DE4332201A1 - Federratenumschaltbares Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein federratenumschaltbares Lager für einen schwingenden Körper, umfassend ein erstes und ein zweites Federelement, die in Richtung der betriebsbedingt eingeleiteten Schwingungen in Reihe hintereinander geschaltet sind, wobei das erste Federelement als Tragfeder eines Gummilagers ausgebildet ist und das zweite Federelement als eine mit einem Druckgas beaufschlagbare Gasdruckfeder, die bedarfsweise blockierbar ist.

Ein solches Lager ist aus der DE-OS 41 14 879 bekannt. Das Lager ist als feder­ ratenumschaltbares Motorlager ausgebildet und besteht aus einem Traglager und einem Auflager, die in Richtung der eingeleiteten Schwingungen relativ be­ weglich zueinander angeordnet und durch ein erstes und ein zweites Federele­ ment aus Gummi aufeinander abgestützt sind. Die beiden Federelemente bilden jeweils einen Bestandteil des Lagers. Das zweite Federelement ist durch ein Hilfsmittel bedarfsweise blockierbar, wobei das Hilfsmittel mechanisch, pneu­ matisch oder hydraulisch ausgebildet sein kann. Bei Betätigung des Hilfsmittels wird das zweite Federelement dem ersten Federelement bedarfsweise zu- oder abgeschaltet, wobei sich dann eine weichere oder härtere Gesamtfedercharak­ teristik des Lagers einstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lager der vorbekannten Art der­ art weiterzuentwickeln, daß die Gesamtfedercharakteristik durch eine auswech­ selbare Gasfeder besser an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprü­ che Bezug.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß die Gasdruckfeder als separat erzeugtes Stellelement ausgebildet und an das Gummilager angef­ lanscht ist. Durch das separat erzeugte Stellelement , ist das erfindungsgemäße Lager einfach und wirtschaftlich herstellbar, wobei auch nicht-schaltbare Gummilager durch ein einfaches Anflanschen des Stellelements schaltbar ge­ macht werden können. Das anflanschbare Stellelement, das das zweite Feder­ element enthält, bedingt eine einfach Anpassung der Gesamtfedercharakteristik des Lagers an die zu isolierenden/zu dämpfenden Schwingungen. Die beiden Fe­ derelemente können eine übereinstimmende oder eine voneinander abweichende Federcharakteristik aufweisen. Sind die beiden Federelemente in Reihe geschaltet, stellt sich eine relativ weiche Federcharakteristik zur Schwingungs­ isolierung höher frequenter Schwingungen mit kleinen Amplituden ein. Ist das zweite Federelement vom ersten Federelement abgekoppelt, weist das angren­ zende Gummilager seine ursprünglichen Gebrauchseigenschaften auf.

Das Gummilager kann als aktives oder passives Lager ausgebildet sein. Bevor­ zugt handelt es sich um ein passives Lager, das als Hydrolager ausgebildet ist und durch das Stellelement federratenumschaltbar ist. Das in Reihe zu dem be­ stehenden Gummilager angeordnete Stellelement bedingt eine relativ breitban­ dige Schwingungsisolierung/-dämpfung. Das Stellelement kann mit dem Auflager oder dem Traglager des Gummilagers verbunden sein.

Das Stellelement kann zumindest ein Kolben-Zylinder-Einheit umfassen, wobei der Kolben in axialer Richtung beiderseits Anschlagflächen aufweist, die mit re­ lativ ortsfesten Gegenanschlagflächen in Eingriff bringbar sind. Gelangt nur eine Kolben-Zylinder-Einheit zur Anwendung, ist von hervorzuhebender Bedeutung, daß die Abmessungen des Lagers in axialer Richtung im Vergleich zu einem nicht-schaltbarem Lager nur minimal vergrößert sind.

Insbesondere bei Betätigung des Stellelements mit einem relativ geringen Unter­ druck, beispielsweise im Bereich von 0,3 bar, relativ zur Atmosphäre ist zu be­ achten, daß die übertragbare Kraft durch die vergleichsweise geringe Größe der pneumatisch wirksamen Kolbenfläche begrenzt ist.

