DE3139915A1 - Luftgedaempftes gummilager - Google Patents

Description

HOFFMANN · EITLE <& PARTNER

PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W. EITLE · DR.RER. NAT. K.HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN

DIPl.-ING. K. FDCHSLE . DR. RE R. N AT. B. HANS E N ARABELLASTRASSE 4 . D-8000 MO NCHEN 81" . TELEFON (089) 91108Γ . TELEX 05-29619 (PATHE)

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(1) The Toyo Rubber Industry Co., Ltd. Osaka / Japan

(2) Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha, . Toyota-shi, Aichi-ken / Japan

Luftgedämpftes Gummilager

Die Erfindung bezieht sich auf ein luftgedämpftes Gummilager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Insbesondere betrifft die Erfindung ein luftgedämpftes Gummilager, das solche idealen Federeigenschaften aufweist, daß seine dynamische Federgröße im hohen Frequenzbereich gering und sein Dämpfungskoeffizient im" niedrigen Frequenzbereich groß ist, und das raumsparend · konstruiert ist.

Bei der federnden Lagerung verschiedener Vibrationen erzeugenden Maschinen, wie z. B. Automobilmotoren,mittels eines Vibrationsisolators aus Gummi tritt im Fall der Betätigung oder dem Anhalten der Maschine oder in Folge der Erregung mit einer Frequenzkomponente, die der

Motor in der Nähe der Eigenfrequenz der Lagerung aufweist, eine Resonanz auf, wodurch eine übermäßige Vibrationsamplitude Ursache für verschiedene Störungen ist.

Um derartige Resonanzen zu unter drücken,wurde bisher ein Gummimaterial mit einer hohen Dämpfung verwendet. Derartiges Gummimaterial hat jedoch den Nachteil, daß es kriecht oder "kollabiert" und hat weiter auf Grund des gesteigerten Elastizitätsmoduls nur eine geringe Vibrationsisolationseigenschaft gegenüber Vibrationen hoher Frequenz.

In der letzten Zeit ist man dazu übergegangen Vibrationsdämpfer oder Vibrationsisolatoren zu bauen, bei denen man eine sogenannte Luftfeder verwendete, der die dynamische Federkraft von Luft zugrunde liegt, um derartige Nachteile zu vermeiden. In diesem Fall ist eine großvolumige Luftkammer erforderlich, um eine schwere Last zu tragen, was jedoch zu einem sehr großen Gummilager führt. Wenn andererseits die Dämpfungseigenschaften der Luftfeder im niedrigen Frequenzbereich mit einer hohen Amplitude verbessert werden, in dem man den Dämpfungskoeffizienten in Folge von Luft steigert, steigert sich der dynamische Federanteil in Folge der Luft proportional zu der Steigerung, die zu einer Abnahme der Vibrationsabsorbtionskapazität im hohen Frequenzbereich führt. Wenn man umgekehrt die Vibrationsabsorbtionsleistung im hohen Frequenzbereich verbessert, werden. natürlich die Dämpfungseigenschaften im niedrigen Frequenzbereich vermindert. Insbesondere führt die Luftfeder bei einer Motorlagerung in einem Automobil dazu, daß die Drehzahländerung in einem weiten Bereich zu vielen Störungen geführt hat. Irgendeine Verbesserung

in dieser Hinsicht ist daher dringend erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein luftgedämpftes gummilager der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine zufriedenstellende Vibrationsisolationseigenschaft sowohl im hohen als auch im niedrigen Frequenzbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs!1 und 4 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus· den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführ

ungsform, .bei der eine Druckmembran mit der unteren Kammer und

mit der Atmosphäre in Verbindung steht;
Fig. 2 eine Schnittansieht einer anderen

Ausführungsform, bei der eine Druck-

3Q membran mit der oberen und der

unteren Luftkammer in Verbindung stehtj

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Aus

führungsform ähnlich der von Fig.1,

ßc bei der eine Druckmembran mit der

unteren Luftkammer und der Atmosphäre in Verbindung steht;

e Fig. 4 eine Schnittansicht einer Ausführungsform ähnlich der von Fig.2, bei der eine Druckmembran mit der oberen und unteren Luftkammer in Verbindung steht;
-.Q Fig. -5 und 6 vergrößerte Schnittansichten der

Druckmembran gemäß der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsform; Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht

einer Druckmembran, der in den Fig.

.je 2 und 4 gezeigten Ausführungsform;

Fig, 8 eine vergrößerte Schnittansicht

einer Druckmembran, der in den Fig.

