Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu, se zaměřením na zkoušky karoserie Ing. Květoslav Zdražil odd. TKK (Vývoj svařené karoserie a montovaných dílů) ČVUT FD, 25.3.2015 1 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Obsah: Co je to experiment, jeho vlastnosti Úloha experimentu ve vývoji Škoda Nároky na přípravu, realizaci a vyhodnocení experimentu Zkoušky používané při vývoji svařené karoserie Laboratorní zkoušky statické Laboratorní zkoušky tepelného zatížení Laboratorní zkoušky životnosti Typy zkoušek na elektrohydraulických zkušebních stavech Technické prostředky na provádění vibračních zkoušek Příklady vibračních testů Optické měřící metody Měření napětí - reflexní fotoelasticimetrie Měření deformací systém Aramis Měření vibrací systém Pontos Měření posuvů systém Tritop. 2 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Experiment v automobilovém průmyslu nic nového. 3 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Motto: Čím dál od rýsovacího prkna konstruktéra se zjistí nespolehlivost, tím více nás to stojí (A.N. Tupolev) V současnosti je vývoj v automobilovém průmyslu pod obrovským tlakem na snižování času vývoje a celkových vývojových nákladů. Tyto trendy jsou patrné ve všech oblastech vývoje automobilů, zejména pak u životnostních zkoušek, které jsou z hlediska času velmi náročné. Vysoké nároky jsou kladeny na: - kvalitu vyvíjeného výrobku z komplexního hlediska (životnost, jízdní vlastnosti, ergonomie, crash.) - rychlou obměnu sortimentu a krátké dodací termíny - vývoj elektriky a elektroniky (spolupráce se specializovanými externími firmami) - ochranu životního prostředí - vysoké cíle (vyšší, než je v danou chvíli bezpodmínečně nutné) Cíl: spokojený zákazník + náskok před konkurencí Experiment má zásadní úlohu provází celý proces vývoje vozu 4 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Co je to experiment? - metoda vědního poznání, při níž se zkoumají za kontrolovaných a řízených podmínek jevy reálného světa - soubor jednání a pozorování, jehož účelem je ověřit hypotézu nebo poznatek, které něco tvrdí o příčinných vztazích určitých fenoménů. Vlastnosti experimentu: - dostatečně přesný popis všech relevantních podmínek, v nichž probíhal - přesný záznam všech postupů, které byly použity - podmínka opakovatelnosti experimentu - možnost statistického vyhodnocení vzorky použité v experimentu musí být reprezentativní svým složením i svým počtem Na rozdíl od prostého pozorování při pokusu experimentátor aktivně ovlivňuje podmínky 5 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Aplikační oblasti experimentu: - redukční výběr veličin, které jsou relevantní pro řešení daného problému - induktivní přístup na základě experimentálně získaných poznatků se formulují axiomy teorie - pomocí experimentu se verifikuje pravdivost hypotézy - zajišťování vstupních údajů pro metody výpočtového modelování - verifikační funkce ověřování pravdivosti výsledků výpočtového modelování Zdroj: Prof. Přemysl Janíček: Komplexně o poznávacích procesech a odpovědnosti za poznatky (Inženýrská mechanika 1 2\2001) 6 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Materiálová data, frekvenční, tuhostní charakteristiky, validace FEM modelů, zatěžovací spektra (experiment, MBS) Materiálová data Zjednodušené blokové schema Návrh (modifikace) konstrukce Výpočty MKP Příprava výroby prototypu a realizace Laboratorní zkoušky komponent, podsestav, celého vozu Jízdní zkoušky Laboratorní zkoušky Jízdní zkoušky - Vývoj karoserie - Vývoj podvozku a agregátu - Vývoj elektriky a elektroniky Tuhost, pevnost, vibrace, hluk, crash, únava. Prototypy komponent, podsestav, celého vozu Tuhost, pevnost, vibrace, hluk, životnost, crash, spotřeba, exhalace. EVP, EWP, Škoda. Wi-Fa, So-Fa, Pista, zkoušky odborných útvarů zákaznické zkoušky T Kvalita sériové výroby, změna dodavatelů, zvyšování kvality, snižování nákladů. GQ Zkoušky sériové produkce v zákaznických podmínkách 7 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Nároky na přípravu, realizaci a vyhodnocení experimentu Příprava: - přesná specifikace problému (úlohy) diskuse se zadavatelem - výběr metody musí odpovídat fyzikální podstatě problému, časovým požadavkům, technickým možnostem pracoviště, stanovení