Špecifické technológie elektronicky riadených tlmičov
Špecifické technológie elektronicky riadených tlmičov |
|
| Čtvrtek, 14. únor 2013 |
|
Styčnou plochou automobilu s vozovkou sú práve kolesá. Veľkosť tejto plochy je rôzna ale vo všeobecnosti sa dá prirovnať k veľkosti jednej dopisnej obálky pre jedno koleso. Trenie na týchto styčných plochách zabezpečuje brzdenie, akceleráciu aj smerové riadenie automobilu z čoho vyplýva, že stálosť kontaktu s vozovkou je prioritou pre bezpečnosť jazdy. Ani najmodernejšie asistenčné systémy ako ABS, ESP, ASR a pod. nedokážu svoju úlohu splniť v prípade nesprávne fungujúcich tlmičov. Úlohou tlmičov je teda udržiavať kontakt kolies s vozovkou pri každej jazdnej situácií. Veľmi výhodné je riadiť tlmiaci efekt každého tlmiča samostatne, pretože počas jazdy sa veľmi dynamicky mení zaťaženie jednotlivých kolies, ktoré vyplýva z jazdných manévrov a podmienok na vozovke. Tým sa zaistí nielen zvýšenie komfortu pre posádku ale najmä dôjde k zvýšeniu bezpečnosti a stability vozidla. V článku sa budeme preto zaoberať všeobecnými princípmi tlmenia vibrácií v automobile. 1. Tlmenie vibrácií v automobile Tlmiče vibrácií sa používajú nielen v automobilových podvozkoch ako súčasť zavesenia kolesa, ale aj v kabínach ťahačov, sedadlách, riadení apod. Budeme sa venovať tlmičom používaných v automobilových podvozkoch. Tlmiče sú uložené paralele k pruženiu kolesa a plnia nasledujúce funkcie: - tlmiť vibrácie karosérie spôsobené hrboľatou cestou alebo náklony karosérie podmienkami jazdy (rýchly prejazd zákrutou, prudké vyhýbanie sa prekážkam apod.), - zabezpečiť čo možno najdokonalejší dotyk kolesa s vozovkou a tým zabezpečiť najlepšiu priľnavosť pneumatiky k vozovke. Keď vozidlo prejde nerovnosťou pruženie sa stlačí a tým tlmí zatlačenie kolesa smerom od cesty. Tlmič je v tomto momente v stlačenom stave a jeho tlmiaci efekt je ďaleko menší pri tomto pohybe kolesa ako tlmiaci účinok pruženia. Je zrejmé, že náraz ktorý sa prenáša z nerovnosti na karosériu vozidla je pohltený pružením kolesa a predchádza kontaktu medzi „odpruženou“ hmotnosťou vozidla (m2, karoséria a telo automobilu) a „neodpruženou“ hmotnosťou (m1, os kolesa a koleso). Pružiny sa následne usilujú uvoľniť energiu, ktorú nahromadili pri stlačení. Uvoľnenie tejto energie prebieha tak, že pružina začne vykonávať kmitavý pohyb. Keďže chceme udržiavať koleso čo najlepšie priliehajúce na vozovke musíme teda tlmiť kmitavý pohyb spôsobený pružením, na čo slúži práve tlmič. Približný priebeh tlmených (červená) a netlmených vibrácií kolesa a karosérie (modrá) je znázornený na obr.1, ktorý tiež jasne ilustruje ako sú vibrácie spôsobené nerovnosťami vozovky a aký by bol ich priebeh keby boli netlmené tlmičom ale iba pružením (modrá). Na tlmiče a pruženie automobilu by sa nikdy nemalo pozerať oddelene. Počas rôznych situáciách pri jazde sa ovplyvňujú parametre podvozku navzájom. Na obr.2 sú znázornené rôzne parametre šasi, ich zložky a vzájomné ovplyvňovanie sa z hľadiska vibrácií. Okrem pruženia, tlmičov a stabilizátorov je kinematika nápravy ovplyvňovaná jej vlastnou pružnosťou, pričom vzájomné pôsobenie medzi kinematikou a pružnosťou je veľmi dôležité. Dnes sa časť odboru zaoberajúca sa práve touto problematikou nazýva elastokinematika a skúma hlavne horizontálne pohyby. Dynamika automobilového šasi nie je ovplyvňovaná len riadiacim ústrojenstvom, ale taktiež pneumatikami a motorom. Pri motore je to konkrétne upevnenie motora k šasi a tým následný prenos vibrácií motora na šasi. Rozoberanie tlmenia vibrácií spôsobených motorom a prevodovým ústrojenstvom prekračuje rozsah tohto príspevku.
