Luftfedern werden in vielen Bereichen der Schwingungstechnik, speziell in der Fahrzeugtechnik, als Alternative zu Stahlfeder-Konzepten im Fahrwerk eingesetzt. Sie sind technisch anspruchsvoll bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Auslegung. Ihre Bauform entspricht dabei einem von einer flexiblen Balgmembran eingeschlossenem Luftvolumen. Das Systemverhalten setzt sich daher aus der thermodynamischen Zustandsänderung der eingeschlossenen Luft und der überlagerten mechanischen Antwort aufgrund der Verformung der Balgmembran zusammen. Als Ausgangslage präsentiert der Artikel einen allgemein gültigen Ansatz zur Beschreibung des thermodynamischen Systemverhaltens einer Luftfeder, welcher für die nicht konstante Steifigkeit und die Ausbildung von Hysteresen verantwortlich ist. Die aufgestellten Differentialgleichungen und Konstitutivgesetze können in mechanische Systemgleichungen überführt werden. Dieser Transfer von der thermodynamischen Beschreibung in die "Sprache" der Mechanik ermöglicht eine Systembeschreibung in Form der innerhalb der Schwingungstechnik etablierten Kraft-Weg Darstellung. Darauf aufbauend wird das thermodynamische Systemverhalten um ein Modell des mechanischen Verhaltens der, aus einem Wickelverbund aus Festigkeitsträgern und Elastomermatrix bestehenden, Balgmembran erweitert. Es basiert auf einem phänomenologisch, rheologischen Ansatz aus Differentialgleichungen, welcher das tribo-visko-elastische Verhalten gut abbildet und sich mit Hilfe weniger konstanter Größen parametrisieren lässt. Am Beispiel einer PKW-Serienluftfeder erfolgt der Aufbau eines entsprechend nicht-linearen Gesamt-Luftfedermodells in MATLAB Simulink, welches numerisch im Zeitbereich gelöst werden kann. Es werden die Ergebnisse der numerischen Berechnungen aufgezeigt und mit Prüfstandsmessungen validiert. Abschließend dient die Anwendung des Gesamtmodells als ein zentraler Baustein eines Konzepts zur Diskomfort-Absicherung von Luftfeder-Konstruktionen. Dieses Konzept basiert auf dem dynamischen Übertragungsverhaltens unter Straßenanregung.
In many applications of vibration technology, especially in chassis, air springs are a useful alternative to steel springs. The design and configuration of such system is quite challenging. The design accords to an air volume enclosed by a flexible bellow membrane. Therefore the system behavior consist the thermodynamic change in state of the enclosed air volume and the superimposed mechanical behavior of the bellow membrane. Initially a design-independent and therefore common approach of the thermo-dynamical effect will be presented, which is responsible for the non-constant stiffness and the hysteresis curve of an air spring. The differential and constitutive equations of the thermodynamical behavior will be converted into mechanical system-equations. This transfer into "mechanical language" enables a system description with a force-displacement curve, which is established for spring elements in vibration technology. This thermodynamic system behavior will be completed by a mechanical model of the bellow membrane. The bellow normally consists of in cross connections arranged fibers within an elastomeric matrix. The presented model bases on a phenomenological rheological approach of differential equations and fits very well the tribo-visco-elastic behavior. Only few constant parameters are necessary for parameterization. As an example a non-linear model of a complete passenger car air spring is numerically solved in MATLAB Simulink. The results of the numerical calculations will be presented and validated with the results of test rig measurements of a real air spring. Finally the application of the complete model is presented as a central part of a harshness assurance concept for air spring designs. It rests on the dynamic transfer behavior under road excitation.
Das dynamische Systemverhalten von Rollbalg-Luftfedern unter Berücksichtigung der Balgmembran
The dynamic system behavior of rolling lobe air springs respecting the bollow membrane
2014
23 Seiten, Bilder, Tabellen, 38 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
Das dynamische Systemverhalten von Rollbalg Luftfedern unter Beruecksichtigung der Balgmembran
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