podmínek testu - zabezpečení dostatečného množství zkušebních vzorků, konstrukce a realizace zkušebních přípravků, příprava zkušebního zařízení Realizace: - maximální urychlení testu (dá se ovlivnit výběrem zkušební metody), ne na úkor kvality provedení testu - maximální výtěžnost testu ze zkoušky prototypu získat co nejvíce informací - monitoring vzorku i zkušebního režimu po celou dobu testu nutno mít neustále pod kontrolou, co se děje se vzorkem - zabránit nekontrolovanému poškození vzorku znehodnocení zkoušky Vyhodnocení: zkušební protokol, který obsahuje: - specifikace vzorku - popis zkušebního zařízení a metodiky - výsledky zkoušky, při dostatečném množství vzorků statistické vyhodnocení - závěr a doporučení Podmínka srozumitelnosti výsledků předpokládá to součinnost fundovaných partnerů na straně zadavatele i řešitele 8 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
efektivita Zásadní z hlediska efektivity vývoje je sepětí výpočetních analýz a experimentu koncept hybridního experimentu (fyzikálně virtuálního) experiment výpočet -1000 0 čas vývoje Podmínka: předávání informací a kontakt mezi výpočtářem a experimentátorem po celý čas vývoje 9 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Příklad hybridního experimentu Škoda Octavia na virtuálním vertikálním 4 kanálovém stavu 10 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Experimentální podpora technických výpočtů (spolupráce s odd. TKF) Podpora výpočtů - tuhosti - životnosti - vibrací - crash Podíl na stavbě virtuálního modelu vozu: - materiálová data - deformační charakteristiky - frekvenční charakteristiky - verifikace modelů Nutný vzájemný respekt a výměna informací mezi výpočtáři a laboratoří Nejhorší varianta: Výpočtář se bojí zkušebny (odhalí, že jeho analýza není správná) a zkušební technik ignoruje výsledky výpočtů (nikdy nemohou odpovídat realitě) 11 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
V průběhu procesu vývoje karoserie má experiment své pevné místo: - materiálové testy mechanických vlastností (pevnost, životnost) - pevnostní a životnostní zkoušky lepených, šroubových a svarových spojů - pevnostní a životnostní testy komponent - zkoušky komponent za proměnlivé teploty a vlhkosti, případně se simulací slunečního záření - nárazové zkoušky karoserie (celého vozu) - laboratorní životnostní zkoušky karoserie (celého vozu) - jízdní životnostní (dlouhodobé) zkoušky karoserie (celého vozu) - funkční zkoušky karoserie v letních a zimních podmínkách Řada těchto testů je popsána v normách (DIN, ISO, EN), existuje katalog vývojových zkoušek (EP Katalog), některé zkoušky jsou navrhovány až pro řešení konkrétních problémů Pod zkoušky karoserie jsou řazeny i zkoušky montovaných dílů střešní okna, nárazníky, čelní sklo. 12 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Testy mechanických vlastností materiálů (pevnost, tažnost, životnost,.) Technické prostředky: - jednoosé zatěžovací stroje elektromechanické servopneumatické servohydraulické - rázová kladiva, padostroje (v lepším případě instrumentované) - tvrdoměry Součástí těchto zařízení jsou siloměry - průtahoměry (extenzometry) - optická měřící zařízení, měřící hloubku vtisku, deformaci vzorku. 13 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Stress in MPa 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 Strain in % S0 Rp 0,2 E-Modulus Rm Ag A n-value Nr mm 2 MPa MPa MPa % % 1 36,00 428,15 2,09e+005 493,08 14,87 27,59 0,1343 2 36,00 427,59 2,08e+005 492,27 14,70 27,84 0,1344 3 36,00 429,09 2,11e+005 494,09 14,85 25,43 0,1348 4 36,00 436,60 2,11e+005 502,70 14,05 24,01 0,1349 5 36,00 437,01 2,13e+005 503,19 14,19 24,19 0,1345 6 36,00 436,84 2,17e+005 503,39 14,57 25,20 0,1350 7 36,00 437,44 2,11e+005 503,22 14,09 24,33 0,1342 8 36,00 426,88 2,11e+005 492,59 14,53 27,11 0,1342 Jednoosý zatěžovací stroj Zwick 100 kn + optický systém Aramis Mechanické zkoušky materiálů - příklad 14 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Porovnání smluvního a skutečného tahového diagramu skutečný diagram je důležitá informace pro FEM crash analýzy skutečné napětí skutečná deformace S R 0 R 1 S S0 ln ln1 S R smluvní napětí ε poměrná deformace FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie 15
