IT202100006299A1 - Procedimento e sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale avente per titolo:
"Procedimento e sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento e un sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione, in particolare una sospensione a balestra per veicoli.
Pi? in particolare, l?invenzione si riferisce a balestre semiellittiche, paraboliche e staffe balestra per veicoli industriali.
Le sospensioni note separano le masse sospese (carrozzeria, interni, motore) del veicolo da quelle non sospese (gli pneumatici) e comprendono due elementi, uno elastico, la molla, ad esempio del tipo a balestra, che collega il telaio alle ruote e ha il compito di trasformare le sollecitazioni provenienti dal terreno in energia cinetica caricando la molla, ed uno smorzante, l?ammortizzatore che assorbe l?energia cinetica caricata nei componenti elastici limitando il loro tempo di oscillazione.
La sospensione garantisce stabilit? al veicolo e comfort e sicurezza a chi si trova nell?abitacolo.
Le molle a balestra sono componenti importanti del sistema di sospensione dei veicoli industriali, ad esempio autocarri, e sono sottoposte a carichi multi-assiali ad ampiezza variabile.
Sulla molla, durante il movimento del mezzo, agiscono non solo carichi verticali ma anche forze longitudinali e laterali. Inoltre, durante l?avviamento, le frenate e le curve le forze in gioco presentano vari momenti anche di torsione che influenzano la vita della molla a balestra.
L?ammortizzatore, che completa la sospensione, smorza la forza elastica del movimento della sospensione, sfruttando la forza di attrito tra il pistone e l?olio.
Il sistema molla a balestra ? ammortizzatore presenta il problema di richiedere un controllo periodico che consenta, in caso di malfunzionamento, una pronta sostituzione per evitare un aumento dei consumi e una diminuzione della sicurezza e del comfort. Detto controllo, tuttavia, risulta di difficile attuazione se non in presenza di rotture o di evidenti segni di cedimento e richiede comunque un?attivit? di? smontaggio e di diagnostica molto complessa, da eseguire non in condizioni reali in quanto in assenza della struttura e dei vincoli del veicolo.
Scopo della presente invenzione ? quello di effettuare una realistica misurazione della sospensione durante il suo funzionamento, ottenendo curve sperimentali di fatica per varie tipologie di balestre e rilevando, attraverso una pluralit? di sensori collegati alla sospensione, alcune caratteristiche particolari della sospensione, per studiarne la corrispondenza con le curve di fatica.
Un altro problema dei sistemi noti ? dovuto agli effetti negativi provocati sul sistema elastico (balestra) dal sistema di smorzamento usurato. Tale influenza complica ulteriormente la valutazione della vita residua della sospensione introducendo un ulteriore parametro da tenere sotto controllo.
Lo studio del comportamento a fatica nel tempo della sospensione ? di particolare difficolt?, essendo necessario simulare una situazione di grande complessit? ch?e si verifica durante la vita del veicolo. Tra le variabili in gioco vi sono i carichi multi-assiali che insistono sulla sospensione come risultato del carico, delle caratteristiche della strada, delle risposte degli altri sottosistemi quali sistema frenante, pneumatici etc. Il sistema risulterebbe iper-complesso e va approcciato utilizzando alcune approssimazioni inserite per? in un forte contesto teorico.
Il modo canonico per fare una prova a fatica ? quello di sottoporre, con l?ausilio di un macchinario ad hoc, il prodotto da provare a un carico specifico applicato secondo una legge sinusoidale ad una determinata frequenza per un certo numero di cicli. Questa modalit? fo?rnisce un parametro di valutazione della sospensione che ? per? molto lontano dalla situazione reale nella quale il carico non ? mai costante e la sollecitazione della strada ? tutt?altro che sinusoidale, oltre a numerosi altri fattori che non sono considerati.
Scopo della presente invenzione ? dunque quello di ottenere una stima della vita residua della sospensione, basata su dati forniti dalla sospensione stessa, durante la sua vita sul veicolo.
In sintesi, gli scopi dell?invenzione sono quelli di realizzare un procedimento e un sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione che consentano di ottenere:
- minore utilizzo di materie prime ed abbassamento dei costi di produzione;
- migliore valorizzazione delle caratteristiche meccaniche e fisiche dei componenti;
- riduzione dei tempi di assemblaggio dei sistemi;
- riduzione dei componenti dei sistemi;
- maggiore velocit? di produzione ed immissione sul mercato dei prodotti.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un procedimento e un sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione come quelli rivendicati nelle rivendicazioni principali. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l'oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verr? meglio descritta da una forma preferita di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
-la Figura 1 mostra un esempio di una curva di W?hler costruita per una sospensione di un sistema secondo l?invenzione; e
-la Figura 2 mostra il processo di costruzione della curva di Figura 1 tramite prove ed esperimenti.
