DE10259624B4

DE10259624B4 - Hydraulisches Radiallager

Info

Publication number: DE10259624B4
Application number: DE10259624A
Authority: DE
Inventors: Dr. Richter Matthias; Falk Berge; Meinert Holst; Jürgen Roos
Original assignee: ContiTech Vibration Control GmbH; Adam Opel GmbH
Current assignee: ContiTech Vibration Control GmbH; GM Deutschland Holdings GmbH
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: US20040159992A1; DE10259624A1; US7097167B2

Abstract

Hydrobuchse (2) zur radialen Lagerung insbesondere eines Motors in einem Kraftfahrzeug, – mit einem hülsenförmigen Außenkörper (4), – mit einem radial zu diesem beabstandeten inneren Befestigungskörper (6), – mit einem zwischen Außenkörper (4) und innerem Befestigungskörper (6) befindlichen, zweischenkligen Federkörper (8), wobei sich zwischen den Schenkeln (8a, 8b) des Federkörpers (8) eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte, nach außen vom Außenkörper (4) begrenzte, volumenveränderliche Arbeitskammer (10) befindet, und – mit seitlich mindestens einer, mit elastischer Wandung (flexible Membran 22a und/oder 22b) versehenen Ausgleichskammer (20a und/oder 20b), wobei die Arbeitskammer (10) mit der mindestens einen Ausgleichskammer (20a und/oder 20b) über einen Überströmkanal (14a und/oder 14b) verbunden ist, und wobei die Kammern (10, 20a und/oder 20b) und Kanäle (14a und/oder 14b, 24) mit einer niedrig viskosen Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen – der Querschnittsfläche („Kolbenfläche”, A1) der Arbeitskammer (10),...

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydrobuchse zur radialen Lagerung insbesondere eines Motors in einem Kraftfahrzeug,

– mit einem hülsenförmigen Außenkörper,
– mit einem radial zu diesem beabstandeten inneren Befestigungskörper,
– mit einem zwischen Außenkörper und Innenkörper befindlichen, zweischenldigen Federkörper, wobei sich zwischen den Schenkeln des Federkörpers eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte, nach außen vom Außenkörper begrenzte, volumenveränderliche Arbeitskammer befindet, und
– mit seitlich mindestens einer, mit elastischer Wandung (flexible Membran) versehenen Ausgleichskammer, wobei die Arbeitskammer mit der mindestens einen Ausgleichskammer über einen Überströmkanal verbunden ist, und wobei die Kammern und Kanäle mit einer niedrig viskosen Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind.