Optický systém Aramis diagram True stress True strain rozložení hlavních deformací v okamžiku těsně před porušením 16 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Materiál BTR 165 Videozáznam průběhu rozložení lokálních deformací při tahové zkoušce, rychlost zatěžování 200 mm/min 17 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
18 Protokol z měření koeficientu anizotropie r materiál H 360LA, tl. 0,8 mm, směr válcování 45º 0 0 t t ln w w ln r t w l w w r 0 t w l FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Uspořádání zkušebních zařízení při deformačním testu vzorku s bodovým svarem Použity 2 systémy ARAMIS HS, zatěžovací stroj ZWICK Z 100, pro určení společného souřadného systému systém TRITOP (spolupráce s MCAE) 19 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Měření lokálních deformací v okolí bodového svaru při zatěžování modelového vzorku 20 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pevnostní zkoušky svarových spojů 21 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
strain /%/ bez svaru svar uprostřed svar na okraji 60 50 40 30 20 10 0 Major strain max [%] A80 [%] BTR bez svaru BTR svar ve středu BTR svar na okraji Vysokopevnostní plech s bodovým svarem Ø 5 mm, používaný na crashové výztuhy, vzorky pro tahovou zkoušku, rychlost zatěžování 200 mm/min Cíl: informace o rozložení a velikosti lokálních deformací těsně před porušením vzorku podklady pro FEM výpočty Výzkum lokálních deformací v okolí bodového svaru optický systém Aramis 22 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
F /kn/ Údaje o vzorku Údaje o zatěžovacím procesu Parametry rovnice F w a. N = C Pozn. Typ svaru bodový zatěžovací stroj AMSLER 100HFP 5100 w 7,83 P = 50% Rozměry svaru Ø 5 mm směr zatěžování prostý střih C 48020722,1039 Základní materiál H220LAD+Z100MB, tl. 0,8 + 0,8 mm R 0,1 10 1 100000 1000000 10000000 N /cykl/ Únavové zkoušky svarových spojů 23 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pevnostní zkoušky komponent vozu FAY FBY FCY Uspořádání zkoušky a zatěžovací diagram zkouška podélníků střešního nosiče vozu Škoda Octavia Combi 24 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pevnostní zkoušky komponent vozu Kvazistatická zkouška kotvení bočních dveří do karoserie vozu Škoda Superb kn 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 2 4 6 8 mm 25 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pevnostní zkoušky komponent vozu Upevňovací oka v zavazadlové prostoru Škoda Superb Combi 10000 N 10 s 4375 N 3500 N 10 s 3000 N 10 s 1500 N 10 s 10 s 26 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pevnostní zkoušky komponent vozu Další příklad jednoosého pevnostního testu - užití stroje Zwick Z 100 + optického přístroje Aramis deformační zkouška zadního deformačního členu vozu vozu Škoda - YETI - experimentální podpora MKP výpočtů Deformační člen je součástí výztuhy předního a zadního nárazníku vozu důležité součásti z hlediska tzv. pojišťovacích nárazů při pomalých rychlostech musí pohltit většinu energie, bez poškození struktury karoserie 27 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Drehwin [min] Relatiwdrehwinkel [min] Měření statické torzní tuhosti karoserie vozu Verdrehunhswinkel der Karosserie zwischen VA und HA Endwert Mk/Punkt -558-315 0 453 933 1420 1775 2136 2565 2845 3164 3000 9,73 9,13 9,28 8,87 7,71 6,22 5,04 3,45 0,95 1,33 2,64 4500 14,76 14,11 14,25 13,47 11,72 9,48 7,69 5,30 1,48 2,08 4,05 6300 20,79 20,05 20,02 18,92 16,46 13,26 10,83 7,46 2,28 2,91 5,67 8200 27,08 26,05 25,75 24,65 21,44 17,33 14,14 9,74 2,91 3,76 7,37 8400 27,77 26,77 26,41 25,29 21,99 17,77 14,49 10,00 2,97 3,85 7,56 Diagramm für Verlauf der Torsionssteifigkeit 30,00 Belastungsmoment [Nm] 3 000 4 500 6 300 8 200 8 400 Winkel Verdrehung links [min] -8,05-12,48-17,68-22,29-22,86 Winkel Verdrehung rechts [min] 8,60 13,05 17,81 23,37 24,02 Endwinkel [min] 8,33 12,76 17,74 22,83 23,44 Torsionssteifigkeit [knm/stufe] 21,63 21,16 21,31 21,55 21,51 Verdrehungswinkel zwischen den einzelnen Längsebenen [min] Mk/Punkt -558-315 0 453 933 1420 1775 2136 2565 2845 3164 3000 0 0,60-0,15 0,41 1,16 1,49 1,18 1,59 2,49-0,38-1,31 4500 0 0,65-0,14 0,78 1,75 2,24 1,79 2,39 3,82-0,60-1,97 6300 0 0,74 0,03 1,10 2,46 3,21 2,43 3,37 