Badania stanowiskowe amortyzatorów

Cele i metodyka badań stanowiskowych amortyzatorów

W celu pozyskania informacji o rzeczywistych charakterystykach amortyzatorów o zmiennym tłumieniu wykorzystywanych w badaniach drogowych i zabudowanych w pojeździe badawczym przeprowadzono badania stanowiskowe ich charakterystyk. Celem badań stanowiskowych było:

1. określenie charakterystyki sił tłumienia amortyzatora wraz z ich histerezą,

2. określenie czasów odpowiedzi układu wykonawczego na sygnał zmiany prądu sterowania charakterystyką tłumienia.

Cel drugi wynikał z faktu, że aby móc opracować system sterowania tłumieniem i zastosować go w badaniach eksperymentalnych i docelowo w seryjnej produkcji bardzo ważne jest nie tylko posiadanie wiedzy na temat charakterystyk statycznych dla różnych nastaw prądu sterującego charakterystyką tłumienia, ale określenie zachowania amortyzatorów w stanach przejściowych. Istotne są więc:

– opóźnienie zmiany prądu sterującego względem zmiany sygnału sterującego, – opóźnienie zmiany charakterystyki tłumienia względem zmiany prądu sterującego – szerokość i wysokość histerezy siły tłumienia amortyzatorów,

– określenie maksymalnej częstotliwości wymuszenia, dla której możliwa jest realizacja sterowania dwustanowego dla każdej ćwiartki sygnału sinusoidalnego.

W niniejszym zadaniu badawczym wzięto pod uwagę wyłącznie amortyzatory z zaworami proporcjonalnymi do uzyskiwania zmiennej w sposób ciągły siły tłumienia. Porównano 4 amortyzatory wykorzystywane w różnych markach samochodów, aby móc określić różnice w charakterystykach tłumienia dla maksymalnych zakresów sterowania siłą tłumienia pomiędzy producentami amortyzatorów. Wybór większej ilości amortyzatorów, niż tylko tych z pojazdu badawczego, ma również na celu poprawne opracowanie systemu sterowania tłumieniem do zastosowania w każdym pojeździe osobowym bez zmian w strukturze algorytmów składowych. Na rys. 6.1 przedstawiono strukturę systemu sterowania tłumieniem, która zawiera moduł dopasowujący system bazowy do zastosowania w innych pojazdach.

105

Dzięki badaniom różnych amortyzatorów możliwe jest ich porównywanie i określenie dla każdego z nich modułu przekształcającego bezwymiarowy współczynnik tłumienia na prąd sterujący. Przebadano amortyzator firmy Sachs CDC, który posiada pojazd badawczy, 2 amortyzatory (przedni i tylny) stosowane w pojazdach firmy Volkswagen oraz amortyzator przedni stosowany w pojazdach firmy Volvo. Badania podzielono na 3 etapy. Na rys. 6.10 przedstawiono główne cele poszczególnych etapów badań.

Rys. 6.10 Etapy badań stanowiskowych

W celu wyznaczenia charakterystyk badanych amortyzatorów wykorzystano elektrohydrauliczne stanowisko do badania amortyzatorów wymontowanych z pojazdu badawczego, wyposażone w czujniki siły i przemieszczenia oraz układ sterujący opracowany w systemie Simulink i uruchomiony na platformie sprzętowej dSpace, pozwalającej na pracę systemu w czasie rzeczywistym. Na rys. 6.11 przedstawiono stanowisko do badań amortyzatorów. Dla potrzeb badania amortyzatora konieczne było dodatkowe opracowanie układu sterującego pracą amortyzatora o sterowanej charakterystyce. Potrzeba budowy układu sterującego wynikała z:

– konieczności zmiany stopnia tłumienia w amortyzatorze dla wyznaczenia charakterystyk dla różnego poziomu otwarcia zaworu obejściowego,

– przyspieszenia wykonywania badań pełnej charakterystyki poprzez automatyczne przełączanie poziomów sygnału sterującego,

– umożliwienia badania czasu reakcji amortyzatora na zmianę poziomu sygnału sterującego.

Szczegółowy opis poszczególnych modułów układu sterującego został przedstawiony w publikacji [71].

Rys. 6.11 Stanowisko do badania amortyzatorów ( 1 – tłoczysko wzbudnika elektrohydraulicznego, 2 – czujnik siły, 3 –amortyzator, 4 – czujnik przemieszczeń).

106 Etap I- wyniki badania charakterystyk statycznych

Na podstawie wyników badań stanowiskowych zależności siły tłumienia od prędkości wyznaczono charakterystyki statyczne amortyzatora. Wyznaczone one zostały na podstawie zebranych danych pomiarowych dla amplitudy drgań +-50mm i częstotliwości 1,5Hz. Do wyznaczenia charakterystyki statycznej uśredniono wartości pomiarów dla tych samych prędkości ugięcia amortyzatora dla fazy ściskania i rozciągania. Na rys. 6.12 przedstawiono wyznaczoną charakterystykę amortyzatora wymontowanego z pojazdu badawczego.

Rys. 6.12 Zależność siły tłumienia od prędkości ugięcia amortyzatora dla różnych nastaw prądu sterującego.

