DE4134354A1

DE4134354A1 - Schwingungsdaempfer

Info

Publication number: DE4134354A1
Application number: DE19914134354
Authority: DE
Inventors: Hanns Dipl Ing Seegers; Peter Dipl Ing Dr Bauer; Joachim Dipl Ing Engelmann
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1993-04-22

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer, insbesondere für Spanneinrichtungen für Zugmittel in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem zur Umgebung abgedichteten mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllten Gehäuse, einem darin beweglich angeordneten, mit einem Schwingungserreger gekoppelten Dämpfungselement, welches so angeordnet ist, daß es bei Bewegung eine Strömung der elektrorheologischen Flüs sigkeit hervorruft, sowie einem mit einer in Abhängigkeit vom Bewe gungszustand des Dämpfungselementes geregelten Spannungsquelle gekop pelten Elektrodenpaar zur Erzeugung eines die Viskosität der elek trorheologischen Flüssigkeit steuernden elektrischen Feldes.

In der DE-OS 34 33 797 ist ein Schwingungsdämpfer offenbart, der als Motorlager eingesetzt werden kann. Dieser Schwingungsdämpfer besteht aus einem mittels flexibler Membranen verformbar gestalteten Gehäuse, an dem einerseits der Motor aufliegt und daß andererseits an einer Tragkonstruktion befestigt ist. Das Gehäuse ist nach außen vollständig abgedichtet und durch eine rechtwinklig zur Belastungsrichtung an geordnete Wand in zwei mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllte Kammern unterteilt. Beide Kammern sind durch einen Durchlaß mitein ander hydraulisch verbunden. In diesem Durchlaß ist ein Elektrodenpaar angeordnet, das mit einer in Abhängigkeit von der Motorschwingung gesteuerten Spannungsquelle gekoppelt ist. In Abhängigkeit von der Spannung an diesem Elektrodenpaar baut sich ein elektrisches Feld auf, das die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit im Durchlaß beeinflußt. Im Betrieb wird bei Belastung das Gehäuse einseitig ver formt, so daß Flüssigkeit aus einer Kammer durch den Durchlaß in die andere Kammer verdrängt wird. Wird während dieser Phase eine Spannung an das Elektrodenpaar angelegt, nimmt die Zähigkeit der Flüssigkeit schlagartig zu. In der Flüssigkeit wird dann Energie vernichtet, mithin wird die Bewegung des Motors gedämpft. Der Durchlaß mit dem Elektrodenpaar wirkt in dieser Anordnung wie ein steuerbares Ventil.

Derartige Motorlager sind durchaus geeignet, hochsensibel auf Schwin gungen zu reagieren und diese zu dämpfen. Sein Anwendungsgebiet ist aufgrund des prinzipiellen Aufbaus mit flexiblen Membranen jedoch beschränkt. Die heute bekannte Membranwerkstoffe reagieren nämlich sehr empfindlich auf ungünstige Temperaturen und chemische Umgebungs einflüsse: Sie neigen dann zur vorzeitigen Alterung und Versprödung. Weiterhin dürfte der Einsatz derartiger Schwingungsdämpfer auf kleine Schwingungsfrequenzen und relativ große Schwingungsamplituden begrenzt sein, da die verwendeten Membranen in der Regel eine hohe Eigenstei figkeit besitzen.

In der DE-OS 37 09 447 ist ein Stoßdämpfer offenbart, der nach einem ähnlichen "Verdrängungsprinzip" arbeitet. Bei dieser Ausführung ist in einem hohlzylindrischen Gehäuse ein über eine Kolbenstange mit dem Schwingungserreger gekoppelter Kolben längsverschieblich geführt. Das Gehäuse ist nach außen abgedichtet, so daß der Kolben den Innenraum in zwei mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllte Kammern unterteilt. Beide Kammern sind durch einen im Kolben angeordneten ventilähnlichen Durchlaß, der mit einem an einer äußeren Spannungsquelle angeschlosse nen Elektrodenpaar versehen ist, hydraulisch verbunden. Bei Verschie bung des Kolbens wird durch diesen Durchlaß Flüssigkeit von einer Kammer in die andere verdrängt. Eine entsprechende Schaltung des Elektrodenpaares mit der dadurch bedingte Viskositätsänderung der elektrorheologischen Flüssigkeit führt dann zur Dämpfung der Kolbenbe wegung.

