Stützlager eines schwlngungsdämpfenden Elements
Die Erfindung betrifft ein Stützlager eines schwingungs- dämpfenden Elements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Hydropneumatik-Feder-Dämpfer-Systemen wird die übliche Feder-Dämpfer-Anordnung durch einen Hydraulik- Zylinder ersetzt. Die Federwirkung und das Tragen der Betriebslast übernimmt ein Gasfederspeicher, die Dämpfung wird durch eine Drosselblende in einer Überströmleitung zwischen Hydraulikzylinder und Gasfederspeicher realisiert. Ein derartig aufgebautes Dämpfersystem ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 32 868 bekannt .
Solche Hydropneumatik-Feder-Dämpfer-Anordnungen können die Aufgaben konventioneller Feder-Dämpfer-Systeme im Prinzip vollständig erfüllen, wobei die Bauraumanforderungen etwas günstiger sind als bei den konventionellen Feder-Dämpfer-Systemen. Günstig bei diesen Hydropneuma- tik-Feder-Dämpfer-Anordnungen ist auch, dass sie eine sehr einfache Möglichkeit zum Realisieren einer aktiven Dämpfung von Aufbau- oder Radbewegungen in einem Fahrzeug bieten, indem ein Hydraulik-Fluid dem Arbeitsraum des Hydraulikzylinders zugeführt oder daraus abgeführt wird.
Ein grundsätzliches Problem solcher Anordnungen besteht jedoch in der unvermeidlichen Reibung des Hydraulikaktors
im Hydraulikzylinder. Aufgrund der zu tragenden Betriebslasten bei einem PkW-Einsatz ist es praktisch nicht möglich, Werte der Zylinderreibung unterhalb von 100 - 200 N zu erreichen. Dies führt jedoch zu Komforteinbussen.
Bekannt ist es, zur Verbesserung des Komforts weiche Kopflager einzusetzen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Auslegungsspielräume sind allerdings wegen der Grundlast und der Lebensdaueranforderungen stark eingeschränkt, so dass kaum Lagersteifigkeiten von weniger als 1000 N/mm realisiert werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stützlager eines schwingungsdämpfenden Elements, insbesondere ein Hydro- pneumatik-Feder-Dämpfer-System anzugeben, welches den Fahrkomfort eines Fahrzeugs erhöht.
Die Aufgabe wird durch ein Stützlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die Erfindung wird es möglich, einfach aufgebaute aktive Federungen, die insbesondere auf Hydropneumatik- Systemen beruhen, mit hohem Komfort zu schaffen, da ein zentrales Problem von Hydropneumatik-Systemen, die störenden Einflüsse der Reibung im Hydraulikzylinder, im wesentlichen eliminiert oder zumindest stark vermindert werden kann.
Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Stützlagers als Kopflager können störende Eigenschaften des eigentlichen Kraftübertragungs-Bauteils unterbunden bzw. abgeschwächt werden.
Weitere Vorteile und günstige Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung zu entnehmen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein konventionelles Hydropneumatik-Feder-DämpferSysteme mit einem weichen Kopflager,
Fig. 2 die Kraftänderung als Funktion der Auslen- kung/Einfederung bei sinusförmiger Anregung unter Einfluss einer Reibung von 150 N,
Fig. 3 die Feder-Dämpfer-Kraftänderungen bei sinusförmiger Anregung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten hydraulischen Stützlagers,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten Hydropneumatik-Feder-Dämpfer-Systems mit einem ersten bevorzugten Stützlager,
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten Hydropneumatik-Feder-Dämpfer-Systems mit einem zweiten bevorzugten Stützlager,
Fig. 7 die Kraftänderung als Funktion der Auslen- kung/Einfederung bei sinusförmiger Anregung unter Einfluss einer Reibung von 150 N mit einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 8 die Feder-Dämpfer-Kraftänderungen bei sinusförmiger Anregung nach Fig. 7,
Fig. 9 die Auslenkungen des Kopflagers bzw. Zylinders nach Fig. 7 und 8,
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung eines Stützlagers,
Fig. 11 eine Prinzipdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines Stützlagers mit Zug- und Druckanschlägen,
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines Stützlagers mit Längsführung.
