Inteligentní závěsy kol a tlumiče založené na elektrorheologickém principu J. Roupec Fakulta strojního inženýrství, Vysoké Učení Technické Brno, Technická 2, 616 69 Brno, Česká Republika Vozidlový tlumič je užíván ke zmírnění nežádoucích vibrací způsobených nerovností vozovky. Úspěšné potlačení vibrací vede ke zlepšení jízdního komfortu, zlepšení stability řízení a zvýšení bezpečnosti. Tento článek představuje elektrorhelogické (ER) tlumiče, jejich vlastnosti a možné způsoby použití v tzv. aktivních podvozcích. Tyto tlumiče by měly nahradit drahé aktivní tlumící systémy. Okrajově jsou v tomto článku zmíněny magnetorheologické tlumiče pracující na podobném principu.
1. ÚVOD 1.1. Definice aktivního podvozku Inteligentní mechanismy zažívají v této době nebývalý rozmach zvláště v automobilovém průmyslu. Čím dál větší nároky na bezpečnost a komfort jízdy si to žádají. S rostoucí technologickou vyspělostí rostou i nároky na nové systémy. Zavádějí se nové a vysoce inteligentní prvky. Systém, který má největší vliv na bezpečnost a komfort jízdy, je podvozkový systém. Inteligentní podvozek se v automobilové terminologii nazývá aktivní podvozek. Je to adaptabilní systém odpružení vozu, který se přizpůsobuje zatížení vozu a zajišťuje ideální jízdní podmínky i při plném zatížení vozu. Za aktivní podvozek je považován ten podvozek automobilu, který má elektronicky řízené systémy odpružení náprav a tlumení jejích kmitů. V principu je to regulace charakteristik odpružení a tlumení u jednotlivých náprav pomocí řídicího systému na optimální podmínky pro daný jízdní stav. S aktivním podvozkem tak lze dosáhnout vyšší bezpečnosti jízdy, vysokého cestovního komfortu, menšího provozního namáhání součástí podvozku a tudíž i celého vozu, což znamená i dosažení delší životnosti vozu a jeho komponentů. Aby to nebylo tak jednoduché, má na jízdní vlastnosti velký vliv velká spousta pasivních prvků jako je závěs kola, systém řízení, brzdová soustava, rám, příčné stabilizátory, torzní tyče, pneumatiky, karoserie, těžiště vozu, atd… Největší vliv sice mají
prvky odpružení a tlumení, ale pokud nejsou pasivní prvky správně implementovány do systému podvozku či vozu, odpružení a tlumení ztrácí na efektivivitě. 1.2. Odpružení Odpružení je zpravidla řešeno jednoduchými nebo skládanými listovými pery, vinutými nebo zkrutnými pružinami nebo vzduchovými pružinami. Odpružení zmenšuje přenos kmitavých pohybů nápravy na karoserii a chrání tak posádku i náklad před nežádoucími otřesy. Systém odpružení je z hlediska komfortu jízdy zpravidla navržen tak, aby vlastní frekvence odpružené hmoty vozidla byla v rozmezí 1–2 Hz. Při přejezdu nerovnosti se odpružení z energetického hlediska chová jako akumulátor energie. Aby nedošlo ke kmitání kola, je potřeba tuto energii „zmařit“. K tomu slouží tlumič. 1.3. Tlumič Útlum kmitání nápravy, které je vybuzeno přejezdem nerovnosti, by byl zcela nedostatečný, kdyby do systému zavěšení kola nebyl zařazen účinný tlumič odpružení. Úkolem tlumiče je tlumení kmitů odpružené i neodpružené hmoty vozidla. Požadavek eliminovat nárazy pramení z faktu, že automobily jsou vzhledem k požadavku jízdního komfortu poměrně měkce odpruženy a při rázovém zatížení by tedy pružící element potřeboval velmi dlouhou deformační dráhu, aby došlo k akumulaci této deformační energie. Pokud je do systému zařazen tlumič, místo akumulace je tato energie tlumičem transformována na teplo. Konstrukce
podvozku je tímto odlehčena od nežádoucího silového působení a výrazně se zvyšuje pohodlí posádky. Tlumič odpružení se na základě požadavků, které jsou na jeho funkci kladeny stal bezpochyby dominantním elementem závěsu kola, na jehož dobrém technickém stavu je závislá přímo bezpečnost silničního provozu. 1.4. Komfort a bezpečí Problémem u neaktivních podvozků bylo sjednotit požadavky na komfort a bezpečí jízdy. Bezpečí jízdy se hodnotí bezrozměrnou veličinou, kterou je přilnavost kola k vozovce (dle metodiky EUSAMA). Jedná se o poměr minimálního zatížení vozovky pneumatikou automobilu při překonávání nerovnosti a statického zatížení. Minimální hodnota je 0% a znamená, že se kolo nedotýká vozovky. Naopak 100% je nedosažitelná hodnota a znamená dokonalou přilnavost. Komfort jízdy lze hodnotit jako schopnost vozidla, co nejvíce utlumit (vertikální zrychlení tlumiče je co nejmenší) přejížděnou nerovnost. Obecně lze říci, že komfort a bezpečí jízdy jsou vlastnosti, které se navzájem popírají. Proto u pasivních podvozků docházelo buď ke kompromisu nebo ke složitým konstrukčním řešením (tlumiče Sensa Trac firmy Monroe, koncepce DCD – Displaced Consious Damping, atd. [1]). Obecně platí, že pokud je auto nastaveno jako tvrdší, je zvýšena stabilita, řiditelnost, ovladatelnost, auto rychleji a přesněji reaguje na ovládání. Jedná-li se o sportovní automobil, jde komfort stranou a využije se tohoto nastavení.