1 und 3 gezeigten Ausführungsform · Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht

2λ einer Druckmembran, der in den Fig.

2 und 4 gezeigten Ausführungsform; Fig. 10 eine graphische Darstellung der Amplitudencharakterisik einer mechanischen Vibration;
Fig. 11 - 14 Darstellungen der Eigenschaften des

luftgedämpften Gummilagers; Fig. 15 und 16 Darstellungen der Eigenschaften

eines gewöhnlichen Gummilagers mit einer Luftdämpfung.

Das in den Fig 1-4 dargestellte Gummilager umfaßt ein oberes Paßstück 1 , ein unteres Paßstück 2, einen zylindrischen Gummikörper 3, einen kolbenförmigen Gummikörper 4 und eine Druckmembran.8.

Die Druckmembran 8, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt»dient zur Absorbtion eines Teils der Größe der in den Luftkammern 9a, 9b in Folge der mechanischen Vibration bewirkten Volumenänderung. D. h.. die

Druckmembran ist geeignet, die Größe der wirksamen Volumenänderung um eine bestimmte Gr.öße zu vermindern, wodurch es möglich ist/ den inneren Druck der Luftkammern im HochfreqiBnzbereich nicht zu steigern.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Druckmembran eine flexible Membran, z. B. aus Gummi,an der auf beiden Seiten in einem bestimmten Abstand Platten vorgesehen sind, um den Bewegungsbereich der Membran zu begrenzen. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbei- ' spiel hat die Druckmembran bei einer leichten Durchbiegung eine Nachgiebigkeit, während ihre Spannung bei Durchbiegungen oberhalb eines bestimmten (Schwell-) Wertes scharf ansteigen , sodaß es schwierig ist, beispielsweise eine litzenverstärkte Gummimembran zu deformieren."

Das obere Paßstück 1 ist ein oberer Sitz,auf dem ein Vibrationsgenerator, z. B. ein Motor, befestigt ist, wogegen das untere Paßstück 2 einen unteren Sitz darstellt, .25 der an einem Rahmen, z.B. eines Fahrzeugs, befestigt wird. Die Art und Weise der Befestigung beider. Paßstücke kann natürlich ebenfalls umgkehrt sein.

Der zylindrische Gummikörper 3 ist als Uhrglass-förmiger Zylinder ausgebildet, dessen Mitte gelocht ist, damit eine Stange 5 druckdicht eingepaßt und durchgeführt werden kann und ist zwischen dem oberen und unteren Paßstück 1, 2 angeordnet, wobei die obere Fläche mit dem oberen Paßstück 1 druckdicht einheitlich verklebt und die untere umgebende Fläche druckdicht und fest mit dem unteren Paßstück 2 verklebt ist.

_g Die Form des zylindrischen Guirunikörpers 3 ist nicht auf eine zylindrische Foxrn begrenzt, sondern kann geeignet ausgewählt werden.

Durch das Kleben wird ein von der unteren Fläche des zylindrischen Gunraiikörpers 3 und dem.unteren Paßstück 2 begrenzter Hohlraum ausgebildet, der als Luftkammer 9 mit veränderbarem Volumen dient.

Der kolbenförmige Gummikörper 4 ist von entsprechender Form. Einerseits ist er fest an dem oberen Paßstück 1 durch den Wellenabschnitt 5 befestigt, der durch den zylindrischen Gummikörper 3 von oben nach unten verläuft und in ihn druckdicht eingepaßt ist. Andererseits ist er innerhalb der Luftkammer 9 horizontal angeordnet, wodurch er die Luftkammer 9 in eine ober Kammer 9a und eine untere Kammer 9b unterteilt.

Der zylindrische Gummikörper 3 und der kolbenförmige Gummikörper 4 sind, wenn sie in einer Form geformt werden mit festen Ringen 6 und 18 an ihrem entsprechenden äußeren Umfang so verbunden, daß sie einstückig an dem unteren Paßstück 2 befestigt sind. Der kolbenförmige Gummikörper 4 ist weiter mit einer festen Platte 7 zur Steigerung der mechanischen Befesigung an der Stange 5

2Q versehen.

Das obere Paßstück 6 und die Stange 5 können mittels Zusammenschweißen der zusammenpassenden Teile oder durch Befestigen des Gewindeteils des Kopfes der Stange 5 am ,,. Motorgehäuse oder am Fahrzeug oder einem anderen Rahmenkörper mittels einer Mutter befestigt werden.