In Fig. 1 ist ein bekanntes Hydropneumatik-Feder-DämpferSystem dargestellt. Ein Hydropneumatik-Feder-DämpferSystem weist als insgesamt schwingungsdämpfendes Element einen Hydraulikzylinder 1 mit einem im Inneren des Hydraulikzylinders 1 auf und ab beweglichen Kolben 6 auf. Die Federwirkung und das Tragen einer Betriebslast übernimmt ein Gasfederspeicher 2, der mit dem Hydraulikzylinder 1 über eine Überströmleitung 4 verbunden ist, durch welche ein Hydraulikmedium zwischen dem Hydraulikzylinder 1 und dem Gasfederspeicher 2 ausgetauscht werden kann. Die Dämpfung wird durch eine Drosselblende 5 in der Überströmleitung 4 zwischen Hydraulikzylinder 1 und Gasfederspeicher 2 realisiert. Karosserieseitig ist ein Stützlager 3 mit einer Federsteifigkeit CL angeordnet.
Beim Einfedern des Fahrzeugs um eine Strecke Xe wirkt eine Kraft F auf den Kolben 6, der in Kraftwirkungsrichtung um eine Strecke Xz nach oben gedrückt wird, während der Hydraulikzylinder 1 die Auslenkung ΔX erfährt. Wegen der zu tragenden Betriebslast, etwa eines Fahrzeugs, führt die unvermeidliche Reibung des Kolbens 6 im Hydraulikzylinder 1 zu Komforteinbussen. Eine Möglichkeit der Kompensation besteht darin, die Federsteifigkeit CL des Stützlagers 7 zu reduzieren. Allerdings sind auch hier
Auslegungsspielräume wegen der hohen Grundlast bei einer Fahrzeugdämpfung und bestehender Lebensdaueranforderungen stark eingeschränkt. Daher lassen sich Federsteifigkeiten Ch mit Werten von unterhalb etwa CL = 1000 N/mm praktisch nicht realisieren.
In Fig. 2 sind Auswirkungen der Reibungskräfte für eine sinusförmige Einfederungsanregung eines konventionellen Hydropneumatik-Feder-Dämpfersystems mit einer Federstei- figkeit eines Stützlagers von etwa CL = 1200 N/mm und einer Kolbenreibung von 150 N dargestellt. In Fig. 3 ist die zugehörige Feder-Dämpfer-Kraftänderung (dF_Zyl [N] ) im Vergleich zum Federanteil (dF_elast) dargestellt. Es ist erkennbar, dass bei Bewegungsumkehr des Kolbens 6 Kraftsprünge von 200 - 400 N auftreten können, die gerade bei kleineren Einfederungen sehr störend und komfortvermindernd wirken. Die Kolbenkraft ändert sich gerade bei Bewegungsumkehr praktisch spontan um bis zur doppelten Reibungskraft des Kolbens 6. Die Nachgiebigkeit des Stützlagers 7, in diesem Fall eines Kopflagers, ist zu gering, um diese reibungsbedingten Kraftänderungen wirksam zu glätten oder zu verschleifen.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 4 skizziert. Als Detail ist nur ein Stützlager 7 dargestellt, die weitere, nicht dargestellte Anordnung entspricht weitgehend dem in der Fig. 1 dargestellten System. Als schwingungsdämpfendes Element ist hier ein Feder-Dämpfer-System vorgesehen. Das Stützlager 7 weist definierte hydraulische, elastische und gegebenenfalls dämpfende Eigenschaften auf und ist hydraulisch mit einem in der Figur nicht dargestellten Hydraulikzylinder 1 gekoppelt. Der Körper des Stützlagers 7 weist vorzugsweise definierte Steifigkeitseigenschaften auf.