Obr. 1 Sportovní tlumič [2]
U osobních automobilů se většinou požaduje vysoký komfort jízdy. Růstem výkonů motorů a rychlostí jízdy nemohl ale pasivní podvozek splňovat požadavky na bezpečí. Proto se začaly zavádět aktivní prvky, které při malém zatížení tlumiče vykazují komfortní nastavení a naopak při vysokém zatížení zohlední bezpečný provoz. Požadavky na aktivní podvozek lze z historického hlediska, technické náročnosti a požadavků na rychlost odezvy rozdělit na: podvozek s pomalou odezvou podvozek se středně rychlou odezvou podvozek s rychlou odezvou 1.5. Podvozek s pomalou odezvou Tento podvozek umožňuje snadnou změnu světlé výšky nebo změnu tuhosti závěsu dle požadovaného stylu jízdy (sport vs. komfort). Tyto typy podvozků nereagují na požadavky kladené na aktivní tlumiče za jízdy (náklon v zatáčkách, při brzdění a rozjezdech, atd...). Změnu tuhosti závěsu lze u klasických tlumičů a pružin provést několika způsoby. Utažení nebo povolení pružiny nebo zvýšení tlaku v plynové komoře u plyno-kapalinového tlumiče. Tyto způsoby lze sice stěží označit za aktivní řízení podvozku, ale časem manuální nastavení převzaly servomotorky řízené řídící jednotkou a používající jako vstupní data signály ze snímačů zatížení kola, popř. ještě snímačů polohy kola a zrychlení jeho pohybu v kolmém směru. Tento způsob regulace tuhosti závěsu využívá čím dál více sériově vyráběných automobilů. Jednodušší systémy jsou závislé na zásahu řidiče, který tlačitkem vybírá nastavení podvozku (sport, komfort, popř. střední nastavení tuhosti). Složitější systém ještě navíc automaticky sleduje užitečné zatížení vozu. Výrobci hovoří s hrdostí o aktivním podvozku, i když se jedná o nejjednodušší způsob regulace. Systém změny světlé výšky podvozku začaly používat užitkové a nákladní vozy a později se s úspěchem prosadil i u velkoprostorových nebo luxusních osobních vozů. Jedná se o pneumatické pružící jednotky (nákladní a užitkové vozy, MB Viano, starší MB třídy E a S (systém Airmatic), zpočátku i Citroën BX, atd...) popřípadě
o hydropneumatické pružící jednotky (většina modelů automobilky Citroën). Pneumatické pružící jednotky (Obr. 2) jsou často řešeny jako kombinace plynokapalinových tlumičů a vzduchových pružin. Jednotky jsou obvykle automaticky regulovány nahuštěním vzduchových komor bez zásahu řidiče za všech provozních podmínek. Regulace zajišťuje korekci výšky vozidla na základě snímání zatížení vozu. Ve většině případů může řidič dle potřeby snížit nebo zvýšit světlou výšku vozidla. Kromě toho některé systémy automaticky mění světlou výšku v závislosti na rychlosti. Při vyšších rychlost ji skokově snižují a zvyšuje se tak přítlak vozidla k vozovce.
nádoby jsou umístěny redukční ventily, které zajišťují škrcení kapaliny při pohybu pístu, tím je zajištěn tlumící účinek. Rozdílné zatížení vozidla je kompenzováno přívodem kapaliny ze zásobníku do pracovního prostoru válce, čímž je tedy zajištěna regulace světlé výšky vozidla. O přívod kapaliny se stará velká hydraulická pumpa, která je poháněna řemenem z klikové hřídele motoru. U Citroënu je hydropneumatická jednotka součástí hydraulického systému zahrnující systém řízení a brzdový systém. Nevýhodou tohoto systému je celková hmotnost a snížení výkonu motoru (model C5 pro rok 2006 váží 1,9 tuny [4]). Nová koncepce těchto pružících jednotek dovoluje spolu se světlou výškou také úpravu tvrdosti a tuhosti samotného pružení přímo během jízdy dle charakteru povrchu vozovky, čímž se z tohoto podvozku stal podvozek se středně rychlou odezvou.
