Schwingungstilger dienen dazu, einer schwingenden
Struktur Schwingungsenergie zu entziehen, indem diese Schwingungsenergie
auf die elastisch angekoppelte Tilgermasse übertragen und durch die inhärente Dämpfung des
für die
elastische Ankopplung verwendeten Federelements aus Elastomerwerkstoff
in Wärme
umgewandelt wird. Die Schwingungsdämpfung mit einem Schwingungstilger ist
im Bereich der Tilgereigenfrequenz, d.h. der Eigenfrequenz der elastisch
angekoppelten Tilgermasse sehr gut. D.h., wenn die Tilgereigenfrequenz
auf eine störende
Schwingung der Struktur abgestimmt wird, kann diese Schwingung sehr
effektiv gedämpft werden.
Wenn diese Abstimmung jedoch verloren geht, geht die Effektivität des Schwingungstilgers schnell
zurück.
Wenn beispielsweise im Automobilbereich ein
Schwingungstilger eingesetzt wird, um Schwingungen eines Kraftfahrzeugteils
zu dämpfen,
die von dem Motor des Kraftfahrzeugs im Leerlauf angeregt werden,
so ist die Effektivität
des Tilgers gut, solange seine Eigenfrequenz auf die Leerlaufdrehzahl
des Motors passt. Wenn sich jedoch entweder die Tilgereigenfrequenz
des Schwingungstilgers oder die Leerlaufdrehzahl des Motors ändert, geht
diese Abstimmung verloren. Selbst wenn die Leerlaufdrehzahl elektronisch
konstant gehalten wird, ist die Steifigkeit des Elastomerwerkstoffs,
die die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers neben der Größe der Tilgermasse
bestimmt, von der Temperatur des Elastomerwerkstoffs und Alterungseinflüssen auf
den Elastomerwerkstoff nicht unerheblich abhängig. Es ist zwar möglich, mit
besonders hochwertigen Materialien sowohl den Temperatureinfluss
als auch Alterungseinflüsse
auf den Elastomerwerkstoff zu reduzieren, doch verursacht dies nicht
nur unerhebliche Kosten für
den Elastomerwerkstoff, sondern die hiermit erzielbaren Erfolge
sind auch begrenzt.
Bei einem Schwingungstilger der eingangs beschriebenen
Art ist die Steifigkeit des Federelements aus Elastomerwerkstoff
veränderbar,
um die Tilgereingenfrequenz des Tilgers einzustellen, um beispielsweise
Temperatur- und Alterungseinflüsse zu
kompensieren.
Ein Schwingungstilger der eingangs
beschriebenen Art ist aus der
DE 100 52 884 A1 bekannt. In den Federelementen
aus Elastomerwerkstoff ist ein Hohlraum vorgesehen, der mit einem
Fluidum unterschiedlich stark beaufschlagbar ist, um die Tilgereigenfrequenz
auf einen gewünschten
Wert einzustellen. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass
sehr große
Druckunterschiede bei der Beaufschlagung des Hohlraums in dem Federelement
aus Elastomerwerkstoff notwendig sind, um relevante Verschiebungen
der Tilgereigenfrequenz zu realisieren. Durch höhere Drücke in dem Hohlraum wird der umgebende
Elastomerwerkstoff auf Zug beansprucht, was die Lebensdauer des
Federelements reduziert.
Aus der
EP 0 784 163 B1 ist eine
Buchse mit veränderlicher
Steifigkeit für
Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich bekannt. Konkret wird eine Federungsbuchse
mit variabler Steifigkeit zur Kontrolle der relativen Bewegung zwischen
einem Federungslenker in einem Kraftfahrzeug und einem Rahmenbauteil
des besagten Fahrzeugs beschrieben, die ein Federelement aus einem
magnetorheologischen Elastomerwerkstoff aufweist. Die magnetorheologische
Eigenschaft des Elastomerwerstoffs basiert auf eingebetteten metallischen
Partikeln, die beim Aushärten
des Elastomerwerkstoffs durch ein äußeres magnetisches Feld ausgerichtet
werden. Das Federelement aus dem magnetorheologischen Elastomerwerkstoff
ist zwischen einer Innenhülse
und einer Außenhülse ringförmig angeordnet.
