Das dynamische Systemverhalten von Rollbalg-Luftfedern unter Berucksichtigung der Balgmembran

摘要

Luftfedern werden in vielen Bereichen der Schwingungstechnik, speziell in der Fahrzeugtechnik, als Alternative zu Stahlfeder-Konzepten im Fahrwerk eingesetzt. Sie sind technisch anspruchsvoll bezuglich ihres Aufbaus und ihrer Auslegung. Ihre Bauform entspricht dabei einem von einer flexiblen Balgmembran eingeschlossenem Luftvolumen. Das Systemverhalten setzt sich daher aus der thermodynamischen Zustandsanderung der eingeschlossenen Luft und der uberlagerten mechanischen Antwort aufgrund der Verformung der Balgmembran zusammen. Als Ausgangslage prasentiert der Artikel einen allgemein gultigen Ansatz zur Beschreibung des thermodynamischen Systemverhaltens einer Luftfeder, welcher fur die nicht konstante Steifigkeit und die Ausbildung von Hysteresen verantwortlich ist. Die aufgestellten Differentialgleichungen und Konstitutivgesetze konnen in mechanische Systemgleichungen uberfuhrt werden. Dieser Transfer von der thermodynamischen Beschreibung in die "Sprache" der Mechanik ermoglicht 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 Festigkeitstragern und Elastomermatrix bestehenden, Balgmembran erweitert. Es basiert auf einem phanomenologisch, rheologischen Ansatz aus Differentialgleichungen, welcher das tribo-visko-elastische Verhalten gut abbildet und sich mit Hilfe weniger konstanter Grossen parametrisieren lasst. Am Beispiel einer PKW-Serienluftfeder erfolgt der Aufbau eines entsprechend nicht-linearen Gesamt-Luftfedermodells in MATLAB Simulink, welches numerisch im Zeitbereich gelost werden kann. Es werden die Ergebnisse der numerischen Berechnungen aufgezeigt und mit Prufstandsmessungen 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 Ubertragungsverhaltens unter Strassenanregung.