DE3815371A1 - Tilgerelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tilgerelement zur Kompensation der Schwingungsübertragung zwischen einem schwingenden Element und einem Trägerelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter einem derartigen schwingenden Element ist eine Maschine oder ein Maschinenteil, beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder dergleichen zu verstehen, die im Betrieb unvermeidbare Schwingungen erzeugt, die nicht auf das Trägerelement also z.B. die Fahrzeugstruktur oder den Boden am Aufstellungsort übertragen werden sollen.

Da herkömmliche Gummi-Metallager oder andere federnde Elemente zwar gewisse Dämpfungseigenschaften beim Übertragen der Schwingungen aufweisen, aber noch keine genügende dynamische Entkopplung zwischen schwingendem Element und Trägerelement sicherstellen, wurden elastische Lager mit Tilgerwirkung vorgeschlagen. Derartige Lager umfassen von ihrer Funktion her zwei verschiedenartige Elemente: eine (im wesentlichen) reine Feder zum Auffangen der statischen Kräfte und eine aus einem Masse-Feder-System bestehende Tilgeranordnung, bei welcher die Masse eine zur Bewegungsrichtung des schwingenden Elementes entgegengesetzte Bewegung ausführt und dadurch die in das Trägerelement eingeleiteten Kräfte vermindert. Die optimale Tilgerwirkung tritt jedoch nur bei einer bestimmten, durch das Masse-Feder-System bestimmten Frequenz auf, bei einer anderen ebenso bestimmten Frequenz wird die Schwingungs­ übertragung gegenüber einem nur federnden System sogar verstärkt.

Bei bekannten Tilgeranordnungen (DE-OS 29 47 018) geschieht diese verstärkte Übertragung von Schwingungen bei niedrigeren Frequenzen als die verminderte Übertragung von Schwingungen, so daß beim Hochdrehen eines so gelagerten Motors zunächst eine Verschlechterung der gewünschten Lagereigenschaften auftritt, bis die gewünschte Tilgerwirkung einsetzt. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird in der EP-Bl 00 06 819 eine Anordnung vorgeschlagen, bei welcher in dem stärker übertragenden Frequenzbereich eine Dämpfung der Schwingung, also Umsetzung von Bewegung in Wärme erfolgt. Bei diesem System wird allerdings auch die Tilgerwirkung verschlechtert.

Aus der DE-OS 30 26 878 ist ein System bekannt, das zwar ebenfalls bei niedrigeren Frequenzen zunächst verstärkt die Schwingungen überträgt, bis die Tilgerwirkung einsetzt, jedoch ist dieses System auf eine bestimmte Frequenz über mechanische Einstellmittel abstellbar. Diese Abstimmung ist nicht nur relativ kompliziert, sie ist vielmehr auch nur in einem bestimmten Frequenzbereich möglich, so daß immer noch das Problem bestehen bleibt, daß zunächst eine verstärkte Schwingungsübertragung erfolgt, bis die Tilgerwirkung einsetzt.

Aus der DE-PS 31 25 040 ist ein Tilgersystem der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Tilgerwirkung in einem niedrigeren Frequenzbereich liegt als die verstärkte Schwingungs­ übertragung. Auch dieses System muß aber auf die zu tilgenden Frequenzen (konstruktionsmäßig) abgestimmt sein, da die Tilger­ wirkung nur in einem relativ schmalen Frequenzbereich mit hoher Effizienz auftritt. Dies ist aber im wesentlichen nur für Maschinen zulässig, die eine einzige und noch dazu konstante Schwingungsfrequenz abgeben. Gerade bei Brennkraftmaschinen ist dies aber nicht der Fall, da zum einen derartige Maschinen über einen weiten Frequenzbereich betrieben werden, zum anderen nicht nur eine einzige (Grund-)Frequenz sondern ein gewisses Spektrum an Schwingungen erregt wird.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe, ein Tilgerelement der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß in einem breiten Frequenzbereich eine Tilgerwirkung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß mindestens ein Hilfs-Tilgersystem, bestehend aus Tilgermasse und Feder vorgesehen ist, das über ein Tiefpaßfilter mit der Haupttilgermasse gekoppelt ist, wird im niedrigen Frequenzbereich, also dort, wo das Tiefpaßfilter die eingeleiteten Schwingungen überträgt, die Hilfstilgermasse an die Haupt­ tilgermasse gekoppelt, so daß die Summen-Masse groß ist und somit zusammen mit der Tilgerfeder in diesem Frequenzbereich ein schwingungsfähiges und damit tilgendes System bildet. Bei höheren Frequenzen, bei denen das Tiefpaßfilter die eingeleiteten Schwingungen nicht mehr überträgt, wird die Hilfstilgermasse von der Haupttilgermasse abgekoppelt, so daß bei dieser höheren Frequenz wieder ein schwingungsfähiges System bestehend aus Haupttilgermasse und der dazugehörigen Tilgerfeder entsteht. Es stehen somit mindestens zwei voneinander verschiedene "Resonanzfrequenzen" zur Verfügung, bei denen das Tilgerelement eine echte Tilgerwirkung entfaltet.

