DE3607051A1 - Resonanzgedaempfte feder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem Tilgerprinzip reso­ nanzgedämpfte Feder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine solche Feder ist aus der deutschen Patentschrift DE 29 47 018 C2 bekannt. Die bekannte Feder ist ein ela­ stisches Auflager, insbesondere zur Lagerung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einem Lager­ kern, einem Widerlager und einem zwischen Lagerkern und Widerlager angeordneten Federelement, das an einen mit einem Dämpfungsfluid gefüllten Raum angrenzt, der eine Bewegungsübertragung zwischen dem Federelement und einer Tilgermasse bildet, wobei die vorgesehene Tilgermasse an einer Gummimembran befestigt ist, die unmittelbar an die mit dem Dämpfungsfluid gefüllte Kammer angrenzt. Bei die­ ser bekannten Feder handelt es sich also um ein tilger­ gedämpftes oder resonanzgedämpftes Hydrolager, dessen Tilgermasse, ein auf einer separaten Gummimembran befe­ stigtes Massestück, über ein als Bewegungsüberträger dienendes Dämpfungsfluid angeregt wird, auf das die zu dämpfende Feder bzw. das zu dämpfende Federelement un­ mittelbar einwirkt.

Hydrolager dieser Art weisen zwei wesentliche und prinzi­ pielle Nachteile auf: (1) weil die zu dämpfende schwingen­ de Auflast unmittelbar an das Dämpfungsmedium, d.h. die Dämpfungsmasse, angekoppelt ist, wird oberhalb des Reso­ nanzphasensprunges, der für die hier speziell interessie­ rende Motorlagerung üblicherweise im Bereich um 10 Hz eingestellt ist, eine gegenüber der statischen Feder­ steifigkeit unerwünscht hohe dynamische Federsteifigkeit erhalten; und (2) auch das tilgergedämpfte Hydrolager zeigt eine unzureichende akustische Dämpfung bzw. eine fehlende akustische Abkopplung zwischen Auflager und Widerlager. Zudem zeigen die tilgergedämpften Hydrolager aufgrund ihrer konstruktiven, aber auch wirtschaftlichen praktischen Grenzen meist eine dem Betrag nach zu geringe Dämpfung auf.

Zur Überwindung dieser Probleme sind eine Reihe von Ver­ suchen bekannt geworden, so beispielsweise aus den Euro­ päischen Offenlegungsschriften EP 1 63 844 A2 und EP 1 63 949 A2, die mit einem Dämpfungsfluid arbeitende Lager offenbaren, bei denen der zur Dämpfung verwendete Tilger gesteuert geregelt bzw. angekoppelt oder abgekoppelt wer­ den kann. Die vorstehend erläuterten Probleme, die prin­ zipieller Natur sind, lassen sich dadurch zwar zum Teil in ihrer Auswirkung mildern, nicht jedoch beseitigen.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine resonanzgedämpfte Feder zu schaffen, die eine gute akustische Dämpfung bzw. eine weit­ gehende akustische Abkopplung zwischen Auflager und Wider­ lager gewährleistet, die außerhalb des Resonanzfrequenz­ bereiches eine zumindest im wesentlichen und praktisch von der Frequenz unabhängige Federsteifigkeit aufweist und auch bei kleinem Bauvolumen eine quantitativ wirksame Dämpfung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine resonanzgedämpfte Feder der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf.

Mit anderen Worten, die resonanzgedämpfte Feder gemäß der Erfindung ist kein Hydrolager, sondern eine Gummifeder nach Art eines Gummiauflagers bzw. eines Gummipuffers, in dem jeweils mindestens ein Kanal mit kommunizierender Federkammer unmittelbar ausgeformt ist. Kanal und Feder­ kammer sind mit einem Dämpfungsfluid oder einem anderen nicht fluiden schwingungsfähigen Dämpfungsmittel gefüllt, das die Funktion einer Tilgermasse erfüllt. Die mindestens eine federnde Wand der mit dem Kanal verbundenen Feder­ kammer wirkt als Tilgerfeder auf die die Federkammer und den Kanal füllende Tilgermasse ein. Entscheidend ist dabei, daß während und durch den Schwingvorgang im Federelement, speziell also durch die Verformung des Elastomerblocks unter Einwirkung der Auflast die Federkonstante der federnden Wand der Federkammer nicht verändert wird. Um diese Voraussetzung für eine federnde Wand der Federkammer zu schaffen, die aus dem Elastomerblock selbst ausgeformt ist, ist es ein erfin­ dungswesentliches Merkmal, daß die federnde Wand der Feder­ kammer in einer Ebene liegt, die zumindest im wesentlichen quer zum Vektor der auf die Feder einwirkenden Auflast liegt, die also im Fall von aufgeprägten Schwingungen quer zur Schwingungsrichtung liegt.