Obr. 2 Pneumatická pružící jednotka [3] : 1 – vzduchová nádrž s opěrným ložiskem, 2 – přídavná pružina, 3 – krycí manžeta, 4 – tlumič, 5 – pružný píst s dodatečným objemem
Hydropneumatická pružící jednotka pracuje na rozdíl od pneumatické s konstantní hmotností pružícího plynu. Jako plynová náplň je obvykle použit dusík. Typickým představitelem této kategorie jsou pružící jednotky, jimiž jsou osazeny nápravy osobních vozů Citroën. Řez touto hydropneumatickou jednotkou je uveden na Obr. 3. Základní částí je válec, ve kterém se pohybuje píst spojený pákovým převodem s ramenem zavěšeného kola. S horní částí válce je spojena tlaková nádoba kulového tvaru, kterou rozděluje pryžová membrána na dvě části. V horní polokouli je stlačený pružící plyn, prostor mezi membránou a pístem je vyplněn kapalinou. Mezi válcem a spodní polokoulí tlakové
Obr. 3 Hydropneumatický systém [5] 1.6. Podvozek se středně rychlou odezvou Tento typ podvozku je v současnosti tím nejlepším, co nabízí automobilový trh sériově vyráběných vozidel. Levnější varianty vychází z podvozků s pomalou odezvou. Pneumatický kompresor, hydraulická pumpa nebo servomotorky byly nahrazeny výkonnějšími. Tyto jsou pak schopny měnit tvrdost tlumení mnohem rychleji. Toho se využívá pro regulaci nevhodných náklonů, např. při rozjezdu a brzdění nebo při průjezdu zatáčkou. Rychlost odezvy se pohybuje v řádu
desetin sekund. Tento nárůst rychlosti odezvy se radikálně promítnul na kvalitě tlumení a tím na komfortu a bezpečí jízdy. Nicméně tyto systémy stále neřeší nerovnosti vozovky. Je třeba si uvědomit, že frekvence odezvy musí být minimálně 6-krát vyšší než je frekvence chodu tlumiče během překonávání nerovnosti. Systém totiž musí několikrát reagovat změnou tuhosti tlumení v rámci jedné periody zdvihu tlumiče. Je několik komerčních typů řešení. Všechna jsou ale pro masivní rozšíření příliš drahá. Navíc technická a elektronická komplikovanost systémů je obrovská a tím se výrazně snižuje spolehlivost. V roce 1999 měl světovou premiéru systém Active Body Control (ABC) firmy Mercedes Benz.[6] Tento systém zvládá vše výše zmíněné (změna světlé výšky v závislosti na zatížení a rychlosti, snížení vychýlení do stran při výhybných manévrech, snížení kolísání karosérie při slalomovém testu, brzdění a rozjíždění, nastavení charakteristiky podvozku na Sport a Komfort). Tento systém ale umí více. Regulační rozsah ABC se omezuje na pohyby karosérie do maximálně pěti Hz (tzn. rychlost odezvy tlumení okolo 25 ms). Jde o vibrace, ke kterým obvykle dochází v důsledku nerovnosti povrchu dálnice, při brzdění nebo v zatáčkách. Co se týče vysokofrekvenčních vibrací kol, v tomto případě používá Mercedes-Benz stejně jako předtím pasivní tlumiče pérování založené na tlaku plynu a spirálové pružiny, které jsou ovšem obzvláště komfortně sladěny.
Aktivní kontrola karoserie se opírá o spolehlivou souhru elektronických, hydraulických a mechanických dílů. Čidla sledují úroveň a zrychlení karosérie, takže mikropočítače mají neustále aktuální údaje. Díky nákladné senzorice rozpozná ABC pohyby karosérie již při prvních známkách a koriguje je ve zlomcích vteřiny. To zajišťuje hydraulicky řízený pístový ovládač v pružných vzpěrách. Tyto tzv. plunžrové písty jsou uspořádány mezi péry šroubů a karosérií a pomocí počítače působí přídavnou silou, aby mohly ovlivnit pérování podle pohybu karosérie. To, jak velký musí být tlak na péra a jak dlouho by měl trvat, závisí na úrovni a rychlosti karoserie. Aktivní prvky (plunžrové písty) nemění charakteristiky tlumení, ale korigují nežádoucí pohyby již odpružené hmoty (karoserie). Tento systém tedy obchází problém proměnné charakteristiky tlumení a je díky tomu přehnaně komplikovaný. Pro dosažení rychlejší odezvy by musel být systém vybaven hydraulikou o ještě vyšších tlacích. Z toho plyne vyšší hmotnost a cenová nedostupnost. Takže pravděpodobně tento systém dosáhl svého maxima již při zrodu.
Obr. 5 Stabilita v zatáčce [7]
Obr. 4 Active Body Control [6]
Jinou cestou jdou systémy založené na principu změny tlaku kapaliny konvekčního tlumiče nad a pod pístem tlumiče. Tedy v horní a dolní komoře tlumiče. Rozdílem tlaků a jejich hodnot lze velice přesně nastavovat charakteristiku tlumení. Rychlost odezvy je asi 10ms. Tento systém již upravuje problém proměnného tlumením přímo u tlumiče. Ale „zastaralý“ způsob „likvidace“ kinetické energie rázu přeměnou na tepelnou energii zůstává. Další alternativou hydraulického systému je použití škrtícího ventilu pro přepouštění tlumičové kapaliny z horní a dolní komory. Tento systém je na rozdíl od výše zmíněného limitován rychlostí nastavení škrtícího ventilu.
Úplně jinou cestou se vydala firma Bose Corporation. Dle údajů firmy [7] se jim podařilo zkonstruovat tlumící systém s odezvou 1 ms. Bose v srpnu 2004 prezentoval funkční prototypy automobilů s novým Bose Suspension systémem. Tento systém je založen na použití lineárních elektromotorů. Lineární elektromotory jsou obsluhovány velmi rychlým zpracováním signálů v řídící jednotce, která má nelehký úkol: vyřešit prakticky v reálném čase, které z kol právě potřebuje jaké tlumení. Neméně významnou novinkou aktivního podvozku firmy Bose je rekuperace energie v lineárních elektromotorech. Princip činnosti je obdobný jako u elektromobilů, které přeměňují pohybovou energii při brzdění na elektrickou energii, kterou ukládají do trakčních akumulátorů. Lineární elektromotory obdobně při propružení kola generují energii, která se ukládá do vysokovýkonných kondenzátorů Ultra-Caps a jež je později využita k vyvolání vhodného tlumícího účinku. Systém pracuje s napětím 300 V, palubní síť ale zůstává dvanáctivoltová. Rekuperace energie umožnila dosáhnout velmi malého příkonu systému tlumení, který se podle Bose rovná třetině příkonu klimatizace. Jedná se o principiálně „nejčistší“ způsob tlumení, protože naakumulovaná energie se přemění na elektrickou energii, která se využívá k tlumení. Možné problémy tohoto odpružení jsou vysoká hmotnost a nákladná řídící jednotka.
