Thèses sur le sujet « Luftfedern »

Es wird ein auf der Submodelltechnik basierender Ansatz vorgestellt, mit dem Cord-Elastomer-Verbunde, speziell die Balgwände von Luftfedern, einer detaillierten FE-Analyse zugänglich gemacht werden können. Dieser Ansatz beinhaltet ein Globalmodell, das die gesamte Luftfeder abbildet, und zwei Submodelle, die sich auf bestimmte Ausschnitte der Balgwand konzentrieren.

Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich aktiv geregelte Feder-Dämpfer-Systeme anbieten, um die steigenden Anforderungen an den Fahrkomfort beim autonomen Fahren zu erfüllen. Durch eine Entkopplung des Fahrgastraums von der Straßenanregung werden der Fahrkomfort gesteigert und das Auftreten von Kinetose verringert. Mit der aktiven Luftfeder der TU Darmstadt - einer Synthese aus Luftfeder und aktiver Federung - wird ein derartiges System konzipiert, entwickelt und ein Funktionsprototyp im Versuch validiert. Der Grundgedanke ist, die Vorteile einer konventionellen Luftfederung mit denen eines aktiven Systems zu kombinieren. Die aktive Luftfeder ist teiltragend und die Kraftstellung erfolgt durch eine Verstellung der tragenden (druckeffektiven) Fläche der Luftfeder im Betrieb mit hydraulischen Aktoren. Diese sind in die Abrollkolben der Luftfeder integriert und arbeiten mit einer Eckfrequenz von ca. 5 Hz. Ausgehend von der Frage nach der optimalen vertikaldynamischen Schwingungsminderung, wird zunächst ein Verfahren erarbeitet, um Vertikaldynamiksysteme bereits in einer frühen Phase der Entwicklung im Spannungsfeld zwischen Funktion und Aufwand bewerten zu können. Hierfür wird die Maximierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit als mathematisches Optimierungsproblem - der Minimierung der H2-Norm der Übertragungsfunktionen der Aufbaubeschleunigung und der Radlastschwankung - formuliert. Basierend auf den theoretischen Voruntersuchungen wird ein Prototyp der aktiven Luftfeder entwickelt. Um diesen unter möglichst realistischen Bedingungen im Experiment zu untersuchen, werden Hardware-in-the-Loop-Versuche durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Fahrkomfort bei der Fahrt auf einer Bundesstraße mit 100 km/h bei verbesserter Fahrsicherheit um ca. 35 % gesteigert wird.

With regard to autonomous driving the demands on comfort are increasing. This makes it attractive to use active suspension systems. The system developed at TU Darmstadt is able to increase driving comfort up to 28 % while maintaining driving safety compared to a passive suspension system. This paper investigates the influence of available energy and power of the active system. The investigation is based on a simulation of a quarter car model and an uneven country road. This paper shows that the more energy the active system has at its disposition, the greater is the range between a comfortable and a sporty chassis. Furthermore the driving comfort can be increased by 28 % with constant driving safety. The average power required for this is 15 W and the maximum power is 300 W.

Neben Reifen, Riemen und Schläuchen zählen speziell auch die Balgwände von Luftfedern zu den Kompositen, da deren weiche Elastomermatrix zur Verstärkung Gewebelagen aus textilen Corden enthält. Diese Verstärkungsträger bestehen aus miteinander verzwirnten Garnen, die ihrerseits einen Zwirn aus polymeren Filamenten darstellen. Luftfederbälge weisen dementsprechend eine hochkomplexe innere Geometrie auf und sind zudem durch stark anisotropes, nichtlineares Materialverhalten gekennzeichnet. Für die strukturmechanische Simulation von Luftfedern mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden in der vorliegenden Arbeit neuartige, hochauflösende Modelle entwickelt, die diesen Eigenschaften Rechnung tragen. Zunächst wird ein mathematisches Modell formuliert, das die verzwirnte Geometrie von Corden auf allgemeinen räumlichen Bahnkurven beschreibt und mithilfe dessen sich auch die lokale Orientierung der Filamente bestimmen lässt. Zur konstitutiven Modellierung des Filamentmaterials wird zudem ein transversal isotropes, hyperelastisches Materialmodell so modifiziert, dass bei Druckbelastung in Filamentrichtung nur noch die der Regularisierung dienende, isotrope Grundsteifigkeit zum Tragen kommt. Das Geometriemodell der Corde ist die Basis für deren dreidimensionale Abbildung in FE-Netzen von Luftfederbälgen. Als erster Schwerpunkt wird ein auf zyklischer Symmetrie basierendes Streifenmodell entwickelt, das die Cordgeometrie im gesamten Balg vollständig auflöst. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Generierung konformer Netze, um die Grenzflächen zwischen Matrix und Corden exakt darzustellen. Das Streifenmodell ermöglicht somit detaillierte Analysen zur lokalen Verteilung von Spannungen und Verzerrungen im Inneren der Balgwand. Als zweiter Schwerpunkt wird diese Art der Modellierung auf einen kleinen rechteckigen Ausschnitt der Balgwand übertragen. Dieser Teppich ist als Submodell konzipiert, das Verschiebungen für seine Schnittränder aus einem vereinfachten Globalmodell bezieht und demzufolge die Analyse allgemeiner, nicht axialsymmetrischer Lastfälle möglich macht. Abschließend werden die Modelle anhand einer Rollbalgluftfeder für Busanwendungen eingehend untersucht und einem Praxistest zum Vergleich zweier Konstruktionsvarianten unterzogen.
Tires, belts, hoses and, in particular, air spring bellows are regarded as composites due to layers of reinforcing textile cords that are embedded in a soft elastomer matrix. These cords are produced by twisting yarns which, for their part, represent a twisted structure of polymeric filaments. Hence, air spring bellows feature a highly complex internal geometry as well as strongly anisotropic, nonlinear material behavior. For structural simulations of air springs by means of the finite element method (FEM), new high resolution models are developed here, which reflect all the aforementioned properties. At first, a mathematical model capable of representing the twisted geometry of cords on three-dimensional curves is introduced, which also allows to derive local filament orientations. For the constitutive description of filament material, a transversally isotropic, hyperelastic material model is modified so that only the small isotropic stiffness introduced for regularization remains in case of compressive loads in filament direction. The cord geometry model serves as the basis for their three-dimensional representation in FE meshes of air spring bellows. Firstly, the focus lies on developing a slice model relying on cyclic symmetry, which takes cord geometry into account throughout the entire bellows. Special emphasis is put on building conforming meshes in order to incorporate all material interfaces explicitly. As a result, the slice model allows for detailed analyses of local stress and strain distribution inside the bellows. Secondly, this type of modeling is applied to a rectangular section of the bellows. This carpet is conceived as a submodel acquiring the displacements to be imposed on its cut faces from a simplified global model, and therefore provides the opportunity to analyze general load cases not complying with axial symmetry. Based on a rolling lobe air spring used in bus applications, both models are examined thoroughly and, at last, subjected to a practical test comparing two different designs.