DE69622141T2

DE69622141T2 - Magnetorheologisches Elastomer benutzende Buchse mit veränderlicher Steifigkeit

Info

Publication number: DE69622141T2
Application number: DE1996622141
Authority: DE
Inventors: Larry D. Elie; John M. Ginder; Mark E. Nichols; William M. Stewart
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-11-04
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: EP0784163A1; DE69622141D1; EP0784163B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer Federungsbuchse und insbesondere auf eine Federungsbuchse für ein Kraftfahrzeug, deren Steifigkeit mittels vorgegebener elektrischer Stromeingabewerte über einen weiten Bereich von Werten steuerbar ist.
Die FR-A-2579283 offenbart ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung einer Federungsbuchse mit variabler Steifigkeit zur Kontrolle der relativen Bewegung eines Federungslenkers in einem Kraftfahrzeug gegenüber einem Rahmenteil des besagten Fahrzeuges, welches Verfahren die Schritte der Bereitstellung einer ersten Strukturkomponente zur Verbindung mit einem Federungslenker eines Fahrzeuges beinhaltet, sowie der Bereitstellung einer zwei zen Strukturkomponente zur Verbindung mit einem Rahmen des besagten Fahrzeuges.
Die Fahr- und Lenkeigenschaften eines Fahrzeuges werden sehr stark vom Aufbau bzw. der Zusammensetzung und damit von den sich daraus ergebenden Betriebsdaten bzw. -Parametern der verschiedenen Buchsen und Lager beeinflußt, die in einem Federungssystem in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Relativ geringfügige Änderungen an der Federkonstante oder Steifigkeit eines bestimmten Lagens oder einer bestimmten Buchse können erhebliche Auswirkungen auf solche Fahrzeugeigenschaften wie Unter- oder Übersteuerungsverhalten, Rollneigung, Nickneigung und Aufstellneigung haben, sowie auf Fahrgestellgeräusch, Vibrationen und Laufhärte, d. h. die Art, in welcher ein Fahrzeug auf einer gegebenen Fahrbahnoberfläche zu laufen scheint, wobei das Fahrzeug dann ein relativ "weiches" oder ein relativ "hartes" Laufverhalten zeigt.
In Verbindung mit der Einstellung und Kalibrierung von Kraftfahrzeug-Federungssystemen werden die Federkonstanten der Buchsen oder Lager, die zur idealen Optimierung der Gesamtleistung des Fahrzeuges erforderlich sind, bisher in einem langwierigen Versuche- und Fehlerprozeß bestimmt. In einigen Fällen ist festgestellt worden, daß die verschiedenen Betriebsbedingungen, die beim Fahrbetrieb eines Fahrzeuges anzutreffen sind, gar nicht mit einem einzigen Satz herkömmlicher Buchsen und Lager berücksichtigt werden können, die nur feste Steifigkeitsparameter bzw. -Werte aufweisen bzw. dadurch gekennzeichnet sind. Dementsprechend versuchen Federungstechnologien und -Techniken, flüssigkeitsgefüllte Hydrobuchsen oder Hydrolager mit nichtlinearen oder variablen Kennlinien in gegebenen Federungssystemen einzubauen.
Eine Art herkömmlicher, flüssigkeitsgefüllter Hydrobuchsen bzw. Hydrolager mit nichtlinearer oder variabler Kennlinie besteht darin, elektrorheologische (ER-) Flüssigkeiten einzusetzen, die in die Buchse bzw. das Federungslager integriert sind. Elektrorheologische (ER-) Flüssigkeiten bestehen aus elektrisch polarisierbaren Partikeln, die in einer isolierenden Flüssigkeit suspendiert sind. Durch Anlegen eines hohen oder starken elektrischen Feldes an die elektrorheologische Flüssigkeit werden elektrische Dipole und Mehrfachpole höherer Ordnung in den in Suspension befindlichen Partikeln induziert. Die Dipol- oder Mehrpol-Partikel sind dann einer gegenseitigen Anziehungskraft unterworfen, so daß die Partikel dazu gebracht werden, Ketten oder andere ausgerichtete Strukturen zu bilden, durch welche die Flüssigkeiten feststoffartige Eigenschaften annehmen können. Durch Abnehmen oder Ausschalten des elektrischen Feldes entsprechend Techniken, die durch die gegebenen Bedingungen gesteuert werden, wird ein effektives Verschwinden der Dipole und Multipole bewirkt, so daß der durch das elektrische Feld erzeugte Feststoff wieder in seinen ursprünglichen nichtinduzierten flüssigen Zustand zurückkehrt. Diese dramatischen steuerbaren Änderungen in den rheologischen bzw. mechanischen Eigenschaften solcher Flüssigkeiten ermöglichen die gewünschte Konstruktion von elektromechanischen Vorrichtungen oder Bauteilen, die wirksam in verschiedenen Fahrzeug-Untersystemen eingesetzt werden können, wie z. B. in Kupplungen, Stoßdämpfern, Motorlagern, Fahrgestellagern und ähnlichem.
Eine andere Art herkömmlicher Hydrobuchsen oder Hydrolager mit einer Flüssigkeitsfüllung mit nichtlinearer bzw. variabler Kennlinie beinhaltet den Einsatz von magnetorheologischen (MR-) Flüssigkeiten in der Buchse bzw. dem Lager. Magnetorheologische Flüssigkeiten (MR) sind die magnetischen Analogen zu den elektrorheologischen (ER-) Flüssigkeiten in einer Trägerflüssigkeit mit niedriger magnetischer Permeabilität. Im Betrieb wird nun, anstatt ein elektrisches Feld an eine solche Lösung anzulegen, ein magnetisches Feld verwendet, um die gewünschten Änderungen der rheologischen oder mechanischen Eigenschaften der Lösung einzuleiten, und zwar mittels Magnetisierung und physikalischer Partikelinteraktionen, die ähnlich wie bzw. analog zu den vorstehend kurz in Verbindung mit den elektrorheologischen (ER-) Flüssigkeiten dargestellten Prinzipien wirken. So hat auch die Entwicklung solcher magnetorheologischer (MR-) Flüssigkeiten zur Konstruktion ähnlicher elektromechanischer Vorrichtungen oder Bauteile geführt, die nutzbringend in den verschiedenen zuvor genannten Untersystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können, wie z. B. in Kupplungen, Stoßdämpfern, Motorlagern, Fahrgestellagern und ähnlichem.