Složité aktivní tlumicí systémy mohou nahradit konstrukčně velice jednoduché tlumiče založené buď na elektrorheologickém (ER) nebo magnetorheologickém (MR) principu (rheologický = měnící tvar). Tyto tlumiče jsou rychlostí odezvy mezi hydraulickými servoventilovými tlumiči a řešením firmy BOSE Corporation. Tento článek je přehled poznatků v oblasti ER a MR tlumičů, jejich konstrukci, fyzikálních principech a tlumících charakteristikách. Podle posledních a neověřených zpráv by MR tlumiče měly být použity v novém Audi TT. 1.7. Podvozek s rychlou odezvou Tyto podvozky se používají výhradně v autosportu. Jsou velice drahé a konstrukčně náročné. Z hlediska funkce jsou schopny odezvy i při velice rychlých rázech. To je velice důležité pro chování vozu např. u formule 1. Tyto tlumící systémy jsou hydraulické a pracují na principu rozdílných tlaků v horní a spodní komoře tlumiče ovšem při vysokých tlacích, aby byla zaručená rychlá odezva. V roce 2005 v závodě 24 hodin Le Mans představila závodní stáj Racing For Holland nový hydraulický systém mající pouze jeden litr hydraulického oleje a nepoužívající pumpu [5].
Obr. 7 Systém stáje Racing For Holland [5]
Obr. 6 Lineární elektromotory [5]
1.8. ER a MR tlumiče Z úvodu vyplývá, že ER a MR tlumiče nedosahují tak rychlých odezev jako např. BOSE Suspension nebo závodní hydraulické systémy, ale měly by nahradit stávající drahé systémy právě díky své technické jednoduchosti, cenové dostupnosti, spolehlivosti a dlouhé životnosti tlumících jednotek.
2. ER TLUMIČE 2.1. ER a MR kapaliny Reologie je věda studující deformace a tok materiálu. Reologické kapaliny mají charakteristiky proudění, které mohou být kontrolovaně změněny použitím elektrického proudu a magnetického pole. V závislosti na nosné kapalině a síle elektrického proudu nebo magnetického pole může být změněna viskozita kapaliny od viskozity „thinner-than-water“ po viskozitu téměř tuhého tělesa a na stavy mezi nimi. Odezvy kapaliny jsou okamžité, kompletně reversibilní a extrémně ovladatelné. Přesto ale existují některá omezení. ER kapalina mění svou viskozitu, když je aplikováno elektrické pole přímo do kapaliny. ER kapalina byla vynalezena roku 1940 a vývoj pokračuje do dnes. Byla testována v široké oblasti aplikací přes spojky a tlumiče po syntetické svaly. Kapalina funguje, ale smykové napětí, tedy odpor proti smykovému pohybu je omezený. Navzdory obrovským investicím do výzkumu a vývoje nejsou ER kapaliny ještě připraveny pro praktické aplikace. MR kapaliny mají smykové napětí asi 10 krát silnější než ER kapaliny. Byly vynalezeny ve stejné době jako ER kapaliny. Mají mnoho společného. Obě mohou používat olej, vodu, silikony nebo glykol jako nosnou tekutinu. Obě obsahují polarizační částečky roztroušené v kapalině. Polarizační schopností částečky se rozumí vlastnost částečky být nuceně zarovnán specifickým způsobem. Tyto roztroušené polarizační částečky jsou hlavním rozdílem mezi ER a MR kapalinami. ER kapaliny používají částečky, které se polarizují přímou expozicí elektrickému proudu. MR kapaliny používají o něco větší částečky železa, které jsou polarizovány obklopujícím magnetickým polem. Typické částečky MR kapaliny jsou měkké železné kuličky měřící 3-5 µm. V závislosti na aplikaci je kapalina saturována 20 – 40 procenty železných částeček a dalšími aditivy pro zlepšení mísivosti, tření a viskozity kapaliny. MR kapaliny jsou navrženy pro dané konkrétní aplikace, jako je použití v automobilovém průmyslu a jako tlumiče chránící budovy a další struktury před následky zemětřesení. Dokonce armáda Spojených Států
projevila zájem o použití MR tlumičů ke kontrole zpětného rázu děla na námořní dělové věži [8]. Ovladatelná MR kapalinová zařízení byla rovněž testována pro brzdění větrných turbín. MR kapaliny mohou plnit dvě odlišné funkce – ovládání smykových vlastností a jako ventilový ovládací prvek. Změna smykových vlastností dovoluje v aplikacích kontrolovat relativní pohyb přilehlých součástí, jako jsou spojky a brzdy. V módu ventilového ovládacího prvku se reguluje proudění kapaliny a to zejména v automobilových aplikacích, tlumičích. Nebylo tak těžké vyvinout MR syntetickoolejovou kapalinu s viskozitou a mazacími kvalitami jako mají normální hydraulické oleje. Těžší úkol bylo vyvinout těsnění, O-kroužky a další komponenty, které odolávají kapalině obsahující železné částečky. A to je příčina, proč trvalo MR kapalinám tak dlouho než opustily laboratoře. Proto tedy byly MR tlumiče vyvíjeny po 20 let. Poprvé byly MR kapaliny použity v závodních autech, kde cena a trvanlivost nejsou tak kritickými faktory jako v průmyslové automobilové produkci. Se správně vyváženou kapalinou a dalšími materiály byl vývoj ventilu nejsnazší částí systému. Nejsou zde žádné pohyblivé části, jen přechody v pístu, kterými kapalina prochází skrz ze spodní do horní komory tlumiče a naopak. Přechody oleje jsou obklopeny elektromagnetem. Základem je solenoidové (prstencové) vinutí bez ventilového jádra, které generuje magnetické pole, když vinutím prochází elektrický proud. Když je magnet zapnutý, železné částečky v přechodu oleje se srovnají podél siločar magnetického toku do tvaru vláken a vytvoří vrstvu kapaliny vykazující silný odpor k proudění. Na Obr. 8 je na prvním snímku vidět ER kapalina bez aplikace elektrického pole. Drobné, kulovité částečky jsou dobře znatelné. Další snímek ukazuje kapalinu, na kterou bylo aplikováno elektrické pole o frekvenci 25 kHz. Částečky se shlukují do řetězců. Poslední snímek ukazuje ještě více zpevněnou ER kapalinu. Řetězce se začínají spojovat a tvoří sloupce. Tloušťka a viskozita kapaliny se může téměř neomezeně přizpůsobovat až do té míry, že jednou je základový olej téměř plastický a během méně než 2 ms může upravením proudu protéci skrz vinutí. Když se proud vypne, vrátí se kapalině stejně rychle
