DE69606739T2 - Elastisches Lager für schwingende Masse - Google Patents

Elastisches Lager für schwingende Masse

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastisches Lager für eine schwingende Masse, umfassend wenigstens einen ersten Träger, einen zweiten Träger und einen zwischen den Trägern angeordneten und mit diesen in Verbindung stehenden Block aus einem elastischen Material, wobei die Träger infolge von zwischen ihnen ausgeübten Erregungsschwingungen Relativschwingungsverschiebungen aussetzbar sind.
  • Es kann sich hierbei insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, um Lager für (Stoß-)Dämpfer oder Motoren handeln.
  • Die Schrift FR-A-2 431 639 beschreibt ein elastisches schwingungsdämpfendes Lager mit eingegliedertem Phasenschieber, jedoch weist dieses System den Nachteil auf, daß es die Übertragung von tieffrequenten Schwingungen verstärkt und bei der Resonanzfrequenz sogar eine Übertragungsspitze hervorruft.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen den Phasenschiebern innewohnenden Nachteil zu vermeiden, und zumindest ausgehend von tiefen Frequenzen die dynamische Versteifung eines solchen Trägers bei zunehmender Frequenz der Schwingungen zu dämpfen, und zwar ohne Verwendung eines Phasenschiebers.
  • Zu diesem Zweck ist ein erfindungsgemäßes Lager vom oben genannten Typ dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schwingmasse bzw. ein Schwinger an einem Teil des Blocks angebracht ist, der Schwingungen ausgesetzt ist, die zu jenen des einen der beiden Träger gegenphasig sind.
  • Es wird somit die Energie des Schwingers bei der Resonanz benutzt, um die dynamische Steifigkeit des Blocks aus einem elastischen Material zu dämpfen, wenn die Lager Erregungsschwingungen ausgesetzt sind. Der Umstand, daß dieser Schwinger an dem Teil des Blocks befestigt ist, der am stärksten verformt wird, ermöglicht die Erzielung der größtmöglichen Wirkung. Bei Resonanz ist diese Wirkungsweise somit entgegengesetzt zu derjenigen eines Phasenschiebers.
  • Wenn die Träger und der Block aus einem elastischen Material ringförmig und koaxial sind, kann das Lager des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, daß der Schwinger aus einem Ring oder Ringteilen gebildet ist, die zum Block koaxial sind, wobei der Schwinger des weiteren aus Metall bestehen und mit dem Block aus einem elastischen Material über eine ringförmige Verbindung aus demselben Material verbunden sein kann, die diesen Schwinger gegebenenfalls umhüllt.
  • Der oben verwendete Ausdruck "wenigstens ein Schwinger" bedeutet, daß ein oder mehrere Schwinger eingesetzt werden können. Im Fall einer Mehrzahl von Schwingern können diese in Reihe oder parallel miteinander verbunden sein. Dies gestattet die Erzielung von Dämpfungen der dynamischen Steifigkeit des Blocks aus einem elastischen Material bei verschiedenen Frequenzen.
  • Diese Anordnungen sind aus dem nachstehenden besser ersichtlich.
  • Die Erfindung kann des weiteren auf komplementäre Weise verwirklicht werden, indem eine Hebelwirkung im Inneren des Blocks aus einem elastischen Material hervorgerufen wird, um die Wirkung der Schwingmasse in dem Teil des Blocks zu verstärken, der den Schwingungen ausgesetzt ist, die zu denjenigen von einem der beiden Träger gegenphasig sind.
  • Zu diesem Zweck kann ein erfindungsgemäßes elastisches Lager des weiteren dadurch gekennzeichnet sein, daß in den Block aus einem elastischen Material eine dünne, flexible und elastische Platte integriert ist, deren Ebene sich senkrecht zur Richtung der Achse der zwischen den Trägern wirkenden Kräfte erstreckt und die radiale Zähne umfaßt, die sich von einem die Achse umgebenden zentralen Steg aus beidseitig erstrecken.