Bei zumindest im wesentlichen zentraler Lagerung der Auf­ last auf der Feder sind die Federkammern im Elastomer­ block nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise zumindest im wesentlichen außerhalb des Zentrums bzw. des Zentralbereichs der quer zum Auflastvektor liegenden Querschnittfläche des Elastomerblocks ausgebildet, während der mit der Federkammer jeweils verbundene Kanal durch dieses Zentrum oder zumindest durch den Bereich dieses Zentrums verläuft, d.h. durch den Bereich der unter Auf­ lasteinwirkung größten im Elastomerblock wirksamen Ver­ formungsspannung.

Beim Einwirken einer schwingenden Masse auf die Feder, wo­ bei die Richtung dieser Schwingung bei bestimmungsgemäßem Einsatz der Feder zumindest im wesentlichen senkrecht zum Kanal verläuft, wird das die Tilgermasse bildende im Kanal eingeschlossene Dämpfungsmaterial unmittelbar und direkt gegen die federnde Wand der kommunizierenden Federkammer verdrängt. Durch die Rückstellung der federnden Wand der Federkammer wird dann dem Dämpfungsmaterial eine tilgende Schwingung aufgeprägt. Die Frequenz dieser Schwingung, genauer gesagt, das Quadrat der Frequenz dieser Schwingung, ist dem Querschnitt des Kanals und der Federsteifigkeit der federnd schwingenden Wand der Federkammer direkt und der Länge des Kanals sowie der Dichte des Dämpfungsmediums umgekehrt proportional. Die Abstimmung dieses Systems auf die jeweils gewünschte Tilger-Resonanzfrequenz erfolgt vor­ zugsweise durch eine abstimmende Veränderung der Feder­ konstante der federnd schwingenden Wand der Federkammer, und zwar in einfachster Weise durch eine abstimmende Verände­ rung der Dicke dieser Federkammerwand.

Für die meisten Anwendungsfälle ist der Elastomerblock der Feder in Richtung des Auflastvektors so hoch ausgebildet, daß mehrere Kanäle mit Federkammern in diesem Elastomer­ block übereinanderliegend und sich in der Projektion auf die zum Auflastvektor senkrechte Ebene überkreuzend so angeordnet und ausgebildet werden können, daß sich weder die Federkammern noch die Kanäle schneiden. Bei dieser Ausbildung des Federelements der Feder sind die Kanäle und Federkammern möglichst gleichmäßig über die Projek­ tionsfläche verteilt, haben also vorzugsweise gleichen Winkelabstand voneinander. Auf diese Weise können im Feder­ block mehrere solcher Tilgersysteme in Schwingungsrichtung bzw. in Richtung des Auflastvektors übereinanderliegend angeordnet werden. Bei gleicher Abstimmung kann so die Dämpfungswirkung effektiv verstärkt werden, was bei den bekannten Hydrolagern nicht möglich ist. Darüber hinaus können die einzelnen Tilgersysteme aber auch unterschied­ lich abgestimmt sein und dadurch für die Feder eine Breit­ bandtilgung erzeugt werden.

Durch die homogene Verteilung der Kanäle und Federkammern, bezogen auf die senkrecht zum Auflastvektor liegende Pro­ jektionsfläche, wird weiterhin der für eine Schallausbrei­ tung bzw. Schallfortpflanzung vom Auflager zum Widerlager verfügbare Querschnitt des Elastomerblocks so weitgehend verringert, daß auf diese Weise praktisch eine akustische Abkopplung zwischen Auflager und Widerlager erzielt werden kann. Außerdem kann das zur Herstellung des Blocks des Federelements verwendete Elastomer wesentlich weicher ein­ gestellt werden als der meist kegelmantelförmig gestaltete Gummimantel eines Hydrolagers, so daß bereits das zur Her­ stellung der Feder gemäß der Erfindung verwendete Elasto­ mer im Gegensatz zu dem zur Herstellung der Hydrolager zu verwendenden härter eingestellten und zusätzlich durch Formbleche oder Gewebeeinlagen verstärkten Elastomer von vornherein eine wesentlich bessere akustische Dämpfung auf­ weist.