Im Bereich der Innenhülse
ist eine Spule aus einem elektrischen Leiter vorgesehen, mit der
ein Magnetfeld erzeugbar ist, das sich durch den Elastomerwerkstoff
des Federelements erstreckt und mit dem dessen Steifigkeit veränderbar
ist. Auf diese Weise ist die Steifigkeit der Federungsbuchse einstellbar.
In der
EP 0 784 163
B1 ist angesprochen, dass die dort beschriebene Erfindung
auch in anderen Kraftfahrzeugkomponenten einsetzbar ist. Als Beispiel
sind "Drive-Train-Dampers" angegeben, ohne
dass hierzu nähere
Erläuterungen
gegeben werden. Bei der bekannten Federungsbuchse ist nachteilig,
dass ihre Herstellung unter Aufbringung eines äußeren Magnetfelds erfolgen soll.
Dies wird insbesondere dann mit Schwierigkeiten verbunden sein,
wenn die Aushärtung
des Elastomerwerkstoffs in einer metallischen Form erfolgen soll,
die ein äußeres Magnetfeld
in aller Regel ganz erheblich beeinflussen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Schwingungstilger der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen,
der mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und der dennoch
die Einstellung seiner Tilgereigenfrequenz über einen relativ großen Frequenzbereich
erlaubt.
LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem
Schwingungstilger der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass
in dem Elastomerwerkstoff eine Vielzahl von voneinander getrennten
Partikeln aus vorübergehend
magnetisierbarem Metall eingebettet ist, dass die Tilgermasse eine
Spule eines elektrischen Leiters aufweist, die in einer Ringnut
in einer der Basisplatte aus vorübergehend
magnetisierbarem Material zugewandtem und an den Elastomerwerkstoff
angrenzenden Unterseite des Massekörpers aus vorübergehend
magnetisierbarem Metall angeordnet ist, und dass der elektrische
Leiter an eine Stromquelle zur Beaufschlagung der Spule mit einem
Strom veränderbarer
Stromstärke
anschließbar
ist.
BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Schwingungstilger weist
der Elastomerwerkstoff aufgrund der eingebetteten Partikel magnetorheologische
Eigenschaften auf. D.h., er verändert
seine Steifigkeit unter der Auswirkung eines äußeren magnetischen Felds. Dieses äußere magnetische
Feld wird von der Spule erzeugt und von dem Massekörper und
der Basisplatte geführt, wobei
die magnetischen Feldlinien den Elastomerwerkstoff des Federelements
durchlaufen und dort die Partikel mit zunehmender magnetischer Feldstärke zunehmend
magnetisieren, bis eine Sättigung
erreicht wird. Hieraus resultieren zwischen der magnetischen Feldstärke null
und der Sättigung
eine zunehmenden Steifigkeit des Elastomerwerkstoffs und damit eine
zunehmende Tilgereigenfrequenz des neuen Schwingungstilgers. Eine
Erhöhung
der Tilgereigenfrequenz um einige 10 % ist realistisch. Die nicht
unerhebliche Masse einer Spule, mit der ein Magnetfeld einer Magnetstärke, welche
ausreichend ist, um die Steifigkeit des Elastomerwerkstoffs nennenswert
zu verschieben, hervorgerufen werden kann, ist bei dem neuen Schwingungstilger
der Tilgermasse zugeordnet. Sie stellt demnach kein totes Gewicht
des Schwingungstilgers dar, weil seine Tilgermasse sowieso eine
gewisse Größenordnung
erreichen muss. Auch die Basisplatte und der Massekörper haben
bei dem neuen Schwingungstilger eine Doppelfunktion. Beide dienen
zur Führung
des magnetischen Felds und sind zusätzlich Teil der Tilgermasse
einerseits bzw. dienen zur starren Ankopplung des Schwingungstilgers
an die Struktur, deren Schwingungen zu dämpfen sind, andererseits. Durch
diese Doppelfunktionen kann der Gesamtaufwand für den neuen Schwingungstilger
sowohl was seine Herstellungskosten als auch sein Einsatzgewicht
anbelangt, relativ niedrig gehalten werden.
In einer konkreten Ausführungsform
kann der neue Schwingungstilger eine Tilgerachse aufweisen, zu der
zumindest die Tilgermasse und das Federelement rotationssymmetrisch
ausgebildet sind. Auch die Basisplatte kann rotationssymmetrisch
zu dieser Tilgerachse ausgebildet sein.
