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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Einrichtungen zur Steuerung dynamischer Schwingungen
und insbesondere betrifft die Erfindung aber eine Flüssigkeits-
und Elastomerschwingungs-Steuereinrichtung mit einem Volumenkompensator
und einer getrennten und gesonderten Vorrichtung zur Erzeugung einer
sekundären
Federungssteifigkeit.
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Hintergrund
der Erfindung
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Flüssigkeits-
und Elastomergeräte,
die im Stand der Technik oftmals hydraulische Lagerungen, Isolatoren
und Dämpfer
genannt werden, enthalten eine Flüssigkeit, die einen größeren Bereich
an Isolations- und/oder Dämpfungseigenschaften
bietet, als sie bei Lagerungen, Isolatoren und Dämpfern erhalten werden können, die
nur ein Elastomer beinhalten. Die ausgedehnte Isolation und/oder
Dämpfung,
die durch eine Flüssigkeits-
und Elastomereinrichtung erhalten wird, kann ein Ergebnis der Vergrößerung der
Dämpfungs-
oder Trägheitskräfte sein.
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Eine
Flüssigkeits-
und Elastomerisoliereinrichtung kann entweder einfach wirken, wobei
Flüssigkeit
als Folge der dynamischen Bewegung einer oder mehrerer Isolatorkomponenten
in eine erste Richtung gepumpt wird, oder doppelt wirken, wobei Flüssigkeit
als Folge der dynamischen Verschiebung einer oder mehrerer Isolatorkomponenten
in eine erste und zweite Richtung gepumpt wird.
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Bekannte
einfach wirkende Isolatoreinrichtungen weisen ein einfaches Mittel
auf, das sowohl Veränderungen
im Flüssigkeitsvolumen
aufgrund von Änderungen
der Isolatorflüssigkeitstemperatur und/oder
des Isolatorflüssigkeitsdruckes
kompensiert als auch eine sekundäre
Federung zur Veränderung
der Steifigkeit des Isolators schafft zwecks Verwendung bei unterschiedlichen
Anwendungsfällen. Bei
bekannten einfach wirkenden Isolatoren weist die Volumenkompensationseinrichtung
sowie die Einrichtung zur Veränderung
der Steifigkeit des Isolators einen einzelnen flexiblen Membrankörper auf.
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In
vielen Fällen
bieten derartige bekannte einfach wirkende Isolatoren eine effektive
Volumenkompensation und sekundäre
Federung. Die Verwendung der Membran zur Erreichung sowohl der Volumenkompensation
als auch der sekundären
Federung ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Im Betriebszustand
unterliegen die Isolatoren bei hohem Druck einer dauerhaften Bewegung,
und im Laufe der Zeit verschleißen
die dünnen,
flexiblen Membranen. Dazu kommt, daß sich die bekannten Isolatoren mit
einem einzelnen Element zur Herstellung der verlangten Volumenkompensation
sowie zur Änderung der
Steifigkeit des Isolators nicht mit der erforderlichen Genauigkeit
oder über
einen breiten Bereich der Steifigkeitswerte einstellen lassen. Die
Isolatorleistung wird durch Einstellen der Einrichtung auf die geeignete
Steifigkeit für
einen bestimmten Anwendungsfall verbessert. Die Isolatoren müssen ausreichend
flexibel sein, um statische axiale Verschiebungen infolge von Temperaturanstieg
sowie dynamischen Bewegungen rasch zu kompensieren und den passenden
Flüssigkeitsdruck
zu erzeugen. Steife Isolatoren, die eine effektive Volumenkompensation bringen,
sind mit den bekannten Systemen und Verfahren besonders schwer zu
handhaben.