Zwischen Stützlager 7 und Hydraulikzylinder 1 ist eine hydraulische Wirkfläche AL angeordnet. Das Stützlager 7
weist ein Gehäuse 10 mit einer Federsteifigkeit CL auf. Das Gehäuse 10 ist vorzugsweise vollständig mit einem Hydraulikmedium gefüllt. Innerhalb des Gehäuses 10 herrscht ein Druck p. Da das Stützlager 7 mit dem Arbeitsraum des Hohlzylinders 1 in hydraulischer Verbindung steht, ist p auch der Druck des Arbeitraumes.
Die hydraulische Kopplung von Stützlager 7 und Hydraulikzylinder 1 bewirkt, dass die eigentlichen Aufgaben des Stützlagers 7, ein Tragen der Last und ein Längenausgleich, separiert werden können. Für das Tragen der Last wird das vorhandene Hydraulikmedium genutzt. Bei gegebener hydraulischer Wirkfläche kann damit sichergestellt werden, dass das Stützlager.7 für jede erforderliche und übliche Belastung seine Tragfunktion erfüllt. Der Längenausgleich, d.h. eine Längsnachgiebigkeit des Stützlagers 7, kann nunmehr durch Gummi- oder Stahlfederelemente verwirklicht werden. Da die Grundlast entfällt, wird die Abstimmungsbandbreite kaum durch Auslegungsrestriktionen beschränkt. Die Federsteifigkeit eines erfindungsgemäßen Stützlagers kann daher deutlich geringer sein als bei einem konventionellen Stützlager 7 nach Fig. 1. So kann der bisherige Grenzwert bei konventionellen Stützlagern 7 von typischerweise mindestens CL=1000 N/mm auf Werte um 50 N/mm, vorzugsweise um 25 N/mm abgesenkt werden.
Vorzugsweise ist die Wirkfläche AL zwischen Hydraulikzylinder 1 und dem Stützlager 7 bei Auslenkung des Hydraulikzylinders 1 und/oder des Stützlagers 7 im wesentlichen konstant. Damit lässt sich eine erhebliche Komfortverbesserung erwirken. Doch selbst wenn die hydraulische Wirkfläche variiert, ist zumindest eine Verbesserung gegenüber den bekannten Systemen erkennbar. Eine im wesentlichen konstante, d.h. flächenneutrale hydraulische Wirkfläche AL ist günstig, um genügend Auslenkungsweg zum „Verschleifen" der Reibung im Hydraulikzylinder 1 zur Verfügung zu stellen.
Wird beispielsweise beim Einfedern das Stützlager 7 um ΔX ausgelenkt, wirkt dem die Federsteifigkeit CL entgegen sowie eine hydraulische Gegenkraft auf die hydraulische Wirkfläche AL auf das Stützlager 7 eine Lagerkraft K entgegen der Auslenkung ΔX:
Aufgrund der Raumbegrenzung im Stützlager 7 muss gleichzeitig ein Transfervolumenstrom SL des Hydraulikmediums durch die hydraulische Wirkfläche AL in den Hydraulikzylinder strömen:
dAX
SL = AL-(ΔX) dt
Besonders günstig ist es, die hydraulische Wirkfläche AL in etwa an die effektiven Hydraulik-Arbeitsflächen des Hydraulikzylinders anzupassen. Weiterhin ist es günstig, zugleich eine mechanische Federsteifigkeit CL des Stützlagers relativ klein zu machen. Diese Maßnahmen ermöglichen es dem Stützlager 7, Änderungen der Reibungskraft des Kolbens 6 quasi „zu verschleifen" .
Vom Hydraulikzylinder 1 kann das Hydraulikmedium in einen nicht dargestellten Gasfederspeicher 2 ausweichen. Vorzugsweise ist das Stützlager 7 hydraulisch parallel zu dem Gasfederspeicher 2 angeordnet.
