TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií HW zařízení pro měření dynamických charakteristik čtvrtinového modelu automobilového podvozku řízeného hydropneumatickým členem Semestrální projekt Bc. Václav Linhart Vedoucí práce : doc. Ing. Josef Janeček, CSc. Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Obsah Úvod... 3 1 Popis konstrukce a funkce zařízení... 4 1.1 Mechanická konstrukce... 4 1.1.1 Hydraulické zařízení... 5 1.2 Elektrické zapojení (snímače)... 5 1.2.1 Umístění snímačů... 5 2 Modul sloužící pro propojení modelu s PC... 7 2.1 Základní vlastnosti... 7 2.1.1 Blokové schéma... 8 2.1.2 Napájecí zdroj... 9 2.1.3 Převodník U/I... 10 2.2 Čelní panel... 11 2.2.1 Výstup pro ovládání cívky ventilu (OUT)... 11 2.2.2 Vstup lineárního snímače polohy (LINEAR)... 12 2.2.3 Vstup akcelerometru (AKCELERO)... 12 2.2.4 Vstup tenzometru (TENZO)... 12 2.3 Zapojení periferií... 13 2.3.1 Elektromagnetický ventil (OUT)... 13 2.3.2 Lineární snímače... 13 2.3.3 Akcelerometry... 13 2.3.4 Tenzometry... 14 2.4 Zadní panel... 14 2.4.1 Napájení (AC 230 V)... 14 2.4.2 Propojení s průmyslovým PC (TO PC)... 15 3 Měření... 15 3.1 Měřicí systém... 16 3.2 Popis měření... 16 3.3 Naměřené výsledky... 16 4 Závěr... 22 Seznam literatury... 22 2

Úvod Při návrhu systému odpružení vozidel se vždy klade důraz na jízdní vlastnosti vozidla, komfort a bezpečnost přepravovaných osob, zřídka však na opotřebení pneumatik a vozovky. Při změně dynamického poloměru kola, tj. stlačení pneumatiky při přejezdu nerovnosti, dochází k torzním kmitům, při kterých jsou pneumatika i vozovka vysoce namáhány. Cílem celého projektu je zjistit, zda je možné najít takové nastavení podvozku, které by vyhovovalo požadavkům jak na jízdní vlastnosti, bezpečnost, pohodlí, tak i na opotřebování pneumatik a vozovky. Z tohoto důvodu byl zkonstruován model čtvrtinového automobilového podvozku, na kterém je možné tyto jevy experimentálně zkoumat. Úkolem semestrálního projektu bylo oživit model čtvrtinového automobilového podvozku po elektrické stránce. Mechanická konstrukce modelu byla již dokončena. Bylo zapotřebí realizovat propojení snímačů s měřicím systémem. Dalším úkolem bylo provést základní měření, které by ověřilo funkčnost všech snímačů a buzení pro tento model. 3

1. Popis konstrukce a funkce zařízení 1.1 Mechanická konstrukce Jak již bylo napsáno v úvodu, po mechanické stránce je model čtvrtinového automobilového podvozku dokončen. Tento model můžeme rozdělit na dvě části. První část nahrazuje reálné prvky vozidla, jako je například zavěšení kol a podvozek automobilu. Jako tlumící prvek je v modelu použita hydraulická jednotka z vozu citroen, která je vhodná na použití do tohoto modelu. Po úpravách totiž umožňuje měnit charakteristiku tlumícího prvku. Druhou částí je podložka, na kterou dosedá pneumatika kola. Toto zařízení simuluje pohyb kola na vozovce ve svislém směru. Tato kolébka je ovládána pomocí dvou hydraulických válců, které lze libovolně budit. Tím se lze přiblížit reálnému pohybu kola po vozovce. Tento zjednodušený model zanedbává rotaci pneumatiky při pohybu na nerovnostech vozovky. Pohled na celý model - viz 0 Odpružená hmota (Podvozek) Tlumič Neodpružená hmota (Kolo) Kolébka (Vozovka) Obr. 1 Čelní pohled na model [1] 4