Während die vorbeschriebene Entwicklung von Hydrobuchsen- und Hydrolager-Technologien, die entweder auf elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeiten zurückgreifen, zur Entwicklung und Konstruktion von wünschenswerten elektromechanischen Vorrichtungen oder Bauteilen mit nichtlinearen bzw. variablen Kennlinien geführt hat, die sich vorteilhaft wie oben erläutert in die verschiedenen Kraftfahrzeug-Untersysteme einfügen lassen, besteht ein wesentliches Problem, dem man beim Einsatz solcher Hydrobuchsen oder Hydrolager begegnet, die entweder elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeiten verwenden, darin, daß die in der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit dispergierten oder aufgeschwemmten Teilchen dazu neigen, über einen längeren Zeitraum abzusinken und außer Lösung zu gehen, was offenbar auf die Uneinheitlichkeit der Dichte gegenüber der aufnehmenden Flüssigkeit zurückzuführen ist. Außerdem müssen bei den Vorrichtungen im Hinblick darauf, daß solche Hydrobuchsen oder Hydrolagervorrichtungen oder -Bauteile Flüssigkeiten benutzen oder beinhalten, diese Vorrichtungen bzw. Bauteile notwendigerweise mit geeigneten Dichtungen versehen sein, um jegliche Leckage der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit aus der Hydrobuchse oder dem Hydrolager zu verhindern.
Eine Lösung für die oben erwähnten Probleme, die in Verbindung mit elektrorheologischen oder magnetorheologischen Arbeitsflüssigkeiten anzutreffen sind, besteht darin, die elektrisch polarisierbaren Partikel z. B. in einem viskoelastischen Feststoff einzubetten, wie z. B. in einem Polymergel, anstatt sie in einer isolierenden Flüssigkeit zu suspendieren oder zu dispergieren. Es hat sich gezeigt, daß die Betriebseigenschaften von derartigen elektrorheologischen Gelen oder Elastomeren so sind, wie zu erwarten und zu wünschen war, d. h. die Verbundstoffe zeigen Feststoffeigenschaften wie z. B. ein Schermodul von nichtnull selbst ohne Anlegen eines elektrischen Feldes, und wenn diese Stoffe einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, nimmt das Schermodul noch zu. Die Steifigkeit solcher Verbundstoffe kann also elektrisch gesteuert werden, so daß derartige Verbundstoffe in den gewünschten elektromechanischen Vorrichtungen hergestellt oder eingesetzt werden können, d. h. z. B. in Motorlagern, Getriebelagern, Fahrgestellagern, Federungsbuchsen, und ähnlichem. Dennoch hat sich die tatsächliche bzw. praktische Einfügung solcher Verbundstoffe in die genannten elektromechanischen Vorrichtungen, oder die tatsächliche bzw. praktische Herstellung bzw. Entwicklung solcher elektromechanischen Vorrichtungen in einer solchen Weise, daß diese Vorrichtungen in der Kraftfahrzeugumgebung variiert werden können, als problematisch erwiesen. Damit z. B. solche elektrorheologischen Gele oder Elastomere auch funktionieren, ist eine Hochspannungsquelle erforderlich. Direkte Bedenken entstehen daher nicht nur in Verbindung mit den die Erzeugung, Anlegung und Steuerung solcher hohen Spannungen in einer Kraftfahrzeugumgebung betreffenden Vorgängen, sondern zusätzlich auch mit praktischen logistischen Erwägungen der tatsächlichen Bereitstellung und Unterbringung solcher Hochspannungsquellen in einem Kraftfahrzeug.
Zur Behebung der verschiedenen betrieblichen und logistischen Nachteile, die den Einsatz solcher elektrorheologischen (ER-) Gele oder Elastomere kennzeichnen bzw. mit deren Betrieb verbunden sind, sind magnetorheologische (MR-) Gele oder Elastomere entwickelt worden, in welchen magnetisierbare Partikel in einem viskoelastischen Feststoff dispergiert sind, so daß ein Verbundstoff entsteht, dessen mechanische Eigenschaften mittels eines an ihm angelegten magnetischen Feldes verändert werden können. In Anbetracht der Tatsache, daß solche magnetorheologischen (MR-) Gele oder Elastomere beim Anlegen von Magnetfeldern arbeiten oder solchen ausgesetzt werden, die durch Niederspannungssignale mit hoher Stromstärke erzeugt werden, im Gegensatz zu Hochspannungssignalen mit geringer Stromstärke, wie sie bei den vorgenannten elektrorheologischen Elastomeren oder Gelen eingesetzt werden, lassen sich potentielle gefährliche Hochspannungsbedingungen effektiv vermeiden, ebenso wie die Erfordernis der Bereitstellung einer Hochspannungsquelle. Insbesondere kann somit der Spannungsbedarf für magnetorheologische Elastomere oder Gele durch das bestehende elektrische System des Kraftfahrzeuges leicht in einer Kraftfahrzeugumgebung gedeckt werden.
Es sind daher zwar verwendbare bzw. variable magnetorheologische (MF-) Gele oder Elastomere für den potentiellen Einsatz in den vorgenannten elektromechanischen Vorrichtungen oder Bauteilen entwickelt worden, es besteht jedoch ein Bedarf an einer Bereitstellung oder Herstellung einer praktisch einsetzbaren, nützlicher. bzw. betriebsfähigen elektromechanischen Vorrichtung oder eines Bauteiles der vorgenannten Art, also z. B. eines Motorlagers, eines Getriebelagers, Fahrgestellagers, Stoßdämpfer- oder Federbeinlagers, eines Antriebstrangdämpfers oder einer Federungsbuchse, das bzw. die leicht in ein Kraftfahrzeug integriert werden kann.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung bestrebt, ein neues und verbessertes Kraftfahrzeuglager, -Kupplungselement oder -Federungsbauteil mit nichtlinearer bzw. variabler Steifigkeit zu schaffen, das aus einem magnetorheologischen (MR-) Elastomer besteht, dessen Steifigkeit über einen weiten Bereich von Werten veränderlich einstellbar bzw. steuerbar ist, mittels eines in vorgegebener Weise steuerbaren magnetischen Feldes, das mittels einer Elektromagnetstruktur erzeugt wird, die als Teil der Kraftfahrzeuglager-, Kupplungselement- oder Federungsbauteil-Struktur in diese integriert ist, und worin die elektromagnetische Struktur ausgelegt ist, mittels einer aus der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeuges entnommenen Spannung und mit Stromstärkepegeln bzw. -Werten, die als Funktion von oder in Reaktion auf verschiedene Betriebsparameter des Fahrzeuges erzeugt werden, betriebsfähig bestromt zu werden.
Der Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer Federungsbuchse mit variabler Steifigkeit zur Beeinflussung der Relativbewegungen eines Federungslenkers in einem Kraftfahrzeug gegenüber einem Rahmenbauteil des besagten Fahrzeuges gestellt, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer ersten Strukturkomponente zur Verbindung mit einem Federungslenker eines Fahrzeuges;
Bereitstellen einer zweiten Strukturkomponente zur Verbindung mit einem Rahmenbauteil des besagten Fahrzeuges; und
Zwischenschaltung eines unausgehärteten magnetorheologischen Elastomers mit darin eingebetteten magnetisierbaren Partikeln zwischen der ersten und der zweiten Strukturkomponente;