Auch bei dieser Ausführung eines Stoßdämpfers bedarf es in der Regel eines volumenausgleichenden Elementes, das z. B. als ein durch eine Membran von der Flüssigkeit getrenntes Gaspolster in einer der Flüs sigkeitskammern ausgebildet sein kann. Die Verwendung solcher volumen ausgleichender Elemente ebenso wie der prinzipielle Aufbau nach dem "Verdrängungsprinzip" lassen erwarten, daß ein derartiger Stoßdämpfer für hochfrequente Schwingungen, wie sie beispielsweise in Transmissio nen an Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen auftreten, nicht ge eignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungsdämpfer zu schaf fen, der zur Dämpfung hochfrequenter Schwingungen geeignet ist und bei thermisch und chemisch ungünstigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Dämpfungselement im Gehäuse frei geschleppt ist, so daß alleine Form- und Reibungswiderstand in der Flüssigkeit wirksam sind und daß das Dämpfungselement wenigstens teilweise im Bereich des durch das Elektrodenpaar erzeugten elektri schen Feldes angeordnet ist.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß abgesehen von der formbe dingten Verdrängung des Dämpfungselementes innerhalb des Gehäuses keine Verdrängung von Flüssigkeit erfolgt. Frei geschleppt bedeutet in diesem Zusammenhang, daß das Dämpfungselement so von der Flüssigkeit umgeben ist, daß Spaltwirkungen, Verdrängungsströme oder dergleichen verursacht durch die Bewegung des Dämpfungselementes im Gehäuse, nicht auftreten können. Bei einem derart erfindungsgemäß im Gehäuse angeord neten Dämpfungselement findet folglich keine Verdrängung der Flüssig keit im Sinne üblicher Schwingungsdämpfer statt, so daß ein Volumen ausgleich nicht notwendig ist. Eventuelle Änderungen des spezifischen Volumens der elektrorheologischen Flüssigkeit durch Temperaturein flüsse sind in der Regel sehr gering und können durch einfache Maßnah men ausgeglichen werden, die auf das Gesamtdämpfungsverhalten des Schwingungsdämpfers keinen Einfluß haben.

Die eigentliche Dämpfung wird dadurch erreicht, daß das Dämpfungs element wenigstens teilweise im Bereich des durch das Elektrodenpaar erzeugten elektrischen Feldes angeordnet sind. Bei Erhöhung der Zähig keit der elektrorheologischen Flüssigkeit nimmt dann der Reibungs widerstand des Dämpfungselementes in der im Bereich des elektrischen Feldes befindlichen Flüssigkeit zu, so daß dort die Bewegungsenergie vernichtet und die Bewegung des Dämpfungselementes gedämpft wird.

Eine ideale Ausführung der Erfindung sieht deshalb vor, daß das Dämp fungselement als symmetrische, vollständig in die elektrorheologische Flüssigkeit eingetauchte Scheibe ausgebildet ist, die durch den Schwingungserreger zu einer Dreh- oder Schwenkbewegung um ihre Längs achse angeregt wird. Bei dieser Anordnung verdrängt das Dämpfungs element keinerlei Flüssigkeit, da sich sein in der Flüssigkeit befind liches Volumen während der gesamten Betriebsdauer nicht ändert. Das Gesamtraumvolumen im Gehäuse bleibt demnach konstant. Das durch das Elektrodenpaar erzeugte elektrische Feld ist günstigerweise parallel zur Drehachse des Dämpfungselementes ausgerichtet. Vorteilhafterweise ist das Dämpfungselement selbst als gegenüber der Welle und dem Gehäu se isolierte Elektrode ausgeführt, welcher wenigstens eine zweite, parallel und in axialem Abstand angeordnete gehäusefeste Elektrode gegenübersteht. Die Dämpfung durch Reibung wird noch erhöht, wenn an beiden axialen Seiten des Dämpfungselementes Elektroden angeordnet sind.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß sowohl das als Elektrode ausgebildete Dämpfungselement als auch die Elektrode nicht als vollständige Scheibe sondern als Scheibensegmente ausgeführt sind. Dämpfungselement und Elektrode sind dann so angeordnet, daß sich ihre Flächen in axialer Richtung nicht vollständig überdecken. Durch diesen einem Drehkondensator ähnlichen Aufbau können die Kapazitäts änderungen zwischen dem Dämpfungselement und der zugeordneten Elek trode bei Verdrehung erfaßt und zur Steuerung der an die Elektroden angelegten Spannung verwendet werden.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist das Dämpfungsele ment als zylindrische oder hohlzylindrische Trommel ausgeführt, die ebenfalls vom Schwingungserreger in eine drehende oder schwenkende Bewegung versetzt wird. Das Dämpfungselement bildet wiederum selbst eine der Elektroden, die andere Elektrode wird durch einen koaxial angeordneten Hohlzylinder gebildet, wobei sich zwischen Außenmantel fläche des Dämpfungselementes und Innenmantelfläche der Elektrode das elektrische Feld aufbaut.

