DE4322958C2 - Aktives Stellelement - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem aktiven Stellelement für ein ein erstes Federelement aufweisendes Gummilager zur Abstützung eines schwingenden Körpers mit einem zu- und abschaltbaren zweiten Federelement in einem Gehäuse gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus DE 40 36 538 A1 ist ein Aggregatlager, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit einem aktiven Stellelement der vorstehend genannten Art bekannt. Hierbei ist ein Federelement ständig wirksam und das andere Federelement in Abhängigkeit vom Fahrbetriebszustand über eine Steuereinrichtung zuschaltbar. Das Wirksamwerden des zuschaltbaren Federelements erfolgt über ein Betätigungselement bzw. Stellelement, das bei Zufuhr eines Druckmittels eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ständig beaufschlagten Federelement und dem Befestigungsteil herstellt. Bei allen dort gezeigten Ausführungsformen erfolgt im ungeschal­ teten Zustand die Kraftübertragung sowohl über eine Tragfeder als erstes Federelement als auch über das zweite Federelement in Form einer Reihenschaltung, so daß sich die Gesamtsteifigkeit durch das zugeschaltete zweite Federelement erniedrigt. Im geschalteten Zustand hingegen ist nur die Tragfeder als erstes Federelement bei auftretenden Schwingungen wirksam. Die Lageranordnung weist dann eine hohe Steifigkeit auf. Durch die Druckbeaufschlagung des aktiven Stellelements zum Schalten wird daher das zweite Federelement unwirksam gemacht.

Ferner ist aus DE 39 18 753 C1 ein aktives Stellelement bekannt, welches in einem hydraulisch dämpfendes Gummilager oder einem sogenannten Hydrolager integriert ist. Das Stellglied wird von einem Elektromagneten gebildet, und als Arbeitsglied ist eine Blattfeder vorgesehen, auf welcher der Elektromagnet abgestützt ist. Das Stellelement dient zur aktiven Isolierung akustisch störender Schwingungen. Die Herstellung und die Nutzung des Stellelements bereitet Schwierigkeiten, da Flüssigkeit in den Raum des hydraulisch dämpfenden Gummilagers eingebracht werden muß und dieser Raum mit großem Aufwand abgedichtet werden muß. Besondere Beachtung muß hierbei insbesondere der elektrischen Isolierung der stromführenden Teile des Stellglieds und der thermisch isolierten Anordnung des Stellelements geschenkt werden.

Der vorliegenden Erfindung hingegen liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Stellelement der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, welches eine bedarfsweise Zuschaltung eines zweiten Federelements auf einfache und kostengünstige Weise gestattet, ohne daß das erste Federelement des Gummilagers, welches als Tragfeder dient, hinsichtlich seiner Grundwirkung eine nennenswerte Veränderung erfährt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem aktiven Stell­ element für ein ein erstes Federelement aufweisendes Gummilager zur Abstützung eines schwingenden Körpers der im Oberbegriff umrissenen Art in Verbindung mit den Merkmalen seines Kenn­ zeichens gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen aktiven Stellelement umfaßt die Gasdruckfeder mehrere, parallelgeschaltete Kolben-Zylinder- Einheiten, welche infolge des beidseits der Kolbenflächen wirkenden Differenzdrucks im geschalteten Zustand das Gummilager von der Stützfläche des Gehäuses, auf welchem der schwingende Körper abgestützt ist, abhebt. In diesem Zustand ist dann das zweite Federelement derart wirksam, daß es in Reihe mit dem ersten Federelement geschaltet ist. Im nichtgeschalteten Zustand hingegen ist das zweite Federelement nicht wirksam. Hierdurch kann eine einfache Anpassung der Gesamtfedercharakteristik des Gummilagers an die zu isolierenden/zu dämpfenden Schwingungen vorgenommen werden. Beim Zuschalten stellt sich eine relativ weiche Federcharakteristik zur Schwingungsisolierung nieder­ frequenter Schwingungen mit größeren Amplituden ein. Im unge­ schalteten Zustand hingegen wirkt das das erste Federelement auf­ weisende Gummilager in seinen ursprünglichen Gebrauchseigen­ schaften. Das Gummilager kann als aktives oder passives Lager ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Gummilager als passives Lager, beispielsweise als Hydrolager ausgebildet, und mittels des aktiven Stellelements nach der Erfindung wird eine Federraten­ umschaltung erzielt. Die Gasdruckfeder ermöglicht eine weiche Schaltbarkeit, und ferner ist eine kostengünstige Herstellbarkeit gegeben. Durch die Anordnung mehrerer, parallelgeschalteter Kolben-Zylinder-Einheiten bei der Gasdruckfeder kann mit einem vergleichsweise geringen Differenzdruck eine relativ große Kraft zum Abheben des Gummilagers von der Stützfläche des Gehäuses aufgebracht werden, auf dem schwergewichtige Bauteile, wie Brennkraftmaschinen oder Werkzeugmaschinen, ruhen. Durch die Wahl der Anzahl der parallelgeschalteten Kolben-Zylinder-Einheiten läßt sich die durch die Gasdruckfeder übertragbare Kraft in gewünschtem Maße an die abzustützende Last anpassen. Die Zuschaltung des zweiten Federelements in Reihe zu dem ersten Federelement bewirkt, daß die Gesamtfedercharakteristik relativ weicher wird, so daß Schwingungen isoliert werden können, die beispielsweise im Bereich der Leerlaufdrehzahl von Brennkraftma­ schinen auftreten. Bei einem solchen Anwendungsfall wirkt daher die Gasdruckfeder nur eine relativ kurze Zeit, während im ungeschalteten Zustand das zweite Federelement unwirksam ist und das erste Federelement eine insgesamt relativ härtere Feder­ charakteristik zur Dämpfung höherfrequenter Schwingungen bereitstellt. Die von der Gasdruckfeder aufgebrachte Kraft ist im wesentlichen proportional zur Anzahl der vorgesehenen, parallel geschalteten Kolben-Zylinder-Einheiten. Durch eine einfache bauliche Veränderung der Gasdruckfeder kann man daher die von dieser aufzubringende Kraft an die jeweiligen Gegeben­ heiten des Anwendungsfalles auf einfache Weise anpassen. Durch einen modulhaften Aufbau lassen sich die Anwendungsmöglichkeiten in Kombination mit bereits vorhandenen Federungs- und/oder Dämpfungssystemen ermöglichen. Durch die Zuschaltung des zweiten Federelements mit Hilfe der Gasdruckfeder lassen sich die zu isolierenden Frequenzen in entsprechender Weise derart verändern, daß diese Schwingungen nicht auf die angrenzenden Bauteile übertragen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 wiedergegeben.