Der mit den Kanälen und Federkammern durchsetzte Elasto­ merblock der Feder gemäß der Erfindung zeigt im trockenen, ungefüllten Zustand eine ausgesprochen weiche Federkenn­ linie mit weitem Proportionalbereich. Beim Füllen der Ka­ näle und Federkammern mit dem schwingfähigen Dämpfungs­ material tritt gegenüber diesem Trockenzustand eine Volumenversteifung des Federverhaltens ein. Dieser an und für sich unerwünschte Effekt kann jedoch problemlos durch eine entsprechende Dimensionierung von Ausweichkammern kompensiert werden, die zumindest einseitig, vorzugsweise zu Seiten beider Hauptoberflächen der federnden Wand bzw. der federnden Wände der Federkammern ausgebildet sind. Bezogen auf den Elastomerblock und auf die Schwingungs­ richtung bzw. die Richtung des Auflastvektors als "axiale Richtung" des Elastomerblocks sind die Ausweich­ kammern vorzugsweise, nicht aber notwendigerweise, so aus­ gestaltet, daß sie sich ungedrosselt nach radial außen öff­ nen. Durch die Art, Anordnung, Dimensionierung und Ausge­ staltung dieser Ausweichkammern kann also die Volumen­ steifigkeit der Feder verändert und angepaßt werden, ohne zu diesem Zweck die Steifigkeit der Tragfeder selbst, also ohne die Steifigkeit des Elastomerblocks, ändern zu müssen.

Zur besseren Kraftaufnahme sind sowohl die Federkammern als auch die Kanäle der Feder gemäß der Erfindung im Elastomer­ block vorzugsweise im Axialschnitt flach rechteckig ausge­ bildet, um für ein vorgegebenes Volumen eine möglichst große Wirkfläche zur Anregungsaufnahme anzubieten. Da die Federkammer ein Volumen aufweisen muß, das zumindest gleich dem bei maximaler Schwingungsbelastung aus dem Kanal ver­ drängten Volumen des Dämpfungsmaterials ist und aus diesem Grunde und zu Sicherheitszwecken vorzugsweise ein Volumen aufweist, das mindestens gleich dem Volumen des Kanals ist, wobei die Federkammer jedoch kürzer als der Kanal ist, weist die Federkammer notgedrungen eine größere Querschnitts­ fläche als der Kanal auf. Um bei dieser Ausgestalung die Ausbildung von Hinterschnitten beim Übergang vom Kanal in die Federkammer aus Gründen der Entformbarkeit des Körpers bei der Herstellung im Spritzgießverfahren zu vermeiden, wird die Federkammer insbesondere im Übergangsbereich vom Kanal zur Federkammer im Axialschnitt kaum ideal flach rechteckig verlaufen können, sondern mit entsprechenden entformungstechnisch bedingten Abrundungen und Verschlei­ fungen versehen und ausgebildet sein.

Die Füllung des Kanals und der Federkammer mit dem Dämp­ fungsmaterial, in der Regel einem Dämpfungsfluid, kann prinzipiell auf beliebige Weise und unter Ausbildung von Ausweichkammern für das verdrängte Fluid erfolgen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die hydrau­ lisch resonanzgedämpfte Feder vorzugsweise in der Art auf­ gebaut, daß der mit den Kanälen und Federkammern und Aus­ weichöffnungen versehene Elastomerblock in einen mit dem Fluid gefüllten Behälter eingesetzt ist, und zwar unter sorgfältiger Innenbelüftung, der gleichzeitig als Wider­ lager dient bzw. ein Teil des Widerlagers bildet. Dabei ist es unschädlich, daß auch die Ausweichkammern mit dem Fluid gefüllt sind, da diese sich bei der hier besproche­ nen Ausbildung der Erfindung vorzugsweise ohne Bildung einer Drosselöffnung frei, unmittelbar und mit weitem, möglichst trichterförmigem Querschnitt nach radial außen öffnen.

Weitere Merkmale von Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Axialschnitt ein erstes Aus­ führungsbeispiel der Feder;

Fig. 2 einen Schnitt nach II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Feder; und

Fig. 4 einen Schnitt nach IV-IV in Fig. 3.