Nello studio della vita a fatica di un componente, il danno accumulato del materiale per effetto del carico ciclico ? proporzionale al rapporto tra il numero di cicli che il componente ha subito e il numero di cicli che provoca la rottura a livello della sollecitazione considerata.
Il danno complessivo accumulato dal materiale per effetto della successione di carichi ciclici ? dato dalla sommatoria dei danni relativi ad ogni livello di carico.
Dunque, se n1 ? il numero di cicli che il componente ha subito e N1 il numero di cicli che provoca la rottura, allora il danno pu? essere <rappresentato come>
con la rottura che si verifica quando
Lo studio, dunque, richiede che per ogni tipologia di sospensione si costruisca una curva di W?hler (figura 1) tramite prove ed esperimenti da realizzare su campioni fisici, riportando ogni volta la correzione sulle simulazioni e ripetendo il processo.
La figura 2 indica il processo di costruzione di tale curva tramite prove ed esperimenti da realizzare su campioni fisici riportando tutte le volte la correzione sulle simulazioni e ripetendo il processo.
Il procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione dell?invenzione prevede lo studio della vita a fatica della sospensione mediante una simulazione con input di sollecitazione sempre pi? complesso, seguito da una verifica in laboratorio su campioni realizzati secondo le indicazioni della simulazione.
Il procedimento dell?invenzione comprende le seguenti fasi:
- una fase di analisi strutturale (FEM) della sospensione, preferibilmente costituita da una balestra, con dati di carico ad una frequenza standard;
- una fase di realizzazione di un primo campione della sospensione utilizzando i dati ricavati nella precedente fase di analisi strutturale;
- una fase di prova di detto primo campione alla frequenza standard in una macchina di collaudo, in cui vengono misurati accelerazioni e carichi su diversi punti della sospensione;
- una fase di realizzazione di un segnale composto che simula il segnale stradale, in cui si realizza l?elaborazione, normalizzazione e filtrazione di detto segnale;
- una fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione utilizzando come input il segnale realizzato nella fase precedente;
- una fase di realizzazione delle curve di fatica per diverse famiglie di sospensioni, preferibilmente balestre;
- una fase di realizzazione di un secondo campione della sospensione con i dati di feedback della fase di simulazione;
- una fase di verifica dello scostamento dei valori di fatica ottenuti nella fase di simulazione da quelli misurati per il secondo campione con una prova in laboratorio sotto frequenza costante;
- una fase di validazione della curva di fatica finale.
In modo preferito nella fase di realizzazione di un segnale composto che simula il segnale stradale vengono creati i dati utilizzati nella fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione, preferibilmente attraverso un primo software (ad esempio FEMFAT della Magna). In modo preferito il primo software opera esclusivamente nel dominio della frequenza, definendo i vari carichi attraverso funzioni di densit? spettrale di segnali stocastici. La grande mole di dati ottenuta viene preferibilmente organizzata attraverso un secondo software (ad esempio LMS Tecware, Siemens). Questo secondo software utilizza diversi metodi statistici e determina il livello del danno di fatica attraverso calcoli in frequenza. I dati da fornire in input sono ottenuti sia attraverso prove sul campo, direttamente sul mezzo, che attraverso prove in laboratorio o simulazioni numeriche di percorsi stradali. Durante l?elaborazione ed il consolidamento dei dati, vengono rilevate eventuali anomalie (picchi e derive) ed eseguiti dei filtri numerici per avere segnali omogenei di test da utilizzare nel simulatore. Le varie elaborazioni forniscono una interrelazione tra i diversi scenari di durata alla fatica.
Preferibilmente nella fase di prova del primo campione viene montato un primo accelerometro di riferimento in un punto della balestra, e un secondo accelerometro mobile montato successivamente in diversi altri punti della balestra e, se necessario, in diverse direzioni. Vengono quindi misurate le grandezze e le differenze di fase tra gli accelerometri mobili e il primo accelerometro di riferimento in tutti i punti di regime permanente del sistema che corrispondono alle possibili configurazioni di equilibrio del sistema nei diversi regimi di funzionamento e secondo un dato intervallo di campionamento. Tracciando queste misurazioni, si ottengono le deformazioni delle varie parti della balestra e la forma della deflessione, che costituisce il punto di partenza per la generazione delle forze/frequenza da cui si possono calcolare le deflessioni sotto l?azione di altre forze e/o frequenze. Ad esempio, se si rileva che una particolare parte o posizione ha una deflessione eccessiva, si potr? irrigidire detta parte o posizione. Ci? aumenta la frequenza naturale oltre la gamma di frequenza operativa del sistema.