In Fig. 5 ist eine erste bevorzugte Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Das Stützlager 7 ist als ein El- lipsoidkörper ausgebildet. Die Anordnung entspricht ansonsten weitgehend der Prinzipskizze in Fig. 1. Das Stützlager 7 ist axial in Richtung der Längserstreckung des Hydraulikzylinders 1 an diesem angeordnet. Das Stützlager 7 bildet ein Kopflager eines Hydropneumatik-Feder-
Dämpfers. Es ist möglich, eine derartige Anordnung auch aktiv zu betreiben und eine nicht dargestellte Hydraulikpumpe einzusetzen, welche zusätzliches Hydraulikmedium in die Anordnung hineinpumpt oder daraus abführt.
In Fig. 6 ist eine zweite bevorzugte Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Hier ist anstelle eines Ellipsoid- körpers ein Faltenbalg als Stützlager 7 eingesetzt. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass hier unter Bewegungen des Kolbens 6 bzw. Ein- und Ausfederbewegungen die hydraulische Wirkfläche AL flächenneutral bleibt. Als Material für das Gehäuse kann ein Elastomer verwendet werden. Eine weitere günstige und besonders korrosionsfeste Alternative ist ein Metallbalg.
In Fig. 7 und Fig. 8 sind die Verbesserungen gegenüber den Fig. 2 und 3 für ein konventionelles System nach Fig. 1 deutlich zu erkennen.
In Fig. 7 sind die Auswirkungen der Reibungskräfte für eine sinusförmige Einfederungsanregung eines konventionellen Hydropneumatik-Feder-Dämpfersystems mit einer Federsteifigkeit eines erfindungsgemäßen Stützlagers 7 von etwa CL = 25 N/mm und einer Kolbenreibung von 150 N dargestellt. In Fig. 8 ist die zugehörige Feder-Dämpfer- Kraftänderung (dF_Zyl [N] ) im Vergleich zum Federanteil (dF_elast) dargestellt. Es ist erkennbar, dass bei Bewegungsumkehr des Kolbens 6 praktisch keine Kraftsprünge mehr beobachtet werden. Die Kraftänderung nach Fig. 7 ist bei Bewegungsumkehr stetig mit einem sanften Übergang in eine Gegenbewegung.
Die daraus resultierenden Zeit-Kraft-Verläufe in Fig. 8 sind harmonisch und glatt und zeigen, dass eine Komfortbeeinträchtigung im Vergleich zum konventionellen System vermieden werden kann.
Fig. 9 zeigt die zu den vorangegangenen Fig. 7 und 8 gehörigen Auslenkungen Xz des Hydraulikzylinders 1, ΔX des Stützlagers 7 und die Einfederung Xe . Das erfindungsgemäß hydraulisch mit dem Hydraulikzylinder 1 gekoppelte Stützlager 7 übernimmt in diesem Betriebsfall einen großen Teil der Einfederungen Die Übergänge zu den eigentlichen Hydraulikzylinderauslenkungen Xz erfolgen harmonisch und glatt. Unsicherheiten bzgl. der Höhe von Reibkräften spielen kaum eine Rolle, Reibkraftschwankungen würden lediglich die Zeitpunkte der Zylindereinsätze etwas verschieben, nicht aber die stetigen Übergänge bei Bewegungsumkehr stören.
In Fig. 10 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines Stützlagers 7 gemäß der Erfindung dargestellt. Besonders zweckmäßig ist es bei der Auslegung des Stützlagers 7, eine möglichst minimale axiale Steifigkeit des Stützlagers 7 vorzusehen und gleichzeitig keine oder nur geringe Änderungen der hydraulischen Wirkfläche AL beim Einfedern und Ausfedern zuzulassen. Dazu kann das Stützlager 7 ein Gehäuse 10 aufweisen, welches zumindest bereichsweise aus einem Elastomer gebildet ist. Das Gehäuse 10 kann vorzugsweise unmittelbar am Hydraulikzylinder 1 und an einer Kraftaufnahme 9 befestigt sein. Dazu kann ein Klemmring 11 vorgesehen sein, mit dem das Gehäuse 10 direkt am Gehäuse des Hydraulikzylinders 1 fixiert ist. Weiterhin kann eine entsprechende Fixierung 12, etwa ein Klemmring, vorgesehen sein, mittels dem das Gehäuse 10 an der Kraftaufnahme 9 befestigt ist. Zum Hydraulikzylinder 1 kann eine Lochblende 8 vorgesehen sein. Die Öffnung der Lochblende 8 ergibt die hydraulische Wirkfläche AL.