Aushärten des besagten nicht ausgehärteten magnetorheologischen Elastomers auf einem vorgegebenen Temperaturpegel und für einen vorgegebenen Zeitraum bei gleichzeitigem Anlegen eines magnetischen Feldes an besagtes magnetorheologisches Elastomer, so daß die in besagtem magnetorheologischem Elastomer eingebetteten Partikel bleibend ausgerichtet werden, so daß die besagten Partikel zueinander ausgerichtet werden und anschließend die Steifigkeitsmerkmale des besagten magnetorheologischen Elastomers als Punktion des magnetischen Feldes bestimmen, und so daß dadurch die Relativbewegungen zwischen besagtem Federungslenker und besagtem Fahrzeugrahmenbauteil kontrolliert werden.
Die Erfindung liefert ein Kraftfahrzeuglager, Kupplungsteil oder Federungsbauteil mit nichtlinearer bzw. variabler Steifigkeit, in dem ein magnetorheologisches (MR-) Elastomer oder Gel eingeschlossen ist, dessen Steifigkeit über einen weiten Bereich veränderlich einstellbar bzw. steuerbar ist, und zwar durch ein in vorgegebener Weise steuerbares magnetisches Feld. Im besonderen beinhaltet das Kraftfahrzeugbauteil eine Federungsbuchse, und das veränderliche steuerbare Magnetfeld wird mittels einer Elektromagnetstruktur erzeugt, die als Teil der Struktur vollständig in die Federungsbuchsenstruktur integriert ist. Im einzelnen kam die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaute spezifische Buchsenstruktur aus magnetorheologischem (MR-) Elastomer eine Federungsbuchsenachse aufweisen, einen inneren Stahlzylinder, der die Federungsbuchsenachse ringförmig umgibt, ein magnetorheologisches (MR-) Elastomer, das den inneren Stahlringzylinder ringförmig umgibt, und einen äußeren Stahlzylinder, der das ringförmige magnetorheologische (MR-) Elastomer ringförmig umgibt. Eine ringförmige Spule ist um einen äußeren Umfangsflächenteil des inneren Stahlringzylinders angeordnet, so daß sie zischen dem inneren Stahlringzylinder und dem ringförmigen magnetorheologischen Elastomer liegt, und diese Spule ist dazu ausgebildet, durch geeignete elektrische Leitungen und Verbinder elektrisch mit der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeuges verbunden zu werden. Das Elastomer besteht aus einem elastomeren Trägerwerkstoff, der vorzugsweise von Naturgummi gebildet Wird, und in welchem magnetisierbare Partikel im Trägerelastomer dispergiert sind. Durch Anlegen geeigneter vorgegebener elektrischer Ströme an die Spule der Federungsbuchse wird ein variables magnetisches Feld erzeugt, das entsprechend darin resultiert, daß das Elastomer veränderlich steuerbare Scher- und viskoelastische Längsmodi sowie Kraft-, Steifheits- und Nachgiebigkeitswerte zeigt. Diese Werte können daher so eingesetzt werden, daß die Federungshärte des Fahrzeuges als Funktion von, bzw. in Reaktion auf verschiedene Fahrzeugbetriebsparameter eingestellt wird, so z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, Fahrzeugbeschleunigung, Radhöhe u. ä., um so das Fahrverhalten des Fahrzeuges, Lenkbarkeit, Chassis-Geräuschentwicklung, Vibrationen, Härte usw. effektiv zu optimieren oder zu minimieren.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
Fig. 1: eine schematische Ansicht im Querschnitt einer magnetorheologischen (MR-) Federungsbuchse gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: eine graphische Darstellung, welche die bei einer schwingenden Verformung der Buchse gemessene Kraft von Wellenspitze-zu-Wellenspitze veranschaulicht, die ein in Relation zur Steifigkeit der Buchse stehendes Merkmal bzw. Parameter ist, als Funktion des angelegten elektrischen Stromes;
Fig. 3: eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 2, welche jedoch die Steifigkeit der Buchse als Funktion des angelegten elektrischen Stromes zeigt; und
Fig. 4: eine graphische Darstellung, welche das als Funktion der angelegten Flußdichte bzw. des angelegten Magnetfeldes gemessene Schermodul veranschaulicht, das ein in Relation zur Steifigkeit des Elastomers stehendes Merkmal bzw. Parameter ist.
Es sei nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, und insbesondere auf die Fig. 1 derselben, in welcher schematisch eine magnetorheologische (MR-) Federungsbuchse dargestellt ist, welche der vorliegenden Erfindung gemäß aufgebaut und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Festzuhalten ist zunächst, daß die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zwar speziell in Verbindung mit, bzw. in Form einer Federungsbuchse für ein Kraftfahrzeug veranschaulicht werden, daß die vorliegende Erfindung jedoch gleichermaßen auch auf die Zusammensetzung und Herstellung verschiedener anderer Kraftfahrzeugkomponenten anwendbar ist, so z. B. auf Motorlager, Getriebelager, Fahrgestellager, Stoßdämpferlager, Federbeinlager, Triebstrangdämpfer, Stoßdämpfer und ähnliches. Wie nun aus Fig. 1 zu erkennen ist, weist die Federungsbuchse 10 aus magnetorheologischem (MR-) Elastomer gemäß der vorliegenden Erfindung eine mittige Achse oder Stange 12 auf, die in der Praxis von einem Bolzenteil gebildet werden kann, das fest mit dem nicht gezeigten Kraftfahrzeug-Unterrahmen verbunden sein kann. Ein erster radial innerer ringförmiger Zylinder 14, der aus einem geeigneten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt sein kann, ist um die Achse bzw. Stange 12 angeordnet und über geeignete, nicht dargestellte Befestigungsmittel fest damit verbunden. Ein zweiter radial äußerer ringförmiger Zylinder 16, der ebenfalls aus einem geeigneten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt sein kann, ist um den ersten radial innenliegenden Zylinder 14 angeordnet, so daß ein ringförmiger Raum 18 dazwischen gebildet wird, und der zweite radial äußere Zylinder 16 ist dazu ausgelegt, mit einem nicht gezeigten Federungslenker in einer Fahrzeugfederung verbunden zu werden. Zwar können die Zylinder 14 und 16 aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt werden, sie können aber ebenso gut aus anderen Werkstoffen hergestellt werden, z. B. aus Gußeisen bzw. Grauguß oder siliziumhaltigem, ferritischem, nickelhaltigem oder kaltgewalztem Stahl, sowie aus gesinterten Versionen dieser Materialien. Der ringförmige Raum 18 ist mit einem magnetorheologischen (MR-) Elastomer 20 ausgefüllt, das der vorliegenden Erfindung gemäß hergestellt wird, so daß hier die Betriebsmerkmale der vorliegenden Erfindung, insbesondere diejenigen, die vorteilhaft von einer Federungsbuchse in einem Kraftfahrzeug geboten werden, erzielt werden können.