  • Diese Platte liegt somit in Form eines beispielsweise kreisförmigen Doppelkammes vor, wenn die allgemeine Formgebung des Blocks aus einem elastischen Material zylindrisch ist, was in der Regel der Fall sein wird, wobei dieser Kamm radiale innere Zähne und radiale äußere Zähne aufweist, die an ihrer Basis mit dem Steg verbunden sind und beidseitig von der Ebene der Platte elastisch um diesen Steg schwenken können.
  • Bei dieser Ausführungsweise kann die Auslenkung der radialen Zähne um den Steg begünstigt werden, indem dem Steg eine Auflagerlinie über seine gesamte Länge gegeben wird. Diese Auflagerlinie kann beispielsweise erhalten werden, indem die axiale Dicke des elastischen Materials des Blocks auf ihrer Höhe verringert wird, insbesondere durch Vorsehen an mindestens einem der Träger eines Nutabschnitts bzw. einer Auskehlung, der bzw. die ein Gelenk für die Verschwenkung des Stegs darstellt.
  • Infolge dieser Anordnungen zeigt es sich, daß bevorzugt ein vorgegebener Teil des Blocks mit entgegengesetzter Phase eingestellt wird, da die radialen Zähne der Platte infolge der Auslenkung an ihrem Steg innere Verformungen des Blocks aus einem elastischen Material, die gleichphasig mit den auf den einen der Träger wirkenden Schwingungen sind, in äußere Verformungen mit entgegengesetzter Phase an dem betreffenden Teil des Blocks umwandeln.
  • Es folgt nun eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und weiteren Anordnungen, die insbesondere vorgesehen sind, um die Energiedichte der Verformungen in dem Block aus einem elastischen Material zu verringern, beispielhaft und keineswegs einschränkend, unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnung, in der:
  • - Fig. 1 eine axiale Schnittansicht eines elastischen Lagers zeigt, das mit einem erfindungsgemäßen Schwinger versehen ist;
  • - Fig. 2 eine grafische Darstellung ist, welche den Verlauf der Steifigkeit dieses Lagers in Abhängigkeit von der Frequenz im Vergleich mit derjenigen eines entsprechenden Lagers ohne Schwinger zeigt;
  • - Fig. 3 die Varianten mit mehreren Schwingern darstellt, wobei der rechte axiale Halbschnitt Schwinger aufweist, die in Reihe mit dem Block 5 aus einem elastischen Material verbunden sind, und der linke axiale Halbschnitt Schwinger aufweist, die parallel mit dem Block verbunden sind;
  • - Fig. 4 eine entsprechende Unteransicht ohne Lagerkäfig ist;
  • - Fig. 5 das Steifigkeitsverhalten des Lagers in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt, wenn zwei Schwinger in Reihe verwendet werden;
  • - Fig. 6 eine Ansicht im Axialschnitt eines erfingungsgemäßen elastischen Lagers zeigt, das zusätzlich mit einer dünnen Platte mit radialen Zähnen versehen ist, die in den Block aus einem elastischen Material integriert ist;
  • - Fig. 7 eine Draufsicht auf diese dünne Platte entlang der Linie VII-VII von Fig. 6 ist;
  • - Fig. 8 eine Ansicht im Axialschnitt eines ebenfalls erfindungsgemäßen elastischen Lagers zeigt, jedoch mit einer Variante; und
  • - Fig. 9 eine entsprechende Ansicht dieser Variante mit einer komplementären Anordnung ist.
  • Das in Fig. 1 darstellte Lager weist einen ringförmigen äußeren Träger 1 aus Blech und einen sogenannten Innenträger 2 auf, welcher hier auf eine zum Träger 1 koaxiale, kreisförmige Platte reduziert ist und mit Einrichtungen 3, 4 für die Befestigung an einer irgendwie gearteten schwingenden Masse (nicht dargestellt) versehen ist, wobei der Träger 1 wiederum mit einem ortsfesten Teil verbunden sein kann. Ein Block aus einem elastischen Material 5a, 5b, beispielsweise Naturkautschuk, im wesentlichen in Form eines ebenfalls zu den Lagern koaxialen Kegels, ist mit den Trägern 1 und 2 verbunden. Zur Erhöhung seiner statischen Steifigkeit kann dieser Block durch eine annähernd halbkugelförmige Schale 6 in zwei Teile unterteilt sein, mit deren beiden entgegengesetzten Flächen die Teile 5a und 5b des Blocks aus einem elastischen Material ebenfalls verbunden sind. Unter 10 ist ein an dem Träger 1 befestigter Lagerkäfig dargestellt.
