DE69200592T2

DE69200592T2 - Elastisches Lager mit wechselnder Steifheit.

Info

Publication number: DE69200592T2
Application number: DE1992600592
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Simon
Original assignee: Hutchinson SA
Current assignee: Hutchinson SA
Priority date: 1991-02-04
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2012-02-04
Also published as: EP0498710A2; EP0498710B1; DE69200592D1; FR2672351B1; FR2672351A1; EP0498710A3; JPH07180740A

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Lager mit sich ändernder Steifigkeit der Art, bei dem die Kurve, die die Abhängigkeit seiner Verformung als Funktion der Druckbelastungen wiedergibt, denen das Lager unterworfen ist, zwei Zonen mit hoher Steifigkeit aufweist, die durch eine Zone voneinander getrennt sind, die eine beträchtlich geringere Steifigkeit hat, wobei das Lager, um dieses Ergebnis zu erhalten, einen Knickeffekt bestimmter Elemente benutzt, der von dem Augenblick an auftritt, an dem die Belastungen einen bestimmten Wert erreichen.
Eine derartige repräsentative Kurve zeigt Fig. 1 der Zeichnung. Die Zonen mit hoher Steifigkeit y sind dabei mit I und III und die Zone mit erheblich geringerer Steifigkeit mit II bezeichnet. Die Höhe der Belastung von der an die Steifigkeit sich beträchtlich verringern soll, ist mit F1 und die Druckbelastung, von der an die Steifigkeit erneut erheblich erhöht sein soll, mit F2 bezeichnet. Diese Kurve ist offensichtlich nur rein beispielhaft, da sich selbstverständlich ihre Erstreckung und Neigung in den verschiedenen Zonen in hohem Maße ändern können.
Dieser Typ von elastischen Lagern mit veränderbarer Steifigkeit oder nicht linearer Federung ist in einer bestimmten Anzahl von Anwendungsfällen gefragt, beispielsweise für Aufhängungen von Motoren oder Kraftfahrzeugen. Die statische Belastung des Motors oder des Fahrzeuges wird dabei in der mittleren Zone II aufgenommen, so daß die Vibrationen des Motors oder der Räder, je nach Anwendungsfall, in nur sehr geringem Maß auf das Fahrzeug übertragen werden.
Die in Rede stehenden Federungen können ferner für Abweiser, Anschläge, Stoßdämpfer und dergleichen von Interesse sein, da sie auch eine beträchtliche Energie absorbieren können, ohne an dem zu schützenden Körper beträchtliche Reaktionen hervorzurufen.
Wie bereits oben erwähnt, kann dieses besondere Merkmal der Federung durch Abknicken bestimmter Stützelemente erhalten werden, wobei die Abknickung in den erwähnten "schwachen" Zonen einer Masse aus elastomerem Material oder dergleichen auftritt. Im übrigen sind derartige Abstützungen sehr sensibel gegenüber Fließen und haben auch den Nachteil, daß sie in Querrichtung eine sehr geringe Steifigkeit aufweisen. Um der sich daraus ergebenden Neigung zum Verkanten entgegenzutreten, muß man seitliche Führungssysteme vorsehen, wie z. B. Gestänge, was eine erhebliche unerwünschte Komplikation bedeutet.
Aus der britischen Patentanmeldung 2 207 730 ist eine elastische Abstützung in Form eines konischen Rohres aus elastomerem Material bekannt, das in axialer Richtung regelmäßig abgestufte äußere Umfangsverstärkungen enthält, die entweder die Form von Rippen oder die Form metallischer Binden haben. Diese Abstützung hat, wenn sie axialen, ansteigenden Druckbelastungen unterworfen wird, unterschiedliche Knickzonen zwischen den Verstärkungen, wodurch ihre Steifigkeit schlagartig verringert wird. Jedoch ist diese Art von Abstützungen auch in sehr hohem Maße einem Fließen unterworfen und benötigt einen komplizierten Herstellungsaufwand.
Das britische Patent 1 378 352 beschreibt eine Aufhängung für ein Schienenfahrzeug, die mit Verbindungsteilen über Stangen verbunden werden kann, deren vergrößerter Kopf in eine Masse aus elastomerem Material eingebettet ist, das sich bei Belastung in Querrichtung ausdehnen und damit innere Versteifungen auf Biegung beanspruchen kann; es ist jedoch, mit einer solchen Abstützung nicht möglich einen Knickeffekt der Versteifungen zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme insgesamt zu lösen und insbesondere eine Abstützung so auszubilden, daß sie eine veränderbare Steifigkeit des obigen allgemeinen Typs aufweist, die weniger empfindlich gegenüber Fließen ist und die mechanisch oder herstellungstechnisch unkompliziert ist.
