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Fahrzeugtechnik - Gummi- und Gasfederung

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Fahrzeugtechnik

Gummi- und Gasfederung

GummiFederung

Die Gummifederung dient als ergänzende Hilfe zur Fahrzeugfederung. So kann durch den Einsatz von Gummielementen beispielsweise als Anschlagspuffer, ein Durchschlagen der Federung vermieden werden. 

Gummifedern
Gummifedern

 

Kerneigenschaften der Gummifederung:

  • Vergleichsweise sehr hohe Elastizität
  • Sehr gute innere Dämpfungseigenschaften des Gummis
  • Kann unterschiedliche Beanspruchungsarten durch verschiedene Bauformen verarbeiten

Bauformen

An dieser Stelle greifen wir den letzten der obigen drei Punkte auf. Je nach Bauform ergibt sich eine Druck-, Schub- oder Torsionsbeanspruchung:

  • Bauform für Druckbeanspruchung:
Druckbeanspruchung
Druckbeanspruchung
  • Bauform für Schubeanspruchung:
Schubbeanspruchung
Schubbeanspruchung 
  • Bauform für Torsionsbeanspruchung:
Torsionsbeanspruchung
Torsionsbeanspruchung

 

Merke

Hier klicken zum Ausklappen

Den Abbildungen kannst du entnehmen, dass bei den letzten beiden Bauformen der Gummi zwischen jeweils zwei Metallhülsen integriert ist. Das Herstellungsverfahren der Vulkanisation erlaubt eine Verbindung zwischen diesen beiden unterschiedlichen Werkstoffen. Eine weniger effiziente Verbindungmöglichkeit stellt das Einpressen dar. Hierbei erfolgt die Kraftübertragung über den Reibungschluss zwischen den Elementen. 

Gasfederung

Die Gasfederung stellt eine Alternative zur mechanischen Federung dar.

Gasfedern
Gasdruckfedern

 

Für ein besseres Verständnis betrachten wir nun die nachfolgende Abbildung:

Gasfederung
Das Wirkprinzip der Gasfederung

 

Der Zylinder dieses Federelements kann direkt am Fahrzeug montiert werden. Die zugehörige Kolbenstange inkl. Kolben ist an der Radführung befestigt.

Bei der Berechnung der Federkraft sind zwei Größen entscheidend: die Kolbenfläche und der vorliegende Druck. Formal schreibt man für die Federkraft:

Methode

Hier klicken zum AusklappenFederkraft Gasfederung: $ F_F = A_W (p_0 - p_A) $

wobei die Kolbenfläche berechnet wird mit:

Methode

Hier klicken zum AusklappenKolbenfläche: $ A_W = \pi \cdot d^2_W $
  • $ d_W $: wirksamer Kolbendurchmesser
  • $ p_0 $: absoluter Gasdruck
  • $ p_a $: Umgebungsdruck  

Wirkprinzip der Gasfederung

Während des Einfedervorgangs erfolgt eine Komprimierung des Gasvolumens. Dies bewirkt eine Druckzunahme und damit einen zeitgleichen Anstieg der Federkraft. Liegt eine konstante Temperatur und konstante Gasmasse vor, so gilt:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen$ p \cdot V = const $

Aus der Thermodynamik weißt du noch, dass gilt:

Merke

Hier klicken zum AusklappenWird ein Gas verdichtet, so erwärmt es sich und bei einer anschließenden Expansion kühlt es wieder ab.

Nach diesem Merksatz könnte man annehmen, dass dieses thermodynamische System immer ausgeglichen ist. Fährt das Fahrzeug jedoch über einen längeren Zeitraum eine unebene Fahrbahn entlang, so kann infolge der schnellen Federbewegungen kein vollständiger Temperaturausgleich mehr stattfinden. Die Temperatur des Gases im Zylinder steigt an und sorgt beim Komprimieren für eine zusätzliche Druckerhöhung. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, führt man einen Polytropenexponenten ein. Für die Federrate heisst das:

Methode

Hier klicken zum AusklappenFederrate: $ c_F \approx \frac{n \, \cdot \, p_0 \, \cdot \, A_W^2}{V_0} $
  • $ V_0 $ : federndes Gasvolumen ($ \rightarrow $ abhängig von der Belastung infolge des statischen Fahrzeuggewichts)
  • $ A_W $ : Kolbenfläche
  • $ p_0 $ : absoluter Gasdruck
  • $ n $: Polytropenexponent 

Der Polytropenexponent ist ein veränderlicher Wert, der zwischen $ 1

Bei langsamen Federbewegungen, wie beim Einsteigen der Personen oder beim Beladen, wird die Wärme an die Umgebung abgeben, sodass der Wert der Temperatur als konstant angenommen werden kann.