Multiphysik-CAE eines Stoßdämpfers

Stoßdämpfer sind wichtige Teile von Fahrzeugen. Der Stoßdämpfer dient zur Beobachtung der Vibrationen von Stoßbelastungen aufgrund von Unebenheiten der Straßenoberfläche und funktioniert, ohne die Stabilität, Lenkung oder das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen werden bei leichten Fahrzeugen zylindrische Schraubenfedern als Aufhängungselemente verwendet. Die in diesem Artikel beschriebene Anwendung versucht, die Leistung eines Stoßdämpfers mit unterschiedlichen Aufhängungsfedern zu analysieren. Diese Analyse umfasst eine vergleichende Modellierung und Analyse der Körperhöhe, der Dämpfungsleistung, der Schwingungsfähigkeiten von konischen und zylindrischen Druckfedern mit geschlossener Spule sowie einen Vorschlag für ein geeignetes Design zur Verbesserung der Leistung.

Das Federungssystem eines Bodenfahrzeugs ist in der Regel darauf ausgelegt, die Fahrzeugkarosserie vor Straßenunebenheiten zu schützen und den Radkontakt mit der Bodenoberfläche aufrechtzuerhalten. Die Entkopplung wird durch den Einsatz von Schraubendruckfedern und -dämpfern sowie durch elastische Lagerungen an den Verbindungen der einzelnen Aufhängungskomponenten erreicht.

Aus praktischer Sicht gibt es zwei Hauptstörungen an einem Fahrzeug: Straßenstörungen und Beladungsstörungen. Straßenstörungen sind bei niedrigen Frequenzen wie Hügeln von großer Stärke und bei hohen Frequenzen wie Straßenunebenheiten von geringer Stärke. Zu den Belastungsstörungen zählen die durch Beschleunigung, Bremsen und Kurvenfahrten verursachten Belastungsschwankungen. Daher geht es bei einem guten Aufhängungsdesign um die Unterdrückung von Störungen dieser Störungen an den Ausgängen. Herkömmliche Federungen müssen „weich“ sein, um Straßenstörungen zu isolieren, und „hart“, um Laststörungen zu isolieren.

Daher ist die Konstruktion von Stoßdämpfern eine Kunst des Kompromisses zwischen diesen beiden Zielen. Die Hauptfunktion von Stoßdämpfern in einem Aufhängungssystem besteht darin, die Struktur und die Insassen vor Stößen und Vibrationen zu isolieren, die durch unebene Straßenoberflächen entstehen. Der Stoßdämpfer benötigt einen elastischen Widerstand, um die Fahrbahnstöße aufzufangen – dies wird durch Aufhängungsfedern erreicht.

Die Hauptziele eines Fahrzeugfederungssystems sind:

Federn sind entscheidende Aufhängungskomponenten in Automobilen, die notwendig sind, um Stöße und Stöße durch unebene Straßen zu minimieren und ein angenehmes Fahrgefühl zu gewährleisten. Die Feder ist als elastischer Körper definiert, dessen Funktion darin besteht, sich bei Belastung zusammenzudrücken und bei Wegnahme der Belastung wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen. Mechanische Federn werden in Stoßdämpfern verwendet, um Kraft auszuüben, Flexibilität zu bieten und Energie zu speichern oder zu absorbieren. Die Kraft kann ein axialer Druck oder Zug oder radial sein. Das Drehmoment kann genutzt werden, um eine Drehung zu bewirken.

Federn können nach der Richtung und den Eigenschaften der Kräfte klassifiziert werden, die die Feder beim Auslenken ausübt. Ohne Belastung wird die Höhe der Feder als freie Länge bezeichnet. Bei Anwendung einer Druckkraft werden die Spulen so weit zusammengedrückt, bis sie sich berühren. Nach der Kompression wird die komprimierte Federhöhe als feste Länge bezeichnet. Die Hauptaufgaben von Schraubenfedern bestehen darin, Kraft auszuüben, Bewegungen zu kontrollieren, Vibrationen zu kontrollieren und Stöße zu reduzieren.

Druckfedern sind spiralförmige Schraubenfedern, die mit Abständen zwischen den Windungen gewickelt sind, sodass sie von ihrer freien Länge auf eine kürzere Betriebslänge komprimiert werden können. Dadurch kann die Feder Energie speichern und eine Kraft oder einen Druck bereitstellen. Zu den Einsatzmöglichkeiten von Druckfedern gehören unter anderem der Widerstand gegen die Bewegung einer anderen Komponente, die Rückführung einer Komponente in eine gewünschte Position, die Bereitstellung eines gleichmäßigen Drucks sowie die Speicherung und Abgabe von Energie.