In modo preferito nella fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione si ottengono stime della durata a fatica basata su carichi controllati e propriet? cicliche dei materiali. Questo aiuta ad approfondire molti studi di sensibilit? (sensitivity) in termini di caratteristiche dei materiali, geometrie specifiche e condizioni superficiali.
Preferibilmente nella prova in laboratorio sotto frequenza costante, eseguita nella fase di verifica dello scostamento dei valori di fatica, occorre eseguire un ulteriore numero di test e utilizzare altri metodi statistici, ad esempio attraverso lo strumento DOE Design of Experiments. L?obiettivo ? quello di valutare le differenze del collaudo, in regime sinusoidale, rispetto ai risultati simulati. Il collaudo dinamico delle balestre comporta il rilevamento della loro deformazione a una frequenza critica. Questo pu? essere fatto attraverso l?utilizzo delle misure operative della forma di deflessione. In questo metodo, la forma di deflessione dinamica forzata viene misurata sotto la frequenza (operativa) dello stato stazionario del sistema.
Il sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione dell?invenzione, comprende la sospensione, preferibilmente la balestra, la pluralit? di sensori collegati alla sospensione, un sistema di raccolta dati comprendente mezzi di memorizzazione e un?unit? di elaborazione che confronta i dati filtrati ricevuti dal campo con una libreria di dati di comportamento nel tempo della sospensione memorizzati nei mezzi di memorizzazione.
Preferibilmente i sensori sono collegati alle sospensioni delle ruote posteriori o alle sospensioni di tutte le ruote di un veicolo e comprendono estensimetri (strain gauge) che inviano i dati di deformazione misurati al sistema di raccolta dati per misurare deformazioni sia statiche che dinamiche, ad esempio utilizzando un circuito di misura a ?ponte di Wheatstone?.
In modo preferito i sensori rilevano la deformazione eseguendo una lettura del valore di carico applicato. Questo valore rilevato viene memorizzato per intervalli stabiliti di tempo nei mezzi di memorizzazione oppure fino ad una sensibile variazione prestabilita.
Vantaggiosamente, nel procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione dell?invenzione i dati di input per la progettazione, simulazione, costruzione di prototipi ed il testing sono forniti dalla sospensione stessa e raccolti durante la sua vita reale sul mezzo, fornendo una predizione sulla vita residua della sospensione stessa.
Il sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione dell?invenzione si basa su un interfacciamento dei sensori con un?unit? di elaborazione che pu? memorizzare i dati rilevati dai sensori ed eventualmente fare una prima classificazione. Questo tipo di elaborazione comprende due operazioni parallele, ossia due tipi di algoritmi diversi: il classifier e il learner. Il primo si occupa di elaborare i dati e produrre su questa base un determinato risultato. Il secondo, invece, testa questi risultati al fine di attribuire loro una matrice del peso, che sar? poi in seguito utilizzata dal primo algoritmo per classificare nuovi dati e situazioni che i programmatori non avevano considerato all?inizio.
I procedimenti di calcolo utilizzati a livello di modello si avvalgono della tecnologia dei Big Data.
In una prima modalit?, gli algoritmi elaborano centinaia di dati campionati rilevati dai sensori sulla base di una decina di variabili (scatola bianca o grigia); in una seconda modalit? gli algoritmi analizzano milioni o bilioni di dati campionati rilevati dai sensori sulla base di centinaia o migliaia di variabili (scatola nera o senziente), grazie a tecniche di analisi dei dati (data mining) che operano tramite un processo di apprendimento automatico (machine learning) o talora di intelligenza artificiale.
L?apprendimento automatico consente alla macchina di apprendere specifici compiti direttamente dai dati, senza la necessit? di una esplicita, dedicata programmazione, grazie alla sua capacit? di imparare e fare associazioni sulla base di esempi di partenza.
Si sono descritte forme preferite di attuazione dell'invenzione, ma naturalmente essa ? suscettibile di ulteriori modifiche e varianti nell'ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L'articolo "un", "uno" o "una" precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralit? di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.