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Bei einem so aufgebauten Lager unterliegt der zylindrische Gummikörper 3, wenn eine Maschine vibriert, einer dynamischen Druckdurchbiegung durch das obere Paßstück 1, und der kolbenförmige Gummikörper 4 wird oberen und unteren Druckbiegungen durch die Stange 5 unterworfen, wodurch sich das Volumen der oberen Luftkammer 9a bzw. der unteren■Luftkammer 9b ändert.

Wenn durch die volumenänderung Luft aus den Kammern 9a, 9b entweicht oder zugeführt wird, wird eine geeignete Dämpfung geschaffen. In den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist eine öffnung TOa mit einer Drosselwirkung an einer geeigneten Stelle an dem zylindrischen Gummikörper 3 vorgesehen, die die obere Kammer 9a zur Atmosphäre hin entspannt, wohingegen eine öffnung 10b mit einer Drosselwirkung an einer geeigneten Stelle des unteren Paßstücks 2 zum Entspannen der unteren Luftkammer 9b zur Atmosphäre vorgesehen.ist.

Es ist theoretisch ersichtlich, daß die Größe der Dämpfung auf Grund der Drosselwirkung der durch die öffnungen 10a, 10b strömenden Luft proportional der Größe der Volumenänderung der Kammer 9a, 9b in Folge der dynamischen Versetzung und umgekehrt proportional dem Volumen der LuftkammernSa, 9b ist. Durch das Vorsehen von zwei Luftkammern 9a, 9b erhält man daher ein synergistische hohe Dämpfungsfähigkeit.

In den in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist eine öffnung 1Oc vorgesehen, die durch den kolbenförmigen Gummikörper 4 zur Verbindung der ober en..und unteren Luftkammer 9a, 9b verläuft, wodurch die beiden Kammern von der Atmosphäre abgeschlossen sind. Wenn der kolbenförmige

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Gummikörper 4 nach oben und unteren schwingt,wird eine der oberen und unteren Kammer 9a, 9b in ihrem Volumen vergrößert, und die andere in ihrem Volumen verkleinert, sodaß die durch die öffnung 1Oc strömende Luft von der einen zur anderen Kammer umgelenkt wird, sodaß in Folge der Drosselwirkung der öffnung eine ausreichende Dämp fung ähnlich dem Fall geschaffen wird, wenn die Luftkammern zur Atmosphäre entspannt werden. Auf diese Weise ist es möglich die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.

Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Lagern ist die Druckmembran 8.

Die Druckmembran· 8 ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen in den Fig. 5 bis 7 dargestellt und umfaßt eine nachgiebige Membran 11 und Platten 16 und 17 zur Begrenzung der Deformation der Membran 11> die auf beiden Seiten der Memmbran vorgesehen sind. Andere Ausführungsbeispiele der Druckmembran sind in den Fig. 8 und 9 dargestellt, wobei die Membran bei einer geringen Deformation eine Nachgiebigkeit aufweist, jedoch in ihrer Spannung scharf ansteigt, wenn Deformationen über einebegrenzte Deformation auftreten, sodaß es schwierig ist, z. B. eine litzenverstärkte Gummimembran 11 zu deformieren.

Die Druckmembran 8 kann an einem geeigneten Platz in Verbindung mit, einer oder beiden Luftkammern 9a, 9b angeordnet sein.

In den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist die Druckmembran 8 mit der unteren Fläche des unteren Paßstücks 2 verbunden, wobei die obere öffnung 14 von ihr mit der unteren Kammer 9b und die untere öffnung 15

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(siehe Fig. 6, 8) von ihr mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Weiter Ausführungsformen sind in den Fig. 2 und 4 dargestellt, wobei die Druckmembran 8 in dem kolbenförmigen 'Gummikörper 4 angeordnet ist, wobei die obere Öffnung 14 von ihr ^mit der oberen Kammer 9a und die untere Öffnung mit der unteren Kammer 9b in Verbindung steht.

Die Anzahl der in dem Lager vorgesehenen Druckmembran 8 ist nicht begrenzt. Ein Teil der Druckmembran ist so aufgebaut, daß sie in der Lage ist,eine bestimmte VoIumenäriderung aufzunehmen, oder andererseits sind mehrere Teile der Druckmembrane vorgesehen, deren gesamtes Volumen., einer bestimmten Volumenänderung entweder getrennt oder verteilt entpricht.

