CZ305832B6 - Způsob měření měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí bezdemontážního testru - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu měření měrného útlumu b.sub.rodhad.n. neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí výpočtového aparátu bezdemontážního rezonančního testeru zahrnující výpočet hodnoty relativního přítlaku kola ke zkušební plošině při rezonanci závěsu, vyhodnocení fázového posuvu signálu přítlačné síly kola ke zkušební plošině za signálem budicího zdvihu při rezonanci závěsu a na základě fázového posunu v oblasti rezonanční frekvence vyčíslení měrného útlumu b.sub.rodhad.n. neodpružené hmoty polonápravy. Vynález se týká také bezdemontážního rezonančního testeru pro měření měrného útlumu b.sub.rodhad.n. neodpružené hmoty polonápravy spojeného s počítačem s řídicím programem s výpočtovým aparátem určeným k vyčíslení měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy b.sub.rodhad.n.. Hodnota budicí amplitudy ve středu kyvného rámu (3) testeru činí 1,25 mm.

Description

Způsob měření měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí bezdemontážního testeru

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu měření měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí bezdemontážního testeru.

Dosavadní stav techniky

Technický stav podvozku automobilu má rozhodující vliv na jízdní vlastnosti vozidla a tím i celkovou bezpečnost silničního provozu. Zejména tlumič odpružení, který je důležitým prvkem závěsu, vyžaduje z důvodu limitované životnosti pravidelnou kontrolu. Časová náročnost demontáže a montáže tlumiče vedly již v minulosti k zavedení bezdemontážních testů celého pružícího a tlumicího systému přímo na vozidle.

Nej rozšířenější jsou rezonanční testery, vybavené vibračními plošinami pro rozkmitání kola testovaného závěsu. Měřenou veličinou je buď přítlačná síla kola k plošině, nebo je snímán rozkmit plošiny. Jinou kategorií jsou dokmitové testery, pracující na principu analýzy dokmitu rozhoupané karoserie automobilu. Tato zařízení využívají rázové vybuzení svislého kmitání karoserie vozidla a následně vyhodnocují útlum tohoto pohybu.

S cílem sjednotit testovací metodiku při posuzování technického stavu tlumičů odpružení zavedlo mezinárodní sdružení výrobců tlumičů EUS AM A jednotné zkušební podmínky [1]. V rámci těchto podmínek svisle kmitající plošina aktivního testeru, na které spočívá měřené kolo, simuluje nerovnosti vozovky a současně registruje přítlačnou sílu tohoto kola k plošině. Frekvence pohybu plošiny po vypnutí pohonu plynule klesá z 25 Hz až do zastavení. Na obrázku 2 je grafický zápis vyhodnocované přítlačné síly.

Na záznamu je patrné, jak při průchodu přes vlastní frekvenci závěsu poklesne přítlačná síla kola k vozovce na minimum F_min. S ohledem na vlastní frekvence náprav osobních automobilů je nutné použití budicího elektromotoru s provozními otáčkami 1500 RPM (tj. 25 Hz). Výsledkem zkoušky je potom nejmenší hodnota přítlaku kola k plošině F_min v průběhu testu. Směrnice doporučuje vyjadřovat poměrnou hodnotu této veličiny (EUS) vztaženou ke statické hodnotě přítlaku

F_st·

EUS =

F.

(1).

Toto technicky a ekonomicky náročné provedení, které vyžaduje přesnou dynamickou tenzometrickou váhu pro obě kola nápravy, umožňuje velmi prosté a přitom výstižné hodnocení výsledku, které spočívá pouze ve výpočtu relativního zatížení kola v okolí jeho vlastní frekvence. Při kinematickém buzení dohodnutou konstantní amplitudou je výsledek takto provedeného testu objektivně porovnatelnou klasifikací útlumu kola. Metoda posuzuje míru přilnavosti kola jako základní užitnou vlastnost závěsu, bez ohledu na příčinu způsobující její snížení.

