DE3902603C2 - Elastische Lagerung, insbesondere Kraftfahrzeug-Motorlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elastische Lagerung, insbesondere ein Kraftfahrzeug-Motorlager, gemäß dem gemeinsamen Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 7.

Derartige Motorlagerungen sind in einer großen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bekannt. Sie haben grundsätzlich die Aufgabe zu verhindern, daß die Bewegungen einer schwingenden Last auf das diese Last tragende Fundament oder Chassis übertragen werden, was mit den verschiedenen Ausführungsformen der Lager auf unterschiedliche Art und mit unterschiedlichem Erfolg bewerkstelligt wird. Während man früher überwiegend reine Gummilager verwendete, bei denen die eingeleiteten Schwingungsamplituden lediglich durch die innere Dämpfung der verwendeten Gummipolster zum Abklingen gebracht wurden, werden heute Lagerungen mit integrierten Dämpfungseinrichtungen bevorzugt, wie sie beispielsweise in der DE 34 07 553 C2 in Form eines sogenannten Hydrolagers und in der DE 32 33 456 C2 in Form eines sogenannten Verdrängerlagers beschrieben sind. Die in den beiden genannten Dokumenten dargestellten Ausführungs­ formen bieten zusätzlich zur Schwingungs-Isolierung und -Dämpfung den Vorteil, daß sie die auf sie einwirkenden Schwingungen selektiv verarbeiten, und zwar in der Weise, daß sie niederfrequente Schwingungen, d. h. Schwingungen mit Frequenzen unterhalb ca. 20 Hz, die im allgemeinen mit großen Amplituden auftreten, stark dämpfen, während sie hochfrequente Schwingungen, d. h. Schwingungen oberhalb ca. 20 Hz, die im allgemeinen nur mit kleiner Amplitude auftreten, aber wegen ihrer akustischen Wirkung sehr lästig sind, praktisch ungedämpft aufnehmen und hierdurch weitgehend vom Fundament bzw. vom Chassis abkoppeln.

Obwohl diese akustische Abkopplung bei den bekannten Hydro- und Verdrängerlagern bereits sehr weitgehenden Forderungen gerecht wurde, stellte sich aufgrund des inzwischen weiter gestiegenen Komfortbedürfnisses die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine elastische Lagerung zu schaffen, die die Übertragung hochfrequenter, insbesondere akustisch störender, Schwingungen durch eine flexible Anpassung und aktive Steuerung ihrer resultierenden, die schwingende Last aufnehmenden Federkräfte optimierte. Von besonderer Bedeutung war die Lösung dieser Aufgabe bezüglich der Lagerung von Kraftfahrzeug-Antriebsmotoren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe durch elastische Lagerungen der eingangs genannten Gattung gelöst, die die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 7 genannten Merkmale aufweisen. In den Unteransprüchen 2 bis 6 sowie 8 und 9 sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Lösung der gestellten Aufgabe, elektrostriktive oder magneto­ striktive sogenannte Aktuatoren einzusetzen. Solche Aktuatoren sind an sich bekannt, und zwar wurde bereits vorgeschlagen, sie als Stellglieder in feinmechanischen Werkzeug- und Bearbeitungsmaschinen einzusetzen. Sie haben die vorteilhafte Eigenschaft, daß sich ihre axiale Länge in Abhängigkeit von der an sie angelegten Spannung bzw. dem sie durchfließenden Strom ändert, so daß es mit ihrer Hilfe möglich ist, elektrische Signale unmittelbar in mechanische Auslenkungen umzusetzen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden elektrostriktive Aktuatoren, die auf dem bekannten piezoelektrischen Prinzip beruhen, bevorzugt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der besagte Aktuator dem die schwingende Last abstützenden gummielastischen Federelement der vorgeschlagenen elastischen Lagerung in mechanischer Parallelschaltung zugeordnet. Dies hat zur Folge, daß die statische Last in vollem Umfang vom Federelement aufgenommen wird, während der Aktuator lediglich von den die statische Last überlagernden dynamischen Wechselkräften beaufschlagt wird, da er sich mit seiner der Last abgewandten Seite gegen eine sogenannte seismische Masse abstützt. Dabei wird hier unter einer seismischen Masse eine Masse verstanden, deren Trägheitskraft bei hochfrequenten Schwingungen so groß ist, daß sich der Aktuator an ihr als Fixpunkt abstützen kann, während sie gegenüber statisch bzw. quasistatisch - d. h. niederfrequent - einwirkenden Kräften frei verschiebbar ist. Somit setzt die seismische Masse in der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung der statischen Grundlast sowie niederfrequenten Lastschwankungen keine Gegenkraft entgegen, während sie bezüglich hochfrequenter Lastschwankungen wie ein starres Gegenlager wirkt. Daher beeinflussen hochfrequente Längenänderungen des zwischen der seismischen Masse und dem die Last tragenden Anschlußteil unmittelbar die an diesem Anschlußteil gegenüber der Last wirksamen Abstützkräfte, und daher können die von der schwingenden Last verursachten und vom Sensor aufgenommenen hochfrequenten Wechselkräfte durch entsprechende Steuerung des Aktuators von diesem abgefangen werden.

