Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

Werkstoff- und Prozessgrenzen beschränken unter Beachtung ökonomischer und ökologischer Aspekte den Leichtbau gegossener Fahrwerk-Komponenten aus Al-Si-Legierungen. Zunächst werden Bauteilgewicht und Wärmebehandlungsprozess als beeinflussbare Hauptbeitragsleister für Emissionen im Herstellprozess identifiziert. Zu deren Verringerung werden abhängig von der Belastungsart mögliche Mindestwandstärken abgeleitet, die für den Kokillenguss um 35 % reduziert werden. Dies gelingt durch Einsatz neuartiger, das Formfüllverhalten verbessernder Oberflächenstrukturierungen von Gießwerkzeugen bei Einhaltung von Konstruktionsregeln. Die Gesamtprozesszeit der Wärmebehandlung kann bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften um 40 % verkürzt werden. Dabei erfolgt die Charakterisierung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens unter dynamischer Belastung bei Parametervariation, da keine Korrelation zu den statischen mechanischen Kennwerten vorliegt.

Als elastische Koppelglieder üben Elastomere im Fahrwerk maßgeblichen Einfluss auf die Elastokinematik der Radaufhängung und damit auf die Radstellgrößen aus. Bereits einfache zylindrische Probekörper zeigten in der Vergangenheit Veränderlichkeit der Federsteifigkeiten bei mehrachsiger Belastung auf. Daraus ließ sich ableiten, dass das Bauteilverhalten von zylindrischen Elastomerkörpern, bzw. Fahrwerklagern, schwer vorhersagbar ist und dieser Effekt durch die Verwendung komplexer Geometrien zusätzlich beeinflusst wird. Eigens im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prüfstände ermöglichten die Untersuchung von statischen, mehrachsigen Belastungen sowie zyklischen, einachsigen Belastungen zweier Fahrwerklager einer typischen Vorderradaufhängung, dem Mc-Pherson-Federbein. Für beide Lagertypen wurden derart signifikante Federsteifigkeitsänderungen unter mehrachsiger Belastung beobachtet, dass ein Einfluss auf die Elastokinematik sicher schien. Unter einachsiger, zyklischer Belastung bestätige sich, dass einfache rheologische Ersatzmodelle, wie der Ansatz nach Kelvin-Voigt für eine Modellierung des viskoelastischen Materialverhaltens weiterhin Gültigkeit besitzen. Ein in einem Mehrkörpersimulationsprogramm erstelltes Gesamtfahrzeugmodell zeigte zunächst für die Auslegung der Prüfstände relevante Beanspruchungen in den Fahrwerklagern auf und diente weiterhin als Grundlage für die Untersuchung des Einflusses von Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen. Dazu behandelt die Arbeit die Modellierung eines neuen Fahrwerklagermodells innerhalb dieser MKS-Umgebung. Dieses Modell bietet dem Nutzer die Möglichkeit für eine Abbildung von Wechselwirkungen an zylindrischen, zyklisch beanspruchten Bauteilen. Ein spezielles Fahrmanöver zeigte den Einfluss der Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen auf und zeigte, dass die Berücksichtigung von Wechselwirkungen für eine Fahrwerkauslegung relevant ist. Darüber hinaus wurde mit kommerziell verfügbaren Materialmodellen für die Beschreibung es Materialverhaltens von Elastomeren innerhalb der Finite-Elemente-Methode aufgezeigt, dass bei einachsiger Belastung die Federsteifigkeiten der Fahrwerklager auf Grundlage der in der Literatur üblichen Auslegungsgleichungen näherungsweise abgebildet werden können, jedoch für mehrachsige Spannungszustände keine hinreichende Aussage über das Bauteilverhalten getroffen werden kann. Hier wurde weiterer Forschung- bzw. Erweiterungsbedarf an den FE-Programmen aufgezeigt.