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Die
US-A-6 092 795 beschreibt eine Flüssigkeitseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
obige Beschreibung zeigt die Beschränkungen auf, die für die gegenwärtigen Einrichtungen und
Verfahren existieren. Somit wird es also vorteilhaft sein, einen
alternativen Flüssigkeits-
und Elastomerisolator zu schaffen, der eine effektive Volumenkompensation
ermöglicht
und über
einen breiten Bereich von Steifigkeitswerten präzise einstellbar ist. Demzufolge
wird eine geeignete Alternative mit Merkmalen geschaffen, die im
folgenden genauer beschrieben werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Flüssigkeits-
und Elastomereinrichtung zur Isolierung dynamischer Belastungen
zwischen mit der Einrichtung verbundenen Körpern, mit einem inneren Körper, der
eine Federungskammer begrenzt, einem äußeren Körper, der eine Gehäusekammer
begrenzt, einem Elastomerelement, das den inneren Körper mit
dem äußeren Körper flexibel
verbindet, einem in der Federungskammer angeordneten Durchgangskanal
und einer Strömung,
die die Federungskammer mit einer primären Arbeitskammer verbindet,
sowie mit einem sekundären
Federungskörper,
der mit dem Durchgangs kanal in der Federungskammer in Verbindung
steht, einem in der Gehäusekammer
angeordneten Volumenkompensator, der eine Federvorrichtung, einen
Kolbenkörper an
dem einen Federende und einen Membrankörper aufweist, der über dem
Kolben liegt; ferner mit einem Körper,
der zwischen der Federungskammer und der Gehäusekammer angeordnet ist und
mit dem äußeren Gehäuse beweglich
ist, wobei der bewegliche Körper
zusammen mit der Membran eine Kompensatorkammer bildet und sich
ein Flüssigkeitsvolumen
in den Kammern und dem Durchgangskanal befindet.
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Die
obigen Gesichtspunkte und andere Merkmale ergeben sich aus der folgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine isometrische Ansicht der Flüssigkeits-
und Elastomerisolatoreinrichtung gemäß der Erfindung, eingebaut
in ein Luftfahrzeug; und
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2 ist
eine Längsschnittansicht
der erfindungsgemäßen Flüssigkeits-
und Elastomerisolatoreinrichtung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Unter
Bezug auf die Zeichnungsfiguren ist darauf hinzuweisen, daß gleiche
Teile in den verschiedenen Ansichten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet
sind. 1 zeigt eine Flüssigkeits-Elastomereinrichtung 10 gemäß der Erfindung,
die in die Tragkonstruktion 200 eines Luftfahrzeugs eingebaut ist.
Das Luftfahrzeug kann beispielsweise ein Helikopter sein. 2 ist
eine Längsschnittansicht
einer Flüssigkeits-
und Elastomereinrichtung gemäß der Erfindung.
Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, daß im Verlauf der Beschreibung
der Erfindung sich das Bezugszeichen 10 auf eine "Flüssigkeits-
und Elastomereinrichtung",
einen "Flüssigkeits-
und Elastomerisolator" oder
einen "Isolator" beziehen kann. Es
versteht sich jedoch, daß diese
Begriffe für
die vorliegende Erfindung keinen ihren Schutzumfang begrenzenden
Charakter haben sollen, und daß die Erfindung
zusätzlich
zu ihrer Verwendung als Schwingungsisolator, die hier beschrieben
wird, auch als Halterung oder Dämpfungseinrichtung
dienen kann.
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Der
Flüssigkeits-
und Elastomerisolator 10 dient zur Steuerung und Minimierung
dynamischer Schwingungen, die zwischen einem Schwingungskörper 100 und
einer Tragkonstruktion 101 übertragen werden. Wie aus 1 ersichtlich,
ist das Ende 11 des Isolators 10 mit dem Schwingkörper 100 verbunden,
der seinerseits an einem Übertragungsgehäuse 103 befestigt
ist, und das Ende 13 ist durch die Strebe 101 an
dem im wesentlichen stationären
Körper
oder der Luftfahrzeugzelle 104 angebracht. Obgleich der
Isolator so dargestellt ist, daß er
mit dem Ende 11 mit dem Schwingkörper 100 in Verbindung steht
und das Ende 13 an dem im wesentlichen stationären Luftfahrzeug
angebracht ist, könnte
bei einer alternativen Ausführungsform
das Ende 13 an dem Schwingkörper angebracht sein und das
Ende 11 mit dem im wesentlichen stationären Körper in Verbindung stehen.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist der Isolator ein einfach wirkender,
abgestimmter Flüssigkeits-
und Elastomerisolator. Der Flüssigkeits-
und Elastomerisolator 10 weisen einen inneren Gehäusekörper 12 auf,
der im wesentlichen zylindrisch ist und ein geschlossenes Ende 14,
offenes Ende 16 sowie eine zwischen den offenen und geschlossenen
Enden ausgebildete Federungskammer 18 besitzt. Das geschlossene
Ende ist mit einem rohrförmigen
Befestigungskörper 19 versehen,
der mit dem geschlossenen Ende ein einheitliches Ganzes bildet.