její původní viskozita. Díky vlastnostem kapaliny v přechodech oleje, může být magnetické vinutí dostatečně malé, aby se mohlo pohybovat společně s pístem. Napájení vinutí je vedeno skrz pístní tyč do konektoru na konci tlumičového pláště. Tento základní design se v současnosti používá u autosedaček nákladních automobilů a tlumičů.
Pokračování obr.8
Obr.8 Aplikace el. pole na ER kapalinu [9]
Nedávno objevené MR kapaliny mají mnoho atraktivních rysů, včetně vysokého modulu pružnosti, nízké viskozity a stálého hysterézního chování přes širokou škálu teplot. Nicméně hlavní handicap těchto kapalin a bariéra pro jejich všeobecné komerční rozšíření v mnoha oblastech je dosud relativně vysoká cena.
2.2. ER tlumiče V roce 1992 Petek [10] a spol. vyrobili prototyp ER tlumiče a nahradili tradiční tlumič ER tlumičem. V roce 1993 [11] zkoumali výkonnost navrženého ER tlumiče použitím sky-hook regulátoru tím, že nadhazovali, zvedali a uváděli do valivého pohybu celý systém vozidla. V roce 1994 Lou [12] převzal parametry Petekovy analýzy ER tlumiče a zavedl několik bezrozměrných veličin. V roce 1995 navrhl Sturk [13] vysokonapěťovou jednotku, která může generovat elektrický proud o napětí až 10 kV z dvanáctivoltového bateriového zdroje využitím indukčních zákonů. Navíc ukázal účinnost navržené vysokonapěťové jednotky experimentálním výzkumem, kde sledoval výstupní časové odezvy. V roce 1995 Nakano [14] navrhl několik poloaktivních kontrolních algoritmů pro ER tlumiče a ukázal, že nejefektivnější řídící metoda je přiměřená zpětnovazební kontrola používající údaje o rychlosti. V roce 1997 testoval Gordaninejad a spol. [15] nucenými vibracemi jednoduchý, multielektrodový válcový typ ER tlumiče. Demonstroval vliv počtu a povrchu elektrod a sériového zapojení dvou ER tlumičů. V roce 1998 Choi a spol. [16] vyrobil ER tlumič pro malé osobní vozy a prezentoval řídící charakteristiky tlumící síly. Správně naladit tlumení vozidel nižší třídy je velký problém. Poměr
pohotovostního a užitečného zatížení vozidla je nízký. To znamená, že změnou užitečného zatížení se značně změní aktuální celková hmotnost vozidla. V praxi to má následující dopad. Pokud je v autě pouze jeden člověk (řidič) tlumiče auta jsou dosti tvrdé a to proto, aby mohly „ještě“ tlumit a nešly „na doraz“ při plném obsazení vozu. U větších a těžších vozů je naladění tlumení značně jednodušší, protože maximální užitečné zatížení nemá takový vliv na celkovou hmotnost vozidla. V roce 1999 Sims [17] popsal uzavřenou smyčku řídící strategie, která je schopna lineárních odezev ER vysoko-zdvihových ER tlumičů při experimentálně navržených stavech. V roce 2000 Choi [18] na základě své předchozí práce rozšířil svůj výzkum a vyhodnotil ovládání chování navržených ER tlumičů pomocí simulace hardware-in-the-loop. Tato simulace je velice rozšířená v oblasti testování vozidel, letadel, atd. Nejprve se vytvoří dynamický počítačový model testované součásti. Na základě tohoto modelu a požadovaných vstupů a výstupů se vygeneruje řídící algoritmus (ECU – Electronic Control Unit). Tato řídící jednotka se otestuje v počítačovém modelu a v případě potřeby upraví. Zkonstruuje se reálná testovaná součást a umístí se do simulačního zařízení. V případě testování tlumičů to je generátor rázů nebo oscilátor simulující zdvih tlumiče danou frekvencí. Po zadaní zatížení ECU řídí ovladatelné charakteristiky tlumiče a simulační zařízení měří tlumící sílu, teplotu, rychlost, zrychlení a posuvy tlumiče. Simulace hardware-in-the-loop [19] je mocným nástrojem pro ladění součástí nebo systémů. Zabraňuje nehodám při testování, odhaluje konstrukční chyby a nedostatky již v laboratoři a zlevňuje celý proces testování. Choi a spol. ve své práci uvádějí, že většina předchozích prací brala jako rychlost odezvy systému rychlost odezvy ER kapalin. A ta je samozřejmě vyšší. ER tlumiče potom testovaly standardizovanou zkouškou, která je vzdálená od vyšších frekvencí rázů. Nicméně je známo, že dynamická šířka pásma (frekvenční analýza) ER tlumiče nezávisí jen na časové odezvě ER kapalin, ale také na tvarových parametrech zařízení jako je elektrodová mezera a délka. V roce 2002 testoval Choi [20] ER tlumiče s ER kapalinami na bázi polyanilinů. Tyto tlumiče
vykazují mnohem lepší parametry co se týče tlumící síly při rozdílných rychlostech pístu.
