Vyhodnocení vibrací rámu automobilů za jízdy.
2011
Obsah Úvod ......................................................................................................................................... 2 Popis použitých technologií ..................................................................................................... 2 2.1.1 Dynamická zkušebna .................................................................................................. 2 2.1.2 Sestava měřicí ústředny cRIO a senzorické sítě akcelerometrů ................................. 4 3 Teoretický rozbor zpracování naměřených dat ........................................................................ 5 3.1 Digitální filtry .................................................................................................................... 6 3.2 Aplikace pro filtraci a integraci ......................................................................................... 6 4 Postup zpracování dat pro fyzikální simulaci na dynamické zkušebně ................................. 11 1 2
1 Úvod Při stavbě automobilů a jejich prototypů je často neznámým parametrem životnost jejich konstrukčních dílů a komponent. Proto je kromě pevnostních testů a výpočtů automobil zkoušen také v situacích napodobujících reálné zatížení během jízdy. Pro takové testy se využívá dynamická zkušebnu, umožňující na jednotlivých kolech automobilu vyvozovat zatížení podobné skutečným zatížením během jízdy. Jelikož skutečné zatížení jednotlivých kol v provozu není známo, je toto zatížení měřeno při jízdních testech množinou senzorů. Naměřená data jsou poté upravena do podoby vhodné pro dynamickou zkušebnu a automobil je zatěžován na dynamické zkušebně. V důsledku toho, že z naměřených dat odstraníme sekvence s nízkou zátěží a ponecháme pouze záznamy obsahující zátěž vysokou, tak jsme schopni na dynamické zkušebně během krátké doby zatížit automobil způsobem, který odpovídá mnoha dnům jeho reálného provozu – proto hovoříme o zrychlených životnostech zkouškách.
2 Popis použitých technologií Pro životnostní zkoušky jsou obvykle inženýry testovacích pracovišť připravovány unikátní postupy, odrážející na jedné straně technické vybavení jejich pracoviště, a na druhé straně technické požadavky zkoušky. Pro úlohu životnostních zkoušek budeme uvažovat následující parametry: 12 ti osá dynamická zkušebna v laboratoři J001. Testovaný experimentální automobil do 700kg. Měřicí realtime ústřednu cRIO se senzorickou sítí MEMS akcelerometrů na jednotlivých kolech. V následujících kapitolách stručně popíšeme hlavní parametry jednotlivých využitých zařízení:
2.1.1 Dynamická zkušebna Dynamická zkušebna v laboratoři J001 má základní seizmický železobetonový blok o veliké váze (rozměry 4x4x1m) uložený na pneumatických vacích. Tímto způsobem je jednak přerušen přenos vibrací ze zkušebny do základů a stěn budovy (které by jinak hrozily jejich poškozením) a jednak je velikou hmotností zajištěna odolnost zkušebny proti rozkmitání. Tento základní železobetonový blok je shora opatřen upínacími ocelovými deskami s T drážkami, umožňující připevnění přípravků a testovacích konzolí s hydraulickými válci (viz. Obr. 1). V technické místnosti je instalovány dva hydraulické agregáty, které do prostoru zkušebny pumpuje vysokotlakým potrubím a hadicemi hydraulický olej do 12 napájecích sekcí pro pohon
2
hydraulických válců. Je zde instalován celkově značný výkon, proto je v prostorách zkušebny třeba obzvláště dbát bezpečnostních předpisů a pravidel.
Obr. 1 Ukázka dynamické zkušebny s instalovanými válci pro testování automobilů
Pro životnostní zkoušky vozidel je zapotřebí simulovat podmínky zatěžování při reálné jízdě a to především simulací změn polohy, rychlosti a zrychlení působící ve třech osách na jednotlivá kola. V průběhu jízdy vozidla je na styčných plochách jednotlivých kol s vozovkou vyvozována reakční síla, jejíž tří-osý souřadný systém s odpovídajícími složkami si zavedeme ve směru jízdy, ve směru kolmém na vozovku a ve směru kolmém na směr jízdy (viz. Obr. 2). V důsledku této síly je následně vozidlo zatěžováno změnami zrychlení, rychlosti a polohy.
z
x
y
Obr. 2 Působení sil na kolo automobilu během jízdy a pomoci hydraulických válců
Při zrychlené simulaci provozního zatížení jsou změny polohy realizovány pomocí sestavy tří hydraulických válců na každém kole testovaného vozidla (Obr. 2), celou soustavu tak tvoří 12 hydraulických válců. Hydraulické válce využívané na zkušebně mají tyto maximální sílu 25 kN pro vodorovné osy a 40 kN po svislé osy, maximální zdvih všech válců je 200 mm (Obr. 3). Z důvodu převodování jsou poté v jednotlivých osách působících na kola k dispozici upravené maximální síly a zdvihy.
