Úloha experimentu ve fázi vzniku výrobku (zkoušky životnosti, optické mící systémy) Ing. Kvtoslav Zdražil Škoda Auto, TKS (Vývoj svaené karoserie) 13.11.2009 Tento materiál vznikl jako souást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpotem R.
Úloha experimentu ve fázi návrhu výrobku Experiment pi vývoji vozu nic nového. 2
Úloha experimentu ve fázi návrhu výrobku Motto: ím dál od rýsovacího prkna konstruktéra se zjistí nespolehlivost, tím více nás to stojí (A.N. Tupolev) V souasnosti je vývoj v automobilovém prmyslu pod obrovským tlakem na snižování asu vývoje a celkových vývojových náklad. Tyto trendy jsou patrné ve všech oblastech vývoje automobil, zejména pak u životnostních zkoušek, které jsou z hlediska asu velmi nároné. Vysoké nároky jsou kladeny na: - kvalitu vyvíjeného výrobku z komplexního hlediska (životnost, jízdní vlastnosti, ergonomie, crash.) - rychlou obmnu sortimentu a krátké dodací termíny - vývoj elektriky a elektroniky (spolupráce se specializovanými externími firmami) - ochranu životního prostedí - vysoké cíle (vyšší, než je v danou chvíli bezpodmíne nutné) Cíl: spokojený zákazník + náskok ped konkurencí Experiment má zásadní úlohu provází celý proces vývoje vozu 3
Úloha experimentu ve fázi návrhu výrobku (zkoušky životnosti) Co je to experiment? - metoda vdního poznání, pi níž se zkoumají za kontrolovaných a ízených podmínek jevy reálného svta - soubor jednání a pozorování, jehož úelem je ovit hypotézu nebo poznatek, které nco tvrdí o pinných vztazích uritých fenomén. Vlastnosti experimentu: - dostate pesný popis všech relevantních podmínek, v nichž probíhal - pesný záznam všech postup, které byly použity - podmínka opakovatelnosti experimentu - možnost statistického vyhodnocení vzorky použité v experimentu musí být reprezentativní svým složením i svým potem Na rozdíl od prostého pozorování i pokusu experimentátor aktivn ovlivuje podmínky 4
Úloha experimentu ve fázi návrhu výrobku Materiálová data, frekvenní, tuhostní charakteristiky, validace FEM model, zetžovací spektra (experiment, MBS) Materiálová data Zjednodušené blokové schema Návrh (modifikace) konstrukce Výpoty MKP íprava 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, spoteba, exhalace. EVP, EWP, Škoda. Wi-Fa, So-Fa, Pista, zkoušky odborných útvar zákaznické zkoušky T Kvalita sériové výroby, zmna dodavatel, zvyšování kvality, snižování náklad. GQ Zkoušky sériové produkce v zákaznických podmínkách 5
Zkoušky životnosti Zaízení používaná pro uely laboratorních životnostních zkoušek (karoserie) 1. elektrohydraulické zatžovací stavy - jednoosé - víceosé - víceosé simulátory vozovky 2. elektrodynamická zkušební zaízení (shakery) - za normálních klimatických podm. - za ztížených klimatických podm. 3. elektromechanická zkušební zaízení (trhací stroj) 4. magnetorezonanní zkušební zaízení (vysokofrekvenní pulsátor) 5. zaízení pro mení a záznam provozního namáhání - mící ústedny - optická zaízení 6
Zkoušky životnosti Elektrohydraulické zatžovací stavy jednoosé Základem je servohydraulický válec napojený na rozvod hydraulického oleje, vybavený vhodným servoventilem, snímaem zdvihu, snímaem síly (dráhová nebo silová zptná vazba) a ízený spolehlivým mícím a regulaním systémem Zpsob zatžování - harmonický - 1 úrove zatžovací amplitudy (rychlé porovnávací testy) - blokové schema (více blok s rznou amplitudou a stední hodnotou) - zatžování náhodným procesem (umle vytvoeným) - simulace reálných provozních podmínek (nutné mení provozních dat vtšinou dráha EVP polygonu EHRA) 7