Zjednodušený tzv. rezonanční dynamický model tohoto zařízení vychází ze skutečnosti, že v oblasti vlastního kmitočtu zkušební plošiny je amplituda kmitání odpružené části vozidla prakticky zanedbatelná. Svislé kmitání nápravy je tedy možné s jistou nepřesností nahradit v okolí rezonančního kmitočtu jednoduchým kinematicky buzeným modelem (obr.3), kde hmota m, představuje neodpruženou hmotou nápravy, tuhost k| je určována tuhostí pneumatiky a k₂ je tuhost odpružení. Kvalitu tlumení popisuje tlumicí konstanta b hydraulického tlumiče.

Dalším kritériem, které může být uplatněno na EUSAMA testerech je měrný útlum b_r, který se standardně používá k hodnocení schopnosti tlumiče plnit svůj účel. Měrný útlum b_r je definován pro systém na obr. 3 jako:

^r 2-^(^ + k₂}'m_} (2).

Mezní hodnota měrného útlumu je obecně uvažována b_r = 0,1. Pod touto hodnotou se bere tlumení jako nedostatečné. Měrný útlum je srozumitelně a jasně definovaný parametr, proto je vhodný jako doplňující kritérium k EUSAMA, nejen pro jeho srozumitelnost, ale i pro možnost jej určit z dat naměřených na EUSAMA testerech.

Problémem rezonančních testerů je, že měření nezahrnuje pouze tlumič, ale celé zavěšení kola. Vzhledem k těmto faktům bývá výsledek metodiky EUSAMA podstatně závislý na ostatních faktorech například na okamžité hmotnosti vozidla, respektive jejímu podílu a rozložení mezi odpružené a neodpružené hmoty na měřeném kole. Další z negativních prvků je i druh a tlak použitých pneumatik, pracovní teplota tlumiče a teplota okolí.

Může nastat případ, kdy vůz s defektním tlumičem o vyšší celkové hmotnosti působí na plošinu větší přítlačnou silou, než naopak vůz lehký s dobrým tlumičem. Při měření na zadní nápravě metodikou EUSAMA vycházejí i nová auta nevyhovující, avšak jízdní vlastnosti i technický stav těchto automobilů je v pořádku. Další problémové případy byly zaznamenány i u vozů vyšší střední třídy jako BMW řady 5, X6 nebo Lexus SC430, kde společným znakem nevyhovujících EUSAMA testů byly použité runflat pneumatiky. Pro tyto známé vozy bylo zapotřebí vytvořit doplňkové kritérium, které bez ohledu na parametr EUSAMA ohodnotí funkci tlumiče.

Fázový posuv Φ₂₃ můžeme definovat jako úhlový rozdíl mezi fází vibrační plošiny X₃ (absolutní sinusový průběh polohy vibrační desky) a fází silového kontaktu pneumatiky s vibrační plošinou X₂₃ (sinusový průběh vertikálního kontaktu síly působící pneumatikou na vibrační plošinu).

Pohybovou rovnici kinematicky buzené soustavy s jedním stupněm volnosti znázorněné na obr. 2 lze zapsat ve tvaru:

^m\ ď! + b-q^, _]+(k_} +k₂)-q_} = kfi(t)(3).

Rovnici (3) je možno převést do frekvenční formy zápisu:

-(ίω)² +b-(ia) + k_t +k₂[qfa)) = k_}h(a)(4).

Z této rovnice lze vyjádřit přenosovou funkci W(co) mezi deformací pneumatiky a zdvihem testeru:

₌v

[w, -(ίω) +b-(ia)) + k_} +Λ₂]

Průběh této komplexní funkce lze graficky popsat dvěma průběhy reálných funkcí: funkce absolutní hodnoty I W(to)l a funkce fázového posuvu Φ(ω). Příklad průběhu pro model z obr. 3 je na obr. 5.

