PT103847A

PT103847A - Sistema de monitorização continua para aplicação em amortecedores

Info

Publication number: PT103847A
Application number: PT103847A
Authority: PT
Inventors: Universidade De Tras-Os- Douro; Raul Manuel Pereira Morais Dos Santos; Paulo Jorge Da Cruz Ventura; Carlos Daniel Henriques Ferreira; Antonio Luis Gomes Valente; Carlos Fernando Couceiro De Sousa Neves; Manuel Jose Cabral Dos Santos Reis
Original assignee: Universidade De Tras-Os- Douro
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-13
Also published as: WO2009048347A1; US20100211253A1; EP2197709A1; JP2011500402A; PT103847B

Abstract

O presente invento diz respeito a um sistema de monitorização contínua para amortecedores, para utilização em veículos automóveis ou em qualquer tipo de máquina que deles necessite, que permite o teste de amortecedores durante o seu funcionamento normal. É essencialmente caracterizado por todos os componentes necessários se encontrarem incorporados no próprio amortecedor num único circuito 1 ou vários circuitos integrados interligados, os quais são dotados de meios de identificação que fornecem aos vários sistemas de gestão do veículo ou máquina a informação necessária relativamente á sua identificação características e capacidade de autodiagnóstico. Os referidos componentes compreenderem sensores 2 de aceleração, pressão e temperatura, circuitos de condicionamento e processamento de sinal 3, sistema de comunicação sem fios 4, sistema de produção 5 e armazenamento de energia 7 e electrónica de gestão 6.

Description

1

DESCRIÇÃO "SISTEMA INTELIGENTE DE MONITORIZAÇÃO CONTÍNUA PARA APLICAÇÃO EM AMORTECEDORES"

Dominio Técnico da Invenção A presente invenção consiste num sistema de monitorização continua de amortecedores através de sensores, possibilitando o alerta relativamente ao seu estado. Âmbito da invenção A presente invenção consiste num sistema de monitorização continua para amortecedores através de um sensor, possibilitando o alerta relativamente ao seu estado. 0 sistema proposto fará parte do sistema electrónico de gestão do veiculo ou máquina onde o amortecedor esteja acoplado, através de uma ligação por condutor eléctrico ou de uma ligação sem fios, fazendo parte ou não da rede de comunicação de dados do veiculo ou máquina e podendo ser integrado no amortecedor como um sistema autónomo que dispõe do seu próprio circuito de alimentação eléctrica, ou pode ser colocado no exterior do amortecedor, com apenas uma tomada de pressão interna, obtendo energia a partir do sistema de alimentação do 2 veículo ou máquina a si acoplado ou produzindo a sua própria energia, nomeadamente através de conversores piezoeléctricos a partir das energias absorvidas pelo amortecedor.

Antecedentes da Invenção A suspensão de um veículo automóvel é concebida com o objectivo de atingir um compromisso aceitável entre o conforto e a capacidade dinâmica do veículo. À semelhança de qualquer outro sistema mecânico, os componentes da suspensão estão sujeitos ao envelhecimento gradual, em particular os amortecedores, que devido ao seu conceito físico são amplamente afectados pelo desgaste, vazamento e perda de qualidades do óleo no seu interior, resultando numa suspensão com efeitos negativos no conforto e segurança do veículo.

Uma suspensão degradada resulta em oscilações excessivas do veículo, diminuindo o contacto entre os pneus e a estrada, com a consequente diminuição do conforto, da segurança dinâmica, e do desempenho de travagem.

Nos veículos modernos, onde o diagnóstico electrónico assume um papel cada vez mais importante, a possibilidade de caracterizar o amortecedor, para além de fundamental na identificação de avarias, permitirá optimizar as estratégias de controlo dos diversos sistemas 3 de segurança activa, de modo a obter o óptimo desempenho da suspensão. A avaliação das suas caracteristicas em tempo real e durante o seu tempo de vida permitirá informar a altura ideal da sua substituição e, desta forma, possibilitará uma condução mais confortável e mais segura. A condição dos amortecedores é normalmente verificada por dois métodos distintos: teste no veiculo ou teste em dinamómetro. A utilização de dinamómetros, implica a remoção do amortecedor do veiculo para que seja excitado a diferentes frequências e desta forma se possa obter a sua função caracteristica força/velocidade. Nos testes efectuados com o amortecedor montado no veículo é aplicada, numa plataforma construída para o efeito, uma excitação à suspensão no seu todo e é medida a aderência - força de contacto entre o pneu e a plataforma. 0 resultado é um bom indicador do estado do conjunto do sistema de suspensão, mas não bom indicador do estado do amortecedor, embora alguns autores afirmem que é possível avaliar o desempenho do amortecedor através da análise do ângulo de fase.

