Nadace na podporu rozvoje pokročilých technologií, inovací a technického vzdělávání v České republice TLUMIČŮ. Ing. Aleš Bílkovský, Ing.

Transkript

1 Nadace na podporu rozvoje pokročilých technologií, inovací a technického vzdělávání v České republice MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK TLUMIČŮ ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA Ing. Aleš Bílkovský, Ing. Pavel Kukula

2 Obsah Obsah... 2 Seznam obrázků...3 Poděkování...4 Abstrakt...4 Klíčová slova...4 Úvod...5 Tlumiče... 6 Měření a měřící soustava... 6 Zpracovaní dat...8 Výsledky Hysterezní smyčky Síla-rychlost Páteřní křivky...17 Analýza páteřních křivek Analýza výsledků...26 Identifikace tlumiče...26 Závěr Literatura...29 Strana 2

3 Seznam obrázků Obr. 1 Škoda Octavia II. generace...5 Obr. 2 Detail upevnění tlumiče a celkový pohled na experimentální stand...7 Obr. 3 Přehled měřící soustavy...8 Obr. 4 Změřený a filtrovaný záznám polohy...9 Obr. 5 Změřený a filtrovaný záznám polohy detail...9 Obr. 6 Amplitudové spektrum změřené a filtrované polohy...10 Obr. 7 Změřený a filtrovaný záznám síly...10 Obr. 8 Změřený a filtrovaný záznám síly detail...11 Obr. 9 Amplitudové spektrum změřené a filtrované síly...11 Obr. 10 Záznam rychlosti derivované polohy...12 Obr. 11 Hysterezní smyčka síla-rychlost...13 Obr. 12 Hysterezní smyčka síla-rychlost...13 Obr. 13 Hysterezní smyčka síla-rychlost...14 Obr. 14 Hysterezní smyčka síla-rychlost...14 Obr. 15 Hysterezní smyčka síla-rychlost...15 Obr. 16 Hysterezní smyčka síla-rychlost...15 Obr. 17 Hysterezní smyčka síla-rychlost...16 Obr. 18 Hysterezní smyčka síla-rychlost...16 Obr. 19 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,1Hz)...17 Obr. 20 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,5Hz)...18 Obr. 21 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 1Hz)...18 Obr. 22 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 1,66Hz)...19 Obr. 23 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 2Hz)...19 Obr. 24 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 3Hz)...20 Obr. 25 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 5Hz)...20 Obr. 26 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 10Hz)...21 Obr. 27 Statistické zpracování páteřních křivek...22 Obr. 28 Statistické zpracování páteřních křivek...22 Obr. 29 Statistické zpracování páteřních křivek...23 Obr. 30 Statistické zpracování páteřních křivek...23 Obr. 31 Statistické zpracování páteřních křivek...24 Obr. 32 Statistické zpracování páteřních křivek...24 Obr. 33 Statistické zpracování páteřních křivek...25 Obr. 34 Statistické zpracování páteřních křivek...25 Obr. 35 Kvalita vozovky...26 Obr. 36 Comparison of the LOLIMOT model and the measured data...27 Obr. 37 Approximation F=Fd(v,a) for 10 Hz...28 Strana 3

4 Poděkování Auroři děkují nadaci ČVUT MEDIA LAB za finanční podporu, jakožto i kolegům z ČVUT v Praze, především Prof. Valáškovi za odborné vedení a Dr. Pavlu Steibauerovi za pomoc a cenné rady při práci v laboratoři. Abstrakt Cílem projektu Měření charakteristik tlumičů v rámci Nadace ČVUT Media Lab je změření sady tlumičů a porovnání jejich statických charakteristik a nalezení korelace mezi objektivním a subjektivním hodnocením výsledných vlastností vozidla. Klíčová slova Tlumič, identifikace tlumiče, rychlostní charakteristika tlumič Strana 4