5,18-0,63-2,76 8200 0 1,03 0,31 1,10 3,20 4,12 3,19 4,40 6,82-0,85-3,61 8400 0 1,01 0,35 1,13 3,29 4,22 3,28 4,49 7,02-0,88-3,71 3000 4500 6300 8200 20,00 8400 10,00 0,00-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Längsabstand [mm] Diagramm für Verlauf des relativen Verdrehungswinkels zwischen den einzelnen Meßebenen 8 7 3000 6 4500 5 6300 4 8200 3 8400 2 1 0-1000 -500-1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500-2 -3-4 Längsabstand [mm] 28 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Zkoušky za proměnlivé teploty a vlhkosti (PV 1200, PV 2005), případně kombinované s vlivem vibrací a slunečního záření Předmětem těchto zkoušek je velké množství dílů na voze (nárazníky, střešní okna, plastové obklady.), posuzuje se deformace dílů, stálobarevnost, vznik trhlin a lomů. / C/ % 120 100 80 60 teplota_pv 2005_díly vlhkost_pv 2005_díly teplota_pv 2005_celý vůz vlhkost_pv 2005_celý vůz teplota_pv 1200 vlhkost_pv 1200 40 20 0-20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600-40 -60 Časový průběh jednoho cyklu podle norem PV 1200, PV 2005 29 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pohled na vzorek umístěný v klimakomoře (vertikální čtyřválec) 30 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pohled na provedení klimakomory pro celý vůz 31 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Únavové zkoušky komponent a celé karoserie Používaná zkušební zařízení 1. elektrohydraulické zatěžovací stavy - jednoosé - víceosé - víceosé simulátory vozovky 2. elektrodynamická zkušební zařízení (shakery) - za normálních klimatických podm. - za ztížených klimatických podm. 3. magnetorezonanční zkušební zařízení (vysokofrekvenční pulsátor) 4. zařízení pro měření a záznam provozního namáhání - měřící ústředny - optická zařízení 32 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Schematické znázornění elektrohydraulického zkušebního systému 33 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Elektrohydraulické zatěžovací stavy jednoosé příklady Zkouška torza zadní části vozu Škoda Octavia 34 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Elektrohydraulické zatěžovací stavy jednoosé příklady Zk. transportních háků Fabia Sedan Zk. bodových svarů (kalíšky) 35 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Multiaxiální simulátory vozovky - dodávány specializovanými firmami - propracované systémy po stránce mechanické, elektronické i po stránce software - náročné na přípravu zkoušky, na monitoring běhu testu i na údržbu - vysoké náklady Ve Škodě-auto instalována tato multiaxiální zařízení: 4 kanálový vertikální simulátor vozovky MTS zatěžováno syntetickým signálem podle metodiky VW nebo reálným zatížením ze zkušební trati 14 kanálový simulátor vozovky SCHENCK, po modernizaci kompletně řízen elektronikou a software MTS. Možno zkoušet celý vůz nebo jednotlivé nápravy, testováno reálným zatížením 16 kanálový simulátor vozovky serie 329 MTS (4 DOF). Možno zkoušet celý vůz nebo jednotlivé nápravy, testováno reálným zatížením 36 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Zkouška karoserie vozu na 16 kanálovém simulátoru vozovky Příprava zkoušky na těchto zkušebním stavu sestává z několika fází (celý proces trvá několik týdnů): - instalace měřících systémů a sběr provozních dat - analýza provozních dat - identifikace soustavy měření frekvenčních přenosových funkci (FRF) - odhad prvního zatěžovacího (drive) signálu - iterační proces - opakované měření odezvy ze vzorku, výpočet chybového (error) signálu, generování opraveného drive signálu - realizace životnostního testu (na základě posledního správného iteračního kroku) 37 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Instrumentace vozu osazení vozu měřícími systémy - měřící kola - snímače zrychlení - snímače zdvihu - tenzometrické měřící systémy Samotný sběr dat probíhá na polygonu VW Ehra, dráha pro zrychlenou životnostní zkoušku Analýza a editace naměřených dat surový soubor provozních dat obsahuje poměrně velké množství kanálů (60 70). Pro přípravu životnostní zkoušky jsou vybrány nutně složky Fx, Fy, Fz, působící na kola, pro kontrolu správnosti simulačního procesu pak snímače zrychlení na kolech a v místě kotvení tlumičů a dále pak snímače deformace, posuvu