Der rohrförmige
Körper 19 läßt sich
mit der Luftfahrzeugstrebe 101 durch herkömmliche
Mittel, beispielsweise einer Schraub- oder Nietverbindung oder dergleichen, verbinden.
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Ein
hohles, zylindrisches Elastomerelement 20 ist auf herkömmliche
Weise mit der äußeren Oberfläche des
inneren Körpers 12 verbunden
und auch vorzugsweise mit der inneren Oberfläche des ringförmigen Hülsenkörpers 22.
Das Elastomerelement kann aus irgendeinem geeigneten Material, einschließlich Naturkautschuk,
Mischungen aus Natur- und synthetischem Kautschuk, Silikonelastomer
oder irgendeinem anderen geeigneten flexiblen Material gefertigt
sein. Für
Isolatoranwendungsfälle
ist das Elastomer vorzugsweise leicht gedämpft.
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Ein äußerer Gehäusekörper 24 umschließt im wesentlichen
und umgibt den inneren Gehäusekörper 12,
das Elastomerelement 20 und die Hülse 22 und ist an
einem Schwingkörper 100,
beispielsweise einer Transmission, einem Pylon oder einem diesbezüglichen
Einzelteil durch einen Gabelkopf 105 angebracht. Das Elastomerelement 22 verbindet den
inneren Gehäusekörper 12 flexibel
mit dem äußeren Körper 24.
Der äußere Gehäusekörper ist
ein einteiliges Bauelement und weist einen ersten Teil 26 auf,
der im wesentlichen zylindrisch ist, einen zweiten Teil 28,
der kegelstumpfförmig
ausgebildet ist, und einen dritten Teil 30, der ebenfalls
im wesentlichen zylindrisch ist. Der zweite Teil 28 verbindet
die ersten und dritten Teile 26 und 30. Wie aus 2 ersichtlich, werden
das Elastomerelement und die Hülse
von dem ersten Gehäuseteil 26 im
wesentlichen umschlossen.
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Eine
primäre
Flüssigkeitsarbeitskammer 29 wird
von der Innenwand der Hülse 22,
der Stirnfläche der
Sperrplatte 60 neben dem Element 20 und der Stirnfläche des
Durchgangskanals 46 neben der Platte 60 begrenzt.
Das Volumen der primären
Arbeitskammer verändert
sich, wenn sich die Platte 60 während des Betriebs des Isolators 10 auf
das Ende 16 zu oder von ihm weg bewegt.
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Der
Volumenkompensator 50 ist von dem sekundären Federungskörper 40,
der sich in der Federungskammer 18 befindet, getrennt.
Der Kompensator 50 weist eine Feder 52 auf, die
den Kolben 54 im Hohlraum 32, der in dem äußeren Gehäusekörper 24 gebildet
ist, flexibel lagert. Die in 2 gezeigte
Feder ist eine Schraubenfeder, obgleich diese Feder, wie sich versteht,
auch eine herkömmliche
Gasfeder sein könnte.
Die Feder muß eine
ausreichende axiale Länge
haben, um den Kolben 54 über die Strecke zu verschieben,
die erforderlich ist, um Flüssigkeitsvolumenänderungen
zu kompensieren. Die Feder ist entlang der Betriebsachse 34 ausgerichtet,
wobei das eine Federende auf dem geschlossenen Gehäusekammerende 36 sitzt
und das entgegengesetzte Ende gegen den hohlen Kolben 54 abgestützt ist.