Aus Sicherheitsgründen kann eine Verliersicherung
für die
Tilgermasse vorgesehen sein, die ein Herabfallen der Tilgermasse
verhindert, wenn sie sich von dem Federelement ablöst bzw.
das Federelement sich von der Basisplatte ablöst. Dabei umfasst die Verliersicherung
vorzugsweise mindestens ein Anschlusselement für den elektrischen Leiter,
welches sowieso zu der Tilgermasse hin verläuft. Ein solches Anschlusselement
kann beispielsweise ein flexibles Drahtgewebe aufweisen, das die
Schwingungen der Tilgermasse mitmacht, ohne hierdurch beeinträchtigt zu
werden.
Vorzugsweise sind metallische Bestandteile der
Verliersicherung aus para- oder diamagnetischem Metall ausgebildet,
um das Magnetfeld, welches mit der Spule hervorgerufen wird, nicht
so zu umzulenken, dass es nur noch durch die metallischen Bestandteile
der Verliersicherung verläuft.
Die Basisplatte und/oder die in den
Elastomerwerkstoff eingebetteten Partikel und/oder der Massekörper sollten
aus ferromagnetischem Metall ausgebildet sein. Die Basisplatte und
der Massekörper
sind vorzugsweise aus einem magnetisch hochpermeablen Metall, wie
zum Beispiel sogenanntes Weicheisen, ausgebildet. Die in den Elastomerwerkstoff
eingebetteten Partikel sind von ihrer Größe und ihrem Material her so
auszuwählen,
dass sie über den
gesamten Bereich der Betriebstemperaturen des Schwingungstilgers
durch ein Anwachsen des äußeren magnetischen
Felds zunehmend magnetisierbar sind und bei einem Wiederabfallen
des äußeren magnetischen
Felds ihre Magnetisierung wieder verlieren. Damit ist die Einstellbarkeit
der Tilgereigenfrequenz des neuen Schwingungstilgers über den
gesamten Bereich der Betriebstemperaturen dauerhaft gegeben. Da
Magnetisierungen immer ein Hysterese aufweisen, muss diese insbesondere
bei der Festlegung des äußeren magnetischen
Felds für
eine Änderung
der Tildereigenfrequenz in eine von den vorhergehenden Änderungen
abweichenden Richtung berücksichtigt
werden.
Bei dem neuen Schwingungstilger können die
in den Elastomerwerkstoff eingebetteten Partikel eine Vorzugsorientierung
aufweisen, die ihnen beispielsweise durch ein äußeres magnetisches Feld beim
Aushärten
des Elastomerwerkstoffs aufgeprägt wird.
Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich und bei vielen Ausführungsformen
der Erfindung nicht der Fall.
Es ist aber grundsätzlich nicht
erwünscht, dass
sich zusammenhängende
Ketten von Partikeln über
das Federelement hinweg in dem Elastomerwerkstoff ausbilden. Vielmehr
sollen die einzelnen Partikel voneinander beabstandet sein und die
Steifigkeit des Elastomerwerkstoffs dadurch beeinflussen, dass die
nach ihrer Magnetisierung in dem äußeren magnetischen Feld untereinander
Wechselwirken.
Der in den 1 und 2 dargestellte
Schwingungstilger 1 weist eine Basisplatte 2 auf,
die an einer hier nicht dargestellten Struktur zu befestigen ist, deren
Schwingungen mit dem Schwingungstilger 1 gedämpft werden
sollen. An die Oberseite 3 der Basisplatte 2,
die aus Weicheisen 4 besteht, ist ein Federelement 5 aus
Elastomerwerkstoff 6 anvulkanisiert. Über das Federelement 5 ist
eine Tilgermasse 7 elastisch an die Basisplatte 2 angekoppelt.
Die Tilgermasse 7 weist einen Massekörper 8 auf, der wie die
Basisplatte 2 aus Weicheisen 4 besteht, und eine Spule 9 eines
elektrischen Leiters. Die Spule 9 ist auf einen Spulenträger 17 gewickelt
und wird radial nach außen
und in axialer Richtung von einer Spuleneinfassung 18 umschlossen.
Mit dem Spulenträger 17 und
er Spuleneinfassung 18 ist die Spule 9 in einer Ringnut 10 in
dem Massekörper 8 fixiert.