3
Obr. 3 3D model dynamické zkušebny s upevněným rámem vozidla
2.1.2 Sestava měřicí ústředny cRIO a senzorické sítě akcelerometrů Pro měření provozního zatížení na nápravách automobilu je možno použít řadu různých senzorů, z nichž nejčastěji používané jsou senzory zrychlení. Tyto senzory jsou vhodné pro záznam dynamických zatěžovacích sil. Pro měření na kolech vozidla budeme používat kapacitní snímače zrychlení (akcelerometry) v provedení MEMS, tedy Mikro Elektro Mechanický Systém. Tyto sensory vynikají miniaturní velikostí, velikou odolností a malou cenou. Pro měření použijeme tří osý MEMS sensor MMA 7455L s rozsahem ± 8g, max. přetížením až 5000g a citlivostí 0,015g. Snímač je rozšířen o mikroprocesor, který umožňuje komunikaci přes CAN sběrnici a tvorbu sítě senzorů, které mohou být rozmístěny po vozidle, v tomto případě na kolech. Jednotlivé sensory je nutné po CAN sběrnici ovládat, a naměřené údaje ukládat pro pozdější zpracování. Tento úkol realizuje robustní a přesná programovatelná real-time ústředna cRIO, doplněná o vysokorychlostní CAN rozhraní a o WiFi access point pro komunikaci s nadřazeným počítačem. Pro naměření veličin a jejich následné uložení na PC bude využito aplikace na cRIO, jejíž čelní obrazovka je spuštěna na notebooku. Čelní strana aplikace je na Obr. 4.
4
6
4
3 1
8 9
7
5
3 1
3
3
1
1 2 Obr. 4 Čelní panel aplikace pro měření dat
Tab. 1 Popis jednotlivých ovládacích prvků Číslo odkazu 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Popis ovládacího prvku Zobrazování aktuálně měřeného zrychlení zvoleným senzorem na zvolené ose Objekt se záložkami umožňující podrobnější nastavení, filtraci, ukládání i frekv. analýzu dat Volba čísla senzoru instalovaného na konkrétním kole Zadání vzorkovací frekvence měření Počet zobrazovaných vzorků v jednom grafu Aktuální čas měření Zmrazení grafů – grafy se dočasně zastaví a je možné u nich použít zoom Zastavení a vypnutí celé aplikace Volba osy snímače
3 Teoretický rozbor zpracování naměřených dat Při měření na experimentálním vozidle se používají akcelerometry, které měří zrychlení působící na kola vozidla. Pří zrychlené životnostní zkoušce se ale řídí hydraulické válce polohou (vysunutím). Je proto nutné převést zrychlení na polohu. K tomu poslouží dvojitá integrace naměřených dat, podle vztahů: a
dv
m s , 2
v
dt
ds
m s
dt
Význam symbolů je následující a ............... zrychlení [ m s 2 ] v ............... rychlost [ m s 1 ] s ............... poloha (dráha) [m] Pokud vztahy obrátíme, získáme požadovanou polohu. Tedy:
5
1
v
t
0
t
s a dt s 0
a dt v 0 ,
0
Pro zjednodušení uvažujeme počáteční hodnoty rychlosti a dráhy nulové, t
s
a dt 0
Dvojnou integrací zrychlení tedy získáme polohu. S tímto postupem se váží dva problémy, které je nutné řešit: 1. Skutečná změna polohy automobilu zahrnuje i převýšení zkušební dráhy a v testu může být i ve stovkách metrů nebo v kilometrech, zatímco válce na zkušebně mají zdvih v centimetrech – polohu tedy nelze přímo přenést na válce. 2. Každé reálné měření je zatíženo parazitními údaji a šumem, v našem případě lze za parazitní údaje například považovat například vibrace od motoru. Šum je vlastností každého digitálního převodníku a typicky se pohybuje v oblasti nejnižších 2 bitů převodníku. Dvojitá integrace šumu a parazitních vibrací nám může náhodně generovat změny polohy, které ve skutečnosti nenastaly. Pro řešení uvedených problémů je proto zapotřebí data upravit do podoby vhodné pro dynamickou zkušebnu. Oba uvedené problémy se řeší digitální filtrací naměřených dat. 3.1 Digitální filtry Digitální filtry používáme především pro odstranění nežádoucích frekvencí z naměřených dat. V případě měření vibrací na kolech chceme odstranit: Nulové a velmi malé frekvence – tím odstraníme ze signálu velmi pomalé změny – tedy samotnou jízdu, rozsáhlé změny polohy a vliv statického zrychlení (gravitace, náklon,...). Vysoké frekvence obsahující šum a parazitní jevy. Pro odstranění jak nízkých tak i vysokých frekvencí ze signálu můžeme požít filtry typu dolní propust, horní propustná pásmová propust. V našem případě budeme tlumit frekvence pod přibližně 1Hz a nad přibližně 20Hz (Obr. 8). Konkrétní nastavení bude úkolem pro vaši samostatnou práci. Pro filtraci a integraci naměřených dat použijte předpřipravenou aplikaci (Obr. 6). 