Neben der Isolation von Schwingungen, die auch von herkömmlichen Gummielementen erbracht werden, weisen die Hydrobuchsen zusätzlich ein Dämpfungsverhalten zur Dämpfung der im Fahrzeug zwischen Motor und Karosserie auftretenden Schwingungen auf. Wie anhand der 7 beschrieben, werden die Dämpfungseigenschaften durch ein in die Hydrobuchse integriertes System erzielt, das aus der als Kolben wirkenden Tragfeder und einem Kanal besteht. Hierbei bilden die Masse im Kanal und die Volumensteifigkeit ein schwingungsfähiges System.
Derartige Systeme sind auf ca. 10 Hz abgestimmt und sind damit in der Lage, die Eigenschwingungen des Motors zu kompensieren. Für eine Dämpfung im unteren Hörbereich sind herkömmliche Standard-Hydrobuchsen aber völlig ungeeignet.
Die Erfindung zielt auf eine Hydrobuchse, die in der Lage ist, akustische Störgeräusche, insbesondere im Bereich von ca. 130 Hz, wegzufiltern.
Die DE 37 23 986 A1 beschäftigt sich mit vergleichsweise großen Schwingungsamplituden im Bereich der Eigenfrequenz des Dämpfersystems sowie mit hochfrequenten Schwingungen vergleichsweise kleiner Amplitude. Zur Dämpfung der tiefen Frequenzen großer Amplitude gibt es – wie bei einer Standard-Hydrobuchse – zwei über einen Überströmkanal miteinander verbundene, volumenveränderliche Kammern. Zusätzlich ist eine weitere, mit elastischer Membran abgeschlossene Gas-Kammer zur Aufnahme hochfrequenter Schwingungen kleiner Amplitude vorgesehen. D. h.: Hier können im akustischen Bereich lediglich kleine Amplituden weggefiltert werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zur Bedämpfung des erweiterten Bereichs zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, deren Herstellung mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden ist.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach in der Schaffung eines einfach aufgebauten Radiallagers der eingangs genannten Art, das in der Lage ist, bei geringer dynamischer Steifigkeit Störgeräusche, insbesondere im Bereich von ca. 130 Hz, zu absorbieren.
Die Lösung ist im Wesentlichen mit Patentanspruch 1 umschrieben. Die Unteransprüche geben bevorzugte Details an.
Die Vorteile der Erfindung werden anhand einer Gegenüberstellung zum relevanten Stand der Technik erläutert.
Zeichnungen
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radiallagers und eine herkömmliche Standard-Hydrobuchse erläutert. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Hydrobuchse (Radiallager) in perspektivischer Sicht; seitlich, schräg von unten betrachtet (Außenkörper entfernt);
2 eine Frontalansicht desselben Radlagers;
3 den Schnitt A-A;
4 den Schnitt B-B;
5 den Schnitt C-C und
6 den Schnitt D-D.
7 zeigt eine Standard-Hydrobuchse gemäß dem Stand der Technik, seitlich, schräg von unten betrachtet (Außenkörper entfernt).
8a/b dient zur Erläuterung der Kontinuitätsgleichung und der Bernoulligleichung.
Beschreibung
Die in 7 dargestellte Standard-Hydrobuchse 102 besteht im Wesentlichen aus einem hülsenförmigen Außenkörper 104 (gestrichelt dargestellt), einem radial zu diesem beabstandeten inneren Befestigungskörper 106 (zur Aufnahme eines Lagerzapfens) und einem zwischen dem Außenkörper 104 und dem Innenkörper 106 befindlichen zweischenkligen Federkörper 108.
Zwischen den Schenkeln 108a, 108b des Federkörpers 108 befindet sich eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte, volumenveränderliche Arbeitskammer 110, die nach außen vom Außenkörper 104 und beidseitig jeweils von einem massiven Steg 112a, 112b begrenzt wird. Umfangsseitig ist an der Innenseite des Außenkörpers 104 ringförmig ein Überstromkanal 114 angeordnet, dessen eines Ende eine Öffnung 116 zur Arbeitskammer 110 und dessen anderes Ende eine Öffnung 118 zu einer seitlich im Lager 102 angeordnete Ausgleichskammer 120a aufweist. Die Ausgleichskammer 120a ist nach außen ebenfalls von dem alles umschließenden zylindrischen Außenkörper 104 umgrenzt; nach innen weist die Ausgleichskammer 120a eine flexible Membran 122a auf.
Aus Symmetriegründen befindet sich auf der der Ausgleichskammer 120a gegenüberliegenden Seite eine weitere, insgesamt spiegelbildlich ausgebildete Ausgleichskammer 120b nebst flexibler Membran 122b (nicht dargestellt). Beide Ausgleichskammern 120a, 120b sind über einen Verbindungskanal 124 miteinander verbunden.
Wirkt eine (dynamische) Last F₁ auf das Hydrolager 102, dann wird der zweischenklige Federkörper 108 deformiert, wodurch er wie ein Kolben auf die in der Arbeitskammer 110 befindliche Hydraulikflüssigkeit drückt. Dabei ist die effektive Kolbenfläche A₁ durch das aus dem bzw. in den „Kolben” verdrängte Flüssigkeitsvolumen ΔV und seiner Geschwindigkeit v₁ gegeben. Die vom Federkörper 108 verdrängte Flüssigkeitsmenge wird gezwungen, durch den Überströmkanal 114 (Querschnitt a₂, Strömungsgeschwindigkeit v₂) in die Ausgleichskammer(n) 120a (120b) zu entweichen. Die Strömung erfolgt gemäß der Kontinuitätsgleichung A₁v₁ρ = a₂v₂ρ bzw. A₁v₁ρ = A₂v₂ρ (vgl. 8a) und der Bernoulli-Gleichung p₁ + ρ/2·v₁ ² = p₂ + ρ/2 V₂ ² (vgl. 8b).
An der Übergangsstelle von der (weiten) Arbeitskammer 110 zum (engen) Überströmkanal 114 gibt es einen Geschwindigkeitssprung von der Geschwindigkeit v₁ zu der Geschwindigkeit v₂, was beträchtliche Reaktionskräfte F₂ (8b) freisetzt, die eine Aufblähung des Federkörpers 108 bewirken. Außer durch die statische Federsteifigkeit ist der Federkörper 108 deshalb durch eine sogenannte „dynamische Blähsteifigkeit” charakterisiert, die in Verbindung mit der effektiven Masse der in dem Überströmkanal 114 schwingenden Hydraulikflüssigkeit die zur Schwingungstilgung wirksame Eigenfrequenz des Hydrolagers 102 im wesentlichen bestimmt. Diese Eigenfrequenz liegt bei einem herkömmlichen Standard-Hydrolager 102 bei ca. 10 Hz.
An einem herkömmlichen Hydrolager 102 ist es unmöglich, den in der Aufgabe geforderten Frequenzbereich von ca. 130 Hz mit rein konstruktiven (Dimensionierungs)Maßnahmen zu realisieren.
Anhand einer Gegenüberstellung sollen nun die wesentlichen Gemeinsamkeiten und die Unterschiede zu einem erfindungsgemäßen Hydrolager 2 erläutert werden.
Das in den 1 bis 6 dargestellte erfindungsgemäße Radiallager 2 besteht im Wesentlichen ebenfalls aus einem hülsenförmigen Außenkörper 4 (in 1 gestrichelt dargestellt), einem radial zu diesem beabstandeten inneren Befestigungskörper 6 und einem zwischen dem Außenkörper 4 und dem inneren Befestigungskörper 6 befindlichen zweischenkligen Federkörper 8. Eine ebenfalls zwischen den Schenkeln 8a, 8b des Federkörpers befindliche, nach außen vom Außenkörper 4 begrenzte Arbeitskammer 10 ist ebenfalls volumenveränderlich mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt.
Auch weist das erfindungsgemäße Lager 2 beidseitig jeweils eine mit elastischer Wandung (flexible Membran 22a, 22b) versehene Ausgleichskammer 20a, 20b auf, die ebenfalls über einen Verbindungskanal 24 miteinander verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist nun die Arbeitskammer 10 mit beiden Ausgleichskammern 20a, 20b über jeweils einen Überströmkanal 14a, 14b verbunden. Diese Überströmkanäle 14a, 14b bestehen aus einem (teilweisen) Fehlen der beiden Seitenwände (vgl. Stege 112a, 112b; 7) der Arbeitskammer 10. Die Breite B der Kanäle 14a, 14b ist identisch mit der gesamten Höhe H des zylindrischen Lagers 2. Die Länge L der beiden Kanäle 14a, 14b ist beträchtlich geringer als ihre Breite B. Die Kanäle 14a, 14b gehen strömungsgünstig unmittelbar in die sich jeweils anschließende Ausgleichkammer 20a, 20b über. Die beiden Überströmkanäle 14a, 14b sind zueinander parallelgeschaltet; somit addieren sich ihre jeweiligen Querschnitte zu einem Gesamtquerschnitt A₂. Da beide Ausgleichskammern 20a, 20b direkt über jeweils einen Überströmkanal 14a bzw. 14b mit der volumenveränderlichen Arbeitskammer 10 verbunden sind, dient der die beiden Ausgleichskammern 20a, 20b überbrückende Verbindungskanal 24 lediglich dem Ausgleich bei asymmetrischer Belastung des Lagers 2.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion ist erstmals eine Dimensionierung von Überströmkanälen gelungen, die es ermöglicht, die für die Absorption relevante Frequenz in den Bereich von ca. 130 Hz zu legen, wobei sich die relevante Frequenz auch hier aus der effektiven Masse der in den Überströmkanälen schwingungsfähigen Hydraulikflüssigkeit in Verbindung mit der dynamischen Blähsteifigkeit des Federkörpers, (die mit dem „Kolbenquerschnitt” A₁ und der in der Arbeitskammer 10 gegebenen Strömungsgeschwindigkeit v₁ gegeben ist,) berechnet.
Um die „Fehlanpassung” zwischen „Kolbenquerschnitt” A₁ und der Summe der Überströmkanal-Querschnittsflächen A₂ weiter zu verringern, weist die Arbeitskammer 10 Einschnürungen 26a, 26b auf.
Um die dynamische Steifrgkeit so gering wie möglich zu halten, sollte die Hydraulikflüssigkeit eine möglichst geringe Viskosität aufweisen, d. h. möglichst dünnflüssig sein. Auch sollte die Viskosität der Flüssigkeit und die Geometrie der Übergänge 10 <-> 14 <-> 20 so gewählt sein, dass die Strömung der von einer Karmmer in die andere bewegten Flüssigkeit möglichst laminar erfolgt.
Dies ist bekanntlich dann der Fall, wenn die Reynolds'sche Zahl R_e = ρ·r·v/η < 1200 ist, mit ρ = Dichte der Flüssigkeit, η = Viskosität, r = charakteristische Länge, v = Geschwindigkeit der Flüssigkeit.
Bei der Realisierung des Lagers hat sich eine Viskosität im Bereich von η = 0,01 g·cm^–1·s^–1 (Wasser, 20°C) bis η = 14,9 g·cm^–1·s^–1 (Glycerin, 20°C) als besonders geeignet erwiesen.
Aus praktischen Erwägungen sollte dem Wasser bei Verwendung als Hydraulikflüssigkeit ein Frostschutzmittel, z. B. Glykol oder Glyzerin, d. h. zwei- oder dreiwertiger Alkohol, beigemengt werden.
Außerdem sollte darauf geachtet werden, dass stets ein genügender Abstand zum Siedepunkt der Hydraulikflüssigkeit gewährleistet ist, um Kavitation zuverlässig auszuschließen.
Bezugszeichenliste

