Kabinenfederung im ContiTech-Truck, Bild: ContiTech

Computergestützte Simulationen sparen Zeit und Geld. ContiTech-Ingenieure setzen bei der Entwicklung von Luft-Feder-Dämpfer für Fahrerhauslagerungen auf Simulationssoftware wie SimulationX. Bild: ContiTech

ContiTech hat eine luftgefederte Kabinenlagerung mit integrierter Luftdämpfung entwickelt. Hierdurch lässt sich nicht nur ein komplettes Bauteil einsparen, sondern schont außerdem die Umwelt, indem das Dämpferöl durch Luft substituiert wird. Die Funktionen von Luftfeder und Dämpfer sind hier in einem Bauteil vereint. Die Federwirkung wird durch die integrierte Schlauchrollbalg-Luftfeder sichergestellt. Gleichzeitig wird der durch die Federbewegung erzeugte Luftstrom über eine Drossel zur Dämpfung genutzt, um die Schwingungsenergie im System abzubauen und die Kabine möglichst ruhig zu halten.

Durch die Wechselwirkung zwischen den beiden Dämpferkammern und dem Luftfederbalg ändert sich bei statischen Laständerungen der Druck in den Kammern. Diese Druckänderung führt zu einer Änderung der Dichte des kompressiblen Feder- und Dämpfungsmediums Luft, wodurch sich die Dämpfungswirkung automatisch der Belastung anpasst. Je höher das Gewicht, das auf die Feder einwirkt, desto höher auch die Dämpfungsleistung. Der Dämpfer stellt sich praktisch selbst ein. Weil bei hohen Frequenzen nur ein geringer Teil des Luftvolumens überströmt, blockiert die Drossel. Die voneinander abgekoppelten Luftpolster erzeugen jedoch deutlich geringere Kräfte als ein hydraulischer Dämpfer. Dadurch kann der Aufbau straff gedämpft werden, ohne den Komfort zu beeinträchtigen.

Modellaufbau 2-Raum-LFD, Bild: ContiTech
Modellaufbau einer 2-Raum-LFD. Bild: ContiTech

In der Konzeptphase sind unterschiedliche Aufbauvarianten von Luft-Feder-Dämpfern (kurz die LFD) entwickelt worden. Die beste Dämpfungsleistung zeigte sich bereits bei einer ersten analytischen Betrachtung bei einer 2-Raum-LFD. Die obere Spannplatte der Luftfeder ist dabei mit einem innenliegenden Kolben verbunden, der in einem Dämpfungszylinder unterhalb des Abrollkolbens der Luftfeder geführt wird. Im Dämpferkolben integriert liegt eine Drossel, die ein unterschiedliches Durchflussverhalten in Zug- und in Druckrichtung aufweist, so dass die Dämpfung beim Einfedern eher weicher, beim Ausfedern eher straffer dimensioniert werden kann.

Die Strömungsvorgänge an der Drossel, die last- und hubabhängige Steifigkeit und Dämpfung sowie thermodynamische Effekte bedingen ein nichtlineares Systemverhalten mit variablen Parametern, die wechselseitig voneinander abhängig sind. Hier stößt eine analytische Betrachtung schnell an ihre Grenzen und der Einsatz einer Software zur Simulation im Zeitbereich wird unabdingbar.

Simulation des Luft-Feder-Dämpfer-Systems

Das Simulieren pneumatischer und hydraulischer Anlagen fördert das Verständnis dieser komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen im System und schärft den Blick für Optimierungspotentiale.

Zur dynamischen Simulation des fluidtechnischen Systems nutzen die Ingenieure bei ContiTech die Software SimulationX. Umfangreiche Modellbibliotheken und vorparametrierte Modelle gängiger mechanischer, pneumatischer und thermodynamischer Komponenten vereinfachen die Modellbildung und –parametrierung und sorgen für einen schnellen Erkenntnisgewinn. Als Modelica-basiertes Werkzeug bietet das Simulationsprogramm zudem die Möglichkeit, spezifische Modellelemente selbst zu erstellen und in eigenen Bibliotheken zu verwalten. Der SimulationX-TypenDesigner führt den Nutzer dabei systematisch durch alle Schritte der Modellentwicklung.