Bei der Auslegung des Stellelements nach Anspruch 2 ist die Gasdruckfeder mit Unterdruck beaufschlagbar, was zweckmäßig beispielsweise bei der Anwendung des Stellelements in Verbindung mit einem Motorlager zur Abstützung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ist.

Wenn hingegen ein ausreichend großer Überdruck zur Betätigung der Gasdruckfeder durch ein in der Nähe liegendes Aggregat, bei­ spielsweise eines Verdichters, zur Verfügung steht, so ist die Auslegungsform des Stellelements nach Anspruch 3 zweckmäßig.

Bei der Auslegung des Stellelements mit einem zweiten Feder­ element in Form eines Tellerfederpakets nach Anspruch 4 ergeben sich insbesondere Vorteile beim Einsatz des Stellelements in Ver­ bindung mit Motorlagern von Fahrzeugen. Durch die S-förmige Federkennlinie des Tellerfederpakets kann dieses bei Betätigung durch die Gasdruckfeder in einem Bereich betrieben werden, in welchem Veränderungen des Federweges des Tellerfederpakets nahezu keine Änderung der Federkraft zur Folge haben. In diesem Arbeitsbereich weist das Tellerfederpaket eine besonders große Nachgiebigkeit auf, so daß im zugeschalteten Zustand in Ver­ bindung mit dem in Reihe geschalteten ersten Federelement des Gummilagers eine besonders große Nachgiebigkeit zur Isolierung akustisch störender Schwingungen erzielt werden kann. Auch hat ein Tellerfederpaket geringe axiale Abmessungen im Hinblick auf einen günstigen, platzsparenden Einbau. Vorzugsweise wird das Tellerfederpaket von metallischem Werkstoff gebildet, so daß das zweite Federelement während der gesamten Gebrauchsdauer im wesentlichen übereinstimmende Gebrauchseigenschaften frei von Relaxationserscheinungen hat.

Bei der Auslegungsform des Stellelements nach Anspruch 6 wird der Vorteil erzielt, daß im ungeschalteten Zustand oder wenn die Gasdruckfeder nicht beaufschlagt ist, möglicherweise am Gummila­ ger eingeleitete Querkräfte auf der Stützfläche abgestützt werden. Durch die Gummierung der Stützfläche erzielt man ein besonders geräuscharmes Schalten des Lagers.

Durch die Auslegung nach Anspruch 7 können alle an sich bekannten Gummilager durch ein einfaches Anflanschen des Stellelements schaltbar gemacht werden, da das Stellelement unabhängig von dem jeweils zugeordneten Gummilager ausgelegt werden kann.