Im Rahmen der Arbeit wurde das Potential von Magnesium für den Einsatz im Fahrwerk eines Automobils, am Beispiel der Querbrücke des Hinterachsträgers, ermittelt. Verschiedene Mg-Legierungen wurden im konventionellen und vakuumunterstützen Druckguss vergossen und der Al-Legierung vergleichend gegenübergestellt. Es wurden in einem ersten Schritt statische und zyklische Werkstoffkennwerte sowie Materialmodelle erforscht und bewertet. Verschiedene Lastfälle im Standard- und Sonderfahrbetrieb wurden durch statische und zyklische Betriebsfestigkeitssimulationen abgesichert. Konstruktive Bauteiloptimierungen waren notwendig um den Werkstoff Magnesium an die Anforderungen der Querbrücke anzupassen. Äußere Umwelteinflüsse im Fahrbetrieb machten ein Korrosionsschutzkonzept für die Querbrücke aus Magnesium notwendig. Untersucht wurden dabei verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung von Kontakt- und Oberflächenkorrosion. Grundsätzlich scheint der Einsatz von Magnesium im Fahrwerk im Bereich mittlerer Betriebsbelastungen denkbar.

Ein Schienenfahrzeug erzeugt geringe Gleiskräfte und geringen Verschleiß an Rädern und Schienen, wenn sich die Radsätze im Gleisbogen radial einstellen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Bedingungen für ein dreiachsiges Fahrwerk mit radialer Einstellbarkeit gelten, damit es möglichst stabil fährt. Außerdem wird es mit einem konventionellen dreiachsigen Fahrwerk bezüglich stabiler Fahrt und Verhalten im Bogen verglichen. Zusätzlich werden angetriebene Radsätze erfasst. In der Auslegungsphase eines Fahrzeuges kommt es darauf an, die wesentlichen Parameter zu analysieren und die optimalen Werte wenigstens in ihrer Größenordnung festzulegen. Da hierfür eine Vielzahl von Rechnungen nötig ist, braucht man einfache und schnelle Werkzeuge. Es wird ein Verfahren für die Bestimmung der optimalen Parameterwerte für Stabilität entwickelt. Der Einfluss der Elastizitäten und Dämpfungen in den Kopplungen wird berücksichtigt. Parameter dürfen in der Praxis nicht beliebige Werte, insbesondere nicht beliebig hohe Werte annehmen. Diese Randbedingungen werden einbezogen. Die Empfindlichkeit der Parameter gegenüber Abweichungen von den optimalen Werten wird dargestellt. Mit den optimalen Parameterwerten wird das Fahrverhalten im Bogen geprüft. Bei Fahrt im Bogen kann der Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene in der Hohlkehle oder in der Spurkranzflanke des Rades liegen. In diesem Bereich sind die Beziehungen der Kontaktparameter stark nichtlinear; das Rechenmodell bezieht diese Effekte ein. Die Ergebnisse zeigen, dass drei Radsätze, die in der Lage sind, sich ungehindert radial einzustellen, stabil fahren können. Auch die Existenz eines Fahrzeugkastens ändert nichts an dieser grundsätzlichen Aussage. Voraussetzung ist allerdings, dass einige Parameter ausreichend große Werte annehmen können. Die Grenzen, die die Parameterwerte nicht überschreiten dürfen, haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Steifigkeiten, die eigentlich die radiale Einstellung behindern, wirken sich positiv auf die Stabilität und das Verhalten im Bogen unter Fliehkraft aus.