5 Úvod Tlumiče se v současné době používají v automobilech hlavně na dvou místech. Primárním použitím je nápravy vozidla, dále jsou používány v některých vozidlech k tlumení sedačky řidiče. Samotné naladění odpružení a tlumení vozidla musí splnit dva požadavky. Prvním požadavkem je tlumení nárazů vzniklých pří jízdě po nerovném terénu a omezení přenosu vibrací z vozovky do vozu a zajištění komfortu a pohodlí posádky. Druhým požadavkem je zajištění trvalého styku kola s vozovkou, aby mohly být jednotlivé síly na kole působící přenášeny a tím také ke snížení kmitání kola nad vozovkou. Tradičně je tlumič popisován svojí nelineární rychlostní charakteristikou, závislostí síly na relativní rychlosti. Tato rychlostní charakteristika je zjednodušená hysterezí křivka tlumiče nahrazená jednoduchou křivkou. V současné době se k výslednému hodnocení pohodlí vozidel, a tím souvisejícím odpružením, používají testovací jezdci, jejichž hodnocení je subjektivní. Tito jezdci jsou schopni rozlišit nepatrné rozdíly mezi jednotlivými tlumiči, kteří mají definovanou stejnou rychlostní charakteristiku. Jsou schopni říci, který typ tlumiče je lépe vyhovující pro daný typ vozidla. Pro jednotlivé typy karosérií, motorizaci nebo i sportovnější typ podvozku se hodí jiný tlumič. Ve výsledku je nutné se zkušebními jezdci porovnávat jednotlivé tlumiče se stejnými rychlostními charakteristika pro určení nejvhodnějšího typu. Obr. 1 Škoda Octavia II. generace Cílem projektu je objektivní posouzení jednotlivých tlumičů a schopnost rozlišit tlumiče se stejnou rychlostní charakteristikou. Porovnat jejich vlastnosti a nalézt měřitelné rozdíly mezi tlumiči. Strana 5

6 Tlumiče Tlumiče, jako zařízení, musí být schopno absorbovat a disipovat energii. Hydraulické tlumiče mají obvykle podobu válce s pohyblivým pístem uvnitř. Válec je vyplněn hydraulickou kapalinou nebo plynem. Tlumič se skládá z vnitřního a vnějšího válce. Ve vnějším válci, označovaném jako tlakový, je válec na dolním konci pevně spojen s pístní tyčí. Píst se pohybuje nahoru (odskok) a dolů (komprese). Prostor nad pístem ve vnitřním válci se nazývá odtoková komora, prostor pod pístem se nazývá tlaková komora. Tyto komory jsou vyplněny hydraulickým olejem. Olej protéká z jedné komory do druhé a zpět ještě přes konstrukční prostoty a kanály. Olej vytváří odporovou sílu při pohybu pístu. Pro projekt byly získány dvě sady tlumičů (od dvou různých výrobců pro stejné vozidlo), které jsou podle dodavatele označeny jako stejné. Podle informací od dodavatele, cítí testovací jezdci rozdíly mezi tlumiči. Každá sada obsahovala 6ks. Více informací jsme k dodaným tlumičům nedostali. Tyto tlumiče jsou tedy v podstatě černé krabičky, o kterých nevíme žádné další informace ohledně vnitřních parametrů tlumičů a jejich vnitřní konstrukci. Vnější rozměry a připojovací rozměry tlumičů byly změřeny a porovnány. Objevili jsme některé rozdíly, které mohou být způsobeny tolerancí měření nebo volností zadání pro výrobce tlumičů, viz. tab. 1. Tab. 1 Odlišnosti v externích rozměrech tlumičů Naměřené rozměry Typ 01 Vnější průměr válce 43 mm Průměr díry na dolním konci tlumiče 14 mm (připojovací rozměr) Typ mm 14,2 mm Měření a měřící soustava Testovali jsme dodané tlumiče určené pro zadní nápravu vozidla pomocí zhotoveného standu v laboratořích Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky. Měřící soustava byla zapůjčena Fakultou strojní ČVUT, Ústavem mechaniky, biomechaniky a mechatroniky, Odborem mechaniky a mechatroniky na Karlově náměstí. Strana 6

7 Obr. 2 Detail upevnění tlumiče a celkový pohled na experimentální stand V sestavě je válec upevněn za spodní konec k pohyblivému pístu hydraulického zatěžovacího stroje, horní část je pevně připevněna k tuhému rámu pomocí silového čidla. Délkové roztažení tlumiče byo měřeno pomocí nezávisle připojeného dodatečného indukčního délkového čidla, pomocí něhož bylo měřeno relativní prodloužení (zkrácení) tlumiče. Vše bylo zaznamenáváno pomocí software od fy. Inova. Měřicí soustava se skládala z následujících částí: o Indukční polohové čidlo HBM WA100MM-L + zesilovač HBM AE501 o Silové čidlo HBM S9 2kN + zesilovač HBM RM4220 o Experimentální hydraulický zatěžovací stroj INOVA Generátor HU63-M06 Hydraulický válec INOVA AH H01 Polohové čidlo WLG % o PC + měřicí karta Inova Praha (řídicí a měřicí software) Strana 7