In ähnlicher Weise ist eine weitere Ausführungsvariante ausgebildet, bei der das Dämpfungselement kolbenähnlich ausgebildet und in einem hohlzylindrischen Gehäuse längsverschieblich geführt ist. Die Außen mantelfläche des Kolbens und die Innenmantelfläche des Gehäuses bzw. eine dort angeordnete hohlzylindrische Elektrode bilden dabei das Elektrodenpaar. Um bei dieser Bauart eine Flüssigkeitsverdrängung zu verhindern, ist der Kolben an beiden axialen Enden mit Kolbenstangen versehen, die jeweils aus dem Gehäuse herausragen. Durch diesen sym metrischen Aufbau ändert sich auch bei einer Kolbenbewegung das vom Dämpfungselement, also Kolben und Kolbenstangen, verdrängte Flüssig keitsvolumen im Gehäuse nicht. Um weiterhin eventuell Widerstände durch Spaltwirkungen auszuschließen, ist der Abstand zwischen Kolben außenmantelfläche und Gehäuseinnenmantelfläche so gewählt, daß dort keine Spaltströmung entstehen kann. Zur Verringerung des Formwider standes des Kolbens in der Flüssigkeit sind axiale Durchgangsbohrungen vorgesehen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Spanneinrichtung für Zugmittel mit integriertem Schwingungsdämpfer,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II durch die Spanneinrichtung in Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen weiteren Schwingungsdämpfer.

Fig. 1 zeigt eine Spanneinrichtung 1 für Zugmittel wie Riemen, Ketten oder dergleichen in Brennkraftmaschinen mit einem integrierten Schwin gungsdämpfer 2. Die Spanneinrichtung besteht aus einem Spannelement 3, das durch eine Feder 4 im Sinne einer Erhöhung der Spannung des Zug mittels, hier ein Riemen 5, vorgespannt ist. Das Spannelement 3 ist in dieser Ausführung als Spannarm 6 ausgebildet, an dessen einem Ende eine Rolle 7 drehbar angeordnet ist und die mit ihrem Außenumfang an einem Riemen 5, anliegt. Der Spannarm 6 ist am anderen Ende mit einer Welle 8 verbunden, die drehbar mittels der Lager 9 in einem Gehäuse 10 gelagert ist. Im Gehäuse 10 ist die als Spiralfeder ausgebildete Feder 4 so angeordnet und abgestützt, daß der Spannarm entsprechend vorge spannt ist. Das Gehäuse 10 ist im wesentlichen hohlzylindrisch und an seinen axialen Enden durch einen Boden 11 bzw. einen Deckel 12 ver schlossen und durch die die Welle 8 umgebenden Dichtungen 13 abgedich tet. Der Innenraum des Gehäuses 10 ist vollständig mit elektrorheolo gischer Flüssigkeit gefüllt. Mit der Welle 8 drehfest verbunden und rechtwinklig zur Wellenachse angeordnet sind zwei Dämpfungselemente 15 in axialem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Dämpfungsele menten 15 und parallel zu diesen ist die gehäusefeste, ebenfalls als Scheibe ausgebildete Elektrode 16 vorgesehen. Die Elektrode 16 ist durch die Isolierung 17 gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Die Dämpfungselemente 15 selbst sind elektrisch leitend ausgebildet und werden direkt als Elektrode verwendet. Die Dämpfungselemente 15 und die Elektrode 16 sind elektrisch mit der Spannungsquelle 19 verbunden. Die anliegende Spannung wird dabei abhängig von der Bewegung des Spannelementes 3 über die als Blackbox dargestellte Steuerung 20 geregelt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt der Spanneinrichtung nach Fig. 1 entsprechend der dort eingetragenen Pfeile II dargestellt. Zu erkennen ist, daß das Dämpfungselement 15 als segmentförmige Scheibe ausgebil det ist, die in axialer Richtung die ebenfalls als segmentförmige Scheibe ausgebildete Elektrode 16 teilweise überdeckt. Die Dämpfungs elemente 15 und die Elektrode 16 sind in einem Stromkreis angeordnet und bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von ihrer Überdeckung in axialer Richtung abhängt. Bei Verdrehung der Dämpfungselemente 15 kann die Kapazitätsänderung dieses Kondensators erfaßt werden. Diese Kapazitätsänderung ist ein Maß für die Bewegung des Spannelementes 3 und kann folglich mittels der Steuerung 20 zur Regelung der Spannungs quelle 19, bzw. der an den Elektroden anliegenden Spannung verarbeitet werden.