Mit Hilfe der Rollmembrane bei der jeweiligen Kolben-Zylinder- Einheit der Gasdruckfeder wird eine einfache Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Stellelements in Verbindung mit einem hydraulisch dämpfenden Lager, wobei das Stellelement im nichtgeschalteten Zustand gezeigt ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Stellelements nach Fig. 1 im geschalteten Zustand mit einem den atmosphärischen Druck unterschreitenden Druck zur Betätigung des Stellelements in einer solchen Form, daß das zweite Federelement und das erste Federelement des Gummila­ gers in Reihe geschaltet sind, und

Fig. 3 ein Stellelement als Beispiel in einem Betriebszu­ stand, welcher von jenem nach den Fig. 1 und 2 ab­ weicht.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Stellelements für ein ein erstes Federelement aufweisendes Gummilager 1 gezeigt. Das Gummilager 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel hydraulisch dämpfend ausgebildet. Das Gummilager 1 ist von üblicher Art und wird daher nicht näher beschrieben. Das Stellelement 4 umfaßt ein unnachgiebiges, in Richtung des angrenzenden Gummilagers offenes Gehäuse 2, welches einen Raum 3 umschließt. Innerhalb des Raums 3 ist das als eine Gasdruckfeder 8 ausgebildete Stellelement 4 angeordnet, und ein ein zweites Federelement 5 aufweisendes Arbeitsglied 6, wobei das Stellelement 4, das Arbeitsglied 6 und das Gehäuse 2 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Gasdruckfeder 8 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel vier Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 (in Fig. 2 drei Kolben-Zylinder-Einheiten), die jeweils durch eine Rollmembran 11 am Gehäuse 2 abgedichtet sind. Die Kolben 9 sind auf der einen Seite 13 mit einem den atmosphärischen Druck unterschreitenden Druck und auf der anderen Seite 14 mit atmo­ sphärischem Druck beaufschlagbar. Die Druckbeaufschlagung mit Atmosphärendruck erfolgt durch Ausnehmungen innerhalb des Gehäuses 2, die die Gehäusewandung radial in Richtung der jeweiligen Zylinder 10 durchdringen. Der Unterdruck wird aus dem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine abgezweigt. Die Unterdruck­ beaufschlagung auf der einen Seite 13 erfolgt durch die Kolben­ stange, die hohlzylindrisch ausgebildet ist und in Richtung des druckbeaufschlagbaren Raums Ausnehmungen aufweist. Die Kolben 9, die jeweils in einem Zylinder 10 angeordnet sind, unterteilen die entsprechenden Zylinder in zwei axial benachbarte Teilräume. Die Kolben 9 sind an einer gemeinsamen Kolbenstange 18 befestigt. Die Kolben 9 werden in Abhängigkeit vom anliegenden Differenzdruck in Richtung des Teilraums bewegt, der mit dem vergleichsweise geringeren Druck beaufschlagt ist. Die Parallelschaltung der Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 bewirkt eine vergleichsweise große resultierende Kolbenfläche, wobei die zu erzielende Gesamtkraft durch Addition der Einzelkräfte der jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 gebildet wird. Näherungsweise ist die Gesamtkraft proportional zur Anzahl der vorgesehenen Kolben- Zylinder-Einheiten 9, 10. Eine derartige Parallelschaltung der Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Unterdruck begrenzt ist, mit dem die Gasdruckfeder 8 beaufschlagbar ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Stellelement 4 in Verbindung mit einem als Motorlager ausgebildeten Gummilager 1 zur Anwendung gelangt und die Druck­ beaufschlagung durch Unterdruck aus dem Ansaugrohr der Brenn­ kraftmaschine erfolgt. Trotz des relativ geringen Differenzdrucks axial beidseits der Kolbenflächen der Kolben 9 besteht durch eine derartige Ausgestaltung die Möglichkeit, das Gummilager 1 von der Stützfläche 16 des Gehäuses 2 abzuheben und das zweite Feder­ element 5, das als Tellerfederpaket 15 ausgebildet ist, in Reihe mit der Tragfeder 19 des Gummilagers 1 zu schalten. Durch die Reihenschaltung des Federelements 5 mit der Tragfeder 19 des Gummilagers 1 wird eine insgesamt vergleichsweise weiche Federcharakteristik erreicht, um akustisch störende Schwingungen isolieren zu können.

In Fig. 2 ist das Stellelement 4 im unterdruckbeaufschlagten Zustand gezeigt. Wird die Brennkraftmaschine außerhalb des Drehzahlbereichs, in dem akustisch störende Schwingungen auftreten können, betrieben, wird die Druckbeaufschlagung der Gasdruckfeder 8 zurückgenommen und das Gummilager 1 setzt sich mit seinem Traglager 12 auf die Gummierung 17 der Stützfläche 16. Für die elastische Nachgiebigkeit des Gummilagers 1 ist dann im wesentlichen nur noch die Tragfeder 19 des Gummilagers 1 relevant.