  • Ein auf diese Weise aufgebautes, an sich bekanntes elastisches Lager besitzt eine Steifigkeit K (in N/mm), die gemäß der Kurve C der grafischen Darstellung von Fig. 2 stetig mit der Frequenz f (in Hz) zunimmt.
  • Um diesen Nachteil zu vermeiden, und gemäß den obenstehenden Ausführungen, ist an dem Block 5a, 5b aus einem elastischen Material ein Schwinger 7 befestigt. Dieser Schwinger ist auf der Höhe des ausgedehntesten Abschnitts dieser Masse befestigt, dessen Verformungen gegenphasig zu den auf den Träger 2 einwirkenden Erregungsschwingungen sind, d. h. phasengleich mit den zwischen den beiden starren Enden des Lagers angreifenden Kompressionsschwingungen. Diese Stelle ist hierbei nicht weit von der Basis des Unterteils 5a des Blocks aus einem elastischen Material entfernt. Im Beispiel weist der Schwinger 7 die Form eines flachen Metallrings beispielsweise aus Stahl auf, der mit der Außenfläche des Teils 5a über eine ringförmige Verbindung aus Gummi 8 verbunden ist. Diese Verbindung könnte gleichzeitig mit dem elastischen Block 5a, 5b geformt werden und den Schwinger 7 in diesem Fall vollständig umhüllen.
  • Im Fall eines Schwingers mit einer Masse m = 250 g entwickelt sich die Steifigkeit K gemäß der Kurve D der grafischen Darstellung; es zeigt sich, daß sie bis ca. 1800 Hz fast konstant bleibt. Im Fall eines Schwingers mit einer Masse m = 600 g entwickelt sich die Steifigkeit K gemäß der Kurve E der grafischen Darstellung; hier zeigt sich, daß sie bis ca. 130 Hz fast konstant bleibt.
  • Diese Maßnahmen wurden bei einer Belastung von 2000 N in einem Bereich von ± 0,05 mm und von 0 bis 400 Hz durchgeführt.
  • Es wird angemerkt, daß der Schwinger 7 als Variante auf einen Gummiring aufgeklebt sein könnte, der die Ver bindung mit dem Block aus einem elastischen Material bewirkt.
  • Die genaue Anordnung der Verbindung zwischen diesem Block und dem Schwinger kann durch Versuche bestimmt werden, jedoch vorzugsweise durch Berechnung mittels finiter Elemente.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 3, bei der die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet wurden, um gleiche Teile des Lagers oder funktionsgleiche Teile zu bezeichnen, jedoch mit einem im mittleren Träger 2 befestigten Lagerkäfig 10, ist in der rechten Hälfte der Axialschnittansicht die mögliche Verwendung von zwei Schwingern 7a und 7b dargestellt, die in Reihe angeordnet sind, d. h. aufeinander mit dazwischenliegender Anordnung eines elastischen Elements 9, wobei diese Schwinger, die gegebenenfalls eine unterschiedliche Masse besitzen, und ihr Zwischenelement 9 die Form von drei aufeinanderliegenden Ringen aufweisen. Hierdurch kann das Diagramm der Fig. 5 erhalten werden, aus dem zu ersehen ist, daß eine Dämpfung der dynamischen Steifigkeit bei unterschiedlichen Frequenzen, im vorliegenden Fall gegen 150 und 380 Hz, erzielt wird.
  • Es wird angemerkt, daß im Fall von mehreren in Reihe aufeinander angeordneten Schwingern diese durch elastische Elemente 9 mit gleicher oder auch unterschiedlicher Starrheit untereinander verbunden sein können.
  • Die gleiche Art von Ergebnis läßt sich bei der Ausführungsform erzielen, die in der linken Hälfte der Axialschnittansicht von Fig. 3 dargestellt ist, und zwar mit Schwingern 7'a und 7'b, die parallel, d. h. der eine um den anderen herum angeordnet sind, wobei diese Schwin ger des weiteren die Form von Ringen oder auch zumindest über einen Teil des Umfangs des Lagers von Ringabschnitten besitzen können.