Insbesondere zur elastischen Lagerung schwergewichtiger Bauteile, wie bei­ spielsweise Verbrennungskraftmaschinen oder Werkzeugmaschinen, hat es sich als vorteilhaft bewährt, daß mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten in einer Parallel­ schaltung zusammengefaßt sind. Hierbei ist von Vorteil, daß bei ansonsten glei­ chen Randbedingungen, wie der pneumatisch wirksamen Fläche des einzelnen Kolbens und dem an das zweite Federelement anlegbaren Gasdruck, die über­ tragbare Kraft in gewünschtem Maße an die abzustützende Last angepaßt wer­ den kann. Die von der Gasdruckfeder auf das Gummilager übertragbare Kraft ist durch die Anzahl der parallel geschalteten Kolben-Zylinder-Einheiten derart be­ messen, daß bei Betätigung der Gasdruckfeder das zweite Federelement dem ersten Federelement in Reihe zugeschaltet und dadurch die Gesamtfedercharak­ teristik des Lagers relativ weicher wird. Zur Isolierung von Schwingungen, die beispielsweise im Bereich der Leerlaufdrehzahl von Verbrennungskraftmaschinen auftreten, ist dies der Fall. Die Druckbeaufschlagung der Gasdruckfeder erfolgt demnach nur eine relativ kurze Zeit, während die Gasdruckfeder außerhalb des gewünschten, leerlaufnahen Drehzahlbereichs vom ersten Federelement abgekoppelt ist und sich dadurch insgesamt eine relativ härtere Federcha­ rakteristik zur Dämpfung tiefer frequenter Schwingungen ergibt. Bei abgekoppel­ ter Gasdruckfeder weist das anschließende Gummilager Gebrauchseigenschaften auf, die im wesentlichen von der Nachgiebigkeit des ersten Federelements abhängig sind. Unter Vernachlässigung der Abmessungen der Kolbenstange, an der alle Kolben gemeinsam und relativ ortsfest befestigt sind, ist die über­ tragbare Kraft im wesentlichen proportional zur Anzahl der zur Anwendung ge­ langenden Kolben. Durch diese Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, die übertragbare Kraft an die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles durch eine einfache bauliche Veränderung der als Druckdose ausgebildeten Gasdruck­ feder anpassen zu können. Die als Stellelement ausgebildet Gasdruckfeder wird als wegeinstellendes Bauteil genutzt. Durch einen modulhafte Aufbau lassen sich die Anwendungsmöglichkeiten in Kombination mit bereits vorhandenen, Fe­ derungs- und/oder Dämpfungssystemen ermöglichen. Insbesondere kann die als Stellelement ausgebildete Gasdruckfeder in Verbindung mit an sich bekannten Hydrolagern zur Anwendung gelangen.

Passive Gummilager neigen bekanntlich dazu, hochfrequente, akustisch störende Schwingungen im Bereich der Leerlaufdrehzahl von Verbrennungskraftmaschi­ nen weniger gut zu isolieren, als tieferfrequente Schwingungen. Ihre Isolierung von einem Gummilager ist daher ganz besonders vorteilhaft. Es ist in diesem Sinne möglich, daß dem Gummilager eine in Reihe dazu angeordnete Gasdruck­ feder vorgeschaltet ist, so daß Schwingungen einer bestimmten Frequenz und Amplitude nicht auf die angrenzenden Bauteile übertragen werden.

Jede Kolben-Zylinder-Einheit kann eine Rollmembran zur Abdichtung des Kol­ bens gegenüber dem Zylinder aufweisen. Hierbei ist von Vorteil, daß die Roll­ membranen bei Bewegungen der Kolben in Richtung der eingeleiteten Schwin­ gungen besonders leicht verformbar sind, wodurch das Ansprechverhalten der schaltbaren Gasdruckfeder deutlich verbessert wird. Außerdem bietet eine der­ artige Abdichtung gegenüber Abdichtungen, die reibungsbehaftet sind, den Vorteil, daß gebrauchsdauerverringernder Verschleiß und damit eine Beeinträch­ tigung der Gebrauchseigenschaften vermieden wird. Diese Ausgestaltung be­ dingt eine zuverlässige Abdichtung der druckgasbeaufschlagbaren Teilräume gegenüber den Bereichen der Kolben-Zylinder-Einheit, die mit Atmosphärendruck beaufschlagt sind.

Die Kolben-Zylinder-Einheit kann eine Bewegungsachse aufweisen, die sich in Richtung der betriebsbedingt eingeleiteten Schwingungen erstreckt.

