der Kompensationswand zu berücksichtigen, d. h., hier muß die Steuergröße mit einer Phasenverschiebung gegenüber der Führungsgröße versehen sein, um der resonanzbedingten Phasennacheilung der Kompensationswand entgegenwirken zu können und somit wieder Gleichlauf zwischen Kompensationswand und Führungsgröße herzustellen.
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Unter Punkt 2 beginnt bei einem ganz bestimmten Betriebszustand das Getriebegehäuse so stark zu schwingen, daß es die unter Punkt 1 erwähnten Störschwingungen um ein Vielfaches übertrifft. In diesem Fall nimmt der Prozeßrechner eine Frequenzvervielfältigung von @O:260¤´¤60:2000&udf54; = 7,8 vor (Fig. 1c), außerdem eine Phasenverschiebung von ca. 180° in dem festgelegten Drehzahlbereich (Bereich I, z. B. von 1800-2200 U/min), beginnend an der unteren Drehzahlgrenze mit einem Wert, der vorher bei der Abstimmung des Fahrzeugs ermittelt wurde.
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Weiterhin wird in diesem Drehzahlbereich die Amplitude der Steuergröße und somit der Schwingweg der Kompensationswand vergrößert, um die hier beschriebene Störschwingung wirkungsvoll an der Lagervorrichtung zu kompensieren und an ihrer Weiterleitung in die Karosserie des Kraftfahrzeuges zu hindern. Nach Erreichen der oberen Drehzahlgrenze dieses Bereiches "I" schaltet der Prozeßrechner wieder um und kehrt in den Zustand gemäß Punkt 1 zurück.
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Die unter Punkt 3 beschriebene Störschwingung muß im Drehzahlbereich um 3000 U/min (Bereich II von 2800-3200 U/min) kompensiert werden. Sie wird von der zweiten Ordnung bei 3000 U/min mit 100 Hz angeregt, kommt in Resonanz und gibt diese Störschwingung um ein Vielfaches verstärkt über die Motorlager zur Karosserie weiter. Auch in diesem Fall muß die Wegamplitude der Kompensationswand und damit auch die Steuergröße vergrößert werden (Fig. 1a, Bereich II). Die Phasenverschiebung zwischen Führungs- und Steuergröße beträgt ebenfalls ca. 180°; allerdings findet an der unteren Drehzahlgrenze dieses Bereiches II kein Phasensprung statt, da zwischen Führungs- und Steuergröße sowie der Schwingung zweiter Ordnung nahezu Phasengleichlauf besteht und die zu bedämpfende Eigenschwingung der Lichtmaschine unterhalb der Resonanz noch annähernd in Phase mit der anregenden Schwingung zweiter Ordnung läuft. Eine Änderung des Frequenzverhältnisses findet in diesem Bereich "II" nicht statt, da Stör- und anregende Schwingung gleiche Frequenz haben.
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Nach Überschreiten der oberen Drehzahlgrenze dieses Bereiches II schaltet der Prozeßrechner wiederum um zur Kompensation der Störschwingungen zweiter Ordnung.
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Bei Punkt 4 liegt das Maximum der Störschwingung bei °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;so daß in diesem Fall wiederum ein Drehzahlbereich von z. B. 4300-4700 U/min zur Kompensation dieser Störschwingungen gewählt wird. Das Frequenzverhältnis ändert sich von 2 auf 3, weil es sich um eine Störschwingung dritter Ordnung handelt (Fig. 1c). Das Amplitudenverhältnis hat ebenfalls die typische Peak- Form. Beim Phasengang kann am Beginn des Bereiches wiederum ein Phasensprung auftreten, der in diesem Fall in positive Richtung geht. Da es sich auch hier um eine Resonanz handelt, muß die Phasenverschiebung innerhalb dieses Bereiches ebenfalls wieder ca. 180° betragen.
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Die bei diesem Beispiel betrachteten Amplituden-, Phasen- und Frequenzverläufe sowie die Bereichsgrenzen gelten für eine bestimmte Ausführung einer Motorlagerung in einem bestimmten Kraftfahrzeug, wobei die Ausführungen aus Gründen der Anschaulichkeit auf wenige kritische Betriebszustände beschränkt sind. Sie gewährleistet in diesen Fällen eine optimale Kompensation der Gesamtheit der bei normalem Gebrauch auftretenden Störschwingungen. Bei anderen Kraftfahrzeugen kann sich je nach Ausführung und Ausstattung ein verändertes Spektrum von Störschwingungen ergeben, was eine entsprechend veränderte Betätigung der Stellglieder erfordert. Der Prozeßrechner ist dementsprechend zu programmieren. Der differenzierten Reaktion auf Störschwingungen sind dabei technische Grenzen nicht gesetzt.
Bezugszeichenliste
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- 1 Lagerelement
2 Lagerkern
3 Gummischubkörper
4 Lagerring
5 Düsenplatte
6 Abschlußbalg
7 Lagerdeckel
8 Ausgleichsraum
9 Arbeitsraum
10 Kompensationswand
11 Stellglied
12 Signalgeber
13 Motor
14 frei programmierbarer Prozeßrechner
15 Drosselöffnung
16 Leistungsverstärker