Nevýhodou dosud užívaných rezonančních testerů je poměrně vysoká hodnota všeobecně používané budicí amplitudy, která byla zavedena v 70. letech minulého století, kdy byl stav vozovek

-2CZ 305832 B6 podstatně horší. U automobilů navržených pro moderní vozovky vzniká často neřešitelný problém při testování, kdy hodnota budicí amplitudy kyvného rámu testeru 3 mm, doporučená směrnicí EUSAMA, je příliš vysoká a některé automobily není možné testovat.

Reference:

1. EUSAMA - Recommendations for a performance test specification of an ”on car” vehicle suspension testing system, TS-02-76

2. PRAŽÁK, F. Tlumič odpružení jako prvek ovlivňující jízdní vlastnosti automobilu. Doktorská disertační práce. Brno, VUT v Brně

3. Hortová P.: Virtuální model rezonančního adhezního testu závěsu kola dle EUSAMA. Diplomová práce, 2009. Ustav konstruování, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně

Podstata vynálezu

Nedostatky užívaných testerů řeší bezdemontážní tester pro ověřování útlumu polonáprav osobních automobilů včetně příslušné zkušební metodiky. Systém také řeší problematiku snížení pořizovacích i provozních nákladů.

Předmětem vynálezu je způsob měření měrného útlumu b_rodhad neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí výpočtového aparátu bezdemontážního rezonančního testeru, zahrnující výpočet hodnoty relativního přítlaku kola ke zkušební plošině při rezonanci závěsu, následné vyhodnocení fázového posuvu signálu přítlačné síly kola ke zkušební plošině za signálem budicího zdvihu při rezonanci závěsu a na základě fázového posunu v oblasti rezonanční frekvence vyčíslení měrného útlumu b_rOdhad neodpružené hmoty polonápravy.

Předmětem vynálezu je také bezdemontážní rezonanční tester pro měření měrného útlumu b_rodhad neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů způsobem podle vynálezu při ověřování útlumu těchto polonáprav. Každý z čepů na jednom konci kyvného rámu testeru je spojen s jedním siloměrem a druhý konec rámu je zavěšen prostřednictvím ojnice s výkyvnými ložisky na excentru nasazeném na letmý konec hřídele elektromotoru. Na hřídeli elektromotoru je dále usazen setrvačník a snímač úvrati. Tester pojený s počítačem s řídicím programem a analogově digitálním převodníkem, kde počítač obsahuje řídicí program s výpočtovým aparátem určeným k vyčíslení měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad. Hodnota budicí amplitudy ve středu kyvného rámu testeru činí 1,25 mm.

Bezdemontážní rezonanční tester pro ověřování útlumu polonáprav osobních automobilů podle vynálezu sestává z kmitající základny tvořené pouze kyvným rámem. Kyvný rám je ve středu prohnutý, což usnadní usazení kola testovaného závěsu do jeho středu. Každé z ramen kyvného rámuje na jednom konci spojeno se siloměrem a spojení druhých konců rámuje zavěšeno prostřednictvím ojnice s výkyvnými ložisky na excentru nasazeném na letmý konec hřídele elektromotoru. Na hřídeli elektromotoru je také usazen setrvačník s tvarovou značkou, pomocí které je snímána snímačem úvrati v podobě indukčního senzoru, upevněném na setrvačníku, úvrať budicího mechanismu. Setrvačník zajistí provedení doběhového testu po vypnutí elektromotoru. Elektromotor je spojen s počítačem s řídicím programem a analogově digitálním převodníkem, přičemž řídicí program počítače obsahuje výpočtový aparát určený k vyčíslení doplňkového kritéria, kterým je měrný útlum neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad. Senzor úvratě budicího zdvihu umožňuje měřit fázové zpoždění signálu síly za signálem budicího zdvihu. Jeho analýzou je možné vyhodnotit doplňkové kritérium měrného útlumu neodpružené hmoty.