  • In diesem Fall können die Schwinger mit dem Block 5 aus einem elastischen Material durch elastische Elemente verbunden sein, die wiederum eine gleiche oder verschiedene Steifigkeit besitzen.
  • Diese Ausführungsform der ringförmigen, parallel und koaxial zu dem Block 5 aus einem elastischen Material angeordneten Schwinger gestattet ihre Verbindung mit dem Block entlang verschiedener Durchmesser auf verschiedenen Kreisabschnitten, falls der Block asymmetrisch ist.
  • Es ist anzumerken, daß bei der Ausführungsform von Fig. 3 die Schwinger an einem Teil des Blocks 5 befestigt sind, der flach und senkrecht zur Hauptrichtung ist, in der die Schwingungen angreifen, d. h. zur Symmetrieachse des Lagers. Diese Ausführungsform ist folglich hinsichtlich der Dämpfung der dynamischen Steifigkeit bei bestimmten Frequenzen wirksamer als diejenige von Fig. 1. Dies erklärt sich durch den Umstand, daß an dieser Stelle der Gummi des Blocks 5, der fast vollständig zwischen den beiden Trägern 1, 2 eingeschlossen ist, durch Zusammendrücken, nicht aber in der Dickenscherungsrichung verformt wird.
  • Schließlich wurde bei einem erfindungsgemäßen Lager bei bestimmten Frequenzen noch eine Dämpfung der radialen dynamischen Steifigkeit, d. h. in der Richtung senkrecht zu derjenigen der Schwingungen, festgestellt.
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 kann die Wirkung der Schwingmasse 17, die zu den auf einen der Träger 11, 12 einwirkenden Hauptschwingungen gegenphasig ist, dadurch verstärkt werden, daß in den Block 15 aus einem elastischen Material eine dünne elastische Platte 18 mit kreisförmiger Kammform integriert wird, welche die Achse X-X der zwischen den Trägern wirkenden Beanspruchungen umgibt. Diese Platte weist einen umlaufenden Steg 19 auf, von dem in Radialrichtung innere Zähne 20 und äußere Zähne 21 ausgehen. Die Wirkungsweise dieser Platte wurde bereits weiter oben erläutert: es ist ersichtlich, daß auf das Ende der flexiblen inneren Zähne 20 wirkende axiale Schwingungen infolge einer Verschwenkung um den Steg 19 in axiale Schwingungen an den Enden der flexiblen äußeren Zähne 21 umgewandelt werden, die zu den ersteren gegenphasig sind, wodurch die Wirkung des Schwingers bzw. der ringförmigen Schwingmasse 17 verstärkt wird. Um diese Auslenkung zu fördern, wird die Steifigkeit des elastischen Materials 15 auf Höhe des Stegs 19 verstärkt, indem seine axiale Dicke verringert wird. Dies wird auf einfache Weise erreicht, indem eine eingeformte Ringnut 22 im oberen Träger 12 gegenüber vom Steg 19 vorgesehen wird und eine Ringnut 23 auf der gegenüberliegenden Seite im Block 15 seine Dicke auf dieser Höhe weiter verringert.
  • Bei den Ausführungsformen der Fig. 8 und 9, für die die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3, jedoch um 30 erhöht verwendet wurden, um gleiche Teile des Lagers oder entsprechende bzw. funktionsgleiche Teile zu bezeichnen, wobei dieses Lager unter Belastung dargestellt ist, ist ein zylindrischer Entkopplungsschlitz 33 in der Basis des elastischen Materials 35 vorgesehen, der koaxial zur Achse X-X und bezüglich der Schwingmasse 37 innen gelegen ist. Diese Anordnung gestattet es, die internen Beanspruchungen in dem Gummi oder Elastomer 35 abzuschwächen; dieser Schlitz gestattet es nämlich, den Angriff der Beanspruchungen an dem Ansatz mit der "Schwinger"-Funktion auszukoppeln.