3.2 Aplikace pro filtraci a integraci Tato aplikace je určena pro zpracování dat získaných ze snímačů zrychlení a jejich úpravě pro použití na dynamické zkušebně. V aplikaci je možné načítat data třemi způsoby, které umožňují 1. Vložit sloupec s vlastním signálem přímo do připravených kolonek (Obr. 6 – odkaz 5) v tomto případě však uživatel musí ručně zadat frekvenci, se kterou byla data naměřena. 2. Načíst jeden z přednastavených ukázkových signálů (jedna osa - z) 3. Načtení dat Ze souboru. V této úloze budeme používat 3. variantu. Způsob načtení dat je možné zvolit zaškrtnutím patřičného políčka (Obr. 6.- odkaz 4). Budou využívány záznamy získané pomoci výše uvedené aplikace pro měření dat (Obr. 4). Po otevření souboru dojde k načtení signálů ze všech snímačů včetně popisu jednotlivých snímačů, jejich ID a informací o vzorkovací frekvenci. Předpokládá se, že jsou v souboru data uspořádána stejně jako na následujícím obrázku (Obr. 5).
6
Obr. 5 Ukázka souboru s daty více tříosých akcelerometrů
Pro práci je vždy potřeba vybrat jeden snímač, na kterém se bude provádět filtrace, integrace a frekvenční analýza a to ve všech třech osách snímače součastně. Zpracované data je zde také možné uložit. V případě použití souboru se záznamem ze zmiňovaného cRIO a aplikace pro měření dat (Obr. 4), se název souboru vygeneruje automaticky. Uloží se buď data z jednoho vybraného snímače, nebo po zapnutí funkce pro umožnění automatického zpracování a uložení (Obr. 6.- odkaz 10) se data ze všech snímačů s aktuálním nastavením zpracují a uloží do jednoho souboru. Soubor se zpravidla ukládá do stejné složky, jako je zdrojový soubor. Výsledný soubor má stejnou formu uspořádání dat jako zdrojový soubor, změní se pouze popisky os ze zrychlení na výchylku. 2
1
3 4 11 5
9
6 10 7 8
12
Obr. 6 Aplikace pro integrování dat ze snímačů zrychlení Tab. 2 Popis nástrojů pro načítání a ukládání dat Číslo odkazu 1 2 3 4 5
Popis ovládacího prvku Zobrazování aktuálně měřeného zrychlení zvoleným senzorem Zastavení a vypnutí celé aplikace Indikace zapnuté funkce Výběr způsobu pro načtení signálu Kolonky pro vložení dat z jiného 1 až 3 osého snímače
7
Volba snímače z načteného souboru podle ID Vlastní načtení souboru Vzorkovací frekvence načteného signálu Soubor pro uložení integrovaných dat Umožní použit zvolené natavení pro všechny snímače, automatické zpracování a uložení Cesta k souboru s naměřenými daty Načtení zvolených dat (otevření souboru)
6 7 8 9 10 11 12
V záznamech dat se často vyskytují i úseky, ve kterých se nic zajímavého neděje (například před nastartováním a rozjezdem vozidla) anebo naopak části záznamu, které je potřeba analyzovat samostatně (přejezd definované překážky). K tomuto účelu je zde funkce Zoom, díky které je možné vybrat jakoukoliv část záznamu (Obr. 7). Provádí se to tak, že se myší posunou kolmé přímky vymezující začátek a konec vybrané části záznamu. Pro tuto funkci je potřeba zvolit osu snímače, podle které budou data vybrána. Výběr – časový úsek měření je pak automaticky použitý i pro ostatní osy a v automatickém režimu i pro ostatní snímače.
1
Začátek
Konec
2
Obr. 7 Vyříznutí požadované části záznamu
1. Zvolení osy podle které se bude výběr dat provádět 2. Načtení celého záznamu (ze zvolené osy) Jak již bylo řečeno výše, data před integrací musí být filtrována. Pro filtraci jsou zde určeny dva digitální filtry, FIR filtr a IIR filtr s volitelnými parametry a ukázkou frekvenční odezvy (Obr. 8).