Zkoušky životnosti Blokové schema pípravy jednoduché zkoušky simulující reálné zatžovací podmínky 8
Elektrohydraulické zatžovací stavy jednoosé píklady I. Zkouška torza zadní ásti vozu Škoda Octavia 9
Elektrohydraulické zatžovací stavy jednoosé píklady II. Zk. transportních hák Fabia Sedan Zk. bodových svar (kalíšky) 10
Elektrohydraulické zatžovací stavy víceosé 2 a více elektrohydraulických válc zatžujících komponentu nebo podsestavu tšinou reálnými zatžujícími podmínkami (nutné mení provozních dat) 2 kanálová zkouška stabilizátoru PN vozu Škoda Fabia 11
Zkoušky životnosti Multiaxiální simulátory vozovky - dodávány specializovanými firmami - propracované systémy po stránce mechanické, elektronické i po stránce software - nároné na pípravu zkoušky, na monitoring hu testu i na údržbu - vysoké náklady Ve vývoji Škoda instalována tato multiaxiální zaízení: 4 kanálový vertikální simulátor vozovky MTS zatžováno syntetickým signálem podle metodiky VW nebo reálným zatížením ze zkušební trati 14 kanálový simulátor vozovky SCHENCK, po modernizaci kompletnízen elektronikou a software MTS. Možno zkoušet celý vz nebo jednotlivé nápravy, testováno reálným zatížením 16 kanálový simulátor vozovky serie 329 MTS (4 DOF). Možno zkoušet celý vz nebo jednotlivé nápravy, testováno reálným zatížením 12
Multiaxiální simulátory vozovky Zkoušky životnosti Škoda Fabia Combi - test kotvení zadní nápravy do karoserie 329 Road Simulator 13
Multiaxiální simulátory vozovky Zkoušky životnosti Škoda Fabia Combi - test kotvení pední nápravy do karoserie 329 Road Simulator 14
Zkoušky životnosti Multiaxiální simulátory vozovky Škoda Octavia Combi - torzní test karoserie 329 Road Simulator 15
Multiaxiální simulátory vozovky Zkoušky životnosti Škoda Octavia Combi - simulace reálného zatížení 329 Road Simulator Další píklady budou na videozáznamech 16
Elektrodynamické budie (shakery) Úloha experimentu ve fázi vzniku výrobku Zkoušky životnosti - ureny pro provádní vibraních životnostních test Zatžování - sinusovým prhem - s konstantní frekvencí (vtšinou rezonanní) - s promnlivou frekvencí podle DIN, VW norem - prhem s náhodným rozdlením (simulace prhu PSD) podle DIN, VW norem - prhem s náhodným rozdlením na základ mení reálného provozního zatížení - zatžování šokovým zatížením (halfsinus) zkoušky el. komponent dveí Možno provádt další testy frekvenní analýzy, provozní tvary kmit Po spojení s kluzným stolem možno testovat i ve vodorovné rovin Po spojení s klimakomorou možno provádt kombinované testy vibraní pi promnlivé teplot a vlhkosti 17
Elektrodynamické budie píklad Úloha experimentu ve fázi vzniku výrobku Sloupek ízení a volant Škoda Fabia na shakeru LDS 18
Experimentální podpora technických výpo (spolupráce s odd. TK/4, TF) Podpora výpo - tuhosti - životnosti - vibrací - crash Podíl na stavb virtuální modelu vozu - materiálová data - deformaní charakteristiky - frekvenní charakteristiky - verifikace model Nutný vzájemný respekt a výmna informací mezi výpotái a laboratoí Nejhorší varianta: Výpotá se bojí zkušebny (odhalí, že jeho analýza není správná) a zkušební technik ignoruje výsledky výpo (nikdy nemohou odpovídat realit) 19
Zkoušky životnosti Zásadní z hlediska efektivity vývoje je septí výpoetních analýz a experimentu koncept hybridního experimentu (fyzikáln virtuálního) synergický efekt efektivita experiment výpoet -1000 0 as vývoje Podmínka: pedávání informací a kontakt mezi výpotáem a experimentátorem po celý as vývoje 20