In der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung ist der Aktuator zu seiner Steuerung an einen Sensor angeschlossen, der in einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einer Regeleinrichtung und in einer zweiten Ausführungsform in Verbindung mit einem Rechner Steuersignale liefert, die den von der schwingenden Last verursachten Wechselkräften bzw. Schwingungsauslenkungen entsprechen und durch die die axiale Länge des Aktuators laufend so verändert wird, daß die besagten Wechselkräfte bzw. Schwingungsauslenkungen zumindest teilweise kompensiert und abgefangen werden und somit allenfalls in stark reduziertem Maß bis auf das Fundament bzw. Chassis durchschlagen.

Auf diese Weise fängt der Aktuator insbesondere die hochfrequenten akustischen Schwingungen kleiner Amplituden ab, während die niederfrequenten langhubigen Schwingungen von dem Federelement aufgenommen und gegebenenfalls gedämpft werden. Wegen der kleinen Amplituden der störenden akustischen Schwingungen, die im allgemeinen nur wenige Zehntel Millimeter betragen, sind die in der gleichen Größenordnung realisierbaren Längenänderungen der verfügbaren Aktuatoren für eine wirksame Körperschallisolierung voll ausreichend.

In der oben angeführten bevorzugten, ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die von der schwingenden Last verursachten Wechselkräfte bzw. Schwingungsauslenkungen direkt durch - insbesondere in die Lagerung integrierte - elektrische Sensoren in Form von Kraft- bzw. Wegaufnehmern erfaßt, deren Ausgangssignal über eine an sich bekannte Regeleinrichtung und einen Verstärker den Aktuator steuert. Dabei bildet die Regeleinrichtung mit dem Verstärker, dem Aktuator und dem Sensor einen geschlossenen Regelkreis, in dem der Aktuator als Stellglied und der Sensor als Aufnehmer fungiert. Die den Sensor beaufschlagenden Wechselkräfte bzw. Schwingungsauslenkungen gehen als Störgröße in diesen Regelkreis ein, wobei der jeweilige Ist-Wert der Störgröße mit einem vorgegebenen Soll-Wert - insbesondere "Null" - verglichen und das Stellglied so betätigt wird, daß der Ist-Wert an diesen Soll-Wert angenähert wird, mit dem Ergebnis, daß die Störgröße minimiert und insbesondere auf "Null" gebracht wird.

Als elektrische Sensoren werden hierbei vorzugsweise Piezoelemente eingesetzt; alternativ kommen insbesondere Sensoren nach Art von Dehnungsmeßstreifen in Betracht. Der Einbauort der Sensoren wird vorzugsweise möglichst nahe an der aus dem Gummifederelement und dem Aktuator gebildeten Baueinheit gewählt, um eine Beeinflussung durch Störschwingungen anderer Erreger, die mit Hilfe des Aktuators nicht ausgeregelt werden können, auszuschließen.

Um die durch die Erfindung erzielbaren vorteilhaften Effekte nicht nur bezüglich einer einzigen Schwingungsrichung auszunutzen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform jeder Hauptschwingungsrichtung der die erfindungsgemäße Lagerung beaufschlagenden Last ein Aktuator mit zugehörigem Sensor zugeordnet. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung der Aktuatoren und Sensoren dabei in Form eines orthogonalen Dreibeins.

In der oben angeführten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine die genannten Vorteile von Aktuatoren nutzende elastische Lagerung vorgeschlagen, bei der als Sensor ein Aufnehmer eingesetzt wird, der charakteristische Bewegungs- und Lageparameter von periodisch bewegten Teilen der durch eine solche Lagerung abgestützten Last aufnimmt, die mit der Verursachung der Schwingungen der Last in unmittelbarem oder mittelbarem Zusammenhang stehen. Wenn es sich um die Lagerung eines Kraftfahrzeugmotors handelt, kann ein geeigneter Aufnehmer beispielsweise die Winkelstellung und Drehzahl der Kurbelwelle erfassen. Das von dem Aufnehmer abgegebene Signal wird einem Rechner zugeleitet, der über einen Verstärker mit dem Aktuator verbunden ist.