Im einzelnen kann das magnetorheologische Elastomer 20 der vorliegenden Erfindung durch ein Elastomer aus Naturgummi (mit Polyisopropen) gebildet werden, durch, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Butadien-Styrol-Gummi (SBR), Nitril, Polychloropren, Polyisobutylen, synthetisches Polyisopren, und auch von Gemischen lerselben. Das Elastomer weist darin eingebettete Materialpartikel auf. Diese Partikel sind solche, die mittels eines angelegten magnetischen Feldes magnetisierbar sind, d. h. Partikel mit paramagnetischen, ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Eigenschaften. Beispiele bevorzugter paramagnetischer Partikel in Verbundstoffen beinhalten Oxyde, Chloride, Sulfate, Sulfide, Hydrate und andere organische oder anorganische Verbindungen von Cerium, Chrom, Kobalt, Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Holmium, Eisen, Mangan, Neodym, Nickel, Praseodym, Samarium, Terbium, Titan, Uran, Vanadium und Yttrium. Bevorzugte paramagnetische Elemente und Legierungen beinhalten Gadolinium, verschiedene Edelstähle und andere Legierungen von Eisen, Nickel, Mangan und Kobalt, mit oder ohne andere nichtmagnetische Elemente. Bevorzugte ferrimagnetische Partikel beinhalten Magnetit (Fe&sub3;O&sub4;) und andere Verbindungen von Eisen und Sauerstoff sowie einer dritten metallischen Komponente. Bevorzugte ferromagnetische Werkstoffe beinhalten Eisen, Nickel und Kobalt sowie Legierungen dieser und anderer Stoffe. Die Größe der in der magneto-viskoelastischen Verbundstoffen verwendeten magnetisierbaren Teilchen kann in weiten Bereichen schwanken, z. B. von 10 Nanometern bis zu mehreren Millimetern. Das Trägermaterial für die Einbettung der Teilchen kann ein beliebiger, im wesentlichen nichtmagnetischer viskoelastischer Feststoff sein, Beispiele hierfür sind weiter oben schon genannt worden, und bevorzugte Stoffe beinhalten solche, die entweder einen flüssigen oder einen festen Zwischenstoff aufweisen; der im wesentlichen einheitlich mit den magnetisierbaren Partikeln vermengt Herden und anschließend in seine endgültige feste Form durch den Einsatz verschiedener thermischer, chemischer, optischer, elektrischer oder anderer Verfahren oder Prozesse weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere wird als Trägerwerkstoff für die Einbettung ein fester Zwischenstoff oder "Vorläufer" bevorzugt, der aus einem nicht ausgehärteten Naturgummi- oder synthetischen Polyisopren-Gemisch besteht, und zwar wegen der vorteilhaften Betriebs- und Verarbeitungseigenschaften solcher Werkstoffe, wie z. B. ihre Handhabung, ihre Temperaturbeständigkeit und ihre Dauerhaftigkeit.
Noch einmal mit Bezug auf Fig. 1 ist die Außenumfangsfläche des ersten radial inneren ringförmigen Zylinders 14 mit einer ringförmigen Aussparung 22 versehen, in welcher eine ringförmige elektromagnetische Drahtspule 24 angeordnet ist. Insbesondere umfaßt die Spule 24 dreihundertzehn (310) Windungen eines Kupferdrahtes der Stärke zweiundzwanzig (22), vom Typ H (hoher Temperaturindex), mit einer Polymerisolation zur Gewährleistung seiner Unversehrtheit im Betrieb. Nicht dargestellte Drahtleitungen reichen von der Spule 24 zu einer geeigneten elektrischen Stromquelle, die im Falle einer in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Federungsbuchse von der Fahrzeugbatterie gebildet werden kann. Die Spule 24 wird sowohl in Verbindung mit der ursprünglichen Herstellung bzw. Ausbildung der Federungsbuchse 10 in ihre endgültige Form bzw. ihren endgültigen Zustand als auch zur zusätzlichen Bestromung der vollendeten Federungsbuchse 10 im effektiver Einsatzbetrieb im Kraftfahrzeug verwendet. Im einzelnen wird in Verbindung mit der effektiven ursprünglichen Herstellung der Büchse 10 ein geeignetes magnetorheologisches Elastomer in den Ringraum 18 zwischen dem ersten radial inneren Zylinder 14 und dem zweiten radial äußeren Zylinder 16 eingefüllt bzw. eingebracht, und das Elastomer 20 wird dann bei einer Temperatur von ca. 150ºC und über einen Zeitraum zwischen zehn (10) und dreißig (30) Minuten ausgehärtet, wobei während dieses Zeitraumes der Spule 24 ein Strom von etwa drei (3) Ampere zugeführt wird, um so das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen, das die irr Elastomer 20 eingebetteten Partikel bleibend ausrichtet. Geeignete Metall-Gummi-Bindemittel werden vor dem Aushärten auf die Grenzflächen zwischen Metall und Gummi aufgetragen, um jegliche Ablösung des Elastomers von den Metallzylindern zu vermeiden. Das magnetische Feld wird durch die Elektromagnetstruktur erzeugt, die den ersten und zweiten Zylinder 14 und 16 sowie die Spule 24 umfaßt. Insbesondere verlaufen das magnetische Feld und die Feldlinien im inneren Zylinder 14 effektiv nach oben, quer über das obere Ende des Elastomers 20, dann im äußeren Zylinder 16 nach unten und quer über den Bodenteil des Elastomers 20 wieder zurück, so daß der magnetische Kreislauf geschlossen wird. Die im Elastomer eingebetteten Partikel sind demnach effektiv in Kopf-Schwanz- bzw. Nord-Süd- Anordnungen ausgerichtet bzw. orientiert, welche Ketten oder Säulen bilden, die dann die Steifigkeit und das Schermodul der Federungsbuchse unter Einsatzbedingungen bestimmen, d. h. wenn ein vorgegebener elektrischer Strom an der Spule 24 angelegt wird, so daß eine Federungsbuchse mit gewünschten Steifigkeits- und Schermeduleigenschaften geschaffen wird, oder auch wenn kein elektrischer Strom angelegt wird, wobei dann die Federungsbuchse 10 aufgrund der ursprünglichen permanenten Ausrichtung der Partikel im der vorliegenden Erfindung entsprechend hergestellten Elastomer 20 dennoch eine inhärente oder Reststeifigkeit und entsprechende Schermodulwerte aufweist. Diese Merkmale sollen nachstehend noch weiter im einzelnen erläutert werden. In diesem Zusammenhang sei jedoch festgehalten, daß das oben erwähnte Anlegen eines elektrischen Stromes an die Spule 24 im Verlauf des Aushärtevorganges des Elastomers insofern kritisch ist, als die bleibende Ausrichtung der Partikel im Elastomer nur erzielt werden kam, solange sich der im wesentlichen bzw. größtenteils feste Elastomer-Trägerwerkstoff noch in einem in gewissem Maße weichen, nicht ausgehärteten Zustand befindet. Spezifische Beispiele von magnetorheologischen (MR-) Elastomeren, die im Einklang mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, sollen nachstehend beschrieben werden.