1.1.1 Hydraulické zařízení Buzení kolébky, které simuluje reálný pohyb automobilu po vozovce, zajišťují dva hydraulické válce - viz 0Je na něm také realizace kolébky. Signál pro tyto válce je generován systémem laboratoře. Kolébka (Vozovka) Hydraulické válce (Ovládání kolébky) Obr. 2 Hydraulické zařízení s kolébkou [1] 1.2 Elektrické zapojení (snímače) Na modelu je instalováno sedm snímačů. Pomocí nich lze měřit normálové a tangenciální síly v místě styku pneumatiky s podložkou, vzdálenosti mezi odpruženou a neodpruženou hmotou, velikost stlačení pneumatiky, silové působení v místě uchycení tlumiče a zrychlení odpružené i neodpružené hmoty. Konkrétně jsou na modelu požity dva lineární snímače polohy, tři tenzometrické snímače a dva akcelerometry. 1.2.1 Umístění snímačů V této kapitole je zobrazeno umístění jednotlivých snímačů - viz 0-0Popisky jsou totožné s popisky na grafech naměřených hodnot. Informace v závorce popisují, co tyto snímače měří. Akcelerometr horní (Zrychlení odpružené hmoty) Akcelerometr kolo (Zrychlení neodpružené hmoty) Obr. 3 Rozmístění akcelerometrů [1] 5

Posuv horní lineární snímač polohy (Stlačení tlumiče) Posuv dolní - lineární snímač polohy (Stlačení pneumatiky) Kolébka vodorovně /svisle - tenzometry (Kontaktní síly mezi vozovkou a pneumatikou) Obr. 4 Rozmístění snímačů [1] Tenzometr horní - snímač síly (Silové působení v místě uchycení tlumiče) Obr. 5 Umístění horního snímače síly [1] 6

2 Modul sloužící pro propojení modelu s PC 2.1 Základní vlastnosti Tento modul byl na míru vytvořen tak, aby do něj bylo možné zapojit veškeré snímače. Jedná se o tři skupiny snímačů. Akcelerometry, lineární snímače polohy a tenzometry. Signály vstupující do měřicího modulu jsou upraveny tak, aby byly zpracovatelné měřícími kartami průmyslového PC (PXI). Uvažuje se použití měřicích karet s diferenciálními vstupy, proto jsou výstupy z modulu diferenciální. Modul má výstup pro elektromagnetický ventil, který je ovládán signálem z PXI. Obr. 6 Hotový modul 7

2.1.1 Blokové schéma Obr. 7 Blokové schéma modulu Obr.8 Reálné vnitřní uspořádání 8

2.1.2 Napájecí zdroj Do modulu byl navržen zdroj napětí, který slouží pro napájení snímačů. Konkrétně se jedná o zdroj pro akcelerometry a lineární snímače. Fyzicky je napájecí zdroj tvořen dvěma bloky. Spínaným zdrojem a stabilizátorem - viz blokové schéma - 0 Obr. 9 Spínaný zdroj Obr. 10 Stabilizátor + 10 V První blok je realizován zdrojem od firmy MTM POWER. Jedná se o 30W galvanicky oddělený spínaný zdroj s výstupním napětím ± 15 V a maximálním proudem 1 A. Je to hotový výrobek. Z 0je zřejmé, že vstupem je přímo síťové napětí, které je přivedeno přes šroubovací svorkovnici. Výstupní napětí je vyvedeno taktéž na šroubovací svorkovnici. Obr. 11 Schéma stabilizátoru + 10 V Druhý blok představuje stabilizátor napětí na hodnotu přesně 10 V a slouží také pro rozbočení napájecího napětí ± 15 V. Schéma zapojení tohoto stabilizátoru je na 0Základem tohoto zapojení je integrovaný stabilizátor LM317T s kapacitním násobičem. Ten je použit pro kvalitnější vyfiltrování napájecího napětí pro snímače. Jeho nevýhodou je úbytek na tranzistoru T1. To má za následek, že při zvětšení zatížení se úbytek na tranzistoru taktéž zvětší. K počátečnímu nastavení přesného napětí 10 V je do konstrukce přidán 20otáčkový trimr R2. Pro situaci, kdy jsou zapojeny všechny snímače, tj. zatížení se nemění, se tato nevýhoda neprojeví. Hotový stabilizátor - viz 0Z tohoto stabilizátoru jsou přímo 9