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Der
Volumenkompensator weist eine Rollmembran 58 auf, die über einem
Teil des Kolbens 54 liegt und mit ihm arbeitet. Zum Zwecke
der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
kann die Membran aus einem Polyestertuch und Nitritelastomer gefertigt
sein. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Membran
einen Seitenwandteil auf, der zwischen den Seiten des Kolbens 54 und den
Wänden
der Kammer 32 zwei Lagen bildet. Der Außenumfang der Membran wird
zwischen der Sperrplatte 60 und einer Ringschulter 59 entlang
der Innenwand des zweiten Kammerteils 28 an Ort und Stelle
gehalten. Die Volumenkompensatorkammer 31 wird von der
Sperrplatte 60 und dem Membrankörper 58 begrenzt.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann die Membran in dem Volumenkompensator durch einen Faltenbalg
oder durch Gleitdichtungen ersetzt sein.
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Der
Kolben 54 und die Membran sind aufgrund von Änderungen
des Flüssigkeitsvolumens, die
während
des Betriebs des Isolators 10 auftreten, verschiebbar.
Ab weichend von den bekannten einfach wirkenden Flüssigkeits-
und Elastomerisolationseinrichtungen ist jedoch der Volumenkompensator 50 keinerlei
dynamischen Belastungen ausgesetzt. Daher dient die Kolben- und
Membranverschiebung zur Kompensation von Änderungen im Flüssigkeitsvolumen,
die durch wesentliche Änderungen
der Betriebstemperatur oder anderer Faktoren bewirkt werden, die
sich nicht auf die dynamische Belastung des Flüssigkeits- und Elastomerisolators 10 beziehen.
Auf diese Weise verschleißt
die Membran 58 nicht so häufig wie dies bei bekannten
einfach wirkenden Flüssigkeits-
und Elastomereinrichtungen der Fall ist.
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Die
Sperrplatte ist mit dem äußeren Körper 28 in
herkömmlicher
Weise verschraubt, und durch diese Verbindung ist die Platte während des
Betriebs der Einrichtung 10 festgelegt. Wie aus 2 ersichtlich,
ist nach der Montage zwischen der Sperrplatte und dem Ende 16 ein
Arbeitsspalt 37 vorhanden. Die Sperrplatte weist wenigstens
eine eingeschnürte Öffnung (nicht
gezeigt) auf, die es der Flüssigkeit 39 ermöglicht,
zwischen der Kompensationskammer und der Hauptarbeitskammer durch
die Platte zu strömen,
sobald sich die Flüssigkeit
unter dem verlangten Druck befindet. Das seitliche Ende des Körpers 22,
das gegen das Ende 11 gerichtet ist, stößt an der Platte 60 an.
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Somit
bewirkt eine dynamische Belastung, die durch den äußeren Körper übertragen
wird, daß sich
die Sperrplatte und das Gehäuse 24 als
eine Einheit in Bezug auf das innere Gehäuse 12 entlang der
Betriebsachse 34 in Richtung auf das offene Ende 16 und
von ihm weg bewegen. Die Sperrplatte beseitigt die dynamische Bewegung
der Flüssigkeit mit
Hilfe des Volumenkompensators. Daher hat der Volumenkompensator
keine erhebliche Wirkung auf die dynamischen Kräfte der Einrichtung 10.