Die obere Öffnung 14 und die unter Öffnung 15 unterscheiden sich von den oben genannten Öffnung 10a, 10b 10c, die ein Drosselung bewirken. Bevorzugt sind Öffnungen mit einem relativ großen Querschnitt, wobei berücksichtigt ist, daß ein Teil der Größe der Volumenänderung der oberen Luftkammer 9a oder der unteren Luftkammer 9b schnell als Verschiebungsgröße der Membran 11 übertragen werden soll.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß es wesentlich ist, daß eine Öffnung der Druckmembran 8 mit einer der oberen und unteren Kammern 9a, 9b in Verbindung steht, und daß die andere Öffnung mit der anderen Kammer 9a oder 9b oder der Atmosphäre in Verbindung steht.

Das oben beschriebene Lager weist auf Grund der Wirkung der Federung eine Vibrationsabsorbtion auf, wenn es auf

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Grund einer Vibration einer dynamischen Druckdurchbiegung unterworfen wird. Der Federweg ist die Summer a + b, wobei b der Federweg in Folge der in den ^:Luftkammern 9a, 9b enthaltenen Luft ISt₇ und a der dynamische Federanteil in Folge der Lagerteile aus Gummi ist, aus denen der zylindrische Gummikörper 3 und der kolbenförmige Gummikörper 4 besteht, und des Dämpfungskoeffiezienten der Luft, wie es in Fig. 13 und 14 dargestellt ist.

Bei der mechanischen Vibration ist im allgemeinen im unteren Frequenzbereich die Amplitude groß und im oberen Frequenzbereich schmal", wie dies in Fig. 10 dargestellt ist.

Andererseits ist die Größe der Volumenänderung der Luftkammer 9a, 9b proportional der Amplitude der Vibration, die im unteren Frequenzbereich breit und im oberen Frequenzbereich schmal ist.

Da das Lager zwei Kammern, nämlich eine obere und eine untere Luftkammer 9a, 9b,aufweist, ist es möglich, das Volumen der Luftkammern relativ zu ihrer Projektionsfläche groß zu machen, sodaß eine ausreichende Luftfederwirkung trotz einer kleinen Baugröße erreicht werden kann. Weiter ist es möglich, die Vibration mittels der Drosselwirkung der öffnungen 10a, 10b, 1Oc zu dämpfen, was zur Verbesserung der Vibrationsabsorbtion zusammen mit eirerrDämpfung in Folge der Luftfeder beiträgt.

Bevorzugte Vibrationsisolationseigenschaften eines Gummivibrationsisolators sind allgemein so, daß die dynamische Federung einen ausreichenden Wert in dem unteren Frequenzbereich aufweist und im oberen Frequenzbereich nicht so hoch ist, wohingegen der Dämpfungs-

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koeffizient in dem niedrigfrequenten Bereich großer Amplituden groß ist.

Gewöhnliche Luftfedern haben unabdingbar den Nachteil, daß ihr dynamischer Federweg in dem hochfrequenten Bereich '

ΙΟ unnötig groß ist. Andererseits ist durch daß Gummilager möglich, einen Teil der Größe der in der Luftkammer 9 auf Grund der . mechanischen Vibration durch die Druckmembran 8 zu absorbieren, wodurch die Größe der effektiven Volumen änderung der Luftkammer durch eine bestimmte Größe vermindert wird.

Entsprechend ist es möglich, dan inneren Druck der unteren Luftkammer 9b oder beider Kammern 9a, 9b im hohen Frequenzbereich nicht bis zu einem äußersten Wert zu steigern, (siehe Fig. 11" und 12) wodurch die dynamische Federung im hohen Frequenzbereich vermindert wird. Somit kann die übertragung der Vibration wirksam von' dem niederfrequenten Bereich bis zum hochfrequenten Bereich ausgeschlossen werden.

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Die Kennlinien der dynamischen Federung und des Dämpfungskoef fizienten des Lagers sind in den Fig. 13 und 14 dargestellt, während diejenigen bekannten Lager, die keine Druckmembran 8 aufweisen in den F.ig. 15 und 16 dargestellt sind. Man sieht aus einem Vergleich, daß die Werte des erfindungsgemäßen Lagers im niederfrequenten Bereich gegenüber, den Werten im hochfrequenten Bereich größer sind,. als dies bei den bekannten Lagern der Fall ist.