Der Rechner steuert dann den Aktuator in Abhängigkeit von dem aufgenommenen Phasensignal (z.B. der Winkelstellung der Kurbelwelle) nach einem aufgrund der Schwingungs­ charakteristik der Last durch Versuche festgelegten und gespeicherten Programm so, daß die in die Lagerung eingeleiteten - insbesondere hochfrequenten - Wechselkräfte bzw. Schwingungsauslenkungen weitgehend kompensiert und abgefangen werden. Dabei kann es ebenfalls vorteilhaft sein, Aktuatoren in den Hauptschwingungsrichtungen des Systems vorzusehen, insbesondere derart, daß sie ein orthogonales Dreibein bilden.

In sämtlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung weist das verwendete Federelement vorzugsweise eine Dämpfungseinrichtung auf, und zwar insbesondere dergestalt, daß das Federelement nicht als reines Gummilager, sondern in Form eines Hydrolagers oder eines Verdrängerlagers der eingangs genannten, an sich bekannten Art ausgebildet ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. In dieser zeigt

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der bevorzugten, ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung mit geregelter Aktuatorsteuerung,

Fig. 1b eine entsprechende Darstellung eines Ausführungsbeispiels der oben angeführten zweiten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Wie Fig. 1a zeigt, weist eine erfindungsgemäße elastische Lagerung ein elastisches Federelement 3 und einen Aktuator 4 auf, die zwischen dem von der schwingenden Last L beaufschlagten Anschlußteil 1 und dem basis- oder chassisseitigen Anschlußteil 2 mechanisch parallel­ geschaltet sind. Zur Erzeugung dieser mechanischen Parallelschaltung ist der Aktuator 4 mit seiner lastseitigen Stirnseite 4.1 starr mit dem entsprechenden Anschlußteil 1 des Federelements 3 verbunden, während seine gegenüberliegende Stirnseite nicht etwa an das basisseitige Anschlußteil 2 des Federelements 3 angekoppelt ist, sondern - bezüglich hochfrequenter Wechselkräfte mechanisch gleichwertig - sich gegen die seismische Masse 9 abstützt. Ein vorzugsweise piezoelektrischer Sensor 5 ist so angeordnet, daß er die von der schwingenden Last L verursachten Wechselkräfte aufnimmt. Sein Ausgangssignal wird durch den angeschlossenen Regler 6 und den Verstärker 7 so verarbeitet, daß es eine Verstellung des Aktuators 4 bewirkt, wobei die Regelung so ausgelegt ist, daß die von der schwingenden Last L verursachten Wechselkräfte durch den Aktuator 4 abgefangen werden, ohne daß sie auf das Anschlußteil 2, an dem der Sensor 5 angekoppelt ist, durchschlagen.

Fig. 1b zeigt in entsprechender schematischer Darstellung eine elastische Lagerung der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit mechanischer Parallelschaltung aus Federelement 3 und Aktuator 4, bei der als Sensor ein Aufnehmer 5′ eingesetzt ist, der die Phasenlage und Drehzahl eines periodisch bewegten Teils der Last L (beispielsweise der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors) ermittelt und einem Rechner 6′ zuleitet. Der Rechner 6′ steuert dann über den Verstärker 7 den Aktuator 4 in Abhängigkeit von dem Sensor-Signal aufgrund eines in ihm gespeicherten empirisch erstellten Programms, das jedem Schwingungszustand der Last L diejenige Aktuator- Steuerspannung zuordnet, durch die der Aktuator 4 seine axiale Länge jeweils so ändert, daß er die an der Lagerung auftretenden Wechselkräfte, Wechsel­ beschleunigungen bzw. Schwingungsauslenkungen laufend kompensiert oder weitgehend reduziert.