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Der
sekundäre
Federungskörper 40 ist
in der Federungskammer 18 in der Arbeitsflüssigkeit 39 angeordnet
und weist einen zylindrischen Mehrschichtkörper auf mit abwechselnd miteinander
verbundenen Elastomerkörpern
und Metallscheiben 42 und 44. Der sekundäre Federungskörper ist
mit dem Durchgangskanal 46 verschraubt. Der Federungskörper läßt sich
leicht austauschen oder mit anderen Materialscheiben und/oder Elastomerkörpern versehen,
und auf diese Weise kann die Steifigkeit des Körpers 40 leicht und
wirksam eingestellt werden. Es versteht sich, daß andere geometrische Formen,
so beispielsweise eine Rollmembran oder Faltenbälge als sekundäres Federungselement 40 verwendet werden
können,
je doch ist für
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung der Mehrschichtenkörper
dargestellt worden. Das sekundäre
Federungselement dient zur Einstellung des Isolators, um dessen
Leistungsfähigkeit
zu verbessern. Durch Einbau eines separaten Volumenkompensators 50 und sekundären Federungselements 40 werden
Flexibilität
und Genauigkeit des Flüssigkeits-
und Elastomerisolators 40 der vorliegenden Erfindung vergrößert, wenn
die Steifigkeit des sekundären
Federungskörpers
festgelegt wird.
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Der
Durchgangskanal 46 besteht mit dem sekundären Federungselement
aus einem Stück
und ist in der Federungskammer 18 angeordnet. Der Durchgangskanal
ist vorzugsweise ein Bremsweg, der eine spiralförmige Form hat, die einen relativ kompakten
Durchgang gewünschter
Länge aufweist. Ein
Bremsweg ist jeder beliebige Durchgangskanal, der eine eingestellte
Trägheit
für beispielsweise
eine Flüssigkeitsmasse
hat, die mit einer gewählten
Frequenz in dem Durchgangskanal in Resonanz schwingt. Die Länge und
der Bereich des Bremswegs werden so ausgewählt, daß die Resonanzfrequenz der
Flüssigkeit
eingestellt wird.
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Die
Arbeitsflüssigkeit 39 befindet
sich in dem Durchgangskanal 46 und in den Federungs-, Kompensator-
und primären
Arbeitskammern 18, 31 bzw. 29. Bevorzugte
Arbeitsflüssigkeiten
sind Silikonöle und
perfluornierte Flüssigkeiten.
Im Falle des Flüssigkeits-
und Elastomerisolators 10 sind vorzugsweise im allgemeinen
solche Flüssigkeiten
vorzusehen, die eine hohe Dichte und niedrige Viskosität mit Zähigkeitswerten
im Bereich von 1–10
Centistoke aufweisen.
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Während des
Betriebs des Luftfahrzeugs werden durch den Schwingkörper 100 dynamische Belastungen
erzeugt und durch den äußeren Gehäusekörper 24 übertragen,
wodurch sich eine Verschiebung des Gehäuses und der Sperrplatte 60 entlang der
Achse 34 sowie relativ zu dem Gehäuse 12 in Richtung
auf das Gehäuseende 16 und
von ihm weg ergibt. Aufgrund der Bewegung des Gehäuses 24 und
der Platte 60 in Richtung auf das Ende 16 wird die
Flüssigkeit 39 aus
der primären
Arbeitskammer 29 in den Durchgangskanal 46 verdrängt und
eine primäre
Schwingungsfederung erzeugt. Ein Flüssigkeitsvolumen im Durchgangskanal 46 wird
in die Federungskammer 18 verdrängt. Die Flüssigkeit wird in die primäre Arbeitskammer 29 übertragen,
wenn die Platte 60 von dem Ende 16 wegbewegt wird.
Während
des Betriebs des Isolators ist die dynamische Belastung, die durch
den Volumenkompensator 50 ausgeübt wird, vernachlässigbar.
Wenn Volumenkompensation verlangt wird, wird die Federlänge vergrößert oder
verkleinert und als Folge dessen werden der Kolben und die Membran
entlang der Achse 34 in die erforderliche Richtung verschoben,
um den Flüssigkeitsdruck
in den Arbeitskammern aufgrund von Änderungen des Flüssigkeitsvolumens
zu vergrößern oder
zu verringern. Wenn der Kolben und die Membran verschoben werden,
wird Flüssigkeit 39 durch
eine oder mehrere verengte Öffnungen
in der Platte 60 übertragen.