Ausgehend von einem elastischen Lager der eingangs beschriebenen Art besteht die Erfindung darin, daß die Elemente, die der Knickung unterworfen werden sollen, aus Trägern mit hoher Steifigkeit bestehen, die im wesentlichen in Richtung der Druckbelastungen ausgerichtet sind, derart, daß sie diese Belastungen endseitig aufnehmen, und die in eine Matrix aus elastischem Material eingebettet sind, die in der Lage ist, gegenüber seitlichen Deformationen der Träger nach dem Knicken einen elastischen Widerstand mit hoher Steifigkeitskennlinie durch Ausdehnung und Kompression aufzuweisen.
Man versteht so, daß zu Beginn der Belastung die endseitig parallel (oder annähernd parallel) zu ihrer Achse belasteten Abschnitte eine sehr erhöhte Steifigkeit aufweisen (Zone I). Sobald die Belastung F den kritischen Wert F1 der Knickung erreicht, knicken die Abschnitte ab und weisen schlagartig eine sehr geringe Steifigkeit, wenn nicht sogar fast keine Steifigkeit mehr gegenüber dieser Beanspruchung (für alle Werte, die oberhalb F1 liegen) auf. Ausgehend von dem Wert F2 wird jedoch die Matrix infolge der erheblichen Deformation dieser Teile stark seitlich ausgebogen und dadurch gedehnt (oder zusammengedrückt). Dadurch wird die Knickung begrenzt und ermöglicht, von neuem die hohe gewünschte Steifigkeit für die Abstützung (Zone III) zu erhalten. Es wird darauf hingewiesen, daß das progressive Dehnen oder Zusammendrücken der Matrix aus elastischem Material es erlaubt, ein Minimum an Steifigkeit während des Knickens (Zone III) zu erhalten, was notwendig ist, um eine korrekte Positionierung der Aufhängung vorzunehmen.
Vorzugsweise bestehen die Elemente oder Träger mit hoher Steifigkeit aus einem zusammengesetzten Material aus widerstandsfähigen Fasern, die in ein Harz eingebettet sind, wobei die Fasern vorzugsweise parallel zur Achse des Armes ausgerichtet sind.
Bei Verwendung von beispielsweise Glasfasern, die in ein Epoxyharz oder dergleichen eingebettet sind, erhält man Stützen, die, bevor sie brechen, sehr starke seitliche Deformationen aufnehmen können.
Was die Matrix anbelangt, so kann diese aus jedem geeigneten elastischen Material bestehen, beispielsweise aus natürlichem oder künstlichem Kautschuk. Das Material muß weich und verformbar, aber selbstverständlich ausreichend steif sein, um den Zusammenhalt der Stützanordnung und ihre Befestigung zwischen den starren Teilen der Aufhängung sicherzustellen. Vorzugsweise weist die Matrix eine allgemein zylindrischen Form auf, deren Erzeugende parallel oder im wesentlichen parallel zur Richtung der Druckbelastung F verläuft. Mit dem Ausdruck "annähernd parallel" soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Abstützung leicht konisch sein kann, wobei die starren Stützen konsequenter Weise leicht geneigt verlaufen, um ihr Knicken zu begünstigen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Abstützung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 2 einen axialen Teilschnitt gemäß der Linie II-II der Fig. 3, der das Prinzip einer erfindungsgemäßen zylindrischen Abstützung zeigt,
Fig. 3 einen schematischen Teilquerschnitt der Abstützung gemäß der Linie III-III der Fig. 2,
die Fig. 4 bis 6 Teilquerschnitte durch unterschiedliche Ausführungsformen,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform in einem axialen Schnitt gemäß der Linie VII-VII der Fig. 8, wobei die rechte Hälfte dieser Figur die Verformungen während einer Abknickung der Stützen nach außen unter Zugspannung, der äußeren Oberfläche der Matrix zeigt,
Fig. 8 einen Querschnitt durch die gleiche Abstützung gemäß der Linie VIII-VIII der Fig. 7,
Fig. 9 einen senkrechten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung gemäß der Linie IX-IX der Fig. 10,
Fig. 10 einen Querschnitt durch die gleiche Abstützung gemäß der Linie X-X der Fig. 9,
Fig. 11 eine Montageanordnung bei einer noch anderen erfindungsgemäßen Abstützung,