2: Radiallager, Lager, Hydrobuchse
4: hülsenförmiger Außenkörper
6: innerer Befestigungskörper
8: zweischenldiger Federkörper, Tragkörper
8a, 8b: Schenkel des Federkörpers 8
10: Arbeitskammer
14a, 14b: Überströmkanal, Kanal
20a, 20b: Ausgleichskammer
22a: flexible Membran der Ausgleichskammer 20a
22b: flexible Membran der Ausgleichskammer 20b
24: Verbindungskanal
26a, 26b: Einschnürung(en)
A₁: Querschnittsfläche des „Kolbens” 8
A₂: Summe der Querschnitte 14a, 14b
a₂: Querschnittsfläche des Überströmkanals 114
v₁: Hydraulik-Geschwindigkeit im „Kolben”
v₂: Hydraulik-Geschwindigkeit im Überströmkanal
F₁: (dynamische) Last
F₂: Reaktionskraft, Blähsteifigkeit
ΔV: verdrängtes Volumen
H: Zylinderhöhe des Lagers
L: Kanal-Länge
B: Kanal-Breite
102: Standard-Hydrobuchse, Lager
104: hülsenförmiger Außenkörper
106: innerer Befestigungskörper
108: zweischenldiger Federkörper
108a, 108b: Schenkel des Federkörpers 108
110: Arbeitskammer
112a, 112b: Steg
114: Überströmkanal
116: Öffnung des Überströmkanals zur Arbeitskammer
118: Öffnung des Überströmkanals zur Ausgleichskammer 120a
120a, 120b: Ausgleichskammer(n)
122a: flexible Membran der Ausgleichskammer 120a
122b: flexible Membran der Ausgleichskammer 120b
124: Verbindungskanal