a zrychlení, umístěných různě na vozidle. Dále nutno vybrat vhodnou realizaci z naměřených dat. Okruh se měří minimálně 5 x, většinou se vybírá druhá nejagresivnější realizace posuzují se parametry jako maximální a minimální hodnota na měřených kanálech, efektivní hodnota, porovnávají se četnostní diagramy (většinou Rain Flow) též diagramy kumulativního únavového poškození (používá se Palmgren-Minerovo pravidlo lineární kumulace poškození, výpočet je prováděn na základě fiktivní únavové křivky s exponentem w = 4) Příklad časového záznamu síla ve směru osy z levé přední kolo 38 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Hodnotící parametry: hledisko amplitudy F = Fmax Fmin Fmax Fmin hledisko intenzity signálu FRMS. hledisko čerpání únavového poškození D n N 1 1 n N 2 2 n N p p p i1 Předpoklad: napětí σ přímo úměrné silovému zatížení F n N i i a ap ai a1 w a N C c n i N i N N 39 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Vzhledem k potřebě maximálního urychlení testu nutno provést editaci signálu. Pomocí speciálních funkcí pro editaci lze vyřezat úseky, které mají zanedbatelný vliv na životnost. Vyřezávány jsou i části, které jsou na daném typu zkušebního stavu nerealizovatelné. V případě 329 simulátoru se jedná zejména o zatáčky a brzdné manévry. V některých případech se tyto manévry zařazují do testu mimo hlavní zatěžovací program uměle vytvořené nebo zkomprimované). Původní signál z trati a signál po editaci nutno porovnat důležitý krok, který stanoví, zda si úpravu signálu možno dovolit zejména z hlediska únavového poškození. Možnosti porovnání signálů: - časová oblast (alespoň vizuální kontrola, použití statistických veličin). - frekvenční oblast (většinou PSD) - oblast četnostních diagramů (Rain Flow, Level Cross, funkce hustoty pravděpodobnosti ) - oblast kumul. únavového poškození (histogramy kumulativního únavového poškození) Časový záznam editovaného signálu ve směru osy z pro levé přední kolo zkráceno cca na polovinu (modrá čára je 0. drive signál) 40 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Identifikace soustavy měření frekvenčních přenosových funkci (FRF) Identifikace systému slouží ke stanovení FRF matice (matice frekvenčních přenosových funkcí). FRF je vlastně lineárním modelem vibračního systému. V případě celého vozu a multiaxiálního zkušebního stavu se jedná o relativně složitý mechanický (+ hydro + elektro) vibrační systém, složený z hmot, pružin a tlumičů. Přenosové fce pro všechna kola ve směru osy z Vstupní a výstupní signály u 329 MTS simulátoru Vstupy u 329 simulátoru MTS mohou tvořit vazby - kinematické (posuvy hydr. válců) - silové (mezi dvojicí kol) Některé vstupy mohou být kombinací několika kanálů. Vstupy od jednotlivých hydraulických válců jsou seskupovány do tzv. módů, celkové zatížení vzorku je jejich kombinací. Při vývoji a zkouškách karoserie se většinou nevyužívá všech 16 vstupů, ale pouze 12 (vstupy pro zatížení momentem kolem osy y jsou v klidu). Výstupy ze systému tvoří 12 signálů z měřících kol (F x, F y, F z na každé kolo). Celkově se jedná o MIMO (multi input, multi output) nelineární systém (výstup nemusí odpovídat vstupu o stránce amplitudy ani frekvence) 41 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Odhad prvního zatěžovacího (drive) signálu Jedná se úvodní budící signál nultý iterační krok. Je stanoven na základě inverzní FRF a filtrovaného editovaného signálu (soubor požadované odezvy desired soubor). Filtrace editovaného signálu je nutná zkušební stav je konstruován pro buzení do maximálně 50 Hz. Frekvenční rozsah buzení je odhadnut na základě RFR, v našem případě byl použit frekvenční rozsah 0,8 40 Hz. Popis iteračního procesu Pokud je proces perfektně lineární (v našem případě neplatí) a použije se zesílení iterace rovno jedné, může první lineární odhad budícího souboru dát korektní odezvu ze zkušebního stavu. Avšak všechny systémy mají nějakou míru nelinearity. Lineární odhad je poměrně dobrý nástroj, avšak budící signál musí být postupně pomocí iteračního procesu modifikován, abychom ze zkušebního stavu získali korektní odezvu. V každém iteračním kroku je vzorek buzen budícím drive signálem a zároveň je se shodnou vzorkovací frekvencí snímána odezva. V každém kroku je spočtena odchylka signálu odezvy n-tého iteračního kroku od signálu požadované odezvy (tzv. error soubor). Na základě této odchylky a inverzní FRF je spočtena korekce budícího signálu. Pokud je odchylka (error) příliš velká, iterace se stává nestabilní. Proto je vhodné zadávat gain při výpočtu přiměřeně malý. Korekce je přičtena k souboru lineárního odhadu budícího signálu. Iterační proces se opakuje tak dlouho,dokud odchylka od požadovaného signálu není akceptovatelná. 