Fig. 12 einen axialen Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Abstützung gemäß der Linie XII-XII der Fig. 13,
Fig. 13 einen Querschnitt durch die Abstützung gemäß der Linie XIII-XIII der Fig. 12 und
Fig. 14 einen axialen Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Abstützung, die für die Aufhängung eines Motors verwendet wird.
Auf der Zeichnung sind die starren Elemente oder Stützen mit großer Festigkeit, deren Enden die Belastungen F in der praktisch senkrechten Richtung z aufnehmen, durchgehend mit dem Bezugszeichen 1 (gegebenenfalls mit einem Index) versehen, während die Matrix des elastischen Materials, in die die Elemente eingebettet sind, mit 2 (eventuell mit einem Index) versehen ist. Bei den benutzten Materialien handelt es sich um die oben angegebenen oder äquivalente Stoffe (Glasfasern, Kohlenstoffasern und dergleichen, die in eine Epoxyharz oder einen anderen wärmebeständigen oder thermoplastischen Stoff eingebettet sind für die Stützen; elastomeres Material, TPE und dergleichen für die Matrix 2). Es ist darauf hinzuweisen, daß die Matrix vorzugsweise aus einem Material mit mehreren unterschiedlichen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Steifigkeit und der Dämpfung besteht, die man der Abstützung in Abhängigkeit von ihrer Verformung verleihen will.
Bei der auf den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform besteht die Matrix oder Umhüllung 2 aus Kautschuk oder dergleichen und ist so aufgebaut, daß ihre seitliche Deformierung während des Knickens der Stützen 1 eine Umfangsspannung dieser Umhüllung hervorruft.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die Möglichkeit, die Abstützungen 1a und 1b, die in die Matrix 2 eingebettet sind, aus einer sandwichartig paarweise oder in einer größeren Anzahl herzustellen, wobei jedesmal eine Zwischenlage aus dem Kautschuk der Matrix eingefügt ist. Auf Fig. 5 ist darüber hinaus die Möglichkeit gezeigt, mehrere Steifigkeitswerte zu erhalten, indem nacheinander Verzweigungen 2a und 2b der Matrix während des Abknickens der Stützen 1a und 1b unter Spannung gesetzt werden.
Auf Fig. 3 sind Bereiche 1a und 1b der Stützen in Form von Stangen mit großer Steifigkeit dargestellt, die aus einem zusammengesetzten Material bestehen, das dem entspricht, das oben erwähnt ist und in Kautschuk eingebettet ist.
Fig. 8 zeigt die Möglichkeit, den Stützen 1 eine bestimmte Erstreckung in Querrichtung y (senkrecht zu der angenommenen senkrechten Richtung z der Druckkräfte und der anderen horizontalen Richtung x) zu geben, derart, daß die Abstützung durch die lamellaren Stützen in dieser Richtung y verstärkt wird; dadurch wird ihr die gewünschte seitliche Spannung gegeben.
Fig. 7, auf der die gleiche Abstützung dargestellt ist, zeigt die zusätzliche Möglichkeit im Inneren Druckanschläge 3a, 3b vorzusehen, die es erlauben, einen progressiven Anstieg der Steifigkeit nach dem Abknicken der Stützen zu erhalten. Diese Anschläge sind an Montageplatten 4a und 4b befestigt, die innen mit Rillen versehen sind, so daß sie die entsprechenden Enden der erwähnten Abstützung aufnehmen und halten.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine Abstützung, deren Matrix 2 aus einem elastomeren oder analogen Material innen Zellen 5a und 5b enthält. Es handelt sich um eine Abstützung, die so ausgebildet ist, daß das Abknicken der Stützen 1 nach innen erfolgt (und nicht nach außen, wie in den vorhergehenden Fällen) derart, daß die mit Zellen versehene Matrix progressiv auf Druck beansprucht wird (und nicht auf Dehnung wie bei den vorhergehenden Beispielen).
Die Zellen 5a und 5b können durch ein Medium unter Druck gesetzt werden, das es ermöglicht, je nach Wunsch, die Steifigkeit der Abstützung und/oder die Höhe oder den Sitz des abgestützten Elementes einzustellen.
Auf Fig. 9 wurde ebenfalls die Möglichkeit gezeigt, die Zellen 5a (und auch 5b) mit nachgiebigen Hohlräumen 6a zu verbinden; dies ermöglicht einen Transport der Flüssigkeit in beiden Richtungen zwischen den Zellen und den Hohlräumen, wenn die Abstützung sich deformiert; Durchströmventile 7 für die Flüssigkeit, die an den Leitungen 8 zwischen den Hohlräumen 6a und den Zellen 5a vorgesehen sind, ermöglichen es dann, die gewünschte Dämpfung symmetrisch oder gegebenenfalls unsymmetrisch auf Zug und auf Druck zu erhalten.
