DE2929084A1 - Elastischer stuetzblock - Google Patents

Description

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Elastischer Stützblock

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elastischen Stützblock aus einem Elastomer insbesondere zur Aufhängung der Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen.

Ein derartiger Stützblock soll die folgenden Eigenschaften aufweisen:

eine genau definierte statische Festigkeit, da der Hauptzweck eines derartigen Stützblocks die Aufnahme einer statischen Last ist. Die Festigkeit hängt dabei von den geometrischen Abmessungen des Stützblocks und der Härte des verwendeten Elastomers ab;

eine bestimmte Dämpfungswirkung bei auftretenden Belastungen geringer Frequenzen von 10 bis 20 Hz und starken Amplituden in der Größenordnung von 0,5 bis 5 mm um so die Schwingungen der aufgehängten Masse zu begrenzen (die insbesondere bei Kraftfahrzeugen als "Nick-Effekt" (hachis) bekannt sind; eine geringe dynamische Versteifung gegenüber hohen Frequenzen von 50 bis 300 Hz ungefähr, um eine gute Filtereigenschaft für die lärmerzeugenden Schwingungenzu gewährleisten.

Eine der Eigenschaften visko-elastischer Materialien, wie z.B. Elastomer, liegt in der Erhöhung des dynamischen Steifigkeitsgrades mit der Frequenz und demzufolge in einer abnehmenden Filterwirkung gegenüber Schwingungen. Je stärker die Dämpfungswirkung dieses Materials ist, desto stärker macht sich diese Erhöhung bemerkbar. Durch geeignete Wahl der Mischungsverhältnisse konnten bisher akzeptable Kompromisse erzielt werden, wobei es jedoch scheint, daß man nunmehr eine Grenze erreicht hat.

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Es wurde auch bereits versucht, die Dämpfungswirkung von der Wirkungder Steifigkeit durch die Anordnung verschiedener Vorrichtungen zu trennen. Eine solche Vorrichtung besteht darin, daß ein Stützblock verwendet wird, der zwei innere über eine geeignete öffnung miteinander in Verbindung stehende Kammern aufweist, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche eine mit der Temperatur stabile Viskosität aufweisen. Eine andere Vorrichtung verwendet die Parallelverbindung eines Stoßdämpfers und einer nur wenig dämpfenden Aufhängung, wodurch eine gute Filterwirkung gegenüber hohen Frequenzen erzielt wird. Der Stoßdämpfer kann dabei hydraulisch sein oder vom Typ des dynamischen Dämpfers. Alle diese Vorrichtungen sind jedoch relativ kompliziert, teuer und erfordern oftmals genaue Einstellungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,einen Stützblock zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile vermieden sind, der also einfach aufgebaut ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung schafft also auf einfache, billige und zuverlässige Weise einen Stützblock , der aus der Vereinigung eines Elastomers mit einem dynamischen Dämpfer besteht, wobei letzterer als Phasenschieber ausgebildet ist. Das Prinzip eines derartigen dynamischen Dämpfers für Schwingungen, der eine Phasenschiebung erzeugt, ist an und für sich bekannt.

Zwischen dem schwingenden Teil (z.B. dem Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges) und dem Aufbau , auf den die Schwingungen übertragen werden (z.B. das Fahrgestell eines Kraftfahrzeuges)

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werden die elastischen,die Schwingungen dämpfenden Stützblöcke angeordnet. Das Vorsehen eines Phasenschiebers bedeutet dabei das Vorsehen einer Masse, die über die elastischen Teile einerseits mit dem schwingenden Teil und andererseits mit dem haltenden Teil verbunden ist. Diese Vorrichtung besitzt eine Eigenfrequenz, die der Resonsanzfrequenz der Masse an den elastischen Teilen entspricht.

Wie bei jedem Schwingungssystem mit einem Freiheitsgrad schwingt die Masse in Phase,solange die Schwingungsfrequenz unterhalb der Eigenfrequenz liegt und gegenphasig, sofern sie darüber liegt.

Oberhalb dieser-Eigenfrequenz , die durch die Größe der Masse und die Steifigkeit der elastischen Teile bestimmt wird, werden auf die Haltestruktur einerseits eine Schwingung übertragen, die vom elastischen Stützblock stammt und in Phase mit der Anregung ist und andererseits eine Schwingung übertragen, die vom Phasenschieber stammt und gegenphasig ist. Durch richtige Wahl der den Phasenschieber bildenden Bauteile kann also eine totale oder teilweise Auslöschung der dem Halteteil übertragenen Schwingungen erzielt werden.

