2-Raum-LFD, Bild: ContiTech
Modellaufbau eines 2-Raum-Luft-Feder-Dämpfers. Bild: ContiTech

Wie sieht der Modellaufbau für eine 2-Raum-LFD als frei schwingendes System im konkreten Projekt aus?

Die Luftfeder wird abgebildet durch eine Kolbenfläche aus der Pneumatikbibliothek und ist direkt verknüpft mit einer Masse, die eine Gravitation erfährt. Der zweite mechanische Konnektor der Kolbenfläche ist verbunden mit einer Wegvorgabe, die das System später in Schwingung versetzen soll. Parallel zur Kolbenfläche wird ein Zylinder mit einseitiger Kolbenstange angeordnet, der den Zylinder und den Dämpferkolben repräsentiert.

Ungedämpftes System, Bild: ContiTech
Übertragungsfunktion des ungedämpften Systems. Bild: ContiTech

Die Kammer B des Zylinders ist hierbei direkt mit der Kolbenfläche verbunden, die Kammer A hingegen ist an die Kolbenfläche über zwei parallel angeordnete Ventile gekoppelt: Ein Ventil stellt die Drossel dar, das zweite steht für die Bypassbohrung, die auch bei kleinen Druckdifferenzen, wie zum Beispiel beim Befüllen des Systems, ein Überströmen ermöglicht. Das Durchflussverhalten der Drossel wird beschrieben durch eine Kennlinie in Abhängigkeit von der Druckdifferenz, die aus einem Kennliniensatz entnommen wird. Für Druckdifferenzen kleiner Null und größer Null können über zwei separate Funktionsblöcke die Durchflusseigenschaften in Zug- und in Druckrichtung unterschiedlich definiert werden. Vor und nach den Ventilen wird jeweils ein Volumenelement zur Festlegung der Anfangsdrücke und –temperaturen eingefügt. Gleichzeitig werden hierüber die Eigenschaften von Wärmeübergängen der beiden Räume festgelegt.

Aus der Thermikbibliothek werden Wärmekapazitäten und Wärmeleiteigenschaften für die Balgmembran und die Metallteile definiert. Zur Abbildung eines Frequenzsweeps wird im TypeDesigner von SimulationX ein neuer Typ erstellt, dessen Signalausgang eine Sinusschwingung mit variabler Frequenz wiedergibt. Über einen Signaleingang wird der Weg der Masse eingelesen, um daraus das Übertragungsverhalten im Zeitbereich zu berechnen. Dieser kann direkt mit den aus Versuchsreihen generierten Messdaten verglichen werden.

Simulationsmodell am Prüfstand

Gedämpftes System, Bild: ContiTech
Übertragungsfunktion des gedämpften Systems. Bild: ContiTech

Um einen Abgleich des Modells mit der Praxis vorzunehmen, wird der Luft-Feder-Dämpfer auf einem Hydropulsprüfstand untersucht, bei dem eine Frequenzanalyse im Freischwingversuch durchgeführt werden kann. Bei diesem Prüfstand liegt dem eingebauten Luft-Feder-Dämpfer-System eine frei schwingende Masse oben auf, die über Rollenlager zum unteren Teil des Prüfstands geführt wird. Die Anregung erfolgt hier durch ein sinusförmiges Wegsignal mit veränderlicher Frequenz. Aus dem Quotienten der Aufbauamplitude zur Anregungsamplitude wird eine Übertragungsfunktion ermittelt.

Unabhängig von der Dimensionierung der LFDs zeigen sich sowohl bei der Messung als auch in der Simulation die gleichen Eigenschaften: die Kennlinien im offenen, geschlossenen und gedämpften Fall schneiden sich entsprechend der Volumenverhältnisse stets im gleichen Betriebspunkt.

Beurteilung des Simulationsmodells

Zusammenfassend zeigt die Simulation, dass mit dem aufgestellten Modell die gleichen Verhaltensweisen abgebildet werden können, wie in der Praxis. Durch die Analyse weiterer Aspekte und deren Einfluss auf das Übertragungsverhalten können die Abweichungen zu den gemessenen Eigenfrequenzen künftig verringert und der Luft-Feder-Dämpfer hinreichend genau dimensioniert werden. Solche Aspekte können zum Beispiel vernachlässigte Eigenschaften des Prüfstandes sein: mögliche Nebensteifigkeit aufgrund der Lagerung des Prüfstandes oder die begrenzt reibungsfreie Führung der oben aufliegenden Masse.

Der Vergleich der Übertragungsfunktionen zeigt, dass die gemessenen Eigenfrequenzen größer sind als die Simulation. Maßgeblich für die Steifigkeit des Systems und damit auch für die Eigenfrequenz ist das Volumen. Scheinbar ist hier das effektive Volumen im Federvorgang geringer als das tatsächlich vorhandene Volumen. Ursache dafür kann im Verhalten des Luftstroms insbesondere im Umkehrpunkt von Zug- in Druckrichtung liegen, was in einer CFD-Simulation genauer beleuchtet werden kann.

Insgesamt zeigt das Projekt, dass der Entwicklungsprozess von pneumatischen Systemen für Fahrzeuge effektiv mit einem Systemsimulationsprogramm wie SimulationX unterstützt werden kann, denn er trägt dem wachsenden Bedarf nach frühzeitiger simulationsgestützter Konstruktion und Optimierung pneumatischer Anlagen Rechnung.