Luftfederauslegungsprogramm

Voraussetzungen:

Excel 97/2000,    2,0 MB freier Speicherplatz

Kurzbeschreibung:

Das Programm basiert auf einer Excel Datei, die zur Ausführung der Berechnungen und zur Navigation in den Menues VBA Makros enthält. Im Programm sind alle Bezeichnungen in englischer Sprache gehalten, um es einem groesseren Anwenderkreis zugänglich zu machen.

Als Eingangsgrössen dienen die geforderte Tragkraft und der zur Verfügung gestellte Betriebsdruck sowie die benötigten Federwege.

Hieraus werden dann zunächst die Kenngrössen der Luftfeder sowie die Geometriedaten errechnet.

Man kann mit diesem Programm umgehen wie mit jeder anderen Excel Datei. Will man das Ergebnis einer Auslegung behalten, so speichert man vor dem Beenden.

Es empfiehlt sich, das Programm selbst schreibgeschützt zu speichern, und ein mit Projektdaten gefülltes Programm unter einem anderen Namen zu speichern.

Ausfuerliche Beschreibung

Kennzeichnung der Zellen

Der Kopf des Hauptmenues enthält hellgrün gekennzeichnete Kommentarfelder, in die Projektdaten eingefügt werden können. Der Inhalt dieser Felder hat keinen Einfluß auf die Berechnung. Ausfüllen ist nicht zwingend notwendig.

Eingabefelder sind gruen gekennzeichnet. Im Hauptmenue muessen alle Eingabefelder ausgefüllt sein, sonst ergeben sich bei der Berechnung Laufzeitfehler.

Die Ergebnisse werden in Ausgabefeldern zurückgegeben. Diese Felder enthalten meistens Formeln. Überschreiben löscht die Formeln und die entsprechende Rechnung steht dann nicht mehr zur Verfügung.

Das Startmenu

Hier können die gewünschten Eigenschaften der Feder in die grünen Felder eingegeben werden wie:

Nenndruck

gewünschte Tragfähigkeit

Ausfederweg

Einfederweg

Höhe des oberen und unteren Dichtkonus

Bei gleichem wirksamen Durchmesser können der Aussen- und der Kolbendurchmesser einer Luftfeder unterschiedlich gross sein.

Ein kleiner Kolbendurchmesser mit einem grossen Aussendurchmesser kann denselben wirksamen Durchmesser ergeben ein grosser Kolbendurchmesser mit einem kleinen Aussendurchmesser.

Eine grosse Faltenbreite ergibt eine weiche Feder, weil das Volumen im Verhältnis zur wirksamen Fläche gross ist. Umgekehrt ergibt sich eine harte Feder; man spart jedoch Bauraum.

Berechnung des Aussen- und Kolbendurchmessers

Die Aussen- und Kolbendurchmesser von ausgeführten Luftfedern wurden nach Grösse sortiert und über der wirksamen Fläche dargestellt. Aus den Kurven wurden Gleichungen gebildet, in die die aus Nenndruck und gewünschter Tragkraft errechnete wirksame Fläche eingesetzt wird.

Hieraus ergeben sich dann die gesuchten Werte für den Aussen- und Kolbendurchmesser.

Es sind drei Schaltflächen vorgesehen:

grosse Faltenbreite ( wide rolling lobe )

normale Faltenbreite ( normal rolling lobe )

kleine Faltenbreite ( narrow rolling lobe )

Bei Betätigung der Schaltfläche ( normal rolling lobe ) wird wie beschrieben die wirksame Fläche in die aus Erfahrungswerten gebildeten Gleichungen eingesetzt

Betätigt man die Schaltflächen ( wide rolling lobe ) oder ( narrow rolling lobe ) werden Aussen- und Kolbendurchmesser um 15 % vergrössert bzw verkleinert.

Berechnung der Einbauhöhe

Die nutzbare Kolbenhöhe addiert sich aus dem 0,6 fachen des Ein- und Ausfederweges. Hinzu kommen die Hoehe von oberem und unterem Konus sowie ein Sicherheitsabstand von 10 mm zwischen den Konen.

Das Hautmenu

Das Hauptmenue gliedert sich in den Kommentar- und Eingabebereich ( gruen ) gekennzeichnet, sowie den Ausgabebereich ( braun gekennzeichnet ) und die Schaltflächen.

Die Geometriedaten der auszulegenden Luftfeder sind aus dem Startmenu übernommen worden und in die braun gekennzeichneten Felder kopiert worden.  Im Hauptingabemenu können die Felder " data of air spring " überschrieben werden. Soll eine neue Rechnung aus dem Startmenu begonnen werden, muss "airspringcalc_1" neu aufgerufen werden.

Aus diesen Daten werden dann die Kenngroessen der Luftfeder errechnet. Alle Felder müssen ausgefüllt sein, sonst ergeben sich Laufzeitfehler bei der Programmausführung.