Die Steuerung arbeitet in dieser Spanneinrichtung 1 so, daß in den Betriebsphasen, in denen die Spannung im Riemen 5 durch den Antrieb erhöht wird, sich ein elektrisches Feld zwischen den Dämpfungselemen ten 15 und der Elektrode 16 aufbaut, so daß die dort befindliche elektrorheologische Flüssigkeit ihre Zähigkeit schlagartig erhöht, mit der Folge, daß sich der Reibungswiderstand der Dämpfungselemente 15 in der Flüssigkeit vergrößert. Die durch die Spannungserhöhung des Rie mens 5 erzeugte Bewegung des Spannarmes 6 wird damit gedämpft. Im umgekehrten Fall, bei Spannungsverriegelung im Riemen wird die Span nungsquelle 19 abgeschaltet, das Feld zwischen den Elektroden baut sich ab, die Reibung der Dämpfungselemente 15 in der elektrorheologi schen Flüssigkeit verringert sich und der Spannarm 6 kann über die Feder 4 ungedämpft dem Riemen nachgeführt werden.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer anderen Ausführung eines Schwingungsdämpfers 2. In einem hohlzylindrischen Gehäuse 21, das an beiden axialen Enden durch einen Boden 22 bzw. eine Deckplatte 23 verschlossen ist, ist ein Dämpfungselement 24, welches mit einer das Gehäuse 21 durchdringenden Kolbenstange 25 verbunden ist, längsver schieblich geführt. Die Führung erfolgt über die Lager 26 der Kolben stange 25. Das Dämpfungselement 24 ist als Elektrode ausgeführt, eine zweite hohlzylindrische Elektrode 27 ist an der Innenmantelfläche 28 des Gehäuses 21 angeordnet. Das Dämpfungselement 24 und die Elektrode 27 sind mit einer in Abhängigkeit von der Bewegung des Dämpfungsele mentes 24 gesteuerten Spannungsquelle 29 verbunden. Bei Anliegen einer Spannung an die Elektroden entsteht zwischen dem Außenumfang des Dämpfungselementes 24 und dem Innenumfang der Elektrode 28 ein elek trisches Feld. Da das Innere des Gehäuses vollständig mit elek trorheologische Flüssigkeit gefüllt ist, erhöht sich dann die Zähig keit der elektrorheologischen Flüssigkeit im Bereich der Elektroden. Der Reibungswiderstand des Dämpfungselementes 25 vergrößert sich und seine Bewegung wird gedämpft. Zur Verringerung des Formwiderstandes des Dämpfungselementes 24 sind in diesem axiale Durchgangsbohrungen 30 vorgesehen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die dargestellten Ausführungen ledig lich Beispiele sind, mit denen keinesfalls alle erfindungsgemäßen Varianten erfaßt sind.