napájeny lineární snímače. Na napájení akcelerometrů je zapotřebí napětí 5 V, a proto je do patice přívodního kabelu akcelerometru vložen 5V stabilizátor - viz 2.3.3. Po této úpravě je možné napájet akcelerometry přímo 10 V. Toto řešení je užito z důvodu kompatibility, neboť ve většině zařízení je k dispozici právě toto napětí. 2.1.3 Převodník U/I Aby bylo možné napěťovým signálem z PXI řídit elektromagnetický ventil, je v modulu zabudován převodník z napětí na proud. Schéma zapojení je převzato od Ing. Pavla Herajna - viz 0Tento převodník je napájen napětím ± 15 V. Velikost vstupního napětí je ± 10 V. Výstupní proud lze regulovat změnou vstupního napětí, a to trimrem R11. Obr. 12 Schéma převodníku U/I Obr. 13 Hotový převodník U/I 10

2.2 Čelní panel Na čelním panelu se nachází osm konektorů. Jejich rozložení viz - 0Podrobný popis konektorů bude popsán v dalších podkapitolách. Obr. 14 Čelní panel (Rozložení konektorů) 2.2.1 Výstup pro ovládání cívky ventilu (OUT) Tento konektor slouží pro připojení akčního členu regulující tlak v tlumiči. Konkrétně se jedná o cívku elektromagnetického ventilu. Tu lze připojit přímo na tento konektor, na piny 3 a 7 - viz 0Kvůli nízké proudové zatížitelnosti výstupu z PXI je v modulu použit převodník napětí na proud popsaný v kapitole 2.1.3. 1)NC 2)NC 3)+OUT 4)NC 5)NC 6)NC 7)-OUT 8)NC 9NC Obr.15 Konektor pro připojení akčního členu (Samec) [2] 11

2.2.2 Vstup lineárního snímače polohy (LINEAR) Tento konektor slouží pro připojení lineárního snímače polohy. V této konstrukci jsou použity dva snímače polohy, z nichž každý má svůj konektor. Jeden snímá stlačení tlumiče a druhý stlačení pneumatiky. Zapojení konektoru na modulu je na 0 5) NC 4) GND 3) NC 2) + IN 1) NC 9) NC 8) NC 7) - IN 6) +10V Obr. 16 Konektor pro připojení lineárního snímače (Samice) [2] 2.2.3 Vstup akcelerometru (AKCELERO) Tento konektor slouží pro připojení akcelerometru. Do modulu vstupují dva akcelerometry. Každý akcelerometr má jako v případě lineárních snímačů svůj konektor. Jeden slouží pro měření zrychlení kola a druhý pro zrychlení podvozku. Zapojení konektoru - viz 0 1)NC 2) + IN 3)NC 4) GND 5)NC 6) +10V 7) - IN 8) NC 9) NC Obr. 17 Konektor pro připojení akcelerometru (Samec) [2] 2.2.4 Vstup tenzometru (TENZO) Tyto vstupy jsou odlišné od ostatních. Tyto snímače jsou zapojeny přes tenzometrické zesilovače. Výstupem z těchto zesilovačů je již upravený signál. Tento signál vstupuje do modulu přes BNC konektory. Na modulu jsou 3 tyto konektory. Jsou použity jako siloměry. Dva na kolébce a jeden na uchycení tlumiče. 1 2 1) + IN 2) GND Obr. 18 Konektor pro připojení tenzometru [2] 12