Uma avaliação ao estado da técnica permite-nos encontrar vários métodos conhecidos para verificação do estado dos amortecedores:

No documento US2006149494A1 (W02004048134A2) utiliza-se um acelerómetro ligado aos extremos do 4 amortecedor, e uma unidade externa de processamento ligada aos acelerómetros para calcular o factor de amortecimento. Os acelerómetros são montados no veiculo durante o teste. 0 sistema patenteado não permite o teste dos amortecedores durante o seu normal funcionamento.

No documento EP18959A1 utiliza-se um acelerómetro montado no cubo da roda e determina o estado do amortecedor através da relação entre o amortecimento na expansão e na compressão do amortecedor, realizando uma análise no domínio do tempo. 0 sistema proposto não permite verificar todos os tipos de anomalias/ avarias a que os amortecedores estão sujeitos.

Nos documentos US2004217853A1 ou EP1106397A2 utiliza-se um sistema montado no pneu capaz de monitorizar a sua pressão bem como as acelerações radiais e laterais de forma a determinar o desgaste do pneu, o seu equilíbrio e o estado do amortecedor. 0 estado do amortecedor é determinado por comparação da FFT da aceleração radial do pneu com um resultado pré determinado para um amortecedor novo. 0 sistema proposto não determina eficazmente o estado do amortecedor, por exemplo não considera o tipo de excitação a que o amortecedor está sujeito.

No documento RU2284023C1 utiliza-se um sistema em que são montados acelerómetros nas massas suspensas e não suspensas de um veículo. A suspensão é excitada a uma frequência próxima ou igual à frequência de ressonância 5 mais elevada das rodas. Através de uma análise temporal da média da relação entre as acelerações determina o estado dos amortecedores. Difere do sistema proposto por ser exterior quer ao veículo quer à máquina, não permitindo uma monitorização contínua nem em tempo real.

No documento US005525960A utiliza-se um dispositivo para medir os deslocamentos da parte móvel do amortecedor para determinar o estado dos pneus e do amortecedor. 0 sistema proposto não tem em conta as condições de excitação externas a que o amortecedor está sujeito.

Com base no que anteriormente foi referido, verifica-se a necessidade de uma aplicação que possa fornecer indicação ao condutor em tempo real sobre o estado dos amortecedores, independentemente do tipo de utilização dos mesmos.

Sumário da invenção A presente invenção consiste num sistema de monitorização contínua para amortecedores através sensores, possibilitando o alerta relativamente ao seu estado. Concretamente, o objecto da invenção consiste num sistema de monitorização contínua para amortecedores, para utilização em veículos automóveis ou em qualquer tipo de máquina que deles necessite, que permite o teste de amortecedores durante o seu funcionamento normal. É 6 essencialmente caracterizado por todos os componentes necessários se encontrarem incorporados no próprio amortecedor num único circuito ou vários circuitos integrados interligados, os guais são dotados de meios de identificação que fornecem aos vários sistemas de gestão do veiculo ou máquina a informação necessária relativamente à sua identificação características e capacidade de auto-diagnóstico . 0 sistema proposto possui elevada fiabilidade e permite grandes volumes de produção a baixo custo, recorrendo para tal ao uso de tecnologias de micro-maquinagem electrónica (MEMS) o que possibilita a integração de todos os componentes necessários (sensores, circuitos de condicionamento de sinal, sistema de comunicação sem fios, sistema de produção de energia e electrónica de gestão) num único circuito integrado nomeadamente com tecnologia CMOS.

Este novo sistema permitirá que os fabricantes de automóveis possam oferecer aos seus clientes uma solução tecnologicamente avançada de monitorização de um componente essencial de segurança automóvel. Assim, e dado que não existe actualmente nenhum sistema similar, o presente sistema dará uma indicação do estado dos amortecedores quando para isso for solicitado pelo equipamento de diagnóstico do automóvel onde estão embebidos. Um hipotético cenário de utilização aponta para um sistema de aviso do estado dos amortecedores sempre que o condutor se 7 prepara para colocar o veiculo em funcionamento. 0 condutor poderá ser avisado do estado dos amortecedores por intermédio de avisadores luminosos, sonoros ou outros, que poderão ser dedicados a este sistema, ou parte integrante de outros sistemas de informação do veiculo. A utilização deste sistema vai permitir que se avalie o estado de cada amortecedor durante a normal utilização do veiculo e não só quando o veiculo vai a inspecção ou quando o utilizador decide ir à oficina (onde a maioria dos testes apenas indicam o estado da suspensão como um todo e não a condição dos amortecedores.

Breve descrição dos desenhos A descrição que se segue baseia-se nos desenhos anexos que sem qualquer carácter limitativo representam: - Na figura 1 um esquema do circuito integrado; e - Na figura 2 também de modo esquemático as variáveis em jogo de um sistema amortecedor.