Die Zunahme der Volumenänderung, in folge der Druckmembran 8 wird mittels der schraffierten Fläche in Fig. 11 ausgedrückt, aus der es ersichtlich ist, daß die Werte der Zunahme meistens über den gesamten Bereich, der sich

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vom niederfrequenten Bereich zum hochfrequenten Bereich erstreckt, konstant sind. Aus diesem Grunde wurde der Änderungsbetrag des dynamischen Federwegs im Verhältnis zur Frequenz geeigneter, als dies bei den bekannten Lagern der Fall ist, wodurch es möglich wurde, die dynamische Federung im niederfrequenten Bereich zu steigern, und den hohen Frequenzbereich zu unterdrücken.

Das beschriebene Lager kann zur Lagerung und zur Abstützung von schweren Lasten auf Grund seiner kompakten Bauweise verwendet werden, da zwei oben und unten angeordnete Luftkammern in der Lage sind, ihr Volumen auf . Grund des Einflusses der Vibration zu verhindern.

Durchhdas Vorsehen der Druckmembran wird die Größe der effektiven Volumenänderung um eine bestimmte Größe vermindert, sodaß es möglich ist, den dynamischen Federanteil zu. vermindern, während die Steigerung des inneren Drucks der Luftkammern im hohen Frequenzbereich unterdrückt wird, wodurch der dynamische Federanteil im niederfrequenten Bereich relativ gesteigert werden kann. Hierdurch ist es möglich, die übertragung der Vibration wirksam über den gesamten Frequenzbereich auszuschalten, sodaß eine äußerst wirksame Vibrationsisolationsleistung geschaffen wird.
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Claims (8)

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1.) Luftgedämpftes Gummilager mit

"^S

- einem oberen und unteren Paßstück, die jeweils an

einem Vibrationsgenerator befestigt sind,

- einem zwischen dem oberen und unteren Paßstück angeordneten zylindrischen Gummikörper, dessen obere Fläche und untere Umfangsfläche fest und druckdicht mit dem oberen bzw. dem unteren Paßstück verklebt sind, sodaß zwischen der unteren Fläche des Zylinderkörpers und dem unteren Paßstück eine volumenveränderliche Luftkammer ausgebildet wird, und mit

- einem kolbenförmigen Gummikörper, dessen Schaftabschnittvon oben nach unten in den zylindrischen Körper eingesetzt und fest mit dem oberen Paßstück zur

Bildung eines einzigen Teils verklebt ist, dadurch gekennz eich net, daß der kolbenför mige Gummikörper (4) innerhalb' der Luftkammer (9) zur . Teilung derselben in zwei Luftkammern, nämlich einer oberen Luftkammer (9a) und einer .unteren Luftkammer (9b), angeordnet ist, wobei die obere und untere Luftkammer jeweils durch.eine Öffnung (10a, -10b, 10c) entspannbar sind, und daß eine der oberen bzw. der unteren Luftkammer (9a,9b) zugeordnete Druckmembran (8) vorgesehen ist, die eine mit der Luftkammer (9a) in Verbindung stehende Öffnung (14) und eine mit der anderen Luftkammer (9b) in Verbindung stehende Öffnung (15) aufweist, wobei die Druckmembran (8) die Größe der effektiven Volumenänderung um eine bestimmte Größe vermindert.

2. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 1, dadurch gekennz e_:.i c-h η e t, daß die obere und unter Luftkammer (9a, 9b) durch eine Öffnung (10a, 1"Ob) zur Atmosphäre hin geöffnet werden können.

3. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß die obere und die untere Lüftkammer (9a, 9b) miteinander durch eine Öffnung (10c) verbunden sind.

4. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kolbenförmige Gummikörper (4) innerhalb der Luftkammer (9) zur Teilung in zwei Luftkammern, nämlich einer oberen Luftkammer (9a) und einer unterenLuftkammer (9b), angeordnet ist, wobei die obere und untere Luftkammer jeweils durch eine Öffnung (1Oa,10b,1Oc) entspannbar ist, und daß eine einer der Luftkammer zugeordnete Druckmembran (8) vorgesehen ist, deren eine Öffnung mit einer der Luftkammern

(9a/ 9b) und deren andere öffnung (15) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

5. Lüftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Luft-. kammer (9a, 9b) jeweils durch eine öffnung (10a, 10b) zur Atmosphäre hin. entspannbar sind.

6. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Luftkammer (9a, 9b) durch eine öffnung (10c) miteinander in Verbindung stehen.

7. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 1 oder 4-, dadurch g. e k e η η ζ eli c h η e t, daß die Druckmembran

(8) aus einer Gummimembran (11), die zwischen zwei Platten (16, 17) zur Begrenzung ihrer Bewegung angeordnet ist,besteht.

8. Luftgedämpftes Gummilager nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmembran eine litzenverstärke Gummimembran ist.