Die in Fig. 1 in schematischer Darstellung im Axialschnitt, d.h. in einem Schnitt in Richtung des Auflastvektors 1 ge­ zeigte resonanzgedämpfte Feder 2 besteht aus einem lastauf­ nehmenden Auflager 3, einem Widerlager 4 und einem zwischen dem Auflager 3 und dem Widerlager 4 angeordneten und als Federelement dienenden Block 5 aus einem elastomeren Werk­ stoff, hier Gummi, in dem ein quer zum Auflastvektor 1 verlaufender nach radial außen einseitig offener Kanal 6 ausgebildet ist, der an seinem dem offenen Ende 7 gegen­ überliegenden Ende 8 mit einer ebenfalls im Elastomer­ block 5 ausgebildeten, nur zum Kanal 6 hin offenen Feder­ kammer 7 in Verbindung steht, die ihrerseits zwei quer zum Auflastvektor 1 liegende dünne membranartige federnde Wände 9, 9′ aufweist, die als Tilgerfeder dienen. Der Kanal 6 und die Federkammer 7 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit Luft gefüllt, deren Masse als Til­ germasse dient. Im Axialschnitt sind sowohl der Kanal 6 als auch die Federkammer 7 zumindest im wesentlichen mit einem flach rechteckigen Profil ausgebildet. "Zumindest im wesentlichen" heißt dabei, daß die im Radialschnitt kreisrunde Federkammer 7 eine zum Kanal 6 hin abgeflacht oder angephast ausgebildete Fläche aufweist, die bei der Herstellung des Elastomerblocks 5 durch Spritzgießen oder Transferpressen ein Ziehen des Formkerns erleichtert.

Die Federkammer 7 ist zumindest im wesentlichen außerhalb des Zentrums der quer zum Auflastvektor 1 liegenden Quer­ schnittfläche des Elastomerblocks 5 angeordnet, während der mit der Federkammer 7 verbundene Kanal 6 durch diesen Zen­ tralbereich verläuft.

Zu beiden axialen Seiten der Federkammer 7 sind je eine nach radial außen weit offene flache Ausweichkammer 11, 11′ im Elastomerblock 5 ausgebildet, wodurch die federnden Wän­ de 9, 9′ der Federkammer 7 als dünne gummielastische Mem­ branen ausgebildet sind und wirken können. Diese federn­ den Wände 9, 9′ der Federkammer 7 können sich bei Anregung über den Kanal 6, d.h. durch ein Verdrängen der im Kanal 6 enthaltenen Dämpfungsmaterie, hier also der Luft, in die Ausweichkammern 11 bzw. 11′ hinein verformen. Ohne weite­ res ist ersichtlich, daß die Dicke dieser membranartigen federnden Wand die Federkonstante der Wand verändert und auf diese Weise ein einfaches Abstimmen des Tilgers mög­ lich ist.

Selbstverständlich brauchen dabei die Ausweichkammern 11 nicht in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Weise nach ra­ dial außen offen zu sein, sondern können auch in der in den Fig. 3 und 4 angedeuteten Weise als geschlossene Luft­ kammern mit Unterdruck, Überdruck oder Normaldruck ausge­ bildet sein, wobei solche Kammern beispielsweise in der Art hergestellt werden können, daß ein beim Herstellen des Elastomerblocks 5 umspritzter wiederverwendbarer Form­ kern durch einen Schlitz nach radial außen gezogen und der Gummikörper anschließend nachvulkanisiert wird.

Während in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im Elastomerblock 5 lediglich ein Kanal 6 und eine Feder­ kammer 7 ausgebildet sind, sind in dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Kanäle in Rich­ tung des Auflastvektors 1 übereinanderliegend und einan­ der ohne zu schneiden kreuzend so ausgebildet, daß die Kanäle zueinander in der insbesondere aus Fig. 4 ersicht­ lichen Weise in der Projektion auf eine senkrecht zum Auflastvektor 1 liegenden Ebene insgesamt gleiche Winkel­ abstände, hier rechte Winkel, zueinander aufweisen. Dies führt zu einer wirkungsvollen Symmetrierung der Feder­ eigenschaften des Elastomerblocks 5.

Weiterhin haben die Federkammern 7 zur besseren Einfügung in den Peripheriebereich des zylindrischen Blocks 5 im Radialschnitt nicht in der in Fig. 2 gezeigten Weise einen kreisförmigen Querschnitt, sondern bohnenförmigen oder nierenförmigen Querschnitt, wie dies der Fig. 4 zu ent­ nehmen ist. Dies ermöglicht eine effektivere Einwirkung der Auflastanregung auf die Kanäle 6 und damit ein effek­ tiveres Ansprechen der Resonanz-Tilgerschwingungen.