Die Ringnut 10 ist an der Unterseite 11 in dem
Massekörper 8 vorgesehen,
wobei der Massekörper 8 und
die Spule 9 über
die Unterseite 11, welche parallel zu der Oberseite 3 der
Basisplatte 2 verläuft,
an das Federelement 5 aus Elastomerwerkstoff 6 anvulkanisiert
sind. Der hier nicht näher
dargestellte elektrische Leiter, der die Spule 10 ausbildet,
ist an eine ebenfalls nicht dargestellte Stromquelle anschießbar, um
ein magnetisches Feld hervorzurufen, das innerhalb der Spule parallel
zu einer Tilgerachse 12 verläuft und sich nach unten zu
der Basisplatte 2 hin durch das Federelement 5 aus
Elastomerwerkstoff 6 erstreckt, dann durch die Basisplatte 2 radial
von der Tilgerachse 12 weg verläuft, bevor es im Außenbereich
des Schwingungstilgers 1 zurück durch das Federelement 5 zu dem
Massekörper 8 und
dann weiter durch diesen läuft,
bis der Magnetflusskreis geschlossen ist. Mit anderen Worten verlaufen
die Feldlinien des magnetischen Felds durch den Elastomerwerkstoff 6. Gleichzeitig
ist dieser durch hier nicht sichtbare eingebettete Partikel in dem
Sinne magnetorheologisch, dass bei Einwirken eines äußeren magnetischen Felds
die Partikel zunehmend magnetisiert werden und hierdurch die Steifigkeit
des Elastomerwerkstoffs 6 bis zu einer Sättigung
der Magnetisierung der Partikel erhöht wird. Bei einem Wiederabfallen
des magnetischen Felds geht die Magnetisierung der Partikel und
die damit verbundene Steifigkeitszunahme des Elastomerwerkstoffs 6 wieder
zurück.
Auf diese Weise kann die von der Steifigkeit des Elastomerwerkstoffs 6 bestimmte
Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 1 verändert bzw.
auf eine gewünschte Frequenz
eingestellt werden. Eine Verliersicherung 13 für die Tilgermasse 7 an
der Basisplatte 2 besteht hier aus einem biegeweichen Metalldraht 14 mit
zwei Endkappen 15 und 16. Dabei besteht der Metalldraht 13 aus
diamagnetischem Metall, um zu verhindern, dass sich das magnetische
Feld der Spule 9 nur auf seinen Bereich konzentriert und
nicht wie gewünscht durch
den Elastomerwerkstoff 6 des Federelements 5 verläuft, um
dessen Steifigkeit zu verändern.
Die Tilgerachse 12 ist eine Rotationsachse des Schwingungstilgers 1.
Alle dargestellten Bauteile sind hierzu rotationssymmetrisch ausgebildet.
Dies gilt nicht für hier
nicht dargestellte Anschlusselemente für den die Spule 9 ausbildenden
elektrischen Leiter.
Der in den 3 und 4 dargestellte
Schwingungstilger 1 unterscheidet sich von demjenigen, welcher
in den 1 und 2 dargestellt ist, in folgenden
Details. Die Spule 9 ist relativ zu der gesamten Tilgermasse 7 größer ausgebildet,
um mit den beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehenden
Strömen
ein noch größeres Magnetfeld
aufbauen zu können,
das auf den Elastomerwerkstoff 6 einwirkt. Weiterhin ist
die Verliersicherung 13 durch zwei Metalldrähte 14 realisiert,
die zudem als Stromzuführung
zu der Spule 9 dienen können. Letztlich
sind Ohren 19 mit Befestigungsbohrungen 20 an
die Basisplatte 2 angeformt, um die Basisplatte 2 mit
Schrauben an einer Struktur befestigen zu können, deren Schwingungen mit
dem Schwingungstilger 1 zu tilgen sind. Die Metalldrähte 14 der
Verliersicherung 13 sind jeweils einerseits an diesen Ohren 19 und
andererseits an der Tilgermasse 7 gesichert. Die Länge der
Metalldrähte 13 ist
dabei erheblich länger
als der Abstand ihrer endseitigen Befestigungspunkte. Die Verliersicherung 14 kann
auch aus anderen Materialien als Metall ausgebildet sein, wie beispielsweise
aus hinreichend festen Bändern
auf der Basis geeigneter Kunstfasern.