8 Obr. 3 Přehled měřící soustavy Zpracovaní dat Jak již bylo řečeno, během měření byla zaznamenávána poloha tlumič a působící síla. Tyto data obsahují jisté množství šumu, které je třeba odfiltrovat. Vhodné jsou nekauzální frekvenční filtry, především typu low-pass, případně i high-pass (pro odfiltrování nízkofrekvenčních složek při měření odezvy při vyšších frekvencích.). Byly použity filtry 4. řádu. Hraniční frekvence použitých filtrů je v tab. 2. Tab. 2 Hraniční frekvence použitých filtrů [Hz] Měřená frekvence Horní propust 0,1 0,5 1 1, Dolní propust 0, Průběh rychlosti byl určen derivováním filtrovanému záznamu polohy. Bylo vyzkoušeno několik předpisů pro numerickou derivaci. Nicméně se ukázalo, že prostá diference dvou po sobě následujících bodů je postačující. Strana 8

9 Obr. 4 Změřený a filtrovaný záznám polohy (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Obr. 5 Změřený a filtrovaný záznám polohy detail (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Strana 9

10 Obr. 6 Amplitudové spektrum změřené a filtrované polohy (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Obr. 7 Změřený a filtrovaný záznám síly (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Strana 10

11 Obr. 8 Změřený a filtrovaný záznám síly detail (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Obr. 9 Amplitudové spektrum změřené a filtrované síly (příklad amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Strana 11

12 Obr. 10 Záznam rychlosti derivované polohy Výsledky Hysterezní smyčky Síla-rychlost Zaznamená a zpracované průběhy sil a rychlostí byly vyneseny do grafů síla vs. rychlost. Tzv. hysterezní křivky udávají kromě závislosti síly na rychlosti i množství disipované energie. Strana 12

13 Obr. 11 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 0,1Hz) Obr. 12 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 0,5Hz) Strana 13

14 Obr. 13 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 1Hz) Obr. 14 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 1,66Hz) Strana 14

15 Obr. 15 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 2Hz) Obr. 16 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 3Hz) Strana 15

16 Obr. 17 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 3Hz) Obr. 18 Hysterezní smyčka síla-rychlost (amplituda 2mm, budící frekvence 10Hz) Strana 16

17 Páteřní křivky Pro podrobnější analýzu je třeba odpovídajícím způsobem zpracovat. Vhodné tzv. páteřní křivky, což jsou aproximace hysterezích křivek při nekonečné dlouhé době zatěžovaní tj. prostatickém zatěžování. Lze je získat průměrováním horní a dolní větve hysterezí smyčky pro jednotlivé hodnoty rychlostí. Příslušnost k horní resp. dolní větvi hysterezí smyčky je určena znaménkem zrychleni. To lze získat dalším derivováním rychlostí, což sice vnese již značnou míru chyby, nicméně pro určení signum je toto postačující. Na následujících obrázcích jsou páteřní křivky jednotlivých vzorků tlumičů pro jednotlivé zatěžující frekvence. Obr. 19 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,1Hz) Strana 17

18 Obr. 20 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,5Hz) Obr. 21 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 1Hz) Strana 18

19 Obr. 22 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 1,66Hz) Obr. 23 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 2Hz) Strana 19

20 Obr. 24 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 3Hz) Obr. 25 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 5Hz) Strana 20

21 Obr. 26 Páteřní křivky (amplituda 2mm, frekvence buzení 10Hz) Analýza páteřních křivek Pro detailnější analýzu byly páteřní křivky pro jednotlivé typy tlumičů statisticky zpracovány. Pro jednotlivé hodnoty rychlostí byly určeny střední hodnoty síly, včetně směrodatné odchylky. Výsledky jsou uvedeny na následujících obrázcích. Strana 21

22 Obr. 27 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,1Hz) Obr. 28 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 0,5Hz) Strana 22

