Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung der Lebensdauereigenschaften eines Kreuzlage-Luftfederbalges. Bei dem Luftfederbalg handelt es sich um sich die Schlüsselkomponente einer Luftfeder, die unter Berücksichtigung der dynamischen Beanspruchung ihre Zeitfestigkeit maßgebend bestimmt.

Die Motivation für die Notwendigkeit der experimentellen Analyse sind Lücken in der systematischen Vorgehensweise zur Lebensdauerprognose einer Luftfeder. Diese setzt für einen ganzheitlichen Ansatz Kenntnisse über die im Fahrzeug auftretenden Lasten und den daraus resultierenden Bauteilbeanspruchungen sowie der Beanspruchbarkeit der verarbeiteten Werkstoffe voraus. Auf Grund der komplexen Werkstoffeigenschaften von Elastomeren und seine mit Festigkeitsträgern kombinierte Verarbeitung in einem Haftverbund ist bislang eine zuverlässige Bestimmung der Bauteilbeanspruchung und –beanspruchbarkeit für den Balg nicht möglich.

In einer Literaturrecherche werden die Vorzüge der PKW-Luftfederung gegenüber ihren Alternativen aufgeführt. Weiterführend erfolgt die Beschreibung des allgemeinen Aufbaus und der Funktionsweise einer Luftfeder mit den in ihr verbauten Balgtypen. Das sind der Axial- und der Kreuzlagebalg. Auf Grundlage des Kreuzlagebalges werden anschließend derzeit angewandte Simulationsmodelle zur numerischen Bestimmung der Elastomerdehnung im Balg beschrieben. Danach werden notwendige Voraussetzungen einer Lebensdauervorhersage erläutert und auf Wissenslücken verwiesen, die derzeit eine zuverlässige Lebensdauerprognose für Luftfedern verhindern.

Anhand eines ganzheitlichen Konzeptes, das die Lebensdauerprognose von Luftfedern zum Ziel hat, wird eine auf Zeitfestigkeitsversuchen basierende Vorgehensweise formuliert. Mit ihr wird der Fokus auf die experimentelle Bestimmung der Lebensdauerabhängigkeit eines Balges von Betriebsparametern gelegt, die im Fahrzeug auf die Luftfeder einwirken. Unter Anwenden der statistischen Versuchsmethoden erfolgt eine zielgerichtete Versuchsplanung und effektive Versuchsdurchführung auf einem Balgprüfstand.

Im Anschluss an die Versuchsdurchführung werden die Versuchsergebnisse unter statistischen Gesichtspunkten ausgewertet und ein Regressionsmodell formuliert. Mit dem Regressionsmodell erfolgt die mathematische Beschreibung der Lebensdauereigenschaften des betrachteten Kreuzlagebalges in Abhängigkeit der untersuchten Betriebsparameter. Eine anschließende Validierung bestätigt seine Eignung und Anwendbarkeit, der die Interpretation der Ergebnisse unter Aspekten der Zeitfestigkeit folgt. Sie verdeutlicht die dominierende Einflussnahme des in der Luftfeder vorherrschenden Druckniveaus auf die Balglebensdauer gegenüber dem Abrollkolbendurchmesser und der Umgebungstemperatur.

Des Weiteren ist mit dem Regressionsmodell die Lebensdauerprognose für eine Luftfeder eingeschränkt möglich. Die Einschränkung liegt in der Amplitude des Federweges, die so groß sein muss, um den beschriebenen Schädigungsmechanismus vollständig abzubilden. Weiterhin bietet das Modell die Möglichkeit, unter Anwendung verlässlicher, numerischer Beanspruchungssimulationen ein Haigh-Diagramm für den untersuchten Haftverbund zu erstellen. Damit wird bei bekannter Luftfederlast eine Lebensdauerprognose für beliebige Balgkonstruktionen ermöglicht.

Schlagwörter: Luftfeder; Lebensdauer; Walkverhalten; Statisitik; Regression

Berichte aus dem Institut für Konstruktions- und Fertigungstechnik