Bei einer entsprechenden Vielzahl von Hilfstilgermassen und diese an die Haupttilgermasse ankoppelnden Tiefpaßfiltern verschiedener Grenzfrequenzen kann somit eine ganze Reihe von Frequenzen definiert werden, bei denen das Element eine optimale Tilgerwirkung entfaltet.

Vorzugsweise sind die Hilfstilgermassen derartig über Federn gelagert und über die Tiefpaßfilter an die Haupttilgermasse gekoppelt, daß unterhalb der Tiefpaß-Grenzfrequenz die Hilfstilgermassen parallel zur Haupttilgermasse liegen, so daß die Summe der Massen die Resonanzfrequenz bestimmt, während die zu den Hilfstilgermassen gehörigen Federn in Reihe geschaltet sind mit der zur Haupttilgermasse gehörigen Feder, so daß unterhalb der Grenzfrequenzen der jeweiligen Hilfs-Systeme die zur Haupttilgermasse gehörige Tilgerfeder in Reihe mit den Hilfs-Tilgerfedern liegt und dadurch "weicher" wird.

Besonders einfach wird die Konstruktion dann, wenn die Kopplung von Haupt- und Hilfstilgermassen über ein Fluid geschieht, wobei insbesondere die Tiefpaßfilter durch eine Drosselöffnung oder eine Rohrleitung definierter Abmessung realisiert sein können. Wenn nämlich die Kopplung über ein Fluid erfolgt, so stellt das Fluid, das die Hilfstilgermassen verschiebt, zumindest teilweise eine zusätzliche Hilfstilger­ masse dar, so daß eine Tilgerwirkung bis in sehr tiefe Frequenzbereiche erzielbar ist.

Hierbei sei betont, daß der Begriff, "Haupt-" und "Hilfs-" keine prinzipiell unterschiedlichen Systeme bezeichnen soll.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 den (prinzipiellen) Verlauf der Tilgerwirkung über die Frequenz im Vergleich zu einem her­ kömmlichen System;

Fig. 3 ein (idealisiertes) Systemschaubild der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Ansicht entlang der Linie V-V aus Fig. 4;

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich der nach Fig. 2 zur Erklärung der Funktionsweise der Anordnung nach Fig. 4 und 5;

Fig. 7 eine weitere bevorzugte Ausführungsform und

Fig. 8 eine Ausführungsform der Erfindung ohne tragende Feder.

Im folgenden werden für gleiche Teile dieselben Bezugsziffern verwendet und nur einmal erklärt.

Das in Fig. 1 gezeigte Tilgerelement umfaßt einen Lagerkern 10, der über einen Bolzen 11 mit dem schwingenden Element koppelbar ist. Der Lagerkern 10 besteht aus einem oberen Gehäuseabschnitt 12 und einem unteren Gehäuseabschnitt 13, der über eine Hauptfeder 14 mit einem Widerlager 15 verbunden ist. Das Widerlager 15 dient zur Ankopplung des Tilgerelementes an das Trägerelement (z.B. das Fahrzeugchassis).

Zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseabschnitt 12, 13 ist eine Trägerscheibe 16 gehalten, in deren mittige Bohrung eine membranförmige Haupt-Tilgerfeder 17 einvulkanisiert ist, die wiederum mittig mit einer Haupttilgermasse 18 (durch Ein­ vulkanisierung) verbunden ist. Durch diese Anordnung ist der Innenraum des topfförmigen Lagerkerns 10 zunächst in zwei Kammern geteilt. Die untere, dem Widerlager 15 zugewandte Kammer 19 ist mit einem Fluid gefüllt, so daß bei Bewegung des Lagerkerns 10 in Fig. 1 nach unten das Widerlager 15 tiefer in die Kammer 19 eindringt und somit die Haupttilger­ masse 18 nach oben bewegt. Die Bewegung der Haupttilgermasse 18 ist somit der Bewegung des Lagerkerns 10 entgegengesetzt.