2.3 Zapojení periferií 2.3.1 Elektromagnetický ventil (OUT) Jak již bylo uvedeno v 2.2.1, jedná se o jednoduché propojení cívky elektromagnetického ventilu a 9pinového konektoru canon pomocí dvou vodičů přesně podle schématu na 0 Obr. 19 Zapojení elektromagnetického ventilu 2.3.2 Lineární snímače Lineární snímače jsou zapojeny podle schématu na 0Trimr R1 je určen k nastavení offsetu. Potenciometr R1 představuje vlastní lineární snímač. Lineární snímače jsou napájeny 10 V přímo ze stabilizátoru. Obr. 20 Schéma zapojení lineárního snímače 2.3.3 Akcelerometry Akcelerometry jsou zapojeny podle schématu na 0Trimr R1 slouží pro nastavení offsetu. IC1 je již dříve zmíněný 5V stabilizátor 78L05. C1 a C2 jsou blokovací kondenzátory. Obr. 21 Schéma zapojení akcelerometru 13

2.3.4 Tenzometry Do modulu se připojuje již upravený signál pomocí BNC konektoru. Není zde proto schéma zapojení snímače. 2.4 Zadní panel Na zadním panelu se nachází konektor pro propojení s průmyslovým PC, kabel přivádějící síťové napětí do modulu, síťová pojistka 0,75A a červená LED, indikující zapnutí modulu. Obr. 22 Zadní panel 2.4.1 Napájení (AC 230 V) Modul je napájen přímo ze sítě. Modul nemá žádný vypínač, po zasunutí vidlice napájecího kabelu je síťové napětí přes pomalou pojistku 0,75 A přivedeno do zdroje, a tím je modul hned zapnutý. K indikaci zapnutého stavu slouží červená LED na zadním panelu. Tato LED indikuje přítomnost + 10 V pro napájení snímačů. Jedná se o LED1 na 0z kapitoly 2.1.2. 14

2.4.2 Propojení s průmyslovým PC (TO PC) K propojení s PC je použit 25pinový konektor canon. Rozložení jednotlivých pinů viz 0Propojení mezi Průmyslovým PC a tímto modulem je realizováno 16žilovým kabelem, který má každou žílu stíněnou zvlášť. Obr. 23 Konektor pro propojení s PC[1] 1) Tenzometr 1 - + 14) Tenzometr 1 - GND 2) Tenzometr 2 - + 15) Tenzometr 2 - GND 3) Tenzometr 3 - + 16) Tenzometr 3 - GND 4) GND 17) NC 5) Akcelerometr 1 - + 18) Akcelerometr 1 - GND 6) Akcelerometr 2 - + 19) Akcelerometr 2 - GND 7) NC 20) NC 8) Lineární snímač 1 - + 21) Lineární snímač 1 - GND 9) Lineární snímač 2 - + 22) Lineární snímač 2 - GND 10) NC 23) NC 11) NC 24) NC 12) NC 25) Out - GND 13) Out - + 3 Měření 15

3.1 Měřicí systém Měření nebylo provedeno pomocí zrealizovaného modulu pro připojení snímačů a PXI. Pro zprovoznění PXI a seznámení se s jeho obsluhou by bylo zapotřebí více času a teoretické přípravy. Tím, že se jedná o základní měření bez nutnosti použití zpětné vazby, bylo možné měřit na měřicím systému hydrodynamické laboratoře ve Vesci. Bylo počítáno s tím, že všechny snímače jsou kalibrovány. Po hlubším zkoumání tohoto problému bylo zjištěno, že poslední kalibrace snímačů byla provedena v roce 2008. Měřicí systém laboratoře byl však v roce 2009 inovován. Použití starých kalibračních konstant by mělo za následek chyby v měření. Z časových a organizačních důvodů nebylo možné provést novou kalibraci snímačů. Kalibrace totiž obnáší rozebrání celé stanice. Z těchto důvodů jsou všechny průběhy ve voltech. 3.2 Popis měření K tomu, abychom se mohli přiblížit k reálné simulaci vozovky, jsou na modelu dva hydraulické válce, které ovládají kolébku - viz 1. Pro základní měření, které bylo v rámci tohoto semestrálního projektu provedeno, byl jako budící signál použit sinusový průběh. Celkem byly provedeny tři soubory měření pro různé provozní stavy. Každý soubor se skládal z deseti měření po 1 Hz. Provozní stavy byly realizovány buzením hydraulických válců již dříve zmíněným sinusovým signálem s různým fázovým posunem. V prvním případě se jednalo o buzení bez fázového posunu. V druhém případě byl fázový posun mezi budícími signály 90 stupňů. Třetí provozní stav byl generován s fázovým posunem 180 stupňů mezi budícími signály. Z těchto zdánlivě časově nenáročných měření vznikly data pro 240 grafů. Měření nebylo hlavním úkolem tohoto projektu, a proto zde nejsou zobrazeny průběhy ze všech snímačů pro všechny frekvence. Bylo vybráno pouze pár grafů, na kterých jsou signály ze všech sedmi snímačů, aby byla dokázána jejich funkčnost. Obr. 24 Zašumění akcelerometru odpružené hmoty při 1Hz 3.3 Naměřené výsledky 16