-3CZ 305832 B6

Diagnostický systém podvozků osobních automobilů podle vynálezu řeší diagnostiku tlumicích schopností závěsů kol, zejména tlumičů odpružení osobních automobilů. V softwarové oblasti umožňuje využití postupů modální analýzy.

Kmitající kyvný rám testeru představuje přesnou tenzometrickou váhu, schopnou měřit přítlačnou sílu kola lOOOx za sekundu. Další zpracování signálů probíhá prostřednictvím osobního počítače s řídicím programem a s analogově digitálním (A/D) převodníkem.

Všechna tato elektronická zařízení jsou zcela nezávislá na silnoproudé elektrické instalaci a jsou napájena z řídicího počítače. Jakmile řídicí program počítače zaznamená vypnutí elektromotoru, začne do paměti přenášet signál z tenzometrického snímače sil.

Získá se průběh přítlačné síly kola ke zkušební plošině (obr. 2). Signál je nutno číslicově filtrovat vhodně nastavenou dolní propustí a analyzovat absolutní hodnotu obálky této křivky. Snaha po vysoké amplitudové přesnosti vyloučila použití FFT kmitočtové analýzy. Problém je řešen přímou detekcí obálkové křivky. Souběžně s analýzou bodů obálky jsou zjišťovány hodnoty úhlové frekvence ω příslušné těmto bodům.

Při konstrukci vibrační jednotky byl zvolen jednoduchý pákový model kmitající zkušební plošiny. Podstatou řešení bylo co nejvíce přiblížit zkušební podmínky podmínkám provozním. Byla proto snížena hodnota budicího zdvihu zkušební plošiny 6 mm, doporučená směrnicí EUSAMA, na 2,5 mm, což je dvojnásobek budicí amplitudy ve středu kyvného rámu testeru podle vynálezu. Toto snížení má také pozitivní vliv na klidné chování vozidla při zkoušce. Funkční schéma testeru je uvedeno na obrázku 1. Jedná se o koncepci malé mobilní jednotky pro test na jediném kole, která se vyznačuje konstrukční jednoduchostí, provozní spolehlivostí a nízkou výrobní cenou. Tyto parametry systém předurčují pro operativní použití zejména ve stísněných prostorách menších provozoven. Místo obvyklé, ale hmotné plošiny na paralelogramovém závěsu, je kmitající základna tvořena pouze kyvným rámem zavěšeným prostřednictvím ojnice s výkyvnými ložisky na excentru nasazeném na letmý konec hřídele elektromotoru. Výhodou zvolené koncepce je velmi nízká vlastní hmotnost kmitajícího systému testeru a jeho vysoká tuhost (obr. 6). Tyto vlastnosti zajišťují vysokou přesnost naměřených výsledků.

Bezdemontážní tester podle vynálezu představuje jednoduchou mobilní excitační jednotku se sníženým zdvihem oproti zdvihu používaném při metodice EUSAMA. Vyhodnocovací program výpočtově koriguje snížený zdvih pro stanovení univerzálně srovnatelného kritéria podle předpisu EUSAMA. Pro posuzování sporných situací využívá doplňkové kritérium, kterým je součinitel měrného útlumu neodpružené hmoty, kalkulovaný z měřeného signálu fázového posuvu mezi sílou a budicím zdvihem.

Metodika zpracování naměřeného signálu

Předmětem vynálezu je metodika zpracování naměřeného signálu. Podstatou zde uvedeného diagnostického přistupuje rozšíření vlastního řídícího programu testeru o výpočtový aparát určený k vyčíslení doplňkového kritéria, kterým je měrný útlum neodpružené hmoty polonápravy (brodhad)· Toto kritérium je zapotřebí například v situaci, kdy nový automobil po instalaci nevhodných pneumatik vykazuje špatné výsledky metodikou EUSAMA.

Vyhodnocovací algoritmus pracuje ve dvou základních úrovních. V základní funkci splňuje podmínky posuzování celkového stavu nápravy dle směrnice EUSAMA. Vliv změněného budicího zdvihu je korigován výpočtově, takže výsledky měření jsou zcela srovnatelné s výsledky na testerech jiných výrobců.