Oberhalb der Trägerscheibe 16 befindet sich im Innenraum des Lagerkerns 10 ein Innengehäuse 20, das mehrere, von der Haupt­ tilgermasse 18 bzw. einem darüberliegenden Koppelraum 21 abgewandte Hilfskammern 22, 22′, 22′′ aufweist. Die Hilfskammern 22, 22′, 22′′ sind über Bohrungen 23, 23′, 23′′ mit dem Koppelraum 21 verbunden und auf ihren, den Bohrungen 23-23′′ gegenüberliegenden Seiten mit elastischen Membranen flüssigkeitsdicht abgeschlossen, die Hilfstilgerfedern 24, 24′ und 24′′ darstellen. An einigen der Hilfstilgerfedern 24′, 24′′ sind Hilfstilgermassen 25′, 25′′ in analoger Weise zur Haupttilgermasse 18 mit Haupttilgerfeder 17 angebracht.

Über den Hilfstilgerfedern 24-24′′ befindet sich eine gasgefüllte Kammer 26, die über eine Bohrung im Lagerkern 10 mit Gas unter definiertem Druck befüllbar ist, welche dann über einen Stopfen 27 verschlossen wird.

Die Kammern 19, 21 und 22-22′ sind mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Dieses Fluid kann durch eine Öffnung im Lager­ kern 10 eingefüllt werden, die abschließend über einen Stopfen 28 verschlossen wird. Ein (statischer) Druckausgleich findet über eine Bohrung 29 in der Trägerscheibe 16 statt, wobei der Durchmesser der Bohrung 29 so bemessen ist, daß diese nur im quasi-statischen Fall durchgängig ist, im interessierenden Frequenzbereich, in welchem eine Tilgerwirkung erzielt werden soll, jedoch (in Form eines Tiefpasses) sperrt.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des zuvor beschriebenen Tilgerelementes näher erläutert, wobei hier davon ausgegangen wird, daß nur die drei in Fig. 1 im Schnitt gezeichneten Hilfskammern vorgesehen sind. Hierbei wird Bezug auf die Fig. 2 und 3 genommen.

Wenn man von einem System ausgeht, bei dem lediglich eine untere, fluidgefüllte Kammer 19 vorgesehen ist, während über der Haupttilgermasse 18 ein gasgefüllter Raum besteht, so ergibt sich ein Frequenzgang, wie er in Fig. 2 mit unter­ brochenen Linien dargestellt ist. Dieses System entspricht dem eingangs genannten System nach der DE-OS 31 25 040 und weist eine ausgeprägte Tilgerfrequenz ωo auf, bei der die Tilgerwirkung maximal ist und eine bei einer höheren Frequenz angesiedelte Frequenz ω1, bei welcher die eingeleiteten Schwingungen verstärkt übertragen werden. Die Frequenzen ωo und ω1 sind durch die Masse 18 und die Steifigkeit der Feder 17 bestimmt.

Beim Erfindungsgegenstand wird demgegenüber ein Frequenzgang erzielt, der in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien gezeigt ist und der einen Frequenzbereich Δ l umfaßt, innerhalb dessen eine Tilgerwirkung erzielt wird. Dieser Frequenzgang wird dadurch erzielt, daß bei niedrigen Frequenzen die in Fig. 3 gezeigten Massen 18, 25, 25′ und 25′′ miteinander über Hebel gekoppelt schwingen, wobei die in Fig. 3 gezeigten Hebel über die hydraulische Verbindung aller Kammern untereinander gebildet sind.

Wenn die Schwingungsfrequenz steigt, so stellen die Bohrungen 23, 23′ und 23′′ gemäß ihren abgestuften Durchmessern immer größere Strömungswiderstände dar, so daß (die in Fig. 1 ge­ zeigten Größenverhältnisse voraussetzend) zunächst die Masse 25′ fest an den Lagerkern 10 gekoppelt wird, bei weitersteigender Schwingungsfrequenz nacheinander die Massen 25′′ und 25 fest­ gesetzt werden. Wenn somit bei höheren Frequenzen die Öffnungen 23-23′′ als geschlossen zu betrachten sind, so schwingt die Masse 18 in einer (unterteilten) Doppelkammer. Diese Bewegungs­ möglichkeit der Masse 18 rührt daher, daß die Fluidmenge, die bei einer Aufwärtsbewegung der Masse 18 (in Fig. 1) verdrängt wird, die membranförmige Haupttilgerfeder 17 nach unten durch­ beult (und umgekehrt). Im Ersatzschaltbild nach Fig. 3 ist diese Feder mit FB bezeichnet und weist einen weiteren Anteil in der mit Cvol bezeichneten Feder auf. Das Funktionsprinzip der Anordnung basiert also darauf, daß bei niedrigen Frequenzen mehrere Massen parallel geschaltet sind und gegen eine in der Summe weichere Feder arbeiten als bei höheren Frequenzen. In einem breiten Frequenzbereich ist somit die erwünschte, zur Bewegung der eingeleiteten Kraft gegenphasige Resonanz erziel­ bar.