Optické mící systémy 1988 reflexní fotoelasticimetrie, polariskop Serie 030 (Vishay Measurement Group) 10/2005 ARAMIS HS (GOM) 8/2007 PONTOS HS (GOM) 11/2007 TRITOP (GOM) 21
Optické mící systémy - stanovení rozložení hlavních naptí (jejich rozdílu) na zatžované konstrukci - pokrytí povrchu opticky aktivní vrstvou, pilepení reflexním lepidlem - nasvícení povrchu polarizovaným svtlem - barevné obrazce pozorované v analyzátoru (skládání ádného a odraženého paprsku) odpovídají rozdílu hlavních naptí - jednotlivé složky hlavních naptí možno odseparovat asov pomrn nároné - na konstrukci karoserie ve Škoda - auto metoda naposledy použita pi vývoji vozu Škoda Pick-up - metoda s výhodou používána pro zjišování velikosti vnitního naptí ve sklech - postupn vytlaena MKP (asová náronost, snaha o virtuální prototyp.) 22
Karoserie vozu Škoda Pick-up mení rozložení napjatosti pi torzním namáhání 23
Využití reflexní fotoelasticimetrie pro zjišování vnitního pnutí automobilových skel 24 24
Využíván od r. 2005 zejména pro experimentální podporu MKP výpo zvlášt pro výpoty simulací crash test a simulací tváení - stanovení diagramu True Stress True Strain u materiálových vzork v souasné dob stanovena data pro 20 materiál, dležitých z hlediska MKP výpo nárazových test a MKP simulací procesu tváení - s výhodou možno využít pro stanovení koeficientu anizotropie r v souasné dob probíhají experimenty, zatím nevalidováno s klasickou metodou - stanovení rozložení lokálních deformací v okolí bodových i tavných svar i zatžování modelového vzorku pi použití vzork z plech o stejné tloušce spojených svarem, byly použity 2 synchronn pracující pístroje Aramis (spolupráce s MCAE) - stanovení rozložení lokálních deformací reálných díl využíváno zatím v malé míe k dispozici je malý poet vzork pro stanovení optimálních parametr, nasvícení. 25
Materiál H 260, tl. 0,8 mm - zkušební protokol diagram True stress True strain, rozložení hlavních deformací v okamžiku tsn ped porušením 26 26
27 Protokol z mení koeficientu anizotropie r materiál H 360LA, tl. 0,8 mm, smr válcování 45º 0 0 t t ln w w ln r t w l w w r 0 t w l
Optické mící systémy Protokol z deformaního testu reálné souásti (absorber) 28
Uspoádání zkušebních zaízení i deformaním testu vzorku s bodovým svarem Použity 2 systémy ARAMIS HS, zatžovací stroj ZWICK Z 100, pro urení spoleného souadného systému systém TRITOP (spolupráce s MCAE) 29
Optické mící systémy ení lokálních deformací v okolí bodového svaru pi zatžování modelového vzorku (výsledky se v souasné dob zpracovávají) 30
Optické mící systémy Pontos HS ve Škoda auto používán od r. 2007, po rozšíení systému Aramis HS (spolená elektronika) Laboratorní mení kmitání díl - konstrukce zatžovány pomocí servohydraulických nebo elektrodynamických zkušebních stav - vzhledem k omezené kapacit pamti kamer nutná kombinace s klasickým ístupem pomocí akcelerometr a následné FFT ureny oblasti rezonanního chování konstrukce, na konstantní frekvenci provedeno mení Pontosem ení posuv komponent, pípadn celého vozu - vyšetování kolizí pi zavírání dveí a vík vozu - mení posuv komponent (nap. zptného zrcátka) nebo celého vozu i zkouškách v aerodynamickém tunelu Experimentální podpora MKP výpo (vibrace, CFD.) 31
Uspoádání zkušebního stavu pi ovovací zkoušce kmitání kapoty Multiaxiální servohydraulický simulátor vozovky SCHENCK + ídící a regulaní systém FlexTest IIm (MTS) a mící systém Pontos HS i mení byla pední kola vozu zatžována harmonicky ve svislém smru 32
Protokol z ovovacího mení kmitání kapoty Znázornny posuvy mících bod ve spodní a horní úvrati 33