Die Betätigung des Stellelements 4 und damit die Zuschaltung des Federelements 5 erfolgt in Abhängigkeit von Parametern, die die zu isolierenden/zu dämpfenden Schwingungen beschreiben. Die Unterdruckbeaufschlagung in diesen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise von der elektronischen Motorsteuerung gesteuert werden. Ein Parameter, der die auftretenden Schwingungen beschreibt, wird beispielsweise durch die Motordrehzahl gebildet.

Das Stellelement 4 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt außerdem einen Anschlag 20, der in axialer Richtung zwischen der Gasdruckfeder 8 und dem Tellerfederpaket 15 angeordnet ist. Der Anschlag 20 ist gemeinsam mit den Kolben 9 der Gasdruckfeder 8 in axialer Richtung beweglich, wobei der Weg in axialer Richtung von der übertragbaren Kraft der Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 abhängig ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, besteht die Möglich­ keit, die Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 derart mit Unterdruck zu beaufschlagen, daß der Anschlag 20 mit einer Gegenanschlag­ fläche 21 des Gehäuses 2 in Eingriff bringbar ist. Um Schaltge­ räusche zu vermeiden, überdeckt die Gummierung 27 auch die Gegenanschlagflächen 21 in Richtung des Anschlags 20. In diesem Falle sind, wie zuvor beschrieben, die Tragfeder 19 des Gummilagers 1 und das Tellerfederpaket 15 als zweites Feder­ element 5 funktionstechnisch in Reihe geschaltet.

Die Gasdruckfeder 8 ist nur vorgesehen, um das Traglager 12 des Gummilagers 1 von der Stützfläche 16 des Gehäuses 2 abzuheben. Die Gasdruckfeder 8 kann in diesem Beispiel als nahezu unnachgiebig betrachtet werden, so daß lediglich das erste Federelement 1 und das Tel­ lerfederpaket 15 als zweites Federlement in Reihe geschaltet sind und die Anordnung den geschalteten Zustand einnimmt.

Abweichend von der in Fig. 2 beschriebenen Betätigung ist in Fig. 3 das zuvor beschrie­ bene Stellelement 4 gezeigt, wobei die Unterdruckbeaufschlagung der Kolben 9 derart vor­ genommen wird, daß der Anschlag 20 zwischen den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Po­ sitionen in der Schwebe gehalten wird. Dadurch wird der Tragfeder 19 des Gummilagers 1 zusätzlich zu dem in Reihe geschalteten Federpaket 15 die Gasdruckfeder 8 in Reihe ge­ schaltet, um eine weiter verringerte Gesamtfedersteifigkeit zu erzielen.

Claims (10)

1. Aktives Stellelement für ein ein erstes Federelement aufweisendes Gummilager (1) zur Abstützung eines schwingenden Körpers, mit einem zu- und abschaltbaren zweiten Federelement (5) in einem Gehäuse (2), das eine Stützfläche (16) aufweist, auf der sich das Gummilager (1) abstützt, wobei das Stellelement (4) in Richtung der in das Gummilager (1) eingeleiteten Schwin­ gungen hin- und herbewegbar ist und eine Gasdruckfeder (8) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckfeder (8) mehrere, parallelgeschaltete Kolben-Zylinder-Einheiten (9, 10) umfaßt und infolge des beidseits der Kolbenflächen wirkenden Differenzdrucks im geschalteten Zustand das Gummilager (1) von der Stützfläche (16) des Gehäuses (2) derart abhebt, daß das zweite Federelement (5) in Reihe mit dem ersten Federelement geschaltet ist und im nicht-geschalteten Zustand das zweite Federelement (5) nicht wirksam ist.

2. Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (9) auf der einen Seite (13) mit einem den atmosphärischen Druck unterschreitenden Druck, und auf der anderen Seite (14) mit atmosphärischem Druck beaufschlagbar sind.

3. Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (9) auf der einen Seite (13) mit atmosphärischem Druck und auf der anderen Seite (14) mit einem den atmosphä­ rischen Druck übersteigenden Druck beaufschlagbar sind.

4. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Federelement (5) ein Tellerfeder­ paket (15) umfaßt.

5. Stellelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tellerfederpaket (15) aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist.

6. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (16) des Gehäuses (2) sich konisch erweiternd ausgebildet ist und eine Gummierung (17) aufweist.

7. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckfeder (8) als separat erzeugtes Stellelement (4) ausgebildet und an das Gummilager (1) angeflanscht ist.

8. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Anschlag (20) aufweist, der mit einer Gegenanschlagfläche (21) des Gehäuses (2) in Eingriff bringbar ist.

9. Stellelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es derart beaufschlagbar ist, daß der Anschlag (20) gegen­ über der Gegenanschlagfläche (21) im Schwebezustand gehalten ist.

10. Stellelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kolben-Zylinder-Einheit (9, 10) eine Rollmembrane (11) zur Abdichtung des Kolbens (9) gegenüber dem Zylinder (10) aufweist.