Descrição detalhada da invenção A presente invenção consiste num sistema de monitorização continua para amortecedores através de um sensor, possibilitando o alerta relativamente ao seu estado. 0 uso de tecnologias de micromaquinagem electrónica (MEMS) possibilita a integração de todos os componentes necessários, tais como sensores, circuitos de condicionamento de sinal, sistema de comunicação sem fios, sistema de produção de energia e electrónica de gestão num único circuito integrado 1, conforme exemplificado na figura 1. 0 referido circuito integrado 1 pode ser fabricado em tecnologia CMOS.

Concretamente, o presente invento consiste na aplicação ao amortecedor de um circuito integrado 1 que compreende sensores 2 de aceleração, pressão e temperatura e outros dispositivos para circuitos de condicionamento de sinal 3, sistemas de comunicação sem fios 4, sistemas de produção de energia 5 e electrónica de gestão 6 e um reservatório de energia gerada 7. Conforme se pode observar pela figura, estes dispositivos integrados num único circuito integrado 1 estão relacionados entre si com relações de um ou dois sentidos. 0 sistema de produção 5 e armazenamento 7 de energia e a electrónica de gestão 6 podem ser um sistema autónomo A - Caso se refira à independência do ponto de vista de alimentação, podendo ter alimentação própria, independente do sistema de alimentação do veiculo, recolhida deste por métodos convenientes.

B

Caso se refira à independência fisica do sistema de 9 produção, armazenamento e controlo relativamente aos sistemas de instrumentação, condicionamento de sinal, processamento e transmissão em que a produção, armazenamento e gestão de energia são efectuadas separadamente dos sistemas de instrumentação, condicionamento de sinal, processamento e transmissão, havendo interligação exterior com os circuitos referidos.

Outras configurações são igualmente possíveis. 0 sistema objecto do pedido de patente prevê dois modos de realização distintos, podendo ambos determinar o estado dos amortecedores. 0 primeiro modo de realização consiste na instalação de dois circuitos integrados colocados no corpo e na haste de cada amortecedor cujos sensores permitem a medição da temperatura e da aceleração de cada um dos amortecedores. É portanto possível efectuar a medição da temperatura e da aceleração em ambas as partes de cada um dos amortecedores, eliminando a necessidade de ligar o sensor à câmara de alta pressão do amortecedor e permitindo a optimização de produção de energia eléctrica por recolha de energia de vibrações. A segunda configuração proposta consiste na aplicação de um único circuito integrado instalado num único ponto do corpo do amortecedor. Este circuito é capaz de medir a aceleração da massa suspensa ou da massa não - 10 - suspensa, dependendo da forma como o amortecedor é montado, a pressão fluido/óleo do amortecedor na expansão (ou compressão) e a temperatura, e assim permitir o cálculo do estado dos amortecedores pela correlação entre pressão e aceleração. Este circuito pode igualmente ser utilizado no primeiro modo de realização, desde que não se considere a leitura de pressão. A resolução das equações do sistema de suspensão no dominio da frequência permitir avaliar a transmis-sibilidade, função de transferência entre acelerações na massa suspensa e não suspensa, como função do coeficiente de amortecimento, rigidez da suspensão e massa suspensa, sendo o cálculo da transmissibilidade na gama de frequência de interesse, que pode variar de acordo com as caracteristicas dos veículos ou máquinas, função do coeficiente de amortecimento do amortecedor.

Considerando o modelo linear simplificado da figura 2 para o estudo analítico do comportamento da suspensão, o sistema de suspensão em cada roda é simplificado a uma mola e um amortecedor em paralelo, interligando a massa suspensa e a massa não suspensa.

Sendo a temperatura um parâmetro que influencia directamente as caracteristicas de amortecimento, a sua correlação com a transmissibilidade calculada permite uma determinação mais precisa do estado do amortecedor. - 11 -

As equações para o sistema esquematicamente representado na figura 2 são:

Equações para sistema mola massa - H do veiculo í Ms X*2 ™ Ks {x%, ^ #2) -I {#1 - - X<:>) • · a». / 1 = KT (xq — Χχ) -~KsÍxi - *É “ Cb I0i - *2) em que:

Ms - Massa suspensa

Mu - Massa não suspensa

Ks - Constante da mola KT - Constante do pneu

Cs - Factor de amortecimento xc ~ Excitação xi - Deslocamento da roda x2 - Deslocamento da carroçaria A transmissibilidade, razão entre a amplitude da aceleração transmitida através da conexão existente e a amplitude da aceleração da excitação vai permitir determinar o factor de amortecimento do amortecedor. A equação da transmissibilidade no dominio da frequência é: - 12 -

TransmissMidade = —- χ,(ω) A resolução do sistema de equações acima apresentado para sistema mola massa, permite calcular a transmissibilidade em função dos parâmetros: Cs, Ks e Ms. Na gama de frequência em que a excitação é máxima, a transmissibilidade é maioritariamente determinada pela variável Cs.

