MGF Hydragas Radaufhängung
English language Original Source http://ferrari.me.queensu.ca/dynamics/topics/hydragas.html
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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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