MGF Hydragas Radaufhängung
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English language edited Source
Experimental characterization and mathematical modeling of the Moulton Hydragas automobile suspension Author: Geoff Rideout 1998

Zusammenfassung der Forschungsarbeit

Die Hydragas Radaufhängung des Sportwagentyps MGF der Rovergruppe wurde statisch geprüft, um die statischen Federeigenschaften zu ermitteln.
Eine Steifigkeitsmatrix wurde erzeugt, die die Zustände der einzelnen Hydragas-Einheit und die Effekte der verbundenen Einheiten umfasst.

Dynamische Tests wurden bei verschiedenen sinusförmigen Amplituden und Frequenzen durchgeführt, um die Dämpfungmatrizen zu errechnen.
Eine Einheit wurde dazu in seiner aktuellen Position statisch gehalten, während die andere beaufschlagt wurde. Die Dämpfungs- Geschwindigkeits Diagramme zeigten das Vorhandensein von Trägheitseffekten und dynamischer Steifigkeit gegenüber wegen der Hysterese der Gummiteile.

Angewendet wurden drei mathematische Modelle zur Bestimmung der Kräfte die durch die Hydragas-Einheiten übertragen werden.
- Das erste war ein lineares Modell, dass über die eingeschränkten Frequenzbereiche eine angemessene Genauigkeit zeigte.
- Im zweiten Modell wurden die parallelen Feder- und Dämpfungkonstanten mit berücksichtigt und dieses war für Voraussage der Kraft an den vorderen und hinteren Einheiten für Frequenzen von 1 bis 10 Hz genau.
- Das dritte Modell beruecksichtigte die Trägheits- und Verdichtbarkeiteffekte durch Einsetzen einer Masse in das Feder-Dämpfungsystem.

Die Größe der Masse wurde basierend auf den Bereichen der Dämpfungskraft / Geschwindigkeits Diagramme berechnet. Das Trägheitsmodell sowie das parallele Feder-/Dämpfermodell sagte keine Höchstkräfte voraus.
Es war jedoch besser geeignet, die Phasenlagen zwischen den Kräften an der dynamisch beaufschlagten Hydragas-Einheit und an der stationären Einheit vorauszusagen.

Das Hydragas-System

Konstrukteure haben jahrzehntelang versucht das unangenehmes Nickverhalten kleiner Autos durch die Verbindung der vorderen und hinteren Räder zu verringern. In einem zusammengeschalteten oder " ausgleichenden" Radaufhängungssystem sind die vorderen und hinteren Räder der Fahrer- und Beifahrerseite zusammengeschaltet. Sie bilden zwei unabhängige Systeme worin eine Beaufschlagung an einem Rad sich durch eine Kraft an dem anderen Rad auswirkt. Ein vorwaerts fahrendes Auto trifft zuerst auf Störungen an den vorderen Rädern, die dazu neigen, die Frontseite des Autos in Bezug auf Heck anzuheben. Die Verbindung der beiden ist nun bestrebt einen Teil der vertikalen Aufwärtsbewegung des vorderen Rades in eine Abwärtskraft zu übertragen, die durch die Federkraft auf das hintere Rad mittels der hinteren Radaufhängung ausgeführt wird.
Das Verringern der Differenz zwischen den vorderen und hinteren Kräften auf das Autochassis resultiert dann mehr in einen Schlagbeaufschlagung als in einer Nickenbewegung.

Nickbewegungen, die Vor- Rückwaerts Bewegungen der Autoinsassen verursachen, werden im allgemeinen stoerend als Schlagbewegung [ 1 ] angesehen. Kleinere Autos neigen gegenüber großen Autos besonders leicht zum Nicken. Verglichen mit großen Autos ist es genau diese " choppy " Qualität, aufgrund der viele Leute den minderwertige Fahrkomfort den kleinen Autos zuschreiben.

Die Hydragas Radaufhängung wurde vom Dr. Alexander Moulton (Großbritannien) entwickelt, um den Fahrkomfort kleiner Autos zu verbessern.
Im System wird Stickstoffgas als Federmedium benutzt und Hydraulikflüssigkeitsdruck als Dämpfung und Federmechanismus. Die Daempfungsflüssigkeitskammern der vorderen und hinteren Raeder auf jeder Seite des Autos sind über einen Hydraulikschlauch verbunden, so dass ein Druck am vorderen Rad Flüssigkeit durch das Rohr zum hinteren Rad pumpt. Die Zunahme des Flüssigkeitsdrucks an der hinteren Einheit produziert eine aufwärts gerichtete Kraft auf die freie Masse und verringert so die Differenz zwischen den Federungskräften auf den vorderen und den hinteren Bereich des Chassis.
Abbildung 1 [ 2 ] stellt eine Hydragas-Einheit älterer Bauart dar.