Aus den Geometriedaten werden unter Zuhilfenahme von Erfahrungswerten die wirksame Fläche ( effective area ),  das Volumen und der Volumengradient errechnet.

Hieraus wird dann die Eigenfrequenz ( nat, frequency ) und die Federrate ( spring rate ) errechnet.

Aus der Laenge des Kolbens ( effective length of piston ) und dem Faltenüberhang ( overlap of rolling lobe ) werden der moegliche Ein- und Ausfederweg berechnet. ( up stroke ; down stroke ). Auf den Abstand zwischen den Dichtkonen und auf einen evtl. vorhandenen Puffer wird hierbei keine Rücksicht genommen, da die Berechnung unabhaengig sein soll von der konstruktiven Ausführung dieser Bauteile. Die Federwege werden zur Verdeutlichung der Definition noch einmal im Diagramm rechts neben der Luftfederdarstellung gezeigt.

Aus dem so ermittelten Einfederweg ( down stroke ) wird dann ausgehend vom Nenndruck ( design pressure ) der maximale Druck beim Einfedern bestimmt. ( max. pressure in bump condition )

Schaltflächen

Hat man durch Variation der Eingabedaten einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem zur Verfügung gestellten Bauraum und der Federcharakteristik gefunden, so kommt man mit Hilfe der Schaltflächen zu weiteren Untermenues, in denen detailliertere Berechnungen durchgeführt werden können.

In diesem Untermenue kann eine Pufferkennlinie als Kraft / Weg Tabelle eingegeben werden und die dynamischen Kennlinien für 1 ; 3 ; 5 ; und 7 bar errechnet werden.

Die Kennlineien werden als Diagramme und als Tabellen dargestellt. Es wird je ein Diagramm und eine Tabelle mit und ohne Puffer gezeigt.

Federrate und Eigenfrequenz werden als Funktion des Druckes in zwei Diagrammen dargestellt

Ist die Luftfeder von ihrer Charakteristik her soweit ausgelegt, muss die Festigkeit nachgerechnet werden.

Aufschluss hierüber geben die Fadenkraefte als Mass für die Sicherheit gegen Bersten und der relative Fadenabstand als Indikator für die Dauerhaltbarkeit.

In diesem Menue sind Werte für ein Standardgewebe bereits eingetragen, die den für Luftfedern verwendeten Gewebetypen aehnlich sind.

Fuer genauere Berechnungen kommt man durch betaetigen der Schaltfläche " change to different fabric ) zum folgenden Menue, in dem Werte von existierenden Gewebetypen eingesetzt werden koennen.

Diese Werte fuer Fadenkraft und Fadenabstand werden in Diagrammen in Abhängigkeit vom Druck dargestellt und können mit dem bereits ermittelten maximalen Druck am Ende des Einfederweges verglichen werden.

Mit dieser Schaltfläche wird eine neue Excel Datei erzeugt und die Ergebnisse aus airspringcalc_1 hineinkopiert. Diese Datei benötigt einen Speicherplatz von ungefähr 150 kB. Sie kann wie jede Exceldatei an beliebiger Stelle gespeichert werden.

 

Das folgende Menue führt zu Untermenues, in denen die Auswirkungen der Luftfeder auf das Fahrzeug berechnet werden können.

 

Auf die Achse umgerechnete Federrate der Luftfeder

 

Dynamischer Ausfederweg

Da eine Luftfederkennlinie progressiv ist, ist die freie Schwingung einer Luftfeder keine Sinusschwingung. Der Ausfederweg aus der Ruhelage ist daher immer grösser als der Einfederweg, der die Energieaufnahme der Feder bewirkt.

Beim Einfedern nimmt die Feder Energie auf, die beim Ausfedern in potentielle Energie der Form E=mgh umgewandelt wird.

Das Programm berechnet die Fläche unter der Kurve ( rot gekennzeichnet ) und bestimmt dann aus der jetzt bekannten potentiellen Energie die Ausfederhöhe

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Berechnung der Drehfederrate und des Wankwinkels

Hier kann die Auswirkung verschiedener Luftfederauslegungen z.B. mehr oder weniger Zusatzvolumen auf den Wankwinkel abgeschätzt werden.

Es kann eine für die Fahrzeugart typische Geschwindigkeit zusammen mit einem Kurvenradius eingegeben werden. Übliche Kurvenradien auf Landstrassen sind etwa R = 200m. Bei der für die Fahrzeugart typischen Geschwindigkeit sollte ein Wankwinkel von 2° nicht wesentlich überschritten werden.

 

Achslastaufteilung

Nachdem man die Achslasten und ungefederten Massen eingegeben hat kann durch Betätigen einer der beiden Schaltflächen die notwendige wirksame Fläche der Luftfedern der jeweils andern der beiden Achsen bestimmt werden.

Das Hauptmenue wird gedruckt.

 

Diese Schaltfläche führt aus allen Menues zum Hauptmenue zurueck.

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