Bei der in Fig. 4 gezeigten weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Haupt-Tilgermasse 18 über die dazugehörige Haupttilgerfeder 17 im Innengehäuse 20 gehalten, ersetzt also sozusagen die Hilfs-Kammer 22′ mit der Hilfstilgermasse 25′ und ihrer Hilfstilgerfeder 24′ im System nach Fig. 1, wobei die Bohrung 23′ aus Fig. 1 "sehr groß" und somit im wesentlichen wirkungslos ausgeführt ist. Weiterhin ist bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung die in Fig. 1 vorgesehene Bohrung 29 zum Druckausgleich bei statischer Belastung im Widerlager 15 der Fig. 4 vorgesehen und führt in eine Ausgleichskammer 30, die einstückig mit der Hauptfeder 14 ausgebildet ist. Die Wandung der Ausgleichskammer 30 ist so nachgiebig ausgebildet, daß die bei statischer Vorspannung auftretende Volumenver­ schiebung aufgefangen werden kann, ohne die Federn 17 und 24′ wesentlich vorzuspannen. Das Ersatzschaltbild der Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt und aus der Erklärung zum Ersatzschaltbild nach Fig. 3 in sich verständlich.

Bei der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ist die Haupttilgermasse 18 in einer besonderen Art (mit großer Masse) hervorgehoben gezeichnet. Es versteht sich aber, und dies geht insbesondere aus dem Ersatzschaltbild nach Fig. 6 hervor, daß es hier nur auf eine Vielzahl von "gleichartigen" Tilger­ systemen ankommt, die sukzessive mit der Frequenz voneinander entkoppelt bzw. stillgesetzt werden. Weiterhin sind in Fig. 4 keine gesonderten Hilfstilgermassen eingezeichnet, die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit 25-25′′ bezeichnet sind. Hier ist jedoch zu berücksichtigen, daß die mitschwingenden Volumenanteile in den Kammern 22, 22′ Tilgermassen darstellen und zusätzliche Festkörper nur zur Erzielung niedriger Tilger­ frequenzen notwendig sind. Wenn der Frequenzbereich, in dem getilgt werden soll, sehr hoch liegt, so kann auf diese zusätzlichen Massen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 verzichtet werden. In diesem Fall wird dann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4 die Kammer 26 mit Gas unter erhöhtem Druck gefüllt, so daß zu allen Federn nach Fig. 6 eine Gasdruckfeder parallelgeschaltet anzunehmen ist.

Bei der in Fig. 7 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum einen die mechanische Konstruktion etwas anders gewählt als bei der Ausführungsform nach Fig. 1, zum anderen ist dort keine gesonderte Haupttilgermasse 18 mit Haupttilgerfeder 17 vorgesehen, sondern lediglich eine Anordnung bestehend aus Hilfstilgersystemen, wobei nach den bisher gewählten Definitionen das System mit der niedrigsten Tilgerfrequenz die Funktion des Haupttilgersystems übernimmt. Diese Ausbildungsform der Erfindung ist insbesondere für hohe Schwingungsfrequenzen gedacht, wobei die Tilgermassen ausschließlich vom Fluid sowie von der Masse der Tilgerfedern 25, 25′ gebildet sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 8 ist in ihrem Arbeitsprinzip ähnlich der nach Fig. 4. Im Unterschied hierzu ist aber keine Hauptfeder 14 vorgesehen, die - wie weiter oben ausgeführt - ohnehin nichts mit der Tilgerfunktion zu tun hat, sondern lediglich zur Aufnahme statischer Kräfte dient. Bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung wird die untere Wand der Kammer 19 von einem Kolben 31 gebildet, der gegenüber den Innenwänden des unteren Gehäuseabschnittes 13 über Dichtanordnungen 32 abgedichtet ist und einstückig mit dem Widerlager 15 verbunden ist. Das Ersatzschaltbild dieser Anordnung entspricht demnach Fig. 6, wobei die Feder 14 fehlt. Bei Bedarf ist es selbst­ verständlich bei dieser Ausführungsform auch möglich, eine der Bohrung 29 mit Ausgleichskammer 30 nach Fig. 4 entsprechende Anordnung vorzusehen. Weiterhin ist der Grundgedanke "Fortfall der Hauptfeder 14" auch bei den zuvor gezeigten Ausführungs­ formen der Erfindung anwendbar. Ein Vorteil der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der Erfindung liegt hierbei darin, daß ein so ausgebildetes System auf den interessierenden Frequenzbereich abgestimmt werden kann, ohne dabei gleichzeitig auf die aufzunehmenden statischen Kräfte achten zu müssen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung liegt darin, daß die hydraulische Übersetzung zwischen der eingeleiteten (Schwingungs-) Bewegung und der von den Tilgermassen ausgeführten Schwingungs­ amplitude (dies entspricht den in den Fig. 3 und 6 gezeigten Verbindungshebeln) vergrößert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, bei der Ausführungsform nach Fig. 8 eine Hauptfeder 14 zwischen dem unteren Gehäuseabschnitt 13 und dem Widerlager 15 anzubringen bzw. bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 4 und 7 zusätzlich eine Kolbenanordnung zur Erhöhrung der hydraulischen Übersetzung vorzusehen.