Aufgrund der Befestigung gemäß den Fig. 9 und 10 kann man auch eine Unsymmetrie der Dämpfungseffekte zwischen den Zellen 5a und 5b erreichen. Man kann beispielsweise die Dämpfung mit Zugbeanspruchung, die durch die Zellen 5b erzielt wird, sehr viel größer einstellen, als die Dämpfung, die durch die Hohlräume 5a erzeugt wird. Dies wird dazu führen, daß das Ausweichen der Abstützung in den positiven Richtungen von y (vgl. Fig. 10) unter der Wirkung einer dynamischen Belastung, die auf die Abstützung in dieser Richtung einwirkt, begrenzt wird (die Rückkehr der Abstützung in den Anfangszustand wird sehr viel schneller im Bereich der Zellen 5a als im Bereich der Zellen 5b auftreten).
Aufgrund der Ausbildung gemäß den Fig. 9 und 10 ist es auch möglich einen Kolonnen-Trägheitseffekt in den Flüssigkeitsleitungen zwischen den Zellen der Abstützung und den äußeren Hohlräumen zu erzielen. Eine Resonanz zwischen Hohlräumen und Zellen mit einer gegebenen Frequenz wird nämlich eine starke Dämpfung in einem bestimmten Frequenzbereich ermöglichen.
Die auf Fig. 11 dargestellte Ausführungsform zeigt eine Möglichkeit der Befestigung der Abstützung.
Die U-förmige Armatur, die mit 9 bezeichnet ist, ist um das elastomere Material der Matrix gefalzt, wobei eine Zwischenschicht 10 dazu dient, das Fließen infolge der Druckbelastung in Querrichtung zu begrenzen. Die Querachse oder der Bolzen 11 stellt die Einspannung der Anordnung zwischen seinem Kopf 12 und einer Mutter 13 unter Einfügen von geschweißten Ringen 14 sicher. Der Bolzen kann dann die Zugkräfte aufnehmen, wobei er als Anschlag für das elastomere Material 2 und die zusammengesetzten Stützen 1 dient.
Die Fig. 12 und 13 zeigen ebenfalls eine elastische Abstützung gemäß vorliegender Erfindung, die so konzipiert ist, daß die starren Stützen 1 nach innen knicken; dabei ist dann ein Anschlag durch die Wulst 15 eines mittleren Steges 16 der Matrix aus elastomerem Material und die Wülste 17 der Seitenwandungen vorgesehen, in die die Stützen 1 eingeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Matrix 2, ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 7 und 8 rohrförmig und kann preiswert und in großen Mengen durch Extrusion mit den eingeschlossenen Stützen hergestellt werden. Es genügt dann, diese in Stücke zu schneiden und die Stücke zwischen Befestigungsplatten, z. B. Platten 18 anzubringen.
Fig. 14 zeigt ebenfalls eine elastische Stütze gemäß vorliegender Erfindung, bei der die Matrix 2 aus einem elastomeren oder ähnlichen Material aus einem extrudierbaren Rohrstück besteht. Dieses Stück wird zwischen einer Bodenplatte 19 mit einer umlaufenden Rinne und einer oben abdeckenden Armatur 20 gehalten, deren durchdringender mittlerer Abschnitt 21 einen Bolzen 22 für die Aufhängung des Motors oder dergleichen hält und als Anschlag für das elastomere Material 2 dienen kann, wenn die Stützen nach innen knicken.
Es ergibt sich, daß eine elastische Stütze gemäß vorliegender Erfindung bei allen Ausführungsformen in einem bestimmten Belastungsbereich eine sehr geringe Steifigkeit aufweist, ohne deswegen einem Fließen unterworfen zu sein; tatsächlich ergibt sich diese schwache Steifigkeit durch Abknicken der Stützen, die im übrigen infolge ihres Aufbaus äußerst starr gegenüber Belastungen sind, die an ihren Enden auftreten und ihrerseits selbst wenig zum Fließen neigen.
Für den Gegenstand der Erfindung ergeben sich daher sehr interessante Anwendungsmöglichkeiten in allen Bereichen der Technik, in denen diese Eigenschaften gefordert werden, insbesondere für Antischwingungslager für die Industrie oder den Kraftfahrzeugbereich: für Motoren und selbst für die primäre Aufhängung der Fahrzeuge ebenso wie für Stoßdämpfer.
Die Herstellung der elastischen Abstützungen hat darüber hinaus den Vorteil, daß sie sehr kostengünstig erfolgen kann, wobei die Herstellung der Matrix aus elastomerem Material in großen Serien durch Extrusion mit gegebenenfalls integrierten Anschlägen erfolgen kann.