Optické mící systémy Protokol z mení posuvu zadního víka vozu Octavia Combi pi prudkém zavení 34
Optické mící systémy umístní systému Pontos pi ení Požadavek: i standardn provádném testu v aerodynamickém tunelu (VW Wolfsburg) zmit pohyby testovaného vzorku (hlavn posuvy bod na pedních a zadních blatnících) 35
asový záznam posuvu ve smru osy X,Y, Z jednoho z mících bod na karoserii vozu pi zkoušce v aerodynamickém tunelu (výstup ze systému Pontos) 36
8 Optické mící systémy SK 258 FL, posuvy ve smru osy z, 0 stup natoení, rychlost 100, 120, 140 a 160 km/hod. 6 SK 258 FL série 4 SK 258 FL, zaslepená varianta delta Wz /mm/ 2 ední blatník zadní blatník 0-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000-2 100 km/hod. 120 km/hod 140 km/hod 160 km/hod -4 X - souadnice vozu /mm/ Sklon vozu pi rzných rychlostech ofukování (2 varianty zkušebního vzorku) 37
Optické mící systémy Systém Tritop ve Škoda auto používán od konce roku 2007 - mení deformací u statických zkoušek karoserie a komponent - použití pro stanovení souadného systému celého vozu mící pípravky, umístné do pesn definovaných RPS bod (vyešeno v rámci diplomové práce) - stanovení spoleného souadného systému pi souasném použití dvou Aramis - experimentální podpora MKP (výpoty statických deformací) 38
ípravky pro stanovení SS Pohled na uspoádání zkušebního stavu pi mení torzní tuhosti vozu Škoda Fabia pomocí systému Tritop (ešeno jako téma diplomové práce) 39
Podmínky pro efektivní využití optických systém ve vývojovém procesu - vyškolený, fundovaný a stabilizovaný personál znalosti nejen v oblasti funkce a ovládání zaízení, ale i v oblasti nauky o materiálu, pružnosti a pevnosti. - spolehlivé zaízení a spolehlivý servis - úzká spolupráce s dodavatelem zaízení - ošetení software (upgrade) - aktivní spolupráce na projektech - schopnost aplikovat optické metody pi ešení konkrétních technických problém - spolehlivé propojení se zatžovacím zaízením (analogové a digitální vstupy) používána zaízení Zwick, MTS, LDS. - vypisování témat diplomových prací + aktivní práce se studenty (+ pomoc MCAE) - úzký kontakt se zadavatelem testu - penos informací na ob strany, nalezení spolené i, srozumitelný zkušební protokol - export výsledk ve formátu, který je akceptovatelný zadavatelem (alespo ASCII) (možnost dalších analýz na stran zadavatele) 40
Optické mící systémy Další možný rozvoj optických mících systém ve Škoda-auto a.s. - zkoušky materiálových vzork (nutno vyešit upínací kleštiny) a reálných díl za vysokých rychlostí ešení omezené kapacity pamtí kamer - prodloužení asu mení systém Aramis a Pontos pi vysoké vzorkovací frekvenci - stanovení souadného systému vozu pi mení jednotlivých komponent (v pípad celého vozu vyešeno) - mení vibrací (Pontos) díl za vysokých teplot - díly agregátu pi zkoušce na motorové brzd (nebezpeí vzplanutí mících bod) - možnost optického mení vibrací ve vozidle na zkušební trati 41
Optické mící systémy kolik informací, které mohou být užitené. Obdobné zkušebny v R: Škoda-Výzkum Plze Tatra Kopivnice D VÚKV Cerhenice TU Liberec SVUM Praha asopis o zkušebních technologiích v automobilovém prmyslu: Testing Technology International (www.ukintpress.com/recard/temcard.html) Specializovaný veletrh zkušebních technologií TESTING EXPO každý rok, STUTTGART, píští rok v ervnu 42
kuji za pozornost Ing. Kvtoslav Zdražil odd. TKS, Vývoj svaené karoserie tel: 326 8 189 84 e-mail: kvetoslav.zdrazil@skoda-auto.cz Zvláštní podkování panu Ing. Z. Šecovi za kvalitní a pelivé zpracování obrazových materiál 43