Obr.9 ER tlumič zkonstruovaný Choiem [21] V roce 2003 Choi [21] ve své práci zveřejnil válcový typ ER tlumiče dělený na horní a dolní komoru pístu, který je celý naplněn ER kapalinou. Při pohybu pístu ER kapalina protéká kanálkem mezi vnitřním a vnějším válcem z jedné komory do druhé. Kladné napětí generované vysokonapěťovou jednotkou je přivedeno na vnitřní válec a záporné napětí je přivedeno na vnější válec. Plynová komora nacházející se vně dolní komory slouží jako zásobník ER kapaliny vytlačené pohybem pístu a tepelnou dilatací kapaliny. Navrhnutý ER tlumič je aplikovatelný na osobní vozy střední a nižší třídy a má následující parametry. Délka elektrody (L)=258 mm, elektrodová mezera (h)=0,75 mm a vnější poloměr = 24 mm. Při nepřítomnosti elektrického pole ER tlumič produkuje tlumící sílu danou pouze odporem kapaliny. Avšak, když se přivede elektrické pole do ER tlumiče, ER tlumič vytvoří další (dodatečnou) tlumící sílu získanou z napětí ER kapaliny. Tato tlumící síla ER tlumiče může být neustále laděná změnou intenzity elektrického pole. Tlumící síla ER tlumiče může být vyjádřena následovně:
Rov.1 Celková tlumící síla [21] ,kde ke je efektivní předpětí tvořené tlakem plynu (nejčastěji dusíku) v plynové komoře, ce je efektivní tlumení způsobené viskozitou kapaliny, xp je vyvolaný posuv a FER je tlumící síla vyvolaná elektrickým polem. Regulovatelná tlumící síla FER může být vyjádřena jako:
Rov.2 Tlumící síla ER efektu [21] Kde Ap je plocha pístu a Ar je plocha pístní tyče. Sgn je znaménková funkce, L je délka elektrody, h je mezera mezi elektrodami a E je intenzita elektrického pole. α a β jsou experimentálně odhadnuté skutečné hodnoty ER kapaliny. Jsou to vlastnosti kapaliny během proudění měřené elektroviskozimetrem.
Obrázek 10 ukazuje rozílnou odezvu dvou různých ER kapalin při aplikace elektrického pole o velikosti 3 kV/mm a frekvenci 5 Hz. První je kapalina s pomalou odezvou a druhá je kapalina s rychlou odezvou. Hodnoty odezvy (časové konstanty – doba reakce systému) byly experimentálně naměřeny pro první kapalinu na 380 ms a pro druhou kapalinu na 12 ms. Z toho vyplývá, že první kapalina má dynamický rozsah 2,63 Hz a druhá kapalina asi 80 Hz. Jak bylo řečeno v úvodu, během jedné periody zdvihu tlumiče je potřeba regulovat tlumící charakteristiku asi šestkrát. Z toho nám vychází reálná frekvence vnějších rázů, které je možno spolehlivě utlumit, okolo 13 Hz. Toto je téměř tři krát vyšší hodnota než u aktivního systému ABC firmy Mercedes Benz. Pro zajímavost je přiložen graf dynamického rozsahu tlumiče s pomalou a rychlou odezvou ER kapaliny.
Obr.10 Choiem naměřená odezva tlumiče [21] Obr.11 Dynamický rozsah tlumičů v oblasti frekvencí 0,4 – 3,0 Hz [21]
Z grafů je vidět, že „pomalá“ kapalina má v tomto dynamickém rozsahu své maximum a přetvoření je velké. Je to způsobeno především časovou konstantou. Křivka W/O Time Constant znamené křivku, která je po tlumícím systému vyžadována od řídící jednotky (ECU). „Rychlá“ kapalina nemá potíže v tomto frekvenčním spektru dodržet požadovanou křivku. Pokud by ale měření pokračovalo k vyšším frekvencím, měla by okolo 80 Hz i tato kapalina své maximum.