23 Obr. 29 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 1Hz) Obr. 30 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 1,66Hz) Strana 23

24 Obr. 31 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 2Hz) Obr. 32 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 3Hz) Strana 24

25 Obr. 33 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 5Hz) Obr. 34 Statistické zpracování páteřních křivek (amplituda 2mm, frekvence buzení 10Hz) Strana 25

26 Analýza výsledků Problém popisovaný testovacími řidiči byl zmíněn výše. Testovací řidiči cítí rozdíl při jízdě po kvalitní vozovce při nízkých rychlostech. Obr. 35 Kvalita vozovky Při amplitudě 2mm je střední délka vlny, při jízdě po velmi kvalitní vozovce, 30m. Při rychlosti 10 m/s (36 km/h, tedy pomalá jízda) je budící frekvence 0,3Hz (f = v/l). Ze obrázků statisticky zpracovaných páteřních křivek je zřejmé, že budící frekvence 0,5Hz výše, páteřní křivky obou typů tlumičů takřka splývají. Zatímco při 0,1Hz se chování tlumičů podstatně liší. Toto zjištění odpovídá chování tlumičů popisovanému zkušebními řidiči. Při takto malých rychlostech při jízdě po kvalitní vozovce se měřené tlumiče chovají odlišně. Zatímco při vyšších frekvencích zatěžování je jejich odezva téměř identická. Identifikace tlumiče Naměřená data byla využita nad rámec původního projektu pro vytvoření fenomenologického modelu tlumiče. Identifikace je založena na základním vstupně výstupním modelu (černá krabička). V tomto případě bylo použito lokální lineární neuro-fuzzy modelování. To představuje přizpůsobení částí lineárních modelů, které aproximují nelineární chování identifikovaného systému pomocí lokálních modelů platných ve zváštních podoblastech celého prostoru. Strana 26

27 Identifikační algoritmus se nazývá LOLIMOT a byl vyvinut v. Nová implementace byla provedena na ČVUT v. Z naměřených dat pro výše uvedené parametry měření se vytvořil nelineární model tlumiče. Algoritmus LOLIMOT umožňuje systematické vytvoření zobecněné verze fenomenologického modelu s globálními charakteristikami tlumiče. Tento model oproti klasickým modelům obsahuje i skutečnou hysterezi tlumiče, který byl takto identifikován. Pro ověření modelu byl použit stejný tlumič. Obr. 36 Comparison of the LOLIMOT model and the measured data Strana 27

28 p ro c e s s m odel e rro r D a m p e r fo rc e [N ] t im e [ m s ] x 10 Obr. 37 Approximation F=Fd(v,a) for 10 Hz Závěr Byla provedena měření závislosti síly na rychlosti pohybu pístu tlumiče. Podařilo se experimentálně v laboratorních podmínkách ověřit, že jev popisovaný zkušebními řidiči skutečně existuje. A proto je ho třeba brát v potaz při návrhhu vhodného odpružení vozidla. Prezentované měření dokáže tyto rozdíly plně odhalit. Zároveň bylo ukázano, že tlumiče v rámci jedné série se liší pouye minimálně. Naměřená data byla použita pro identifikaci tlumiče pomocí algoritmu LOLIMOT. Strana 28

29 Literatura [1] O. Nelles, Nonlinear system identification with local linear fuzzy-neuro models. Automatisierungs technik. Shaker Verlag, Aachen [2] M. Štefan, CTU-LOLIMOT, Research Report U , FME CTU in Prague, Prague [3] R. Votrubec, Global damper characteristics, TU of Liberec, Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies, Liberec 2005 (in Czech). [4] Šika, Z., Bauma, V., Valášek, M., Bílkovský, A., Kukula, P., & Steinbauer, P. (2009). Identification of Phenomenological Shock Absorber Model Using NeuroFuzzy Method. Bulletin Of Applied Mechanics, 4(15), p Retrieved March 16, 2009, from [5] Mitschke, M.: Dynamik der Kraftfahrzeuge, 4. new revision, 2004, SPRINGER, p. 806, 560 pict., ISBN: [6] B.F. Spencer, S.J. Dyke, M.K., Sain, J. Carlson, Phenomenological Model of a Magnetorheological Damper, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 123(3), 1997, pp Strana 29