Assim, a medição prática da transmissibilidade, permitir concluir sobre o factor de amortecimento do amortecedor, sendo que este é um indicador directo do estado do amortecedor.

Para potenciar a sua interoperabilidade com os restantes elementos electrónicos do veiculo ou máquina, o sistema será dotado de identificação electrónica 'data sheet', capaz de fornecer aos vários sistemas de gestão do veiculo ou máquina a informação necessária relativamente a sua identificação, caracteristicas e capacidade de auto-diagnóstico. A interoperabilidade do amortecedor com o veiculo ou máquina poderá ser feita de duas formas: 1. Determinação do estado do amortecedor pelo próprio sistema de monitorização integrado no amortecedor com transmissão da informação para o sistema de processamento do veículo (com ou sem fios); 2. Envio da informação recolhida pelos sensores do sistema para a central de processamento do veiculo para ai - 13 - ser determinado o estado do amortecedor.

Lisboa, 1 de Outubro de 2010

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de monitorização continua para amortecedores, para utilização em veículos automóveis ou em qualquer tipo de máquina que deles necessite, que permite o teste de amortecedores durante o seu funcionamento normal, caracterizado por ter instalado num único ponto do amortecedor, todos os componentes constituintes: sensores, circuitos de condicionamento de sinal, sistema de comunicação sem fios, sistema de produção de energia e electrónica de gestão incorporados em pelo menos um circuito integrado (1) ;

2. Sistema de monitorização contínua para amortecedores de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser dotado de meios de identificação e de informação electrónica sobre o estado do amortecedor, constituídos por um conjunto de sinais eléctricos, analógicos e/ou digitais, por ligação por fios ou por ligação sem fios, meios esses que fornecem aos vários sistemas de gestão do veículo ou máquina a informação relativamente à sua identificação características e capacidade de autodiagnóstico a sua ficha técnica e informação sobre o estado do amortecedor;

3. Sistema de monitorização contínua para amortecedores de acordo com a reivindicação 1, 2 caracterizado por o circuito integrado (1) ser fabricado em tecnologia CMOS.

4. Sistema de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos componentes serem sensores (2) , circuitos de condicionamento e processamento de sinal (3) , sistema de comunicação sem fios (4), sistema de produção (5) e armazenamento de energia (7) e electrónica de gestão (6).

5. Sistema de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o sistema de produção (5) e armazenamento de energia (7) e electrónica de gestão (6) ser autónomo.

6. Sistema de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um único circuito integrado que mede a aceleração, pressão e temperatura, instalado num único ponto do corpo do amortecedor.

7. Sistema de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender dois circuitos integrados colocados no corpo e na haste de cada amortecedor que medem a temperatura e a aceleração de cada um dos amortecedores. continua para Método de monitorização 3 amortecedores, caracterizado por, em tempo real, - medir a aceleração do amortecedor - parte ligada a massa não suspensa, a pressão interna e temperatura de funcionamento do fluido/óleo do amortecedor; - realizar uma análise em frequência aos sinais de aceleração e pressão adquiridos, que determina o estado do amortecedor pela transmissibilidade, função de transferência entre pressão e aceleração, no dominio da frequência, e pela temperatura do mesmo.

9. Método de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a interoperabilidade do amortecedor com o veiculo ou máquina ser feita por: - determinação do estado do amortecedor pelo próprio sistema de monitorização integrado no amortecedor com transmissão dessa informação para o sistema de diagnóstico do veiculo por uma ligação com ou sem fios; ou - envio da informação recolhida pelos sensores do sistema para a central de processamento do veiculo para ai ser determinado o estado do amortecedor.

10. Método de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a resolução das equações do sistema de suspensão no dominio da frequência permitir avaliar a transmissibilidade, função de transferência entre acelerações na massa suspensa e não suspensa, como função 4 do coeficiente de amortecimento, rigidez da suspensão e massa suspensa.

11. Método de monitorização continua para amortecedores de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o cálculo da transmissibilidade na gama de frequência de interesse, variar de acordo com as caracteristicas dos veículos ou máquinas, função do coeficiente de amortecimento do amortecedor.

12. Método de monitorização contínua para amortecedores de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por medir a pressão do fluido/óleo do amortecedor na câmara expansão ou compressão e a aceleração da massa suspensa ou da massa não suspensa, dependendo da forma como o amortecedor é montado no veiculo. Lisboa, 22 de Março de 2011