8
1
4
6
5
2
3
Obr. 8 Okno pro práci s filtry
V grafu frekvenční odezvy je zobrazen útlum signálu. Čím je hodnota na dané frekvenci nižší, tím je i větší útlum signálu na této frekvenci. Naopak v propustném pásmu (frekvence, které mají být zachovány) musí být hodnota v grafu co nejblíže nule. Filtry je možné spouštět nezávisle na sobě. Jsou zapojeny za sebou, Filtr 1 je první v pořadí zpracování dat. Tab. 3 Popis okna s filtry Číslo odkazu 1 2 3 4 5 6
Popis ovládacího prvku Zobrazení filtrovaných signálů v čase První filtr, ovládací prvky pro jeho navržení a zobrazení frekvenční odezvy Druhý filtr, ovládací prvky pro jeho navržení a zobrazení frekvenční odezvy Spuštění prvního filtru Vypočítání obou filtrů podle nastavených údajů Spuštění druhého filtru
Po vhodném nastavení filtru je již možné přejít k integraci, která je na obrázku (Obr. 9).
9
1 2
5 3 4
6
6
6
Obr. 9 Okno pro nastavení a aktivaci jednoduché nebo dvojné integrace Tab. 4 Popis jednotlivých prvků okna integrace Číslo odkazu 1 2 3 4 5 6
Popis ovládacího prvku Nejnižší frekvence pro filtr horní propust, který je součástí nástroje pro integraci Zvolení typu integrace (jednoduchá → zrychlení / rychlost, dvojná integrace → zrychlení / poloha) Jednotky (délky) po integraci Spuštění / zastavení integrace Zobrazení výsledků integrace Upozornění na dosažení a překročení nastavených mezí
Nástroj pro integraci v sobě obsahuje filtr horní propust, který odstraňuje frekvence nižší než je zvolená mez. Je možné si zvolit i jednotky délky, které budou zobrazeny v grafu a po uložení také ve výsledném souboru. U měřeného zrychlení nás také velmi často zajímá frekvenční spektrum naměřeného signálu (zobrazení všech změřených frekvencí kmitání, které se v záznamu vyskytují). K tomuto účelu je zde nástroj FFT. Po jeho aktivaci (Obr. 10) se v grafech s časovým průběhem (Obr. 6 – odkaz 1) bude zobrazovat frekvenční spektrum. Součastně se v grafech změní popisky vodorovných os z časových na frekvenční. Stejná změna pak proběhne i v grafech s integrovanými daty (Obr. 9 - odkaz 5). Frekvenční spektrum je pouze informativní, do souboru se neukládá. Závěrečná úprava integrovaného signálu, kterou je vhodné provést před použitím na dynamické zkušebně je kontrola maximální výchylky polohy. Hydraulické válce mají omezený zdvih a záznam je tedy potřeba jim přizpůsobit – často je nepřiměřená výchylka způsobena nevhodně navrženými filtry před integrací. Na překročení limitů upozorňují indikátory pod grafy v záložce Integrace (Obr. 9– odkaz 6).
10
1
2
Obr. 10 Omezení max. výchylky a ukázka frekvenčního spektra signálu
1. Limity ve výchylce, posunutí nulové výchylky 2. Aktivace omezení výchylky podle limitů a posunutí nulové hodnoty Úprava signálu se provádí tak že se výsledný signál posune o předem definovanou hodnotu (nulová výchylka) a také dojde k oříznutí špiček, které by překročily nastavený rozsah válce. Tyto úpravy je potřeba manuálně aktivovat zaškrtnutím políčka Oříznout při překročení limitů v záložce Limit výchylky (Obr. 10). Tato závěrečná úprava by měla být tou poslední možností jak zajistit nepřekročení rozsahu hydraulických válců, protože zkresluje naměřená data.
4 Postup zpracování dat pro fyzikální simulaci na dynamické zkušebně 1. V aplikaci pro zpracování dat otevřete soubor s vámi naměřenými daty (Obr. 6 odkaz 11) a potvrďte tlačítkem Načíst data (Obr. 6 odkaz 7). 2. Vyberte ze záznamu zvolenou část dat (Obr. 7). 3. Nastavte a spusťte alespoň jeden z filtrů (Obr. 8) tak aby odstraňoval frekvence menší než 1 Hz a větší než 20 Hz. Aby se projevily změny v nastavení filtru, musí se stisknout tlačítko Navrhnout – součastně se vykreslí i frekvenční charakteristika filtru. Pro ověření funkce filtru a zjištění frekvenčních vlastností záznamu můžete použít nástroj pro výpočet frekvenčního spektra, který lze aktivovat v záložce FFT. 4. V záložce Integrace (Obr. 9) nastavte frekvenci filtru horní propust, nastavte jednotky délky na milimetry, nastavte typ integrace na Double integration (dvojitá integrace) a spusťte integraci. 5. Spusťte automatické převedení dat a uložení záznamu – zaškrtnutím políčka (Obr. 6 – odkaz10) a stisknutím tlačítka Uložit data. 6. Z naměřených dat vypracujte protokol.
11
