logo Thorsten Pawletta, Hochschule Wismar - University of Technology, Business & Design

Diplomarbeit


Thema: 

Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens von Gas-Feder-Dämpfer-Einheiten (GFD)

 
Eingereicht am:  26. Juni 2000
von: 
 Andreas Heim
Betreuer: 
 Prof. Dr.-Ing. T. Pawletta, Hochschule Wismar
Dr. rer. nat. G. Sauerbier, PNP Luftfedersysteme GmbH Crivitz
 

Problemstellung:

Bei der PNP Luftfedersysteme GmbH in Crivitz werden unter anderem Gas-Feder-Dämpfer-Einheiten konstruiert und gebaut. Gas-Feder-Dämpfer-Einheiten (GFD-Einheiten) zeichnen sich durch besonders günstige Federungs- und Dämpfungseigenschaften aus. Im Gegensatz zu herkömmlichen Feder-Dämpfer- Systemen federn und dämpfen GFD-Einheiten ausschließlich mit Luft.

Durch den Einsatz einer Gasfeder kann unabhängig vom Lastzustand die Mittellage eines Objektes durch Zuführen oder Ablassen von Luft konstant gehalten werden. Dadurch passt sicht die Federsteifigkeit dem jeweiligen Lastzustand an und die Aufbauresonanzfrequenz bleibt nahezu konstant. Dieses Verhalten von GFD-Einheiten erleichtert z.B. die Fahrwerksabstimmung eines Fahrzeuges und wirkt sich positiv auf das Fahrverhalten bei unterschiedlichen Beladungszuständen aus.

Weiterhin zeigen GFD-Einheiten ein frequenzselektives Dämpfungsverhalten. Dies bedeutet, dass bei entsprechender Auslegung Aufbauresonanzfrequenzen eines Fahrzeuges stark bedämpft werden, wogegen die Dämpferkräfte bei hohen Anregungsfrequenzen im Gegensatz zu Systemen mit hydraulischen Dämpfern wieder abnehmen.

Die Konstruktion einer GFD-Einheit ist aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gasfeder und Gasdämpfer relativ aufwendig. Um die Anzahl der notwendigen Konstruktionsschritte vom ersten Prototypen bis hin zur optimal abgestimmten GFD-Einheit zu verringern, ist es sinnvoll, ihr Verhalten zuvor auf einem Rechner zu simulieren.

In der Diplomarbeit wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, mit dem es möglich ist, das Betriebsverhalten von GFD-Einheiten zu berechnen.

In Abbildung1 ist der prinzipielle Aufbau einer GFD-Einheit dargestellt.

  prinzipieller Aufbau einer GFD-Einheit

Abbildung 1: prinzipieller Aufbau einer GFD-Einheit

Die beiden Kammern 1.1 und 1.2 sind über die Kolbenstange direkt miteinander verbunden und werden deshalb vereinfachend als einzelne Kammer 1 betrachtet.

In Abbildung 2 sind Messdaten des Betriebsverhaltens einer GFD-Einheit dargestellt. Die GFD-Einheit wurde sinusförmig mit einer Amplitude von 25mm angeregt. Es wurden 6 verschiedene Frequenzen durchfahren, welche dann zu unterschiedlichen Maximalgeschwindigkeiten v1 - v6 in den Nulldurchgängen der Amplitude führten. Derartige Messreihen bildeten neben dem physikalisch- technischen Wissen über GFD-Einheiten den Ausgangspunkt für die Modellbildung.

Messdaten

Abbildung 2: an einer realen GFD-Einheit gemessene Kraft-Weg-Verläufe

Im Rahmen der Diplomarbeit wurden die folgenden Themen bearbeitet:


Abbildung 3 zeigt die Zustandsänderungen in einer realen GFD-Einheit, den polytropen Kraftverlauf für eine vollständig geöffnete Drossel sowie die polytropen Kraftverläufe bei geschlossener Drossel in der Zug- und Druckstufe .

Zustandsänderungen in der GFD-Einheit

Abbildung 3: Zustandsänderungen in der GFD-Einheit

Die polytropen Kraftverläufe ergeben sich aus der Druckänderung in den Kammern der GFD-Einheit und den gegebenen Querschnittsflächen der Kammern. Die Druckänderung wird zuvor aus der polytropen Zustandsänderung der Luft in den Kammern der GFD-Einheit bestimmt. Diese polytrope Zustandsänderung ergibt sich aufgrund der Volumenänderung der Kammern durch die Erregung. Die dargestellten Kraftverläufe geben Aufschluss über die Massenverteilung der Luft zwischen den Kammern der GFD-Einheit während der Messung. Aufgrund dieser Betrachtungen werden die Drosselkennlinien für die Zug- und Druckstufe der GFD-Einheit aus gemessenen Daten identifiziert.

Das im Rahmen dieser Diplomarbeit erstellte Simulationsprogramm besteht aus den in der folgenden Tabelle dargestellten Programmkomponenten. Es ist modular aufgebaut. Die einzelnen Programmkomponenten wurden in graphische Nutzeroberflächen eingearbeitet und können unabhängig voneinander gestartet werden. Dadurch wird eine schnelle und intuitive Bedienung der Programmkomponenten ermöglicht.

Simulationsprogramm

Aus den in Abbildung 2 dargestellten Messdaten und den geometrischen Parametern der GFD-Einheit wurden die Drosselkennlinien für die Zug- und Druckstufe identifiziert. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse eines Simulationsexperimentes.

identifizierte Drosselkennlinien

Abbildung 4: simulierte Kraft-Weg-Verläufe der GFD-Einheit

Die gemessenen Verläufe zeigen eine gute Übereinstimmung mit den simulierten Verläufen.

In Zukunft ist es vorstellbar, das Modell der GFD-Einheit in komplexere Schwingungssysteme wie z.B. das Nickschwingsystem eines Motorrades einzuarbeiten. In einem weiteren Schritt könnte dieses Modell durch Einführen eines zusätzlichen Freiheitsgrades auf ein räumliches Schwingungssystem erweitert werden. Dies würde auch die Untersuchung des Schwingungsverhaltens z.B. von Pkws mit integrierten GFD-Einheiten ermöglichen.

Weiterhin ist auch eine Erweiterung des Modells in Richtung direkter Bestimmung der Konstruktionsparameter von GFD-Einheiten in vorgegebenen Schwingungssystemen denkbar.

Andreas Heim

E-Mail: an.heim@web.de