Der Kolben kann auf der einen Seite mit einem den atmosphärischen Druck un­ terschreitenden Druck und auf der anderen Seite mit dem atmosphärischen Druck beaufschlagbar sein. Ist die Gasdruckfeder unterdruckbeaufschlagbar, ist von Vorteil, daß das elastische Lager beispielsweise problemlos als Motorlager zur Abstützung einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung gelangen kann. Der Unterdruck zur Unterdruckbeaufschlagung der Gasdruckfeder kann aus dem Ansaugsystem entnommen werden, wobei Unter­ drücke in der Größenordnung von 0,3 bar relativ zum Atmosphärendruck ausrei­ chen, um eine einwandfreie Schaltbarkeit des elastischen Lagers zu gewährlei­ sten. Die Abmessungen des Lagers in radialer Richtung entsprechen der Größe herkömmlicher, nichtschaltbarer Lager, während die Abmessungen in axialer Richtung durch die druckgasbeaufschlagbare Gasdruckfeder, die die Kolben-Zy­ linder-Einheiten umfaßt, relativ vergrößert ist.

Nach einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, daß der Kolben auf der einen Seite mit dem atmosphärischen Druck und auf der anderen Seite mit einem den atmosphärischen Druck übersteigenden Druck beaufschlagbar ist. Ei­ ne derartige Gasdruckfeder ist dann von Vorteil, wenn ein ausreichend großer Überdruck zur Betätigung der Gasdruckfeder durch ein angrenzendes Aggregat, beispielsweise eine Hochdruckpumpe, ohnehin zur Verfügung gestellt wird.

Das erfindungsgemäße federratenumschaltbare Lager wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.

In Fig. 1 ist ein Funktionsschaubild des zweiten Federelements gezeigt, das durch eine mit Druckgas beaufschlagbare Gasdruckfeder gebildet ist.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lagers ge­ zeigt, mit den beiden in Reihe hintereinander geschalteten Federelementen, wo­ bei das zweite Federelement mit Unterdruck beaufschlagbar ist.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lagers ge­ zeigt, das im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 mit Überdruck beaufschlagbar ist.

In Fig. 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Stellelement ist mit Überdruck beaufschlagbar.