Erfindungsgemäß tritt also die Phasenschiebebewirkung im schwingungsdämpfenden Stützblock selbst auf, wodurch der oben erwähnte Auslöschungseffekt erzielt wird. Diese Äuslöschung erfolgt also nicht erst in der die Schwingungen aufnehmenden Haltestruktur, sondern im Stützblock selbst/ d.h. also,auf dem Hauptübertragungsweg der Schwingung erfolgt eine überlagerung t'sr in Phase auftretenden Hauptschwingung mit einer gegenphasigen Schwingung, bevor diese noch die Haltestruktur erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher er-

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läutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Stützblocks, dessen Umfang mit einer Phasenschiebervorrichtung versehen ist , wobei der Stützblock kreisförmig, viereckig oder andersartig ausgestaltet sein kann;

Figur 2 ein Funktionsschema für den in Figur 1 dargestellten Stützblock;

Figur 3 eine grafische Darstellung der Schwingungsübertragung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einem elastischen Stützblock ohne Phasenschieber und

Figur 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stützblocks mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Begrenzung der Schwingungsamplitude, die beim überschreiten der Resonanzfrequenz des Phasenschiebers auftritt.

Wie Figur 1 zeigt, weist der elastische Stützblock mit zugehörigem Phasenschieber einen Gummiblock 1 auf, der beispielsweise aus natürlichem Kautschuk mit einer Shore A Härte von 40 bis 50 bestehen kann und 15 bis 20 Teile Ruß aufweist. In herkömmlicher Art und Weise ist dieser Block an zwei Befestigungsbeschlägen 2 und 2' mittels Adhäsion befestigt, die mittels des Vulkanisiervorgangs durchgeführt wird. Die Ausgestaltung dieser Beschläge kann dabei sehr einfach oder auch kompliziert sein; sie sind mit mechanischen Teilen versehen zur Befestigung des Stützblocks an seiner EiHsatzsteile. Gemäß Figur 1 besteht so ein Halteteil aus einer angeschweißten Schraube.

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Entlang des Umfangs dieses Blocks aus Elastomer ist ein elastischer Ring 3 als Phasenschieber angeordnet. Der Ring kann dabei am Block durch elastischen Preßsitz oder durch Klebung befestigt sein. Andererseits ist der Ring fest mit einer trägen Masse 4 durch Klebung, Adhäsion oder Vulkanisation verbunden. Ein einfaches Herstellungsverfahren besteht darin, die Teile 1, 2, 2" und den Phasenschieber 3, 4 getrennt hereustellen und anschließend zusammenzufügen. Um zu vermeiden, daß sich der Phasenschieber bezüglich des Blockes 1 verschiebt, weist der Block vorteilhafterweise eine Nut 5 auf, in welcher der Ring 3 eingreift. Der Ring 3 kann dabei aus einem natürlichen oder synthetischen Kautschuk z.B. des Typs SBR bestehen, der 30 bis 70 Teile Ruß aufweist. Die genaue Materialauswahl hängt von den gewünschten Eigenschaften ab, gemäß der späteren Anwendung.

Figur 2 zeigt ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter herkömmlicher Darstellung von Massen und Federn.

Das schwingende Teil befindet sich dabei auf der mit A bezeichneten Seite, wobei seine Bewegung durch die Anregungsamplitude a angedeutet ist. Die Haltestruktur befindet sich auf der mit B bezeichneten Seite und nimmt die übertragene Kraft F. auf. Mit K ist die Gesamthärte des elastischen Stützblocks allein bezeichnet. Der Faktor K kann dabei in drei additive Steifigkeiten unterteilt werden und zwar in k,. und k_ oberhalb bzw. unterhalb des Phasenschiebers und in k_ , welche parallel zu ihm liegt. In der Praxis gibt K nicht genau die Steifigkeit des einfachen Stützblocks wieder, da der Phasenschieber einen Einschnüreffekt erzeugt, der die statische Härte der Gesamtanordnung erhöht. Mit m ist die Masse des Trägheitsringes 4 des Phasenschiebers bezeichnet, während k¹ ₁ und k'₂ die Härte des elastischen Ringes 3 darstellen.

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Die Resonanzfrequenz des Phasenschiebers hängt dabei ab:

von der Masse m und

von den Steifigkeiten k.. + k' sowie k + k', d.h. sowohl von den Eigenschaften des Elastomers, aus dem der Ring 3 gebildet ist als auch von demjenigen aus dem der elastische Block 1 besteht.