Obr.12 Choiem tlumení [21]
naměřené
charakteristiky
Další graf ukazuje rozdíly mezi oběma ER kapalinami a kontrolovaným a nekontrolovaným chováním tlumičů. Levý sloupec ukazuje kapalinu s pomalou odezvou a pravý s rychlou odezvou. Excitovaný ráz je popsán funkcí: Rov.3 Funkce excitované stavu[21] , kde zb je polovina výšky rázu (zb=0,035 m) a ϖr=2π*v/D, kde D je šířka rázu=0,8 m a v je konstantní rychlost přejezdu nerovnosti = 3,08 km/hod. Z grafů je možno vyčíst mnohem lepší tlumící vlastnosti tlumiče s rychlejší ER kapalinou. Je dobré si také povšimnout intenzity elektrického pole. Ta je u kapaliny s pomalou odezvou dvakrát vyšší. Je proto možné predikovat zlepšení dynamického rozsahu ER kapaliny s rychlejší odezvou zvýšením intenzity elektrického pole a dosáhnout tak nižších hodnot časové konstanty (nynější 12 ms). Citované grafy jsou z práce Choia [21], která dokazuje, že pro ER kapalinové tlumiče s rychlou odezvou tlumící síly není nutné v daném dynamickém rozsahu v algoritmech řídící jednotky uvažovat zpoždění dané časovou konstantou. Sadok Sassi [22] v roce 2003 zkonstruoval ER tlumič na základě konvenčního dvouplášťového tlumiče viz Obr.13. Je nutné poznamenat, že zatímco Choi zkonstruoval tlumič, který by bez ER efektu nemohl správně plnit funkci tlumiče, Sassi pouze doplnil konvenční tlumič o kladnou elektrodu a na vnitřní plášt zavedl záporné napětí. Tímto konstrukčním řešením si zajistil v každé situaci funkci konvenčního tlumiče, kterou doplňuje o regulaci ER efektem. Zatěžoval ho harmonickým signálem s pevně nastavenými rozdílnými frekvencemi a napětím, které bylo drženo na konstantní úrovni. Bylo zjištěno, že při aplikaci příliš vysokého napětí propouštěly tlumiče kolem těsnění olej a byly
zjištěny nepřesnosti na elektronice kontrolního systému.
4cm dlouhou elektrodou a druhé s 8cm dlouhou elektrodou. Výsledky ukázaly, že zlepšení tlumícíh charakteristik (porovnával posuvy pístu tlumiče s a bez aplikovaného elektrického pole) bylo v prvním případě 30% a ve druhém až 79%. Hodnota zlepšení je více než dvojnásobná. Je možné dosáhnout ještě větších hodnot zlepšení třeba zvýšením napětí na 3kV (maximální hodnota, kterou ER kapalina je schopna pojmout) nebo ještě větším zvětšení plochy elektrody, ale těmito úpravami by vzrostla tlumící síla nad kritickou hodnotu (pro daný tlumič 6124Ns/m), což je mez bezpečnosti konstrukce tlumiče.
Obr.14 Sassiho simulační zařízení [22]
Obr.13 Sassiho konstrukční řešení ER tlumiče [22] Sassi poukázal na to, že zlepšit charakteristiky tlumení lze změnou těchto parametrů: povrch (délka) elektrody elektrické pole velikost rozptýlených částic Vzhledem k tomu, že používal nejschopnější ER kapalinu na trhu, a protože používal při experimentech napětí o velikosti 2 kV, rozhodl se vyzkoušet větší elektrodu. První měření udělal se
2.3. MR tlumiče V roce 1999 Leroy a spol. [23] navrhli a zkonstruovali lineární MR kapalinový tlumič pro možné použití v autosedačkách osmnácti kolového „trucku“. V roce 1999 byl rovněž představen nastavitelný tlumič v motokárách a „drag car“. V roce 1997 upravil Spencer a spol. [24] BoucWenův model, který lépe charakterizuje modelové chování pro ECU. Tento model byl převzat z Gavinova modelu pro ER kapaliny. Teprve nedávno (2000) prezentovali Lee a Choi [25] úmluvu o řídících charakteristikách tlumení modelu „full-car“ se semi-aktivními MR tlumiči. Byly odvozeny hlavní pohybové rovnice, které zahrnují vertikální a rotační pohyb, a začleněny do sky-hook regulátoru. Řídící charakteristiky tlumení „full-car“ modelu s instalovaným MR tlumičem byly
vyhodnoceny pomocí simulace hardware-in-the-loop (viz. výše) a prezentovány v časové a frekvenční analýze. Rázy a náhodnými testy bylo ukázáno, že jízdní komfort a stabilita řízení mohou být značně vylepšeny zapojením navrženého semi-aktivního systému tlumení. Podobnou práci udělal Choi a spol. [26] v oblasti kontroly vibrací pro MR sedadlové tlumiče v nákladních automobilech a přiblížil se v ní ke stejným závěrům. Sadok Sassi [8] provedl v roce 2005 inovaci MR tlumiče. Úprava vychází z jinak umístěného vinutí cívky viz obr.15 a 16.
u ER kapalin. Pouze napětí jako regulovací veličina se zamění za proud.