Beispiel 1

Ein erstes magnetorheologisches (MR-) Elastomer wurde erfindungsgemäß durch Einbetten von Eisenteilchen in einem Trägerelastomer aus Naturgummi hergestellt. Die Partikel waren Carbonyleisenpartikel, die durch Reduktion von Eisen-Pentacarbonyl Fe(CO)&sub5; in einer Wasserstoffatmosphäre gewonnen wurden. Die Teilchen waren im Durchschnitt etwa fünf (5) Mikrometer groß und entsprachen der Werkstoffqualität R-2521, wie sie von der Fa. ISP TECHNOLOGIES INC., vormals GAF, erhältlich ist. Die genaue Zusammensetzung des Gemisches war folgende: Naturgummi SMR-L, einhundert (100) Gewichtsteile pro hundert Teile Gummi (pph Gummi); Carbonyleisenpulver, 700 pph Gummi; ZnO, 3 pph Gummi; Stearinsäure, 2 pph Gummi; Ageritharz D, das als Oxydationshemmstoff wirkt und bei VANDERBILT CHEMICALS erhältlich ist, 1 pph Gummi; Sundex 790, das ein von der Fa. SUN OIL COMPANY erhältliches aromatisches Öl ist, 10 pph Gummi; und Methyltuad, einem schwefelhaltigen Verbundstoff, 3,5 pph Gummi. Der Volumenanteil an eisen in diesem Verbundstoff betrug in etwa 48%.