Claims (10)
1. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione comprendente le seguenti fasi:
- una fase di analisi strutturale (FEM) della sospensione con dati di carico ad una frequenza standard;
- una fase di realizzazione di un primo campione della sospensione utilizzando i dati ricavati nella precedente fase di analisi strutturale;
- una fase di prova di detto primo campione alla frequenza standard in una macchina di collaudo in cui vengono misurati accelerazioni e carichi su diversi punti della sospensione;
- una fase di realizzazione di un segnale composto che simula il segnale stradale in cui si realizza l?elaborazione, normalizzazione e filtrazione di detto segnale;
- una fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione utilizzando come input il segnale realizzato nella fase precedente di realizzazione di un segnale composto;
- una fase di realizzazione delle curve di fatica per diverse famiglie di sospensioni;
- una fase di realizzazione di un secondo campione della sospensione con i dati di feedback della fase di simulazione;
- una fase di verifica dello scostamento dei valori di fatica ottenuti nella fase di simulazione da quelli misurati per il secondo campione con una prova in laboratorio sotto frequenza costante;
- una fase di validazione della curva di fatica finale.
2. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella fase di realizzazione di un segnale composto che simula il segnale stradale vengono creati i dati utilizzati nella fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione attraverso un primo software che opera esclusivamente nel dominio della frequenza, definendo i vari carichi attraverso funzioni di densit? spettrale di segnali stocastici.
3. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i dati ottenuti sono organizzati attraverso un secondo software che utilizza diversi metodi statistici e determina il livello del danno di fatica attraverso calcoli in frequenza, e dal fatto che i dati da fornire in input sono ottenuti sia attraverso prove sul campo che attraverso prove in laboratorio o simulazioni numeriche di percorsi stradali per rilevare durante l?elaborazione ed il consolidamento dei dati eventuali anomalie ed eseguire filtri numerici per avere segnali omogenei di test da utilizzare nel simulatore.
4. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nella fase di prova del primo campione viene montato un primo accelerometro di riferimento in un punto della balestra, e un secondo accelerometro mobile montato successivamente in diversi altri punti della balestra e, se necessario, in diverse direzioni, venendo quindi misurate le grandezze e le differenze di fase tra gli accelerometri mobili e il primo accelerometro di riferimento in tutti i punti di regime permanente del sistema.
5. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nella fase di simulazione del comportamento a fatica della sospensione si ottengono stime della durata a fatica basata su carichi controllati e propriet? cicliche dei materiali.
6. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nella prova in laboratorio sotto frequenza costante, eseguita nella fase di verifica dello scostamento dei valori di fatica, occorre eseguire un ulteriore numero di test e utilizzare altri metodi statistici per valutare le differenze del collaudo, in regime sinusoidale, rispetto ai risultati simulati.
7. Procedimento per la verifica dello stato di usura di una sospensione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il collaudo dinamico delle balestre comporta il rilevamento della loro deformazione a una frequenza critica attraverso l?utilizzo delle misure operative della forma di deflessione in cui la forma di deflessione dinamica forzata viene misurata sotto la frequenza dello stato stazionario del sistema.
8. Sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione con un procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, caratterizzato dal fatto che comprende una sospensione, preferibilmente una balestra, una pluralit? di sensori collegati alla sospensione, un sistema di raccolta dati comprendente mezzi di memorizzazione e un?unit? di elaborazione che confronta i dati filtrati ricevuti dal campo con una libreria di dati di comportamento nel tempo della sospensione memorizzati nei mezzi di memorizzazione.
9. Sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione con un procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che i sensori sono collegati alle sospensioni delle ruote posteriori o alle sospensioni di tutte le ruote di un veicolo e comprendono estensimetri che inviano i dati di deformazione misurati al sistema di raccolta dati per misurare deformazioni sia statiche che dinamiche.
10. Sistema per la verifica dello stato di usura di una sospensione con un procedimento secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che i sensori sono configurati per rilevare un valore di deformazione eseguendo una lettura del valore di carico applicato in cui detto valore rilevato viene memorizzato per intervalli stabiliti di tempo nei mezzi di memorizzazione oppure fino ad una variazione prestabilita.
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Cited By (1)
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Patent Citations (2)
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| CN114252223A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-03-29 | 东风康明斯排放处理系统有限公司 | 一种验证产品疲劳耐久性的测试系统 |
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