Der Außendurchmesser des zentralen Blocks kann z.B. 53 mm betragen, seine Höhe 35 mm und er kann aus natürlichem Kautschuk mit einer Shore Härte von 45 bestehen. Verbindet man ihn nunmehr mit einem Phasenschieber, der wie folgt aufgebaut ist:

- Kautschukring 3 mit einer Shore Härte von 55, einer Höhe von 26 mm , einem Außendurchmesser von 74 mm und einem Innendurchmesser von 53 mm,

- eine Metallmasse 4 von 880 g, die ringförmig ausgestaltet ist mit einer Höhe von 35 mm, einem Außendurchmesser von 98 mm und einem Innendurchmesser von 74 mm,

so erhält man einen elastischen Stützblock, dessen statische Kompressionssteifigkeit in der Größenordnung von 50 daN/mm liegt und der mit einem Phasenschieber versehen ist, dessen kritische Frequenz (Eigenfrequenz) in der Größenordnung von 125 Hz liegt.

Figur 3 verdeutlicht den durch den Phasenschieber erzielten Effekt durch Vergleich der Ubertragungskurven des Stützblocks mit und ohne eingebautem Phasenschieber.

Zum Erhalt dieser Kurven wird auf dem oberen Beschlag 2 des Stützblocks (bei A in Figur 2) eine sinusförmige Belastung mit konstanter Amplitude a und veränderlicher Frequenz ausgeübt. Auf Höhe des unteren Beschlages 2' (bei B in Figur 2) wird die vom Block übertragene Kraft F, gemessen. Je geringer diese Kraft ist desto besser ist die Filterwirkung bezüglich der Schwingungen.

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Wie Figur 3 zeigt wurden die Verhältnisse F /a in Einheiten von daN/nun als Funktion der Anregungsfrequenz aufgetragen. Bei der Frequenz Null entspricht die Ordinate des Punktes C der statischen Steifigkeit des Stützblocks. Für den Stützblock allein nimmt die Steifigkeitskurve zu , wobei die Richtung der Konkavität von der Art des verwendeten Elastomers abhängt. Diese Zunahme, die eine charakteristische Eigenschaft der Steifigkeit visko-elastischer Materialien ist, erklärt die abnehmende Filterwirkung mit höheren Anregungsfrequenzen.

Im Falle des Stützblocks mit Phasenschieber bemerkt man zuerst eine erhöhte Steifigkeit bezüglich des Stützblocks ohne Phasenschieber (Teil CD der Kurve). Für tiefe Frequenzen, d.h. solange die Eigenfrequenz des Phasenschiebers noch nicht erreicht ist, ist in der Tat die Masse des Phasenschiebers mit der Anregung in Phase. Ihre Trägheitskraft überlagert sich den von der Anregungsquelle stammenden Kräften und erhöht demzufolge deren Übertragung. In diesem Frequenzbereich ist die Wirkung des Phasenschiebers daher eher schädlich. Andererseits ist die Intensität bei diesen relativ tiefen Frequenzen jedoch sehr gering. Des weiteren ist es wenig wahrscheinlich, daß bei diesen Frequenzen in der aufnehmenden Haltestruktur Resonatoren vorhanden sind. Die übertragenen Schwingungen verlieren sich anschließend in der Haltestruktur durch innere Dämpfung. Es ist weiterhin möglich,gewisse Vorkehrungen zu treffen um diesen schädlichen Effekt zu beseitigen, insbesondere in der Nähe der Resonanzfrequenz des Phasenschiebers,wie es weiter unten noch näher beschrieben werden wird.

Erreicht die Anregungsfrequenz die Resonanzfrequenz f des Schwingers (batteur), so bemerkt man einen plötzlichen Abfall der übertragenen Kraft (Zweig DE der Übertragungskurve). Die Ordinate des Punktes E kann ohne weiteres kleiner als diejenige des Punktes C gehalten werden; die auftretende dynamische

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Steifigkeit des Stützblocks ist also kleiner als die statische Steifigkeit.

Für Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz des Phasenschiebers wirkt sich nun die Gegenphasigkeit aus. Die übertragene Kraft (Zweig EF der Kurve) steigt erneut, jedoch: -ausgehend von einem Punkt, der unterhalb desjenigen für den Stützblock ohne Phasenschieber liegt,

-mit einem Anstieg, der im allgemeinen kleiner als derjenige des Stützblocks allein ist, zumindest für einen richtig bemessen Phasenschieber.

Für eine gegebene Anregungsfrequenz ist der Abstand zwischen den Ordinaten der Punkte auf den zwei Kurven gleich dem Gewinn an dynamischer Steifigkeit, der durch den phasenschiebenden Effekt erzielt wird und der charakteristisch für die Verbesserung der Filterwirkung gegenüber Anregungsschwingungen ist.

Bei sehr hohen Frequenzen (z.B. bei 500 Hz) bleibt der Einfluß des Phasenschiebers ohne Wirkung. Bei diesen Frequenzen ist jedoch das Anregungsniveau sehr gering und die übertragene Energie nicht ausreichend um mögliche Resonanzeffekte im Aufbau zu erzeugen.