In Fig. 1 ist ein Funktionschaubild gezeigt, an dem die Wirkungsweise des als Gasdruckfeder 6 ausgebildeten zweiten Federelements 2 verdeutlicht werden soll. Das als Stellelement 7 ausgebildete zweite Federelement 6 ist ein separat herstellbares Bauteil und als Druckdose ausgebildet. Es umfaßt in den hier ge­ zeigten Ausführungsbeispielen 1-3 vier Kolben-Zylinder-Einheiten 8, 9, die in einer Parallelschaltung zusammengefaßt sind. Jeder der Kolben 8 ist in einem Zylinder 9 angeordnet, wobei jeder Kolben 8 den entsprechenden Zylinder 9 in zwei axial benachbarte Teilräume unterteilt, von denen jeweils einer mit einem Druckgasanschluß versehen ist. Der andere Teilraum ist mit Atmosphärendruck beaufschlagt. Alle Kolben 8 sind an einer gemeinsamen Kolbenstange 17 befe­ stigt, die das Gehäuse axial in Richtung des angeschlossenen, hier nicht dar­ gestellten Gummilagers gasdicht durchdringt. Die Kolben 8 werden in Abhän­ gigkeit vom anliegenden Differenzdruck in Richtung des Teilraums bewegt, der mit dem vergleichsweise geringeren Druck beaufschlagt ist. Um die hier dar­ gestellten Kolben 8 in ihren Zylindern 9 in axialer Richtung in Bewegung zu ver­ setzen, kann der vergleichsweise kleinere Teilraum im jeweiligen Zylinder 9 mit Überdruck und der vergleichsweise größere Teilraum, in axialer Richtung ande­ rerseits der Kolben 8 mit Atmosphärendruck beaufschlagt sein. Davon abwei­ chend besteht die Möglichkeit, den relativ kleineren Teilraum der Zylinder 9 mit Atmosphärendruck zu beaufschlagen, während an den vergleichsweise größeren Teilraum Unterdruck, beispielsweise aus dem Ansaugsystem einer abzu­ stützenden Verbrennungskraftmaschine, angelegt werden kann. Die Parallel­ schaltung mehrerer Kolben-Zylinder-Einheiten 8, 9 bewirkt eine vergleichsweise große resultierende Kolbenfläche, wobei die Gesamtkraft F durch Addition der Einzelkräfte F1, F2, F3, F4 gebildet wird. Näherungsweise ist die Gesamtkraft F vier mal so groß, wie jede Einzelkraft. Anhand des Funktionsschaubilds ist zu erkennen, daß die auf das in axialer Richtung angrenzende Auflager 18 über­ tragbare Kraft F bei konstanter Druckbeaufschlagung durch die vier parallel ge­ schalteten Kolben 8 ungefähr vier mal so groß ist, wie die übertragbare Kraft von nur einem zur Anwendung gelangenden Kolben 8. Eine derartige doppelte Tandemfunktion der Kolben 8 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Druck, begrenzt ist, mit dem die Gasdruckfeder 6 beaufschlagbar ist., Trotz des relativ geringen Differenzdrucks axial beiderseits der Kolben 8 besteht durch eine derar­ tige Ausgestaltung die Möglichkeit, angrenzende Lasten, die auf dem Gummi­ lager abgestützt sind, wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, derart anzuheben, daß zusätzlich zu der Tragfeder 4 des Gummilagers 5 die Gasdruck­ feder 6 des Stellelements 7 in Reihe geschaltet ist, um eine weichere Gesamt­ federcharakteristik erreichen und akustisch störende Schwingungen, bei­ spielsweise im Leerlaufbereich von Verbrennungskraftmaschinen besser isolie­ ren zu können.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen federraten­ umschaltbaren Lagers gezeigt, bei dem die Gasdruckfeder 6 mit Unterdruck be­ aufschlagbar ist. Das federratenumschaltbare Lager umfaßt in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ein hydraulisch dämpfendes Gummilager 5 und ein an seinem Auflager 18 festgelegtes, als Stellelement 7 ausgebildetes, zweites Federele­ ment 2. Das Stellelement 7 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel vier Kolben- Zylinder-Einheiten 8, 9, die in einer Parallelschaltung zusammengefaßt sind. Die Kolben 8 sind auf der einen Seite 15 mit einem den atmosphärischen Druck un­ terschreitenden Druck beaufschlagbar und auf der in axialer Richtung anderen Seite 16 mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Das Lager in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist im nicht unterdruckbeaufschlagten, nicht geschalteten Zustand gezeigt. Ein derartiger Betriebszustand ist beispielsweise oberhalb der Leerlaufdrehzahl einer angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine gegeben, wobei nur das erste Federelement 1, das als Tragfeder 4 ausgebildet ist und ei­ ne Lose innerhalb des Hydrolagers, wirksam sind.

Die Kolben 8 sind im Bereich ihres Außenumfangs in axialer Richtung gegenein­ ander verspannt, wobei zur Abdichtung der einzelnen Teilräume eine Dichtung aus elastomerem Werkstoff zur Anwendung gelangt. In radialer Richtung in­ nenseitig sind die Kolben 8 an einer Kolbenstange 17 befestigt, wobei die Kol­ benstange 17 mit Druckgasanschlüssen zur Beaufschlagung der Gasdruckfeder 6 versehen ist. Bei Beaufschlagung der Gasdruckfeder 6 mit Unterdruck bewe­ gen sich die Kolben 8 und die relativ ortsfest dazu angeordnete Kolbenstange 17, bedingt durch den Differenzdruck in axialer Richtung beiderseits der Kolben 8 in Richtung des Teilraums relativ verringerten Drucks, wobei sämtliche zur Anwendung gelangende Kolben 8 mit übereinstimmendem Druck beaufschlagt werden und eine synchrone Bewegung in axialer Richtung ausführen. Dadurch, daß das Auflager 8 des in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten hydraulisch dämpfenden Gummilagers 5 relativ unbeweglich mit der Kolbenstange 17 ver­ bunden ist, ergibt sich bei Unterdruckbeaufschlagung des Stellelements 7 eine Anhebung des Gummilagers 5 bezogen auf die Gasdruckfeder 6. Im Anschluß an die Unterdruckbeaufschlagung sind das erste und das zweite Federelement 1, 2 in einer funktionstechnischen Reihenschaltung zueinander angeordnet und weisen eine Gesamtfederrate auf, die geringer ist, als jede Einzelfederrate der beiden Federelemente 1, 2. Die Betätigung des Stellelements 7 und damit die Zuschaltung des zweiten Federelements 2 erfolgt in Abhängigkeit von Parame­ tern, die die zu isolierenden/zu dämpfenden Schwingungen beschreiben. Gelangt das erfindungsgemäße Lager, beispielsweise zur Abstützung einer Ver­ brennungskraftmaschine zur Anwendung, kann die Unterdruckbeaufschlagung der Gasdruckfeder 6 von der elektronischen Motorsteuerung gesteuert werden. Ein Parameter, der die auftretenden Schwingungen beschreibt, kann beispiels­ weise durch die Motordrehzahl gebildet sein.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lagers ge­ zeigt, wobei die Gasdruckfeder 6 mit einem den atmosphärischen Druck über­ steigenden Druck beaufschlagbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist es vor­ gesehen, daß nur eine Kolben-Zylinder-Einheit 8, 9 zur Anwendung gelangt und daß das Stellelement 7 durch eine Hochdruckpumpe 19 betätigbar ist. Außerdem gelangt ein Luftspeicher 20 zur Anwendung, um eine größere elastische Nachgiebigkeit, bedingt durch ein größeres Luftpolster zu gewährleisten.

Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 ist in Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Lagers gezeigt, das in seinem Aufbau im wesentlichen dem Lager aus Fig. 2 entspricht. Dazu ist es vorgesehen, daß die Druckgasanschlüsse innerhalb der Kolbenstange 17 auf der anderen Seite 16 des Kolbens 8 angeordnet sind und daß die eine Seite 15 des Kolbens mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 8, 9 sind in einer Parallelschaltung angeordnet, und relativ ortsfest mit der Kolbenstange 17 verbunden. Bei Beaufschlagung der Gasdruckfeder 6 mit Überdruck ergibt sich entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 eine Relativverlagerung des Gummilagers 5 bezogen auf die Gasdruckfeder 6, die als Einzelteil ausgebildet und an das hier dargestellte Hydrolager angeflanscht ist.

Die Größe der Auslenkbewegung des Gummilagers, bezogen auf die Gasdruckfe­ der 6 und damit der Federweg des zweiten Federelements 2 ist abhängig von dem Verstellweg der Kolben 8 und kann dadurch den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles problemlos angepaßt werden.

Claims (7)

1. Federratenumschaltbares Lager für einen schwingenden Körper, umfas­ send ein erstes und ein zweites Federelement, die in Richtung der be­ triebsbedingt eingeleiteten Schwingungen in Reihe hintereinander ge­ schaltetet sind, wobei das erst Federelement als Tragfeder eines Gummi­ lagers ausgebildet ist und das zweite Federelement als eine mit einem Druckgas beaufschlagbare Gasdruckfeder, die bedarfsweise blockierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckfeder (6) als separat er­ zeugtes Stellelement ausgebildet und an das Gummilager (5) angeflanscht ist.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (7) zumindest eine Kolben-Zylinder-Einheit (8, 9) umfaßt und daß der Kol­ ben (8) in axialer Richtung beiderseits Anschlagflächen (10, 11) aufweist, die mit relativ ortsfesten Gegenanschlagflächen (12, 13) in Eingriff bring­ bar sind.

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben- Zylinder-Einheiten (8, 9) in einer Parallelschaltung zusammengefaßt sind.

4. Lager nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kolben- Zylinder-Einheit (8, 9) eine Rollmembran (14) zur Abdichtung des Kolbens (8) gegenüber dem Zylinder (9) aufweist.

5. Lager nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben- Zylinder-Einheit (8, 9) eine Bewegungsachse aufweist, die sich in Rich­ tung der betriebsbedingt eingeleiteten Schwingungen (3) erstreckt.

6. Lager nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (8) auf der einen Seite (15) mit einem den atmosphärischen Druck unter­ schreitenden Druck und auf der anderen Seite (16) mit dem atmosphäri­ schen Druck beaufschlagbar ist.

7. Lager nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (8) auf der einen Seite (15) mit dem atmosphärischen Druck und auf der anderen Seite (8) mit einem den atmosphärischen Druck übersteigenden Druck beaufschlagbar ist.