Bezugszeichenliste:

10      Lagerkern
11      Bolzen
12      oberer Gehäuseabschnitt
13      unterer Gehäuseabschnitt
14      Hauptfeder
15      Widerlager
16      Trägerscheibe
17      Haupttilgerfeder
18      Haupttilgermasse
19      untere Kammer
20      Innengehäuse
21      Koppelraum
22-22′′ Hilfskammern
23-23′′ Bohrungen
24-24′′ Hilfstilgerfeder
25-25′′ Hilfstilgermassen
26      gasgefüllte Kammer
27, 28   Stopfen
29      Bohrung
30      Ausgleichskammer
31      Kolben
32      Dichtung

Claims (9)

1. Tilgerelement zur Kompensation der Schwingungsübertragung zwischen einem schwingenden Element und einem Trägerelement wie z.B. zwischen einer Brennkraftmaschine und einer Motor­ aufhängung, mit einem Lagerkern (10) zur Krafteinleitung, einem Widerlager (15) zur Kraftaufnahme, mindestens einer über mindestens eine Tilgerfeder (17) mit dem Lagerkern (10) verbundenen Haupttilgermasse (18), die über eine fluid­ gefüllte Kammer (19) mit dem Widerlager (15) derart gekoppelt ist, daß mindestens bei niedrigen Schwingungsfrequenzen die Bewegung der Tilgermasse (18) derjenigen des Lagerkerns (10) entgegengerichtet ist, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Hilfstilgermasse (25), die über ein Tiefpaßfilter (23) mit der Haupttilgermasse (18) gekoppelt ist.

2. Tilgerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupttilgermasse und/oder die Hilfstilgermassen Fluide umfassen.

3. Tilgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Haupt- und Hilfstilgermassen (18, 25, 25′, 25′′) über ein Fluid miteinander gekoppelt sind.

4. Tilgerelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter eine Öffnung (23, 23′, 23′′) mit definierten Abmessungen in einer fluidgefüllten Leitung (22, 22′, 22′′) zur Kopplung von Haupt- und Hilfstilgermassen (18, 25-25′′) umfaßt.

5. Tilgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Hilfstilgermassen (25-25′′) vorgesehen ist, die voneinander getrennt über die Tiefpaßfilter (23-23′′) voneinander verschiedener Grenzfrequenzen mit der Hauptmasse (18) gekoppelt sind.

6. Tilgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tilgerfedern (17, 24-24′′) als Membranen ausgebildet sind, die zusammen mit dem topfförmig ausgebildeten Lagerkern (10) (und gegebenenfalls mit Tilgermassen) und dem in diesem beweglich gelagerten Lagerkern (15) eine geschlossene Kammer bilden.

7. Tilgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgleichskammer (30), eine Ausgleichsöffnung (Bohrungen 28, 29) oder dergleichen vorgesehen sind, über welche das Volumen der Kammern (18, 21, 22-22′′) einstellbar ist.

8. Tilgerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu den Tilgerfedern (17, 24-24′′) parallel geschaltete einstellbare Feder vorgesehen ist.

9. Tilgerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Feder als Gasdruckfeder (Kammer 26) ausge­ bildet ist.