Claims

Hydrobuchse (2) zur radialen Lagerung insbesondere eines Motors in einem Kraftfahrzeug, – mit einem hülsenförmigen Außenkörper (4), – mit einem radial zu diesem beabstandeten inneren Befestigungskörper (6), – mit einem zwischen Außenkörper (4) und innerem Befestigungskörper (6) befindlichen, zweischenkligen Federkörper (8), wobei sich zwischen den Schenkeln (8a, 8b) des Federkörpers (8) eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte, nach außen vom Außenkörper (4) begrenzte, volumenveränderliche Arbeitskammer (10) befindet, und – mit seitlich mindestens einer, mit elastischer Wandung (flexible Membran 22a und/oder 22b) versehenen Ausgleichskammer (20a und/oder 20b), wobei die Arbeitskammer (10) mit der mindestens einen Ausgleichskammer (20a und/oder 20b) über einen Überströmkanal (14a und/oder 14b) verbunden ist, und wobei die Kammern (10, 20a und/oder 20b) und Kanäle (14a und/oder 14b, 24) mit einer niedrig viskosen Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen – der Querschnittsfläche („Kolbenfläche”, A₁) der Arbeitskammer (10), – der dynamischen Blähsteifigkeit des Federkörpers (8), und – der Länge (L) und der Querschnittsfläche (A₂) des mindestens einen Überströmkanals (14a und/oder 14b) so gewählt sind, dass die Hydrobuchse (2) eine Eigenfrequenz von ca. 130 Hz aufweist.
Hydrobuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der effektiven Querschnittsfläche (A₁) der Arbeitskammer („Kolben”, 10) zu der Querschnittsfläche (A₂) des mindestens einen Kanals (14a und/oder 14b) bei 0,1 bis 10 liegt.
Hydrobuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (A₁:A₂) der Querschnittsflächen (A₁ und A₂) von „Kolben” (10) und Kanal (14a und/oder 14b) zueinander bei ca. 2,2 liegt.
Hydrobuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (L) des mindestens einen Überströmkanals (14a und/oder 14b) zu der gesamten Querschnittsfläche (A₂) des mindestens einen Überströmkanals (14a und/oder 14b) bei 0,1 bis 4,0 liegt.
Hydrobuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (L) zu Fläche (A₂) des mindestens einen Überströmkanals (14a und/oder 14b) ca: 1,5 beträgt.
Hydrobuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Querschnitt („Kolbenfläche”, A₁) der Arbeitskammer (10) durch mindestens eine Einschnürung (26a und/oder 26b) gekennzeichnet ist.
Hydrobuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina von Arbeitsraum (10) und dem mindestens einen Überströmkanal (14a und/oder 14b) im Verhältnis von 0,1 bis 4 liegen.
Hydrobuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis von Arbeitsraum (10) und dem mindestens einen Überströmkanal (14a und/oder 14b) zwischen 1,0 und 3,0 liegt.