Nejdříve je nutno výpočtově korigovat změněný budicí zdvih testeru, aby výsledky byly srovnatelné s ostatními testery této kategorie, Vztah (1) je tedy upraven korekcí dynamické složky síly na:

-4CZ 305832 B6

100(F„-2A(F_st-F_mn))

Lua —----------------(6).

Nad tuto vrstvu je instalován matematický aparát pro vyčíslení doplňkového kritéria tlumení. Průběh funkcí absolutní hodnoty IW(co)l a fázového posuvu Φ(ω) je závislý na všech konstrukčních parametrech nápravy včetně tlumení b. Technicky není problémem měřit fázový posuv signálu síly za budicím signálem. Další postup popisuje, jak z fázového posuvu získat hodnotu měrného útlumu závěsu b_r. Funkci fázového posuvu pro přenos z rovnice (5) lze zapsat ve tvaru

Φ(^) = ^arctS 7—2-----ΓΎΤ1—i----7 k₂ J- + k₂ - ω }-a>² -b² (7)·

V oblasti rezonanční frekvence systému Ω lze tento vztah zjednodušit aplikací rovnice Ω² = (k|+k₂)/mi pro výpočet rezonanční úhlové frekvence:

Φ(Ω) = arctg

= arctg ^k\

2-b_r -(k_} + k₂) (8)·

Kde b_r je bezrozměrným parametrem měrného útlumu, který bude sloužit jako hledané doplňkové kritérium.

b_r =-------------¹-----------^r 2-(k_]+k₂)-tg^(Q)) (9)

V tomto vztahu sice neznáme při rutinním testu konstrukční parametry k| a k₂, ale protože tuhost pneumatiky kj je vždy výrazně větší než tuhost kolové pružiny k₂, lze pro odhad b_rodhad vycházet ze zjednodušující úvahy, že k! ~ (k]+k₂). Potom:

2/g(O(Q))

Metoda využívá měřený signál fázového posuvu signálu síly za signálem buzení a je zcela automatizovaná. Řeší v Evropě často diskutovaný problém selhávání metodiky EU SAMA, kdy i u nových automobilů mohou být naměřeny podlimitní výsledky přítlaku.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Schematický náčrt diagnostického systému testeru

Obr. 2: Průběh přítlačné síly kola ke zkušební plošině při průchodu rezonancí

Obr. 3: Dynamický model testeru v okolí rezonance neodpružené hmoty m.

Obr. 4: Ilustrace fázového posuvu

Obr. 5: Průběh přenosové funkce a fázového zpoždění v závislosti na frekvenci

Obr. 6: Průběh přítlačné síly kola po vypnutí elektromotoru

-5CZ 305832 B6

Vynález je dále popsán pomocí příkladu provedení, který neomezuje případná další provedení v rozsahu patentových nároků.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Testování útlumu polonápravy staršího vozu typu Š 795 Felicia pomocí bezdemontážního testeru a zpracování naměřeného signálu

K testování útlumu polonápravy se použil bezdemontážní rezonanční tester podle vynálezu sestávající z kmitající základny tvořené pouze kyvným rámem 3. Kyvný rám 3 byl ve středu prohnutý, což usnadnilo usazení kola testovaného závěsu do jeho středu. Každé z ramen kyvného rámu 3 bylo na jednom konci spojeno s jedním siloměrem 1 a spojení druhých konců rámu 3 bylo zavěšeno prostřednictvím ojnice 6 s výkyvnými ložisky na excentru 5 nasazeném na letmý konec hřídele elektromotoru 8. Na hřídeli elektromotoru 8 byl také usazen setrvačník 7 s tvarovou značkou, pomocí které se snímala snímačem 6 úvrati v podobě indukčního senzoru, úvrať budicího mechanismu. Setrvačník 7 zajistil provedení doběhového testu po vypnutí elektromotoru 8. Elektromotor 8 byl spojen s počítačem 9 s řídicím programem a analogově digitálním převodníkem, přičemž řídicí program počítače 9 obsahoval výpočtový aparát určený ke stanovení měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad.