Beispiel 2

Ein zweites magnetorheologisches (MR-) Elastomer wurde der vorliegenden Erfindung entsprechend hergestellt, indem Eisenteilchen in einem Trägerelastomer aus Naturgummi eingebettet wurden. Die Partikel waren Carbonyleisenpartikel, die durch Reduktion von Eisen-Pentacarbonyl Fe(CO)&sub5; in einer Wasserstoffatmosphäre gewonnen werden. Die Teilchen waren im Durchschnitt etwa fünf (5) Mikrometer groß und lagen in Form von Pulvermaterial der Qualität R-2521 vor, wie es von der Fa. ISP TECHNOLO- GIES INC., vormals GAP, erhältlich ist. Die genaue Zusammensetzung des Gemisches war folgende: Naturgummi SMR-L, einhundert (100) Gewichtsteile pro hundert Teile Gummi (pph Gummi); Carbonyleisenpulver, 550 pph Gummi; ZnO, 5 pph Gummi; Stearinsäure, 2 pph Gumni; Ageritharz D, das als Oxydationshemmstoff wirkt und bei VANDERBILT CHEMICALS erhältlich ist: 2 pph Gummi; Sundex 790, das ein von der Fa. SUN OIL COMPANY erhältliches aromatisches Öl ist, 5 pph Gummi; CBS, das ebenfalls von der VANDERBILT CHEMICALS erhältlich ist, 0,5 pph Gummi; und Schwefel, 2,5 pph Gummi. Der Volumenanteil an Eisen in diesem Verbundstoff betrug in etwa 37%.
Wie weiter oben schon erwähnt, läßt sich mit den oben beispielartig aufgeführten und in die in der Fig. 1 dargelegten Federungsbuchse 10 integrierten magnetorheologischen (MR-) Elastomeren eine in vorgegebener Weise variable Steifigkeit und entsprechende Modulwerte der Buchse erzielen, indem die Höhe des an der Spule 24 angelegten Stromes angemessen variiert wird, die ihrerseits die Flußdichte des so erzeugten magnetischen Feldes verändert. Im einzelnen wurden die Steifigkeitseigenschaften und die Wellenspitze-zu-Wellenspitze-Kräfte der Buchse nach Fig. 1 gemessen, und zwar in einer Richtung parallel zur Achse der Buchse, uni wurden mittels eines servohydraulischen Meßgerätes INSTRON 1331 ermittelt. Eine Achse aus niedrig kohlenstoffhaltigem Stahl wurde mit dem radial inneren Zylinder 14 der Buchse 10 verstiftet und die Achse und der innere Zylinder wurden mechanisch mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen in Schwingung versetzt. Die durch das magnetorheologische (MR-) Elastomer auf den äußeren Zylinder übertragene Kraft wurde mit einer Lastmeßzelle gemessen. Ein ähnlicher Aufbau wurde auch zur Messung und Bestimmung der Kennwerte für die Steifigkeit und die Kraft von Wellenspitze-zu-Wellenspitze der Buchse in radialer Richtung verwendet, d. h. in einer Richtung quer zur Längsachse derselben. Die Ergebnisse dieser Versuche und Messungen sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt, welche graphische Aufzeichnungen oder Diagramme sind und jeweils die Kraft von Wellenspitze-zu-Wellenspitze sowie die Steifigkeit der Buchse als Funktion des jeweils angelegten Stromes darstellen. Die axialen und radialen Messungen oder Testergebnisse sind jeweils getrennt auf demselben Graphen aufgetragen, und es läßt sich erkennen, daß die axialen Ergebnisse in Verbindung mit einem Wellenspitzezu-Wellenspitze-Hubweg von 0,5 mm gewonnen wurden, während die radialen Ergebnisse in Verbindung mit einer Wellenspitze-zu- Wellenspitze-Hubweg von 0,25 mm erzielt wurden, und beide Versuchsreihen wurden mit einer mechanischen Frequenz von 0,5 Hz gefahren. Aus derartigen Testergebnissen lassen sich nun mehrere signifikante Schlüsse ziehen.
Zunächst läßt sich anhand solcher Testergebnisse z. B. feststellen, daß die besondere, derart hergestellte bzw. strukturierte Buchse, die hier geprüft wurde, einen Axialsteifigkeitswert von vierhundertvierzig (440) Newton/mm bietet, wenn der an der Spule angelegte Strom null ist. Damit würde der Fahrzeugfederung ein Ausgangs- oder Basissteifigkeitswert verliehen, welcher einer typischen "weichen" oder "mittleren" Fahreinstellung entspricht. Ein höherer Steifigkeitswert kann dann in der Fahrzeugfederung erreicht werden, indem der der Spule 24 zugeführte Strom entsprechend erhöht wird. Wie weiter aus dem Graphen in Fig. 3 zu entnehmen ist, nimmt, wenn der angelegte Strom auf vier Ampere erhöht wird, die axiale Steifigkeit der Federungsbuchse bis auf ca. siebenhundert (700) Newton/mm zu, was einem Zuwachs von etwa sechzig Prozent (60%) entspricht. Ähnliche Ergebnisse lassen sich auch in Verbindung mit der radialen, der Dreh- und der Konussteifigkeit der Buchse beobachten. Weiter läßt sich feststellen, daß nach dem Anlegen einer vorgegebenen angelegten Stromstärke an der Buchse, die Steifigkeit der Buchse beim anschließenden Abschalten des Stromes wieder auf die Ausgangs- bzw. Basissteifigkeit zurückgeht, und zwar in einem Ansprechzeitraum, der wesentlich kürzer ist als ein mechanischer Schwingungszyklus, wie es durch die induktive Zeitkonstante der Vorrichtung bestimmt wird, welche hier mit dreizehn Millisekunden gemessen wurde.