Die Kraftaufnahme 9 ist mit einem Lagerpunkt 13 an z.B. eine Fahrzeugkarosserie angebunden.
Besonders bevorzugt besteht das Gehäuse 10 aus einem Gummizylinder, welcher das eigentliche Lagerelement bildet.
Das Gummi selbst verursacht eine Längsnachgiebigkeit in Richtung h des Stützlagers 7. Eine günstige Druckfestigkeit und eine ausreichende Radialsteifigkeit in Richtung b kann durch tangentiale oder zumindest fast tangentiale Verstärkungsfasern im oder am Gummizylinder bewirkt werden. Bei entsprechend günstiger Auslegung kann der Gummizylinder selbst auch Querführungsaufgaben des Stützlagers 7 übernehmen. Werden höhere Querkräfte übertragen oder größere Anforderungen an die Präzision der Querführung gestellt, können entsprechende Längsführungen eingebracht werden.
Eine günstige Ausgestaltung des Stützlagers 7 ist in Fig. 11 dargestellt. Die Anordnung entspricht im wesentlichen der in Fig. 10. Zusätzlich ist eine Stange 14 im Gehäuse 10 vorgesehen, welche axial zum Hydraulikzylinder orientiert ist und die in den Hydraulikzylinder hineinragen kann. An der Stange 14 kann ein Druckanschlag 15 und/oder ein Zμganschlag 15 angebracht sein. Damit kann die maximale Stauchung und/oder Dehnung des Stützlagers 7 begrenzt bzw. eingestellt werden.
Eine weitere günstige Ausgestaltung des Stützlagers 7 ist in Fig. 12 dargestellt. An der Stange 14 ist eine Längsführung 18 angebracht, welche eine Querauslenkung des Stützlagers 7 begrenzt oder unterbindet. Die Längsführung 17 kann ein Zylinder sein, der die Stange konzentrisch umgibt. An der Unterseite zur Lochblende 8 hin verbreitert sich der Zylinder und weist dort bevorzugt einen Ring 18 auf. In der Lochblende 8 sind zweckmäßigerweise Überströmöffnungen vorgesehen, deren Querschnitte insgesamt eine hydraulische Wirkfläche AL bilden. Der Ring 18 kann auch an der Seite des Stützlagers 14 angeordnet sein, welche der Kraftaufnahme 9 zugewandt ist.
Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen eines hydraulisch mit einem Hydraulikzylinder 1 gekoppelten Stützlagers denkbar.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erfindungsgemäße Stützlager 7 hydraulisch von den hohen zu tragenden statischen Lasten befreit ist. Dadurch wird eine „weiche" Konstruktion und z.B. ein Elastomereinsatz möglich.
Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn das Stützlager 7 ein Kopflager eines Hydraulikzylinders 1 bildet. Besonders günstig ist es, eine Gesamtsteifigkeit des Stützlagers 7 so auszulegen, dass beim Einfedern oder Ausfedern die Kraftänderung über einer zur Verfügung stehenden Auslenkung im Stützlager 7 größer ist als die Reibungskraft, insbesondere die Haftreibungskraft, des Kolbens 6 im Hydraulikzylinder 1. Damit ist gewährleistet, dass der Kolben 6 wieder aus einer Reibklemmung losreisen kann, bevor das Stützlager 7 an seine Auslenkungsgrenzen stösst. Die notwendige Steifigkeit kann entweder alleine durch elastische Materialeigenschaften des Stützlagers 7 bzw. des Gehäuses 10 erzielt werden oder zusätzlich oder alternativ durch eine Flächenänderung der hydraulischen Wirkfläche AL über dem Einfederweg. Beides wirkt in vergleichbarer Weise, sofern die Gesamtsteifigkeit nach der oben genannten Bedingung gestaltet wurde.