Auf jeden Fall besteht für eine Anordnung aus einem zu isolierenden schwingenden Teil, einem aufnehmenden Teil und einer bestimmten Art Schwingungen, ein Stützblock mit eingebautem Phasenschieber, deren Eigenschaften optimal gewählt werden können zur Verbesserung der Filterwirkung. Die dabei veränderlichen Parameter sind die folgenden:

- die Abmessung des elastischen Blocks 1

- das Material des den Block bildenden Elastomers

- die Abmessungen des elastischen Ringes 3

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- das Material des den Ring 3 bildenden Elastomers

- die Größe der trägen Masse 4

- die Klemmwirkung zwischen dem Ring 3 und dem Block 1. Dieser Klemmgrad muß unter den Einsatzbedingungen des Stützblocks, d.h. unter statischer Belastung bestimmt werden. Da die Verformungen des Gummis bei konstantem Volumen erfolgen, bedeutet jedes Zusammendrücken des Stützblocks in Belastungswirkung eine Vergrößerung seiner seitlichen Abmessungen und damit eine Erhöhung der Klemmwirkung zwischen dem Ringbereich und dem Block 1. Die Klemmwirkung wiederum hat einen Einfluß auf die Eigenschaften des Phasenschiebers sowie auf die statische Härte der gesamten Anordnung (bereits oben erwähnter Einschnüreffekt).

Zur Verringerung des schädlichen Effektes des"Phasenschiebers vor Erreichen der Resonanzfrequenz und insbesondere zur Verringerung des Scheitelpunktes der Übertragungskurve knapp vor Erreichen dieser Frequenz (Punkt D in Figur 3), können folgende Maßnahmen angewandt werden.

Die erste besteht darin,für den Ring 3 eine Gummimischung zu verwenden, die einen geringen Dämpfungseffekt aufweist. Wie an und für sich bekannt,wird dadurch die Bewegungsamplitude der Masse. 4 während des Überschreitens der Resonanz begrenzt, wodurch auch der Trägheitseffekt in diesem Bereich verringert wird. Die Dämpfungswirkung sollte dabei jedoch sehr klein gehalten werden um nicht die Wirksamkeit des Phasenschiebers bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz zu beeinträchtigen.

Eine andere Möglichkeit ist in Figur 4 dargestellt. Sie besteht im Einsatz eines zweiten dynamischen Dämpfers, der aus einer Gummihülle 6 und einer Masse 7 besteht, die miteinander fest verbunden sind und mit der Masse 4 durch mechanische Klemmwirkung, Verklebung oder während der Vulkanisation aufgebrachte

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Adhäsion fest verbunden sind. Ein derartiger dynamischer Dämpfer oder Schwinger ist an und für sich bekannt. Die Wahl des elastischen Materials für den Ring 6 und die Größe der Masse 7 werden so gewählt , daß die Bewegung der Masse 4 des Phasenschiebers für einen Frequenzbereich unterhalb von f gedämpft wird. Bei richtiger Wahl dieser Parameter ist der Einfluß dieses Schwingers (batteur) für höhere Frequenzen vernachlässigbar und der Phasenschieber erfüllt genau die im zugedachte Rolle.

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Claims (5)

1. Patentansp r ü c h e

   Elastischer Stützblock aus einem Elastomer,insbesondere zur Aufhängung der Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen, da durch gekennzeichnet , daß er im wesent lichen aus einem zentralen Gummiblock besteht, dessen obere und untere Flächen mit Beschlägen zum Befestigen des Stützblocks an den miteinander zu verbindenden Teilen versehen sind und daß ein Ring aus Elastomer , der mit einer trägen Masse verbunden ist, an der Außenfläche des Gummiblocks befestigt ist und als phasenschiebender dynamischer Dämpfer wirkt.
2. 2. Stützblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Gummiblock 15 bis 20 Teile Ruß enthält und eine Shore A Härte von 40 bis 50 aufweist.

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3. 3. Stützblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Umfang des Gummiblocks angeordnete Ring aus Elastomer aus Naturgummi oder synthetischem Gummi besteht, 30 bis 70 Teile Ruß enthält und eine Shore A Härte von ungefähr 55 aufweist.
4. 4. Stützblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang des Gummiblocks eine Nut aufweist, in die der Ring eingreift.
5. 5. Stützblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anordnung zur Dämpfung der Resonanzschwingung der phasenschiebenden Masse aufweist, wobei diese Anordnung aus einem Schwinger besteht, der auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt ist und die Form einer elastischen Hülle hat, die mit einer zweiten Masse fest verbunden ist.

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