Následující obrázky vznikly z naměřených hodnot, které byly vloženy do programu MATLAB, kde byly dále zpracovány. Z průběhů bylo nutné odstranit zašumění, viz 0To bylo provedeno filtrem typu dolní propust. Nevýhodou filtru je fázový posun. Proto museli filtrem projít všechny signály, aby se dali porovnat. Dalším problémem byl časový posun měření. Proto se museli data synchronizovat. V každém obrázku jsou zobrazeny tři grafy, které odpovídají třem provozním stavům. V nadpisu grafu je vždy číslo odpovídající fázovému posuvu mezi budícími signály pro kolébku. Fázový posuv Obr. 25 Průběhy silových působní na kolébce - vodorovně při 1Hz 17

Obr. 26 Průběhy silových působní na kolébce - vodorovně při 5Hz Obr. 27 Průběhy silových působní na kolébce - vodorovně při 10Hz 18

Obr. 28 Průběhy zrychlení odpružené hmoty při 5Hz Obr. 29 Průběhy zrychlení neodpružené hmoty při 5Hz 19

Obr. 30 Průběhy silových působní na kolébce - svisle při 10Hz Obr. 31 Průběhy stlačení tlumiče při 5Hz 20

Obr. 32 Průběhy stlačení pneumatiky při 5Hz Obr. 33 Průběhy silových působní v místě uchycení tlumiče při 5Hz 21

4 Závěr V průběhu semestrální práce byl navržen a zrealizován modul pro připojení všech snímačů ze čtvrtinového modelu automobilového podvozku. Tento modul upravuje vstupující signály tak, aby byly zpracovatelné měřicími kartami v PXI. Použitím tohoto modulu lze realizovat zpětnovazebnou regulaci upravující charakteristiku tlumícího prvku. Při oživování čtvrtinového modelu však tento modul nebyl použit, neboť jeho výstupy jsou navrženy pro propojení s PXI. Měřicí karty v PXI měří diferenciálně. Měřicí systém laboratoře měří unipolárně, a proto byl pro toto měření realizovaný modul vyřazen a nahrazen zesilovači kompatibilními se systémem laboratoře. V kapitole 3.3 jsou vyobrazeny průběhy ze všech snímačů ve voltech, neboť těsně před měřením bylo zjištěno, že kalibrace veškerých snímačů byla provedena ještě před inovací měřicího systému laboratoře. Staré kalibrační konstanty by do měření mohly zanést chyby, a proto nebyly vůbec použity. Nová kalibrace se z časových a organizačních důvodů nemohla provést. Po provedení kalibrace lze naměřené průběhy přenásobit novými kalibračními konstantami. Úkolem semestrálního projektu bylo dokončit propojení všech snímačů a provést základní měření, aby byla ověřena jejich funkčnost a tento úkol byl splněn. Seznam literatury [1] Janeček, J.: Dílčí zpráva JaJ 2009 v.1, Technická univerzita v Liberci [2] CadSoft.: Eagle Professional Edition, version5.4.0 for Windows Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. 22