Als elastische Koppelglieder üben Elastomere im Fahrwerk maßgeblichen Einfluss auf die Elastokinematik der Radaufhängung und damit auf die Radstellgrößen aus. Bereits einfache zylindrische Probekörper zeigten in der Vergangenheit Veränderlichkeit der Federsteifigkeiten bei mehrachsiger Belastung auf. Daraus ließ sich ableiten, dass das Bauteilverhalten von zylindrischen Elastomerkörpern, bzw. Fahrwerklagern, schwer vorhersagbar ist und dieser Effekt durch die Verwendung komplexer Geometrien zusätzlich beeinflusst wird. Eigens im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prüfstände ermöglichten die Untersuchung von statischen, mehrachsigen Belastungen sowie zyklischen, einachsigen Belastungen zweier Fahrwerklager einer typischen Vorderradaufhängung, dem Mc-Pherson-Federbein. Für beide Lagertypen wurden derart signifikante Federsteifigkeitsänderungen unter mehrachsiger Belastung beobachtet, dass ein Einfluss auf die Elastokinematik sicher schien. Unter einachsiger, zyklischer Belastung bestätige sich, dass einfache rheologische Ersatzmodelle, wie der Ansatz nach Kelvin-Voigt für eine Modellierung des viskoelastischen Materialverhaltens weiterhin Gültigkeit besitzen. Ein in einem Mehrkörpersimulationsprogramm erstelltes Gesamtfahrzeugmodell zeigte zunächst für die Auslegung der Prüfstände relevante Beanspruchungen in den Fahrwerklagern auf und diente weiterhin als Grundlage für die Untersuchung des Einflusses von Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen. Dazu behandelt die Arbeit die Modellierung eines neuen Fahrwerklagermodells innerhalb dieser MKS-Umgebung. Dieses Modell bietet dem Nutzer die Möglichkeit für eine Abbildung von Wechselwirkungen an zylindrischen, zyklisch beanspruchten Bauteilen. Ein spezielles Fahrmanöver zeigte den Einfluss der Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen auf und zeigte, dass die Berücksichtigung von Wechselwirkungen für eine Fahrwerkauslegung relevant ist. Darüber hinaus wurde mit kommerziell verfügbaren Materialmodellen für die Beschreibung es Materialverhaltens von Elastomeren innerhalb der Finite-Elemente-Methode aufgezeigt, dass bei einachsiger Belastung die Federsteifigkeiten der Fahrwerklager auf Grundlage der in der Literatur üblichen Auslegungsgleichungen näherungsweise abgebildet werden können, jedoch für mehrachsige Spannungszustände keine hinreichende Aussage über das Bauteilverhalten getroffen werden kann. Hier wurde weiterer Forschung- bzw. Erweiterungsbedarf an den FE-Programmen aufgezeigt.

Ein Schienenfahrzeug erzeugt geringe Gleiskräfte und geringen Verschleiß an Rädern und Schienen, wenn sich die Radsätze im Gleisbogen radial einstellen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Bedingungen für ein dreiachsiges Fahrwerk mit radialer Einstellbarkeit gelten, damit es möglichst stabil fährt. Außerdem wird es mit einem konventionellen dreiachsigen Fahrwerk bezüglich stabiler Fahrt und Verhalten im Bogen verglichen. Zusätzlich werden angetriebene Radsätze erfasst. In der Auslegungsphase eines Fahrzeuges kommt es darauf an, die wesentlichen Parameter zu analysieren und die optimalen Werte wenigstens in ihrer Größenordnung festzulegen. Da hierfür eine Vielzahl von Rechnungen nötig ist, braucht man einfache und schnelle Werkzeuge. Es wird ein Verfahren für die Bestimmung der optimalen Parameterwerte für Stabilität entwickelt. Der Einfluss der Elastizitäten und Dämpfungen in den Kopplungen wird berücksichtigt. Parameter dürfen in der Praxis nicht beliebige Werte, insbesondere nicht beliebig hohe Werte annehmen. Diese Randbedingungen werden einbezogen. Die Empfindlichkeit der Parameter gegenüber Abweichungen von den optimalen Werten wird dargestellt. Mit den optimalen Parameterwerten wird das Fahrverhalten im Bogen geprüft. Bei Fahrt im Bogen kann der Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene in der Hohlkehle oder in der Spurkranzflanke des Rades liegen. In diesem Bereich sind die Beziehungen der Kontaktparameter stark nichtlinear; das Rechenmodell bezieht diese Effekte ein. Die Ergebnisse zeigen, dass drei Radsätze, die in der Lage sind, sich ungehindert radial einzustellen, stabil fahren können. Auch die Existenz eines Fahrzeugkastens ändert nichts an dieser grundsätzlichen Aussage. Voraussetzung ist allerdings, dass einige Parameter ausreichend große Werte annehmen können. Die Grenzen, die die Parameterwerte nicht überschreiten dürfen, haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Steifigkeiten, die eigentlich die radiale Einstellung behindern, wirken sich positiv auf die Stabilität und das Verhalten im Bogen unter Fliehkraft aus.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008