Mit zusätzlichem Bezug auf Fig. 4, worin das Schermodul eines magnetorheologischen (MR-) Elastomers in Megapascal (MPa) graphisch als Funktion des angelegten Magnetfeldes bzw. der Flußdichte in Kilogauss (kG) aufgezeichnet ist, läßt sich erkennen, daß das Schermodul, welches wie allgemein bekannt in direkter Relation zur Steifigkeit steht, gleichermaßen einen erheblichen Anstieg in seiner Größe zeigt, wenn ein magnetisches Feld daran angelegt wird bzw. das Elastomer einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Die Schermoduleigenschaften des Elastomers wurden mit einem servohydraulischen Prüfgerät INSTRON 1331 bestimmt, in welchem Probescheiben des Elastomers einer Scherbeanspruchung durch Anlegen einer angemessenen Schwingungsbewegung unterworfen wurden. Der magnetische Fluß wurde mit Hilfe eines summierenden Flußmessers erfaßt, z. B. eines WALKER SCIENTIFIC MF-3D, und wie Fig. 4 erkennen läßt, verändert sich die Flußdichte kontinuierlich von null (0) bis vierzehn (14) Kilogauss. Das Schermodul wurde auf zwei verschiedenen Dehnungsamplituden gemessen, und die mechanische Dehnungsfrequenz betrug 0,5 Hz. Das Schermodul ist sehr stark abhängig von der Dehnungsamplitude, wie es für alle elastomeren Stoffe der Fall ist. Wie weiter aus Fig. 4 erkennbar ist, wies das magnetorheologische Elastomer in Abwesenheit eines magnetischen Feldes ein Schermodul von etwa 3,8 MPa bei einer niederen Dehnungsamplitude von 0,04 auf, md beim Anlegen einer Flußdichte von 13 kG stieg das Schermodul auf ca. 5,0 MPa an, was einer Zunahme des Schermoduls von ungefähr 1,2 MPa entspricht, in anderen Worten, einem Anstieg von mehr als dreißig Prozent (30%) gegenüber dem ursprünglichen oder Basiswert. Es läßt sich somit erkennen, daß die wesentliche Lehre, die hieraus zu ziehen ist, darin besteht, daß mit steigendem angelegtem elektrischem Strom und der entsprechenden Steigerung der Flußdichte diejenigen erhöhten magnetischen Anziehungskräfte oder Bindekräfte zwischen den Partikeln erzielt werden, die wiederum die Steifigkeit und Modulmerkmale des Elastomers und damit der Federungsbuchse insgesamt verstärken, wie graphisch dargestellt ist. Die Bewegungen oder Verschiebungen des Federungslenkers, mit dem der äußere Zylinder 16 verbunden ist, gegenüber dem Fahrzeug-Unterrahmen, mit dem der innere Zylinder 14 und die Achse oder Stange 12 verbunden sind, werden so in geeigneter Weise kontrolliert bzw. beeinflußt.
Schließlich ist noch festzustellen, daß, wenn eine besonders strukturierte Federungsbuchse auch die Steifigkeitscharakteristik und die Schermodulwerte aufweisen kann, die graphisch in den Fig. 2 und 4 dargestellt sind, den der vorliegenden Erfindung entsprechend konstruierten Buchsen jedoch auch eine Betriebssteifigkeit und Modulcharakteristik verliehen werden kann, die von den in den Fig. 3 und 4 gezeigten abweichen, indem die geometrischen und die Werkstoffparameter der Buchse in angemessener Weise verändert werden. Eine Änderung der axialen Länge z. B., oder der Dicke des Buchsenelastomers, ergibt veränderte Steifigkeits- und Modulkennwerte, ebenso wie eine Änderung der Materialzusammensetzung des Elastomers. Hohlräume oder Löcher oder auch kleine Luftbläschen können an strategischen Stellen in das Elastomer eingebracht werden, um die Richtungssteifigkeit der Buchse zu verändern.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung signifikante Einsatzbereiche in einer Kraftfahrzeugumgebung hat. Durch das offenbarte magnetorheologische (MR-) Elastomersystem lassen sich die Steifigkeitskennwerte des Elastomers in vorgegebener Weise durch Anlegen eines magnetischen Feldes steuern, so daß solche magnetorheologische (MR-) Elastomere zweckmäßig in verschiedenen Kraftfahrzeugkomponenten oder Systemen eingesetzt werden können, wie z. B. in Motorlagern, Getriebelagern, Fahrgestellagern, Stoßdämpferlagern, Triebstrangdämpfern und Federungsbuchsen. Die Einbeziehung solcher magnetorheologischer (MR-) Elastomere in solche Komponenten erlaubt eine angemessene Kontrolle bzw. Beeinflussung der dynamischen Steifigkeit derselben anhand eines magnetischen Feldes, das mittels eines betriebsmäßig damit gekoppelten Elektromagneten Erzeugt wird, der vollständig in die Komponente integriert ist und über die Fahrzeugbatterie gespeist wird. Es besteht also kein Bedarf an einer separaten elektrischen Hochspannungsquelle, und mit dem Einsatz solcher elektrischer Hochspannungsquellen innerhalb einer Kraftfahrzeugumgebung verbundene Gefahren werden vermieden. Zudem sind angesichts der Verwendung eines solchen festen Elastomers oder Gels gemäß der vorliegenden Verbindung besondere Dichtungen, die sonst in Verbindung mit elektrorheologischen (ER-) oder magnetorheohogischen (MR-) Flüssigkeiten erforderlich wären, hier ebenfalls überflüssig. Die vorliegende Erfindung kann somit in Verbindung mit Fahrzeugkonstruktions- und Einstellungserfordernissen bei der Produktentwicklung von Fahrzeugkomponenten angewendet werden, die eine vorgegebene oder optimale feste Charakteristik aufweisen, oder die vorliegende Erfindung kann alternativ dazu in Fahrzeugen der Produktion zur Anwendung gebracht werden, bei welchen Betriebsbedingungen vorzugsweise Betriebskomponenten erfordern, die veränderliche Charakteristiken zeigen. Insbesondere könnte z. B. bei der Federungsbuchse der vorliegenden Erfindung die Federrate oder Steifigkeit in einer Zweipunkt- oder einer kontinuierlichen Regelungsart in Reaktion auf computergesteuerte Eingabebefehle für die elektrische Spule verändert werden, die anhand von erfaßter Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeugbeschleunigung, Radhöhe und ähnlichem erstellt werden, um so das Fahrverhalten des Fahrzeuges, sein Handling, Lenkung, Geräuschentwicklung, Vibrationen und Härtecharakteristik zu optimieren. Andere Regeltechniken zur Veränderung der Federrate)der Steifigkeit der erfindungsgemäßen Federungsbuchse könnten z. B. Pulsbreiten- und Pulsfrequenz-Modulationstechniken beinhalten. Des weiteren könnten die Elastomere auch als Funktion der Nutzlebensdauer des Fahrzeuges verändert werden, um Alterungserscheinungen der Komponenten zu minimieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung und Anwendung einer Federungsbuchse mit variabler Steifigkeit zur Kontrolle der relativen Bewegung zwischen einem Federungslenker in einem Kraftfahrzeug und einem Rahmenbauteil des besagten Fahrzeuges, folgende Schritte aufweisend:

Bereitstellung einer ersten Strukturkomponente (16) zum Anschluß an einen Federungslenker eines Fahrzeuges;

Bereitstellung einer zweiten Strukturkomponente (14) zum Anschluß an einen Rahmenbauteil des besagten Fahrzeuges;

gekennzeichnet durch

die Zwischenschaltung eines nicht ausgehärteten magnetorheologischen Elastomers mit darin eingebetteten magnetisierbaren Teilchen zwischen besagten ersten und zweiten Strukturkomponenten;

die Aushärtung des besagten nicht ausgehärteten magnetorheologischen Elastomers bei einer vorgegebenen Temperatur und für einen vorgegebenen Zeitraum, während gleichzeitig besagtes magnetorheologisches Elastomer einem magnetischen Feld ausgesetzt wird so daß besagte in dem besagten magnetorheologischen Elastomer eingebetteten Partikel bleibend in besagtem Magnetfeld ausgerichtet werden, so daß besagte Partikel zueinander ausgerichtet werden, derart, daß sie anschließend die Steifigkeitscharakteristik des besagten magnetorheologischen Elastomers als Funktion eines magnetischen Feldes bestimmen und somit die relativen Bewegungen zwischen besagtem Federungslenker und besagtem Fahrzeugrahmenbauteil kontrollieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem folgende Schritte aufweisend:

die betriebsfähige Verbindung einer elektrischen Spule mit besagtem magnetorheologischen Elastomer; und

das Anlegen einer vorgegebenen Höhe elektrischen Stromes an besagter Spule, so daß besagtes magnetisches Feld erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin:

besacte vorgegebene Aushärtetemperatur etwa 150ºC beträgt;

besacte vorgegebene Aushärtezeit 10-30 Minuten beträgt; und

besacte vorgegebene Höhe elektrischen Stromes etwa 3 Ampere beträgt.

4. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, außerdem folgende Schritte aufweisend:

Vorsehen der besagten zweiten Strukturkomponente (14) in Form eines ringförmigen Zylinders;

Anbringen einer ringförmigen Aussparung (22) in einem äußeren Umfangsbereich des besagten ringförmigen Zylinders zur Aufnahme der besagten elektrischen Spule (24);

Vorsehen der besagten ersten Strukturkomponente (16) in Form eines weiteren ringförmigen Zylinders, welcher radial von besagtem ringförmigem Zylinder der besagten ersten Strukturkomponente (14) beabstandet ist und diesen umgibt; und

Anordnen des magnetorheologischen Elastomers (20) in einem zwischen besagten ringförmigen Zylindern der beiden ersten und zweiten Strukturkomponenten gebildeten Ringraum.

5. Verfahren nach Anspruch 1, außerdem folgende Schritte aufweisend:

die betriebsmäßige Verbindung einer elektrischen Spule mit besagtem magnetorheologischem Elastomer; und

das Anlegen variabler elektrischer Stromhöhen an besagte elektrische Spule, so daß ein variables magnetisches Feld erzeugt wird, welches von der Höhe des der besagten elektrischen Spule zugeführten elektrischen Stromes abhängig ist, und nachdem besagtes magnetorheologisches Elastomer ausgehärtet worden ist, so daß besagte Steifigkeitsmerkmale des besagten magnetorheologischen Elastomers in Abhängigkeit von besagtem, der besagten elektrischen Spule zugeführtem elektrischem Strom und von besagtem, zwischen der besagten elektrischen Spule und den besagten ersten und zweiten Strukturkomponenten erzeugtem Magnetfeld variiert wird, so daß die relativen Bewegungen zwischen besagtem Federungslenker und besagtem Fahrzeugrahmenbauteil kontrolliert werden.