  • Da der Gummi nicht komprimierbar ist, beobachtet man eine radiale Ausdehnung seiner Masse (unter 34 in Fig. 8) dort, wo er nicht durch die Träger eingespannt ist, wenn er axialen Beanspruchungen unterliegt. Diese Verdickung beteiligt sich nicht an der Verschiebung des Schwingers. Um diesen Effekt zu verhindern und dieser Verformung in Axialrichtung entgegenzuwirken, wird vorteilhaft der seitliche Teil, an dem dieses Verdicken bzw. Anschwellen auftreten würde, gemäß der Darstellung von Fig. 9 mit einem Haltering 36 eingefaßt, wobei dieser Ring nach dem Formen der Masse 35 gecrimpt wird. Diese Anordnung verhindert die radiale Verdickung 34 und unterstützt dadurch die Funktion der Schwingmasse 37.
  • Die Zuordnung des Entkopplungsschlitzes 33 zum Haltering 36 gestattet die Erzielung einer merklichen Verringerung der maximalen Verformungsenergiedichte in der Masse 35 aus einem elastischen Material, und zwar in der Größenordnung von 40%, wodurch die Ermüdung des Gummis bzw. Synthetikmaterials, aus dem der Block 35 besteht, verringert ist.

Claims (12)

1. Elastisches Lager für eine schwingende Masse, umfassend wenigstens einen ersten Träger (1), einen zweiten Träger (2) und einen zwischen den Trägern angeordneten und mit diesen in Verbindung stehenden Block (5; 5a, 5b) aus einem elastischen Material, wobei die Träger infolge von auf wenigstens einen der Träger ausgeübten Erregerschwingungen Relativschwingungsverschiebungen aussetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Schwinger (7; 7a, 7b; 7'a, 7'b) an dem Teil des Blocks (5; 5a, 5b) angebracht ist, der Schwingungen ausgesetzt ist, die zu jenen von einem der beiden Träger (1, 2) gegenphasig sind.
2. Elastisches Lager nach Anspruch 1, wobei die Träger (1, 2) und der Block (5a, 5b) aus dem elastischen Material ringförmig und koaxial sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (7) aus einem Ring oder Ringteilen gebildet ist, die zum Block (5a, 5b) koaxial sind.
3. Elastisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (7) aus Metall besteht.
4. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (7) mit dem Block (5a, 5b) aus dem elastischen Material über eine ringförmige Verbindung (8) aus demselben Material verbunden ist.
5. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere Schwinger, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (7a, 7b) in Reihe an dem Block (5) aus dem elastischen Material angebracht sind, wobei zwischen den Schwingern (7a, 7b) ein elastisches Element (9) angeordnet ist.
6. Elastisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend mehrere Schwinger, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (7'a, 7'b) parallel zueinander an dem Block aus dem elastischen Material angebracht sind.
7. Elastisches Lager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger untereinander oder mit dem Block (5) über Zwischenelemente (9) gleicher oder verschiedener Starrheiten verbunden sind.
8. Elastisches Lager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger ringförmig oder kreissegmentförmig sind.
9. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger an einem zur Hauptrichtung der zwischen den Trägern (1, 2) ausgeübten Schwingungen in etwa senkrechten Teil der Oberfläche des Blocks (5) aus dem elastischen Material befestigt ist.
10. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Block (15) aus dem elastischen Material eine dünne, flexible und elastische Platte (18) integriert ist, deren Ebene sich senkrecht zur Richtung der Achse der zwischen den Trägern (11, 12) wirkenden Kräfte erstreckt und die radiale Zähne (20, 21) umfaßt, die sich von einem die Achse umgebenden zentralen Steg (19) aus beidseitig erstrecken.
11. Elastisches Lager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine Träger (12) am Steg (19) einen Nutabschnitt (22) aufweist, der die axiale Dicke des elastischen Materials (15) an dieser Stelle verringert und die Platte (18) mit einer Auflagerlinie versieht, die eine Kippbewegung zwischen den radial inneren Zähnen (20) und den radial äußeren Zähnen (21) fördert.
12. Elastisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Block (35) aus dem elastischen Material, im Verhältnis zur schwingenden Masse (37) innerhalb, ein zylindrischer Entkopplungsschlitz (33) vorgesehen ist, dem ein Haltering (36) zugeordnet ist, der den seitlichen Teil des Blocks einfaßt, den die Träger (31, 32) nicht radial halten.
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