42 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Porovnání požadované odezvy (černá) a odezvy při 0., 20, 40, 60, a 76. iteračním kroku (levé přední kolo svislá síla) 43 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Detail požadované odezvy (černá) a odezvy při 76. iteračním kroku (levé přední kolo svislá síla) Změna vybraných statistických veličin odezvy a chyby v závislosti na počtu iteračních kroků (levé přední kolo, svislá síla) 44 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
V případě testu Škoda Yeti bylo použito poměrně velkého počtu iteračních kroků 76, což znamená poměrně velkou časovou náročnost přípravy testu, bylo ale dosaženo velmi dobré shody Diagram kumulativního poškození porovnání mezi požadovaným souborem (černá) a odezvou po 76. iteračním kroku (svislá síla levé přední kolo) Diagram kumulativního poškození porovnání mezi požadovaným souborem (černá) a odezvou po 76. iteračním kroku (podélná síla levé přední kolo) 45 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Jedná se o relativně složitý proces, náročný na znalosti z několika různých oborů a též náročný z hlediska času (příprava od instalace až po poslední iterační krok trvá několik týdnů usilovné práce). V žádném případě se nejedná o rutinní proces, který by se dal popsat pomocí jednoduchého návodu. Omezením popisovaného testu je skutečnost, že zkouška je připravena pro konkrétní dynamickou soustavu tedy pro vůz s daným naladěním podvozku, hmotností a rozložením hmot. Použitelnost na vůz s jiným naladěním podvozku, nebo dokonce na vůz jiné kategorie je více než diskutabilní. Je proto důležité již ve fázi plánování zkoušek pratypů vybrat vůz, u kterého se předpokládá nejvyšší zatížení (automobil s nejtěžším motorem, maximální výbavou ) Výhody obdobné komplexní laboratorní zkoušky (i přes délku počáteční přípravy) jsou zřejmé: - zaručená opakovatelnost testu - možnost dalších analýz na testovaném voze (většinou se při zkoušce provádějí ještě další, dílčí měření některých komponent jako základ pro přípravu zkoušek např. na elektrodynamických shakerech - zkrácení doby testu samotné zkoušky - možnost těsné spolupráce se zadavatelem testu (zkušební polygon je v BRD, zkušebna je ve vedlejší budově) - možnost objektivního monitoringu stavu vzorku během zkoušky - možnost zkoušky dalšího vozu již bez nutnosti počáteční přípravy 46 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
47 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Ve vývojovém procesu mají laboratorní vibrační zkoušky důležitý podíl Hlavní úlohy tohoto typu zkoušek: - provádění laboratorních životnostních zkoušek komponent a celých sestav - provádění frekvenčních analýz - provádění funkčních testů komponent elektriky a elektroniky - experimentální podpora FEM výpočtů (odezvy na buzení, přenosové funkce) Díly jsou při tomto typu zkoušek zatěžovány setrvačnými silami 48 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Technické prostředky: - elektromotorické vibrační stoly jednoduché (elektromotor + excentr), spolehlivé, frekvenčně omezené - servopneumatické vibrační stoly nízké frekvence, malá zrychlení - servohydraulické vibrační stoly relativně nízké frekvence, nutný rozvod hydraulického oleje - elektrodynamická vibrační zařízení (shakery) frekvenční rozsah až do jednotek khz silový vektor od 10 N až po 100 kn výhodné pro simulace ve frekvenční oblasti 49 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Elektromotorický a magnetodynamický zatěžovací stroj 50 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Různé přístupy k realizaci vibračních laboratorních zkoušek testy podle norem (DIN, VW ) - zjednodušené, většinou velmi přísné - vhodné pro porovnávací testy, pro kontrolu kvality sériové výroby - nutné, pokud nejsou dostupné