Obr.16 Vylepšený MR tlumič dle Sadoka [8]
Obr.15 Konvenční MR tlumič [8] Starý typ MR tlumiče měl pět cívek navinutých na pístní tyči tak, že osy cívek byly rovnoběžné s osou pístu. Sadok Sassi navinul cívky na píst tak, že zkombinoval dvou a tří pólová jádra a vytvořil čtyřpólové jádro, kde jsou cívky navinuty rovnoběžně s pístem. Tato konstrukce dovoluje za použití menších proudů (narozdíl od ER kapalin je regulovací veličinou proud) dosáhnout stejné tlumící síly. MR kapaliny snadno dosahují kritické tlumící síly a to s ještě kratší časovou konstantou (okolo 5ms). Regulované veličiny, tlumící charakteristiky, řídící algoritmy a zkušební zařízení jsou stejné jako
Dokonce, jak již bylo ukázáno Choiem [21], lze pro řídící algoritmy u ER kapalin s rychlou odezvou neuvažovat časovou konstantu. Jelikož mají MR kapaliny ještě rychlejší odezvu, platí pro ně to samé. U MR kapalin je buzení magnetického pole snazší než buzení elektrického pole u ER kapalin. Lze zde totiž využít stejnosměrného proudu, který lze rovnou čerpat z elektroinstalace vozu. 3. ZÁVĚR Bylo ukázáno, že ER a MR tlumiče mají lepší charakteristiky tlumení než dnes používané drahé systémy aktivních podvozků. Podaří-li se snížit cenu ER a MR kapalin, je pravděpodobné, že se tyto tlumiče masově rozšíří v automobilovém průmyslu. Jsou totiž neuvěřitelně konstrukčně jednoduché (většinou vycházejí z klasických dvouplášťových tlumičů). Nákladná senzorika sice neodpadá, ale další, co se týče spolehlivosti, rizikové prvky
aktivního podvozku tu nejsou. Firma Bose Corporation sice vyvinula rychlejší tlumící systém co se týče časové odezvy a z hlediska přeměny kinetické energie také přijatelnější, ale protože se zatím nemontuje do žádného sériově vyráběného automobilu, nebude asi příliš spolehlivý. Na vině je
v tomto případě asi konstrukční složitost a vysoká hmotnost závěsu. Vlastnosti, díky kterým dá budoucnost spíše přednost ER a MR tlumičům.
[1] ŠINDELÁŘ, Martin. Sledování technického stavu závěsu kola vozidla. On-line, Prosinec 2003, s.29. [2] Závodní tlumiče. On-line, cit. 2006-04-02, URL: http://www.motorhome.cz. [3] VLK, F. Podvozky motorových vozidel. NZV Brno, 2000. [4] Česká televize. Auto-moto revue. On-line, cit. 2006-04-12. [5] Hydropneumatic Suspension. On-line, cit. 2006-04-02, URL: http://www.carbibles.com. [6] Active Body Control: bezpečnost, dynamika a komfort. On-line, cit. 2006-04-02, URL: http://www.intest.cz. [7] Bose Suspension. On-line, cit. 2006-04-02, URL: http://www.bose.com. [8] SADOK, Sassi. Et al. An innovative magnetorheological damper for automotive suspension: from design to experimental characterization. Smart Material Structur 14, 2005-6-28, s.811-822. [9] MARTIN, James. Et al. Electrorheology of a Model Colloidal Fluid. Journal of colloid and interface science 167, 1994-4-11, s. 437-452. [10] PETEK, NK. An electronically controlled shock absorber using electro-rheological fluid. SAE Technical Paper Series 920275, 1992. [11] PETEK, NK. Et al. Demonstration of an automotive semi-active suspension using electrorheological fluid. SAE Technical Paper Series 950586, 1995. [12] LOU, Z. Et al. A preliminary parametric study of electrorheological dampers. ASME J Fluids Eng 1994, 116, s. 570–576. [13] STURK, M. Et al.Development and evaluation of a high voltage supply unit for electrorheological fluid dampers.Vehicle Syst Dyn 1995, 24, s. 101–121. [14] NAKANO, M. A novel semi-active control of automotive suspension using an electrorheological shock absorber. Proceedings of the 5th International Conference on ER fluid. MR Suspensions and Associated Technology, She.eld, 1995, s. 645–653. [15] GORDANINEJAD, F. Et al. Control of forced vibration using multi-electrode electrorheological fluid dampers. ASME J Vib Acoustics 1997, 119, s. 527–531. [16] CHOI, SB. Et al. Control characteristics of a continuously variable ER damper. Mechatronics 1998, 8(2), s. 143–161. [17] SIMS, ND.Et al. Controllable viscous damping: an experimental study of an ER long-stroke damper under proportional feedback control. Smart Mater Struct, 1999, 8, s. 601–615. [18] CHOI, SB. Et al. A sliding mode control of a full-car electrorheological suspension system via hardwarein-the-loop simulation. ASME J Dyn Measure Cont 2000, 122(1), s. 114–121. [19] PORTEŠ, Petr. Přednáška 11 – Virtuální prototypy. Cit. 2006-4-26. [20] CHOI, SB. Development of advanced ER fluids and control schemes for active suspension application. Technical Report for Korea Agency for Defense Development, No.UD980039 CD, 1998. [21] CHOI, SB. H∞ control of electrorheological suspension system subjected to parameter uncertaintie. Smart Mater Struct, 2003, 13, s. 639–657. [22] SADOK, Sassi. Et al. On the design and testing of a smart car damper based on electro-rheological technology. Smart Mater Struct, 2003, 12, s. 873-880.
[23] LEROY, D F. Et al. Giving truck drivers a smooth ride. Mach. Des, 1999, 71/20, s. 7-11. [24] SPENCER, B F Jr. Et al. Phenomenological model for magnetorheological dampers. J. Eng. Mech., 1997, ASCE 123, s. 230-238. [25] LEE, H.S., CHOI SB. Control and response charakteristic of magneto-rheological fluid damper for passenger vehicles. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 11, 2000, s. 80-87 [26] CHOI, SB. Et al. Vibration control of a MR seat damper for commercial vehicles. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 11, 2000, s. 936-944