Bezugszahlenliste

1 Spanneinrichtung
2 Schwingungsdämpfer
3 Spannelement
4 Feder
5 Riemen
6 Spannarm
7 Rolle
8 Welle
9 Lager
10 Gehäuse
11 Boden
12 Deckel
13 Dichtung
14 Innenraum
15 Dämpfungselement
16 Elektrode
17 Isolierung
18 Sicherungsring
19 Spannungsquelle
20 Steuerung
21 Gehäuse
22 Boden
23 Deckplatte
24 Dämpfungselement
25 Kolbenstange
26 Lager
27 hohlzylindrische Elektrode
28 Innenmantelfläche
29 Spannungsquelle
30 Durchgangsbohrung

Claims

1. Schwingungsdämpfer, insbesondere für Spanneinrichtungen (1) für Zugmittel (5) in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem zur Umgebung abgedichteten mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllten Gehäuse (10, 21), einem darin beweglich angeordneten, mit einem Schwingungs erreger gekoppelten Dämpfungselement (15, 24), welches so angeordnet ist, daß es bei Bewegung eine Strömung der elektrorheologischen Flüs sigkeit hervorruft, sowie einem mit einer in Abhängigkeit vom Bewe gungszustand des Dämpfungselementes (15, 24) geregelten Spannungs quelle (19, 29) gekoppelten Elektrodenpaar (15, 16, 24, 27) zur Erzeu gung eines die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit steu ernden elektrischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungs element (15, 24) im Gehäuse (10, 21) freigeschleppt ist, so daß alleine Form- und Reibungswiderstand in der Flüssigkeit wirksam sind und daß das Dämpfungselement (15, 24) wenigstens teilweise im Bereich des elektrischen Feldes angeordnet ist.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden des Elektrodenpaares durch das Dämpfungselement (15, 24) gebildet ist und die andere Elektrode (16, 27) am Gehäuse (10, 21) angeordnet ist.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (15) drehbar im Gehäuse angeordnet und so mit den Schwingungserreger verbunden ist, daß es Dreh- bzw. Schwenkbewe gungen ausführt.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (15) als vollständig in elektrorheologische Flüssig keit eingetauchte Scheibe ausgebildet ist, die drehfest mit einer vom Schwingungserreger in rotative Bewegung versetzten Welle (8) verbunden ist und daß wenigstens eine in axialer Richtung beabstandet angeord nete, gehäusefeste, als Scheibe ausgebildete Elektrode (16) vorgesehen ist.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement als drehfest mit einer durch den Schwingungserreger in rotative Bewegung versetzten Welle verbunden und als koaxial zur Wellenachse angeordnete Trommel ausgebildet ist, die konzentrisch in einer als Elektrode ausgebildeten gehäusefesten Trommel angeordnet ist.

6. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (21) hohlzylindrisch ausgebildet ist und daß das Dämpfungs element (24) als im Gehäuse (21) längsverschieblicher Kolben ausgebil det ist, und daß die Elektroden (24, 27) so angeordnet sind, daß ein elektrisches Feld zwischen der Außenmantelfläche des Kolbens (24) und der Innenmantelfläche des Gehäuses (21) erzeugbar ist.

7. Schwingungsdämpfer nach einem Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Dämpfungselement (15) mit einem Spannelement (3) gekoppelt ist, das mit einem Zugmittel (5) zusammenwirkt und durch eine Feder (4) im Sinne einer Erhöhung der Spannung des Zugmittels (5) vorgespannt ist.

8. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (15) und die gehäusefeste Elektrode (16) als Schei bensegmente ausgebildet sind, die sich in axialer Richtung teilweise überdecken und daß elektrische Elemente (20) vorgesehen sind durch die das Dämpfungselement und die gehäusefeste Elektrode kondensatorähnlich geschaltet sind, wobei die elektrischen Elemente (20) so ausgebildet sind, daß die durch Verdrehung von Dämpfungselement (15) und Elektrode (16) bedingten Kapazitätsänderungen erfaßt und zur Steuerung der an den Elektroden anliegenden Spannung verwendet werden.