DE3902604A1 - 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-PS 34 07 553 in Form eines sogenannten Hydrolagers und in der DE-PS 32 33 456 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 magnetostriktive 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, wobei er sich mit seiner der Last abgewandten Seite über ein geschlossenes, statisch entkoppelndes Hydraulik-System abstützt. 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; denn ein derartiges Hydraulik-System wirkt nur bezüglich statisch bzw. quasistatisch - d. h. niederfrequent - ein wirkender Kräfte entkoppelnd, während es sich bezüglich hochfrequenter Wechselkräfte wie eine starre Verbindung verhält. Infolgedessen beeinflussen hochfrequente Längenänderungen des Aktuators unmittelbar die an dem die schwingende Last aufnehmenden Anschlußteil der erfindungsgemäßen elastischen Lagerung wirksamen Abstützkräfte, und daher können die von der schwingenden Last verursachten hochfrequenten Wechselkraftamplituden 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 - 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 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 mit integrierter Dämpfungseinrichtung und

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein weiteres praktisches 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. Zu diesem Zweck ist der Aktuator 4 mit seiner einen Stirnseite 4.1 starr an das lastseitige Anschlußteil 1 angekoppelt, während seine andere Stirnseite 4.2 über ein geschlossenes, statisch entkoppelndes Hydraulik-System mit dem basisseitigen Anschlußteil 2 verbunden ist. 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 diejenigen 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 praktischen Ausführungsbeispiel, in dem die elastische Lagerung zusätzlich eine integrierte Dämpfungseinrichtung aufweist. Das in Form einer Gummifeder ausgebildete Federelement 3 schließt ein Gehäuse 10 ab, das zwei wechselweise volumenveränderliche, mit einer insbesondere niedrigviskosen Flüssigkeit gefüllte Kammern 11 und 12 enthält. Diese Kammern sind durch eine eine Überströmöffnung 13.1 enthaltende Trennwand 13, die an der Gehäusewandung befestigt ist, voneinander getrennt. Der Mittelteil 13.2 der Trennwand 13 ist durch eine elastische Verbindung 13.3 axial beweglich gehalten und stützt sich über den mit einer Stirnseite 4.1 fest mit ihm verbundenen Aktuator 4 gegen das mit der anderen Aktuator-Stirnseite 4.2 fest verbundene Gehäuse 10 ab.

Niederfrequente langhubige Schwingungen wirken sich in diesem Lager praktisch nicht auf den Aktuator 4 aus, da die über das Anschlußteil 1 das Federelement 3 verformenden Kräfte lediglich zu einer Verlagerung der Flüssigkeit zwischen den Kammern 11 und 12 führen. Dabei werden diese Schwingungen infolge des in der Überströmöffnung 13.1 auftretenden Strömungswiderstandes gedämpft.

Bei hochfrequenten Schwingungen bildet die Überströmöffnung 13.1 einen hohen Strömungswiderstand, so daß durch die inkompressible Flüssigkeit praktisch eine starre Verbindung zwischen dem Aktuator 4 und dem lastseitigen Anschlußteil 1 besteht. Daher können durch hochfrequente Längenänderungen des Aktuators 4, zu denen dieser durch die von einem nicht dargestellten Sensor erzeugten geregelten und verstärkten Signale veranlaßt werden kann, infolge starrer Kopplung über die Flüssigkeit entsprechende Kräfte auf das lastseitige Anschlußteil 1 übertragen werden, die die Wechselkraft­ amplituden der schwingenden Last am Anschlußteil 1 abfangen, so daß die angestrebte akustische Isolationswirkung eintritt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elastischen Lagerung ist das Federelement 3 ebenfalls in Form einer ein Gehäuse 10 belastungsseitig abschließenden Gummifeder ausgebildet. Das Gehäuse 10 ist vollständig mit einer vorzugsweise hochviskosen Flüssigkeit gefüllt, und von dem lastseitigen Anschlußteil 1, das mit der Gummifeder an ihrer dem Gehäuse 10 abgewandten Seite verbunden ist, ist eine Seite 4.1 des sich in Richtung der Lagerachse A in den Gehäuseinnenraum hineinerstreckenden Aktuators 4 befestigt. Die andere Stirnseite 4.2 des Aktuators 4 ist fest mit einer Konterscheibe 14 verbunden, die sich in der Flüssigkeit ohne Kontakt zum Gehäuse 10 quer zur Lagerachse A erstreckt.

Ähnlich wie bei dem Lager gemäß Fig. 2 belasten auch bei dieser Ausführungsform weder niederfrequente langhubige Belastungsschwankungen noch die statische Grundlast den Aktuator 4. Andererseits bildet die die Konterscheibe 14 umgebende Flüssigkeit bezüglich hochfrequenter Schwingungen eine starre Abstützung, so daß axiale Längenänderungen des Aktuators 4, die von einem nicht eingezeichneten Sensor verursacht werden, in Abhängigkeit von der zwischengeschalteten Regelung und Verstärkung Wechselkräfte an dem die Last abstützenden Anschlußteil 1 erzeugen, durch die bei abgestimmter Regelung die hochfrequenten Lastschwankungen abgefangen werden und somit akustische Isolierung erzielt wird.

Auch das Lager gemäß Fig. 3 wirkt bezüglich niederfrequenter Lastschwankungen stark dämpfend, da sie mit axialen Verschiebungen der Konterscheibe 14 verbunden sind, die durch die vorzugsweise hochviskose sie umgebende Flüssigkeit abgebremst werden.

Grundsätzlich können die Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 auch in auf den Kopf gestellter Anordnung betrieben werden, wobei dann das in den Figuren mit der Bezugsziffer 2 bezeichnete Anschlußteil die Last trägt und das Anschlußteil 1 sich am Chassis abstützt.

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) an das eine Anschlußteil (1 oder 2) des Federelements (3) starr angekoppelt ist, während seine andere Stirnseite (4.2) über ein geschlossenes, statisch entkoppelndes Hydraulik-System (8) mit dem anderen Anschlußteil (2 oder 1) verbunden ist und daß ein die von der schwingenden Last (L) verursachten Wechselkräfte, Wechselbeschleunigungen oder Schwingungsauslenkungen aufnehmender Sensor (5) vorgesehen ist, der über einen Amplituden- und Phasenregler (6) und einen Verstärker (7) an den 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) an das eine Anschlußteil (1 oder 2) des Federelements (3) starr angekoppelt ist, während seine andere Stirnseite (4.2) über ein geschlossenes, statisch entkoppelndes Hydraulik-System (8) mit dem anderen Anschlußteil (2 oder 1) verbunden ist und daß ein charakteristische Bewegungs- und Lageparameter von periodisch bewegten Teilen der schwingenden Last (L) - wie z.B. die Winkelstellung und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors - aufnehmender Sensor (5′) vorgesehen ist, der über einen Rechner (6′) und einen Verstärker (7) an den Aktuator (4) angeschlossen ist, wobei im Rechner (6′) ein die Ausgangssignale des Sensors (5′) verarbeitendes, aufgrund der empirisch ermittelten Schwingungscharakteristik der Last (L) erstelltes Programm gespeichert ist, durch das das über den Verstärker (7) den Aktuator (4) beaufschlagende Rechnerausgangssignal den letzteren so steuert, daß er eine Verkleinerung der an dem chassis- bzw. fundamentseitigen Anschlußteil (2) auftretenden Wechselkräfte, Wechselbeschleunigungen bzw. Schwingungsauslenkungen bewirkt.

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.