Zylindrische Druckfedern sind spiralförmig aus einem Draht auf eine zylindrische Geometrie gewickelt. Die größten erzeugten Spannungen sind Scherkräfte aufgrund von Verdrehungen. Die aufgebrachte Last verläuft parallel zur Federachse. Der Querschnitt des Drahtes kann rund, quadratisch oder rechteckig sein. Abbildung 2 zeigt das in dieser Anwendung verwendete zylindrische Druckfedermodell. Die zylindrische Druckfeder ist an beiden Enden mit zwei Kreisringen starr befestigt.

Konische Druckfedern sind spiralförmig aus einem Draht auf eine konische Geometrie gewickelt. Die größten erzeugten Spannungen sind außerdem Scherspannungen aufgrund von Verdrehungen sowie Zug- und Druckspannungen aufgrund von Biegung. Abbildung 3 zeigt eine konische Druckfederkonstruktion, die in diesem Experiment verwendet wurde. Bei dieser Konstruktion sind beide Enden der Federn mit zwei Kreisringen unterschiedlichen Durchmessers starr befestigt.

In dieser Anwendung wird die Dämpfungsleistung von zylindrischen und konischen Druckfedern numerisch analysiert. Das numerische Modell wird mit der Festkörpermechanik-Schnittstelle der COMSOL Multiphysics-Software (COMSOL, Inc., Burlington, MA) entwickelt. Eine lineare stationäre Analyse wird durchgeführt, um die gewünschte Durchbiegung und Spannung bei verschiedenen Belastungsbedingungen zu ermitteln.

Die Abbildungen 2 und 3 stellen die CAD-Modelle der jeweiligen Federkonstruktionen dar, die in dieser Untersuchung verwendet wurden. Beide Modelle sind auf den gleichen Spulendurchmesser, die gleiche freie Länge, die gleiche Anzahl aktiver Spulen und die gleichen Materialeigenschaften ausgelegt.

Es wird davon ausgegangen, dass einzelne Federmodelle am unteren Ende befestigt sind und am oberen Ende eine Druckkraft ausgeübt wird. Die radiale Auslenkung wird für die aktuelle Anwendung vernachlässigt. In der linearen stationären Untersuchungsumgebung wird parametrisch eine variierende Drucklast von 100 N bis 2000 N aufgebracht.

Die in Abbildung 12 dargestellte Differentialgleichung (wobei x = Verschiebung, k = Federsteifigkeit und m = belastete Masse) wird für beide Federkonstruktionen implementiert und in der Festkörpermechanik-Physikumgebung von COMSOL Multiphysics gelöst.

Die Simulationsergebnisse (Abbildungen 4–7) zeigen die maximalen Durchbiegungs- und Von-Mises-Spannungswerte in beiden Modellen für bestimmte Lastparameter. Die zylindrische Federkonstruktion zeigt eine begrenzte Auslenkung von 45 mm bei 700 N (Abbildung 8), während die konische Feder bei 2000 N und 80 mm Auslenkung arbeitet (Abbildung 10). Die konische Feder weist im Vergleich zur zylindrischen Feder maximale Kompression, negative Volumenhöhe und bessere Schwingungen auf.

Dieses optimierte konische Federdesign zeigt im Vergleich zu herkömmlichen Federn in einem Stoßdämpfer das Potenzial, unter rauen Bedingungen zu arbeiten. Das konische Druckfederdesign bietet überlegene Seitenstabilität und Fahrkomfort. Durch konische Druckfedern in einem Stoßdämpfer kann eine negative feste Höhe erreicht werden, was dazu beiträgt, Stöße zu reduzieren. Das konische Federdesign kann für eine bessere Schwingung und einen besseren Rad-Boden-Kontakt sorgen. Zur Optimierung des Strukturdesigns und zur Entwicklung energiegewinnender, kostengünstiger Hochleistungs-Stoßdämpfer werden nichtlineare Multiphysik-Studien durchgeführt.

Dieser Artikel wurde von Asutosh Prasad und Raj C Thiagarajan von ATOA Scientific Technologies, Bengaluru, Indien, verfasst. Weitere Informationen zu den in diesem Projekt verwendeten COMSOL-Produkten finden Sie unter http://info.hotims.com/61065-321.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2016 des Motion Control & Automation Technology Magazine.

Weitere Artikel aus dieser Ausgabe finden Sie hier.

Weitere Artikel aus dem Archiv lesen Sie hier.

ABONNIEREN