Als Widerlager 4 dient in der in Fig. 3 ersichtlichen Weise der Boden eines topfartigen Behälters oder Gehäuses 13, dessen lichter Innendurchmesser größer als der Außen­ durchmesser des Elastomerblocks 5 ist. Der Behälter sowie die Kanäle 6 und die Federkammern 7 sind mit einem Dämp­ fungsfluid 12, hier einem Diethylenglykol-Wasser-Gemisch, gefüllt. Der obere Rand des Federgehäuses 13 ist nach radial einwärts und axial einwärts umgebördelt und dient der Fixierung und gewünschtenfalls axialen Vorspannung des als Federelement dienenden Elastomerblocks 5 im Ge­ häuse 13. Das durch Anvulkanisieren fest mit dem Elasto­ merblock 5 verbundene Auflager 3 ist über eine weiche, schwingungsneutrale und akustisch abkoppelnde dünne Gummi­ membran 14 flüssigkeitsdicht mit dem oberen Rand des Ge­ häuses 13 verbunden.

Die dieser Beschreibung beigefügte Zusammenfassung ist Be­ standteil der relevanten ursprünglichen Offenbarung.

Claims (10)

1. Resonanzgedämpfte Feder (2) mit einem lastaufnehmen­ den Auflager (3), einem Widerlager (4) und einem zwischen Auflager und Widerlager angeordneten Feder­ element, das mittels einer Tilgermasse und einer Tilgerfeder resonanzgedämpft ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement ein Block (5) aus einem elasto­ meren Werkstoff ist, in dem mindestens ein quer zum Auflastvektor (1) verlaufender, nach außen höchstens nur einseitig offener Kanal (6) ausgebildet ist, der an einem seiner Enden mit einer ebenfalls im Elasto­ merblock (5) ausgebildeten, nur zum Kanal hin offe­ nen Federkammer (7) in Verbindung steht, die zumin­ dest eine quer zum Auflastvektor (1) liegende federnde Wand (9, 9′) aufweist, und daß der Kanal (6) und die Federkammer (7) mit einem Dämpfungsfluid oder einem anderen schwingfähigen Dämpfungsmittel gefüllt sind.

2. Feder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkammer (7) und/oder der Kanal (6) in einem Schnitt, der in der Ebene des Auflastvektors (1) liegt, ein zumindest im wesentlichen flach recht­ eckiges Profil aufweisen.

3. Feder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkammer (7) zumindest im wesentlichen außerhalb des Zentrums der quer zum Auflastvektor (1) liegenden Querschnittfläche des Elastomerblocks (5) liegt, während der mit der Federkammer (7) verbun­ dene Kanal (6) durch dieses Zentrum oder zumindest durch den Bereich dieses Zentrums verläuft.

4. Feder nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mehrere, räumlich in Richtung des Auflastvektors (1) übereinanderliegende, sich kreuzende, aber nicht schneidende Kanäle (6, 6′, 6′′, 6′′′) und zugeordnete Federkammern (7, 7′, 7′′, 7′′′), die in der Projektion auf die senkrecht zum Auflastvektor (1) liegende Ebene alle gleichen Winkelabstand voneinander haben.

5. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Federkammer (7) zumindest gleich, insbesondere größer als das Volumen des Kanals (6) ist.

6. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens eine im Elastomerblock (5) angrenzend an mindestens eine federnde Wand (9, 9′) der Federkam­ mer (7) ausgebildete Ausweichkammer (11), in die hinein die federnde Wand (9) der Federkammer (7) verformbar ist.

7. Feder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausweichkammer (11) nach radial außen unge­ drosselt offen ist.

8. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) und gegebenenfalls Ausweichkam­ mern (11) nach radial außen, also senkrecht zum Außenvektor (1) offen sind, und daß der Elastomer­ block (5) in einem mit dem Dämpfungsfluid (12) ge­ füllten Behälter (13) steht.

9. Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils benötigte Resonanzfrequenz des Tilgersystems durch eine Änderung und Anpassung der Dicke der federnden Wand (9, 9′) der Feder­ kammer (7) eingestellt ist.

10. Verwendung der Feder nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur resonanzgedämpften federnden Lagerung bzw. Aufhängung des Motorblocks eines Kraftfahr­ zeugs.