Vozidlo se ustavilo testovaným kolem do prohlubně ve středu kyvného rámu 3 testeru s budicí amplitudou 1,25 mm a na 5s se spustil elektromotor 8. Jakmile řídicí program počítače 9 zaznamenal vypnutí elektromotoru 8, začaly se do paměti přenášet signály ze siloměrů 1. Získal se průběh přítlačné síly kola ke zkušební plošině při průchodu rezonancí (obrázek 2). Poté se pomocí rovnice (1) vyhodnotilo základní kritérium adheze EUSAMA.

Signál se pomocí počítače 9 číslicově filtroval vhodným nastavením dolní propusti a provedla se přímá detekce obálkové křivky 2. Analyzovala se absolutní hodnota obálky této křivky a souběžně s analýzou bodů obálky se zjistily hodnoty úhlové frekvence Φ(Ω) příslušné těmto bodům a hodnoty fázového zpoždění (ω) signálu síly za signálem buzení při rezonanci v každé otáčce excentru.

Pak se ve druhé fázi přistoupilo k analýze signálu fázového zpoždění signálu přítlačné síly kola ke zkušební plošině za signálem budicího zdvihu při rezonanci závěsu. Důležitá je hodnota fázového posuvu na frekvenci, při které dosahuje EUSAMA minimální hodnoty. S využitím vztahu (10) se z této hodnoty posuvu vyčíslil měrný útlum neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad⁼ 0,2.

Průmyslová využitelnost

Diagnostický systém bezdemontážního testeru jako nový produkt v oblasti garážové techniky představuje kompaktní jednoduchou konstrukci pro ověřování útlumu polonáprav osobních automobilů k použití zejména ve stísněných prostorách menších provozoven. Jednotka se vyznačuje provozní spolehlivostí a nízkou výrobní cenou. Výpočtový aparát řídícího programu počítače umožňující vyčíslení měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad jako doplňkového kritéria tlumení polonápravy řeší problém selhávání metodiky EUSAMA, kdy i u nových automobilů mohou být naměřeny podlimitní výsledky přítlaku.

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob měření měrného útlumu b_rod|_iad neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů pomocí výpočtového aparátu bezdemontážního rezonančního testeru, vyznačující se tím, že zahrnuje následující kroky:

a) výpočet hodnoty relativního přítlaku kola ke zkušební plošině při rezonanci závěsu

b) vyhodnocení fázového posuvu signálu přítlačné síly kola ke zkušební plošině za signálem budicího zdvihu při rezonanci závěsu

c) na základě fázového posunu v oblasti rezonanční frekvence vyčíslení měrného útlumu b_rodhad neodpružené hmoty polonápravy .

2. Bezdemontážní rezonanční tester pro měření měrného útlumu b_rodhad neodpružené hmoty polonápravy osobních automobilů způsobem podle nároku 1 při ověřování útlumu těchto polonáprav, vyznačující se tím, že každý z čepů na jednom konci kyvného rámu (3) testeru je spojen s jedním siloměrem (1) a druhý konec rámu (3) je zavěšen prostřednictvím ojnice (4) s výkyvnými ložisky na excentru (5) nasazeném na letmý konec hřídele elektromotoru (8), kde na hřídeli elektromotoru (8) je dále usazen setrvačník (7) a snímač úvrati (6), přičemž je tester spojený s počítačem (9) s řídicím programem a analogově digitálním převodníkem, kde počítač (9) obsahuje řídicí program s výpočtovým aparátem určeným k vyčíslení měrného útlumu neodpružené hmoty polonápravy b_rodhad a hodnota budicí amplitudy ve středu kyvného rámu (3) testeru činí 1,25 mm.