Fig. 2 veranschaulicht die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel, in dem das in Form einer Gummifeder ausgebildete Federelement 3 ein Gehäuse 10 abschließt. An dem lastseitigen Anschlußteil 1 ist die eine Stirnseite 4.1 des Aktuators 4 befestigt, der sich in Richtung der Lagerachse A in den Gehäuseinnenraum hineinerstreckt, wo an seiner gegenüberliegenden Stirnseite 4.2 die seismische Masse 9 ohne mechanischen Kontakt zur Gehäusewandung befestigt ist. Das Gehäuseinnere enthält im übrigen üblicherweise Luft unter Normaldruck. Es besteht jedoch auch die vorteilhafte Möglichkeit, es zwecks Dämpfung niederfrequenter Schwingungen mit einer Flüssigkeit zu füllen. Das basis- bzw. chassisseitige Anschlußteil 2 ist in dem dargestellten Ausführungs­ beispiel als flanschartige Ausformung der Gehäusewand ausgebildet.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt, daß der Aktuator 4 im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Anordnung mit seiner Stirnseite 4.1 an das chassisseitige Anschlußteil 2 angekoppelt sein kann. Er erstreckt sich dann in Richtung der Lagerachse A nach oben und trägt an seiner Stirnseite 4.2 die von dem Gehäuse 10 berührungslos umschlossene seismische Masse 9. Das die Anschlußteile 1 und 2 gegeneinander abstützende Federelement 3 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel als reine Gummifeder dargestellt; es kann jedoch, ebenso wie bei der Anordnung gemäß Fig. 2, in vorteilhafter Weise durch ein sogenanntes Hydrolager (z.B. gemäß DE 34 07 553 C2) oder ein sogenanntes Verdrängerlager (z.B. gemäß DE 32 33 456 C2) ersetzt werden, wodurch zusätzlich die selektiv wirkende Dämpfung solcher Lager ausgenutzt wird.

Claims (9)

1. Elastische Lagerung mit einem zwischen zwei Anschlußteilen (1, 2) angeordneten gummielastischen Federelement (3) zur Abstützung einer schwingenden Last (L), deren Schwingungsspektrum sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Schwingungen enthält, insbesondere Kraftfahrzeug-Motorlager, dadurch gekennzeichnet, daß dem Federelement (3) ein elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktuator (4) in mechanischer Parallelschaltung derart zugeordnet ist, daß seine eine Stirnseite (4.1) mit dem einen Anschlußteil (1 oder 2) des Federelements (3) und seine andere Stirnseite (4.2) mit einer seismischen Masse (9) starr verbunden ist und daß ein die von der schwingenden Last (L) verursachten Wechselkräfte, Wechsel­ beschleunigungen oder Schwingungsauslenkungen aufnehmender Sensor (5) vorgesehen ist, der über einen Amplituden- und Phasenregler (6) und einen Verstärker (7) an dem Aktuator (4) angeschlossen ist, wobei die Regelung so ausgelegt ist, daß der Aktuator (4) eine Minimierung der den Sensor (5) beaufschlagenden Wechselkräfte, Wechselbeschleunigungen bzw. Schwingungsauslenkungen bewirkt.

2. Elastische Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) an dem chassis- bzw. fundamentseitigen Anschlußteil (2) angekoppelt ist.

3. Elastische Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) ein Piezo-Sensor ist.

4. Elastische Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) nach Art eines Dehnungsmeßstreifens ausgebildet ist.

5. Elastische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Hauptschwingungs­ richtungen der abgestützten schwingenden Last (L) zugeordnete Aktuatoren (4) und Sensoren (5) aufweist.

6. Elastische Lagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei in Form eines orthogonalen Dreibeins angeordnete Aktuatoren (4) und Sensoren (5) enthält.

7. Elastische Lagerung mit einem zwischen zwei Anschlußteilen (1, 2) angeordneten gummielastischen Federelement (3) zur Abstützung einer schwingenden Last (L), deren Schwingungsspektrum sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Schwingungen enthält, insbesondere Kraftfahrzeug-Motorlager, dadurch gekennzeichnet, daß dem Federelement (3) ein elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktuator (4) in mechanischer Parallelschaltung derart zugeordnet ist, daß seine eine Stirnseite (4.1) mit dem einen Anschlußteil (1) des Federelements (3) und seine andere Stirnseite (4.2) mit einer seismischen Masse (9) starr verbunden ist und daß ein charakteristische Bewegungs- und/oder Lageparameter von periodisch bewegten Teilen der schwingenden Last (L) - wie z. B. die Winkelstellung und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors - erfassender Aufnehmer (5′) vorgesehen ist, der über einen Rechner (6′) und einen Verstärker (7) an dem Aktuator (4) angeschlossen ist, wobei der Rechner (6′) aufgrund der empirisch ermittelten Schwingungscharakteristik der Last (L) so programmiert ist, daß er den von dem Aufnehmer (5′) erfaßten Bewegungs- und/oder Lageparametern laufend die am Aktuator (4) zur Reduzierung bzw. Kompensierung der jeweils an der Lagerung auftretenden Wechselkräfte, Wechselbeschleunigungen bzw. Schwingungsauslenkungen erforderlichen Steuersignale zuordnet und dem Aktuator (4) über den Verstärker (7) entsprechende Steuerspannungen zuleitet.

8. Elastische Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (3) mit einer Dämpfungseinrichtung versehen ist.

9. Elastische Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (3) als ein an sich bekanntes sogenanntes Hydrolager oder sogenanntes Verdrängerlager ausgebildet ist.