informace o provozním zatížení testy na základě reálného provozního zatížení - po technické, organizační, ekonomické (čas) stránce náročné - nutnost mít k disposici celý pojízdný vůz - data měřit na zkušební trati (polygon), nebo na vícekanálovém simulátoru vozovky - frekvenční analýzy - buzení jednotkovým, nebo náhodným signálem, měření odezvy Pokud je to možné, snažit se měřit provozní zatížení, nebo alespoň vycházet ze známých zatěžovacích spekter obdobných dílů na obdobných typech vozů 51 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Příklady zkoušek Laboratorní životnostní zkouška přístrojové desky vozu Škoda Superb TH editace PSD TH 52 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Příklad životnostní zkoušky podsestavy vozu laboratorní životnostní zkouška střešního nosiče Škoda - YETI Jednalo se o životnostní zkoušku konceptu systému upevnění střešního nosiče, nebyl ještě k dispozici pojízdný vůz Škoda Yeti, provozní data byla sejmuta z vozu Superb při životnostní zkoušce na 16 kanálovém simulátoru vozovky Zkouška probíhala na shakeru LDS V 850-440 LPT 600, zatěžování pouze ve svislém směru, simulován byl průběh spektrální výkonové hustoty 53 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Vzhledem k tomu, že se nejedná o Gaussovo rozdělení, byl časový záznam rozdělen podle efektivní hodnoty zrychlení na 9 bloků a z těch spočítán průběh PSD Časový záznam jedné zatěžovací sekvence délka 765 s, opakuje se 500 x - zrychlení na střeše vozu blok č. a rms [g] T [hod:min.] 1 0,1 0,2 20:10 2 0,2 0,3 31:25 3 0,3 0,4 23:10 4 0,4 0,5 12:20 5 0,5 0,6 6:30 6 0,6 0,7 2:55 7 0,7 0,8 1:15 8 0,8 0,9 0:31 9 > 0,9 0:30 T = 98:46 Tabulka zatěžovacích bloků Průběhy PSD pro realizaci testu na elektrodynamickém shakeru Vynechány úseky s arms menší než 0,1 g Použitý frekvenční rozsah: 2,3 300 Hz Zatížení střešního nosiče při testu: 66,6 kg 54 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
55 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Provádění modální analýzy karoserie vozu Geometrie karoserie Mode indikator funktions Lokální inertance Průměrné hodnoty odezev červená: dva budiče, průměrná amplituda všech odezev v X zelená: dva budiče, průměrná amplituda všech odezev v Y modrá: dva budiče, průměrná amplituda všech odezev v Z 56 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Optické měřící metody ve vývoji Škoda-Auto, a.s. 1988 Reflexní fotoelasticimetrie, Polariskop Serie 030 (Vishay Measurement Group) 10/2005 ARAMIS HS (GOM) 8/2007 PONTOS HS (GOM) 11/2007 TRITOP (GOM) 57 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Reflexní fotoelasticimetrie - stanovení rozložení hlavních napětí (jejich rozdílu) na zatěžované konstrukci - pokrytí povrchu opticky aktivní vrstvou, přilepení reflexním lepidlem - nasvícení povrchu polarizovaným světlem - barevné obrazce pozorované v analyzátoru (skládání řádného a odraženého paprsku) odpovídají rozdílu hlavních napětí - jednotlivé složky hlavních napětí možno odseparovat časově poměrně náročné - na konstrukci karoserie ve Škoda - auto metoda naposledy použita při vývoji vozu Škoda Pick-up - metoda s výhodou používána pro zjišťování velikosti vnitřního napětí ve sklech - postupně vytlačena MKP (časová náročnost, snaha o virtuální prototyp.) 58 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Reflexní fotoelasticimetrie příklady použití Karoserie vozu Škoda Pick-up měření rozložení napjatosti při torzním namáhání 59 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Reflexní fotoelasticimetrie příklady použití Využití reflexní fotoelasticimetrie pro zjišťování vnitřního pnutí automobilových skel 60 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Aramis HS Využíván od r. 2005 zejména pro experimentální podporu MKP výpočtů zvláště pro výpočty simulací crash testů a simulací tváření - stanovení diagramu True Stress True Strain u materiálových vzorků v současné době stanovena data pro 20 materiálů, důležitých z hlediska MKP výpočtů nárazových testů a MKP simulací procesu tváření - s výhodou možno využít pro stanovení koeficientu anizotropie r v současné době probíhají experimenty, zatím nevalidováno s klasickou metodou - stanovení rozložení lokálních deformací v okolí bodových i tavných svarů při zatěžování modelového vzorku při použití vzorků z plechů o stejné tloušťce spojených svarem, byly použity 2 synchronně pracující přístroje Aramis (spolupráce s MCAE) - stanovení rozložení lokálních deformací reálných dílů využíváno zatím v malé míře k dispozici je malý počet vzorků pro stanovení optimálních parametrů, nasvícení. 