Jede Einheit enthält einen Gasdruckdämpfer und eine Daempfungs-Feder

Abbildung 1 - Hydragas Radaufhängs Einheit Schnitt [ 2 ]

Eine Butylkautschuktrennmembran, in Verbindung mit Metalldichtringen- und überlappenenden verpressten Gehäuseschalen trennen das Stickstoffgas von der Flüssigkeit. Die unterere Membrane besteht aus einem dichtendem Gummiformteil. Vertikale Aufwärtsbewegungen des konisch geformten Aluminiumkolbens vergrößert die Flaeche der Membrane gegen die der Flüssigkeitsdruck arbeitet und umgekehrt.
Genügend Druckdifferenz zwischen den oberen und untereren Räumen komprimieren entweder den Stoß oder Rückstosskomprimierungblock und erhöht den Flüssigkeitsstrom als Funktion des Druckunterschiedes.
Die Hydragas-Einheiten, die im Forschungs Projekt benutzt wurden, waren vom Rover Sportauto MGF und hatten einen kleineres Gasvolumen und ein Daempfungsventil mit anderem Aufbau.
Die Funktion der Komprimierungblöcke wird durch in Ruhe geschlossene Metallblattfeder-Klappen ausgeführt.

Abbildung 2a [ 2 ] zeigt die grundsätzliche Reaktion eines verbundenen Hydragassystems durch die durch Nicken induzierte Bewegung , bei der das vordere Rad in Beziehung zum Chassis angehoben wird, während das hintere Rad gesenkt wird. Die Aufwärtsbewegung des vorderen Rades verlagert Flüssigkeit zur hinteren Einheit und veranlasst das hintere Rad, eine Aufwärtskraft auf das Chassis aufzubringen.
Simultan aufwärts des vorderen Rades und abwärts der hinteren Radbewegungen ist nicht vollständig gegeben, läßt jedoch Flüssigkeit von der Frontseite zur hinteren Einheit fließen. Die Steifigkeit/Stabilität oder der Widerstand des Systems zu solchem Radbewegungen, ist sicherlich niedriger als wäre die Verbindung nicht vorhänden.
Der Arbeitsbereich der Kolben gleicht die Nick- und Pendelbewegungen aus. Nachdem die Radbewegung der Abbildung 2a auftritt und der Druck im System stabilisiert ist, verursacht die größere Fläche des vorderen Kolbens eine höhere Abwärtskraft auf dem vorderen Rad, als der Flüssigkeitsdruck, der auf der kleineren Kolbenfläche der hinteren Einheit wirkt. Die Kolbenflächenänderung produziert folglich einen Rückstellmoment über der Nickachse.

Abbildung 2b [ 2 ] stellt die Antwort bei reinem Schlag oder bei Rollen des Fahrzeugs dar, bei der beide Räder auf einer Seite im gleichen Abstand in Beziehung zum Chassis bewegt werden. Von einer Einheit zur anderen tritt kein Flüssigkeitsstrom auf. Die Fluessigkeit strömt nur zwischen den oberen und untereren Kammern der einzelnen Einheiten durch die Daempfungs-Ventile. Die Zunahme des Kolbenfläche bei höheren Schlagbewegungen verursacht resultierend die Zunahme des Flüssigkeitsdruckes, der eine in zunehmendem Maße größere abwärts wirkende Rückstellkraft auf die Räder produziert. Das System hat folglich progressive Federungseigenschaften. Die Kombination des höheren Flüssigkeitsdrucks und der zunehmenden Kolbenflächen geben dem System eine höhere Steifheit bei Schlagen und Rollen sowie beim Nicken und vermindert die Anforderungen an den vorderen Anti-Roll Querstabilisator [ 2 ].

Abbildung 2a - Hydragas Radaufhängungs System im Pitch bzw Nick Modus [2]

Abbildung 2b - Hydragas Radaufhängungs System im Schlag bzw Roll Modus

[2] Quellen
1. Gillespie, T.D. (1992) Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers.
2. Moulton, A.E., and Best, A. (1979) "Hydragas Suspension." SAE Paper SAE-790374.

Other Interconnected Suspension
Quellen
1. Moulton, A.E. (1962) "Hydrolastic Springing." Automobile Engineer, Sept. 1962, pp.328-336.

2. Moulton, A.E., and Best, A. (1979) "From Hydrolastic to Hydragas Suspension." Proc. Council of the I Mech. E v.19 3, no.9, pp.15-25.

3. Moulton, A.E., and Turner, P.W. (1956) "Rubber Springs for Vehicle Suspension." Proc. Auto. Div. Inst'n Mech. Engrs 1956-7, no.1, pp.17-41.

4. Pevsner, J.M. (1957) "Equalizing Types of Suspension." Automobile Engineer, Jan. 1957, pp.10-16.

Rideout, D.G., and Anderson , R.J. (2003) "Experimental Testing and Mathematical Modeling of the Interconnected Hydragas Suspension System." SAE Journal of Passenger Cars – Mechanical Systems
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Quelle: Queen's University Kingston, Ontario research is under the supervision of Dr. R.J. Anderson.

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