Na podstawie wyników badań określono również liniowy współczynnika tłumienia b, który został wyznaczony poprzez wyznaczanie regresji liniowej dla poszczególnych wycinków wykresu charakterystyki statycznej amortyzatora. Na rys.

6.13 przedstawiono przykładowe wyznaczenia linii trendu za pomocą regresji liniowej, które pozwalają zmienić nieliniową charakterystykę amortyzatora na liniowy współczynnik tłumienia, dla danego zakresu pracy zawieszenia- prędkości ugięcia.

Rys. 6.13 Charakterystyka amortyzatorów CDC wykorzystywanych w badaniach drogowych dla zakresu +-0,26m/s.

-1500

107

Na podstawie wyznaczonych liniowych współczynników tłumienia dla zakresów +-0,06m/s, +-0,13m/s, +-0,26m/s i +-0,39m/s opracowano przebieg krzywych dla bezwymiarowego współczynnika tłumienia dla 3 skrajnych nastaw prądu sterującego i dwóch wartości masy resorowanej pojazdu (rys. 6.14). Wartości współczynnika tłumienia zostały wyznaczone ze wzoru:

𝑦 = 𝑏

2√𝑀𝑘

6.2

gdzie: b- współczynnik tłumienia [Ns/m], k- współczynnik sprężystości sprężyny, przyjęto 23000N/m; M- masa resorowana ćwiartki pojazdu, przyjęto 380kg, lub 480kg.

Rys. 6.14 Zależność bezwymiarowego współczynnika tłumienia od prędkości ugięcia amortyzatora dla różnych nastaw prądu sterującego.

W celu lepszego zrozumienia różnic pomiędzy wynikami badanych amortyzatorów zestawiono na rys. 6.15 skrajne charakterystyki dla 3 przebadanych amortyzatorów. Na podstawie wyników badań można sformułować kilka wniosków:

– największy zakres zmian tłumienia ma amortyzator stosowany przez firmę Volvo, najmniejszy zakres amortyzator zamontowany w pojeździe badawczym Opel Astra;

– największe różnice w przebiegu charakterystyk pomiędzy amortyzatorami stosowanymi w pojeździe badawczym Opel Astra i stosowanymi przez firmę Volkswagen są w zakresie +- 0,13m/s. Jest to zakres ważny ze względu na ograniczenie przechyłów wzdłużnych i poprzecznych.

– amortyzator od firmy Opel nie jest w stanie osiągnąć nawet 50% siły tłumienia amortyzatorów stosowanych przez firmę Volvo dla małego zakresu prędkości ugięcia.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

Bezwymiarowy współczynnik tłumienia

[m/s]

0,3A 480kg 0,7A 480kg 1,1A 480kg 1,6A 480kg 0,3A 380kg 1,1A 380kg 0,7A 380kg 1,6A 380kg

108

Rys. 6.15 Zmienność charakterystyk sił tłumienia dla 3 badanych amortyzatorów.

Etap II – wyznaczenie histerezy siły tłumienia w funkcji prędkości ściskania/rozciągania amortyzatora Drugi etap badań dotyczył oceny histerezy siły tłumienia w funkcji prędkości ściskania/rozciągania amortyzatora dla różnych częstotliwości wymuszenia i skoku. Przykładowy przebieg siły tłumienia dla częstotliwości 6Hz i amplitudy 10mm dla amortyzatora firmy Monroe stosowanego w pojazdach VW przedstawia rys. 6.16.

Rys. 6.16 Zależność siły tłumienia od prędkości ugięcia amortyzatora dla różnych nastaw prądu sterującego.

Na podstawie wyników badań zaprezentowanych na rys. 6.16 ustalono, że:

– wysokość histerezy przy prędkości 0 m/s wynosi 850N;

– szerokość histerezy dla siły 0N wyniosła 0,17m/s;

– maksymalna osiągnięta siła przy rozciąganiu dla prądu 1,6A wyniosła 2150N, minimalna siła wyniosła 250N przy 0,3A dla 0,35m/s;

109

– maksymalna osiągnięta siła przy fazie ściskania wyniosła 1400N przy 1,6A, minimalna siła wyniosła 300N przy 0,3A dla 0,35m/s.

Po przeprowadzeniu badań można sformułować kilka ogólnych wniosków odnośnie histerezy badanych amortyzatorów:

– częstotliwość wymuszenia ma wpływ na wykres siły tłumienia od prędkości ugięcia; porównując charakterystyki dla amplitudy 10mm i częstotliwości 7Hz z charakterystyką dla amplitudy 50mm i częstotliwości 1,5Hz, to im większa częstotliwość tym większa histereza dla tych samych prędkości ugięcia;

– dla dużych częstotliwości 6-7Hz kształt histerezy jest bardziej regularny i zbliżony do elipsoidy; dla mniejszych częstotliwości kształt histerezy jest bardziej nieregularny;

– dla prędkości skrajnych +-0,4m/s histereza jest pomijalna, dla prędkości około wartości 0m/s histereza jest maksymalna, co może być związane ze zmianą kierunku działania sił - tam też ujawnia się wpływ wszelkich luzów,

– im większa różnica maksymalnych sił tłumienia tym większa histereza;

– im mniejszy zakres prędkości ugięcia tym mniejsza histereza układu, mniejszy wpływ zjawisk dynamicznych kształtujących histerezę.