Claims

1. Elastisches Lager mit sich ändernder Steifigkeit der Art, bei dem die Kurve, die die Abhängigkeit seiner Verformung als Funktion der Druckbelastungen wiedergibt, denen das Lager unterworfen ist, zwei Zonen (I, III) mit hoher Steifigkeit aufweist, die durch eine Zone (II) voneinander getrennt sind, die eine beträchtlich geringere Steifigkeit hat, wobei das Lager, um dieses Ergebnis zu erhalten, einen Knickeffekt bestimmter Elemente benutzt, der von dem Augenblick an auftritt, an dem die Belastungen einen bestimmten Wert (F&sub1;) erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Trägern (1) mit hoher Steifigkeit bestehen, die im wesentlichen in Richtung der Druckbelastungen (F) ausgerichtet sind, derart, daß sie diese Belastungen endseitig aufnehmen, und die in eine Matrix (2) aus elastischem Material eingebettet sind, die gegenüber seitlichen Deformationen der Träger (1) nach dem Knicken einen elastischen Widerstand mit hoher Steifigkeitskennlinie durch Ausdehnung und Kompression aufweisen kann.

2. Elastisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente oder Träger (1) mit hoher Steifigkeit aus einem zusammengesetzten Material aus widerstandsfähigen Fasern bestehen, die in ein Harz eingebettet sind, wobei die Fasern vorzugsweise parallel zur Achse des Armes ausgerichtet sind.

3. Elastisches Lager nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) aus natürlichem oder künstlichem Kautschuk besteht und eine allgemein zylindrische Form aufweist, deren Erzeugende parallel oder im wesentlichen parallel zur Richtung der Druckbelastung (F) verläuft.

4. Elastisches Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) aus einem Abschnitt besteht, der aus einer Masse aus elastischem extrudierten Material, die die Träger einschließt, erhalten wird.

5. Elastisches Lager nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) in ihrem Inneren Wulste (15, 17) enthält, die gegenseitig als Anschläge während des Knickens der Träger (1) nach innen dienen, um die Verformung dieser Träger zu begrenzen.

6. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) zwischen einer Bodenplatte (19) und einer Armatur (20), mit einer mittleren Hülse (21) gehalten wird, die als Anschlag für die Matrix während des Abknickens der Träger (1) nach innen dient.

7. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Druckanschläge (3a, 3b) enthält, die eine Progressivität der Steifigkeit nach dem Abknicken der Träger ermöglichen, wobei die Anschläge innen an Befestigungsplatten (4a, 4b) angebracht sind.

8. Elastisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) im Inneren Zellen (5a, 5b) enthält, die mittels eines Mediums unter Druck gesetzt werden können, wodurch es möglich ist, die Steifigkeit des Lagers einzustellen und eine Regelung der Anordnung zu bewirken.

9. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) Zellen (5a, 5b) enthält, die mit einer Flüssigkeit gefüllt und mit äußeren Hohlräumen (6a) über Leitungen (8) in Verbindung gebracht werden können, die mit Drosselventilen (7) für den Durchfluß der Flüssigkeit versehen sind.

10. Elastisches Lager nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Kolonneneffektes zum Erreichen einer Resonanz zwischen Zellen und Hohlräumen bei einer bestimmten Frequenz.

11. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (1) sandwichartig unter Einlagern des elastischen Materials (2) zusammengefügt sind.