61 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS Pontos HS ve Škodě používán od r. 2007 po rozšíření systému Aramis HS (společná elektronika) Laboratorní měření kmitání dílů - konstrukce zatěžovány pomocí servohydraulických nebo elektrodynamických zkušebních stavů - vzhledem k omezené kapacitě paměti kamer nutná kombinace s klasickým přístupem pomocí akcelerometrů a následné FFT určeny oblasti rezonančního chování konstrukce, na konstantní frekvenci provedeno měření Pontosem Měření posuvů komponent, případně celého vozu - vyšetřování kolizí při zavírání dveří a vík vozu - měření posuvů komponent (např. zpětného zrcátka) nebo celého vozu při zkouškách v aerodynamickém tunelu Experimentální podpora MKP výpočtů (vibrace, CFD.) 62 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS příklady využití Uspořádání zkušebního stavu při ověřovací zkoušce kmitání kapoty Multiaxiální servohydraulický simulátor vozovky SCHENCK + řídící a regulační systém FlexTest IIm (MTS) a měřící systém Pontos HS Při měření byla přední kola vozu zatěžována harmonicky ve svislém směru 63 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS příklady využití Protokol z ověřovacího měření kmitání kapoty Znázorněny posuvy měřících bodů ve spodní a horní úvrati 64 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS příklady využití Protokol z měření posuvu zadního víka vozu Octavia Combi při prudkém zavření 65 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS příklady využití (aerodynamický tunel) umístění systému Pontos při měření Požadavek: při standardně prováděném testu v aerodynamickém tunelu (VW Wolfsburg) změřit pohyby testovaného vzorku (hlavně posuvy bodů na předních a zadních blatnících) 66 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Pontos HS příklady využití (aerodynamický tunel) Časový záznam posuvu ve směru osy X,Y, Z jednoho z měřících bodů na karoserii vozu při zkoušce v aerodynamickém tunelu (výstup ze systému Pontos) 67 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
delta Wz /mm/ Pontos HS příklady využití (aerodynamický tunel) 8 SK 258 FL, posuvy ve směru osy z, 0 stupňů natočení, rychlost 100, 120, 140 a 160 km/hod. 6 SK 258 FL série 4 SK 258 FL, zaslepená varianta 2 přední blatník zadní blatník 0-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 100 km/hod. -2 120 km/hod 140 km/hod 160 km/hod -4 X - souřadnice vozu /mm/ Sklon vozu při různých rychlostech ofukování (2 varianty zkušebního vzorku) 68 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Tritop - používán od konce roku 2007 - měření deformací u statických zkoušek karoserie a komponent - použití pro stanovení souřadného systému celého vozu měřící přípravky, umístěné do přesně definovaných RPS bodů (vyřešeno v rámci diplomové práce) - stanovení společného souřadného systému při současném použití dvou Aramisů - experimentální podpora MKP (výpočty statických deformací) 69 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Tritop příklady použití Pohled na uspořádání zkušebního stavu při měření torzní tuhosti vozu Škoda Fabia pomocí systému Tritop (řešeno jako téma diplomové práce) 70 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Na závěr ukázka pokročilé zkušební technologie. 71 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie
Několik informací, které mohou být užitečné. Obdobné zkušebny v ČR: Škoda-Výzkum Plzeň Tatra Kopřivnice ČD VÚKV Cerhenice TU Liberec SVUM Praha Časopis o zkušebních technologiích v automobilovém průmyslu: Testing Technology International (www.ukintpress.com/recard/temcard.html) Specializovaný veletrh zkušebních technologií TESTING EXPO každý rok, STUTTGART, tento rok v termínu 16. 18.6.2015 Děkuji za pozornost Květoslav Zdražil Škoda-Auto, A.S., odd. TKK Vývoj svařené karoserie a mont. dílů tel. 326 8 189 84 e-mail: kvetoslav.zdrazil@skoda-auto.cz 72 FD - Úloha experimentu ve fázi vývoje vozu se zaměřením na zkoušky karoserie