Na jednej strane musí tlmič plniť požiadavky pre bezpečnosť jazdy (napr. čo najlepšiu priľnavosť pneumatiky k vozovke pre čo najefektívnejšie brzdenie, akceleráciu a riadenie smeru vozidla), na druhej strane musí tlmič plniť aj požiadavky na komfort posádky vozidla a mať čo najmenší prenos vibrácií z nápravy na karosériu automobilu. Ľudský trup je citlivý hlavne na vibrácie s frekvenciou medzi 4÷8 Hz. Citlivosť rúk a nôh je najväčšia pri frekvenciách 8÷16 Hz a práve v tomto frekvenčnom rozsahu sú prenášané z volantu do rúk a z podlahy automobilu do nôh. Tieto vibrácie môžu byť redukované veľmi obmedzene. Požiadavky tlmenia sa líšia, závisia na absolútnej hodnote hmotností kolies a karosérie a taktiež na ich vzájomnom pomere. Musia byť posudzované aj iné javy ktoré ovplyvňujú charakteristiky (sú špecifikované na obr.2). Taktiež je tu ešte niekoľko špecifických veličín ovplyvňujúcich tlmenie: - pomer medzi pohybom tlmiča a pohybom kolesa (môže byť konštantný alebo premenlivý v závislosti od geometrie zavesenia kolies), - využitie vlastností tlmenia mimo čisto vertikálnych pohybov ale aj na tlmenie horizontálnych pohybov karosérie ako natáčanie vozidla v pozdĺžnej a priečnej osi (pri prudkom brzdení, akcelerovaní a prejazdoch zákrutami) Tlmiaci faktor je hlavnou veličinou ktorá určuje tvrdosť alebo mäkkosť tlmiča. Tak isto značí aj schopnosť tlmiča pohltiť vibrácie rôznej sily a frekvencie. Tlmiaci faktor by nemal byť konštruktérmi zvolený príliš vysoký a ani príliš malý z dôvodu zabezpečenia prijateľného komfortu a zároveň maximálnej bezpečnosti. To by viedlo k zvýšeniu frekvencie kmitania na úrovne nekomfortné pre ľudské telo. Ideálny je rozsah 0,25÷0,35 tlmiaceho faktora, ktorý uspokojuje podmienky komfortu a bezpečnosti zároveň (napr. ak prekročí kritickú hodnotu 0,5 bude tlmič príliš tvrdý a auto by poskakovalo ako nezaťažený prívesný vozík). Voľba tlmiaceho faktoru závisí predovšetkým od vzájomnej dohody konštruktérov tlmiča a konštruktérov automobilu. 2. Automobilové tlmiče vibrácií Princíp tlmenia hydraulických tlmičov je založený na zvýšení tlaku oleja medzi piestnym ventilom (hydraulický odpor) a povrchom tesnenia na vedení piestnej tyče pri fáze rozťahovania, naopak pri fáze stláčania je tlmenie založené na zvýšení tlaku oleja medzi piestnym ventilom a spodným ventilom. Rôznymi kombináciami je možné dosiahnuť charakteristiky s degresívnym (zostupným), lineárnym a progresívnym (vzostupným) charakterom. Na zmeranie týchto tlmiacich charakteristík sa používa mechanický alebo servo-hydraulický tester. Náplň hydraulických tlmičov pozostáva z minerálneho oleja so špeciálnymi aditívami vhodnými pre daný druh tlmiča. Kvôli konštantnému škrtiacemu efektu, ktorý sa využíva pri tlmení v spodnom ale aj v piestnom ventile musí mať plniace médium veľmi dobrú pevnosť v šmyku (dosahujú ju iba minerálne oleje). Vnútorné diely tlmiča vyžadujú dobré mazacie vlastnosti (taktiež čo možno najmenšie kavitačné účinky aj pri najväčších rýchlostiach pohybu piestnej tyče), hlučnosť prietoku a penivosť média by mali byť čo najmenšie. V dvojtrubkových tlmičoch je pracovný priestor, v ktorom sa nachádza olej rozdelený do dvoch častí. Na pracovnú komoru a olejovú zásobovaciu komoru. Pracovná komora sa nachádza v pracovnom valci (väčšinou je to priestor vo vnútornej trubke), zásobovacia komora predstavuje priestor medzi vonkajšou trubkou (plášť tlmiča) a vnútornou trubkou. V pracovnej komore sa nachádza piestna tyč so sústavou piestneho ventila a pohybuje sa v nej na základe pohybu kolesa, ktoré prechádza nerovnosťami. Zásobovacia komora vyrovnáva zmeny objemu oleja v pracovnej komore, ktoré sú spôsobené pohybom piestnej tyče (obr.3). Pohyb piestnej tyče nahor a nadol spôsobuje zmenu tlaku vzduchu v zásobovacej komore (je naplnená minerálnym olejom a vzduchom s tlakom od 0.6÷0.8 MPa), ktorá odpovedá zmene objemu oleja v pracovnej komore.
Pri dvojtrubkových tlmičoch sa na samotnom tlmení vibrácií podieľajú dva tlmiace ventily. Je to piestny ventil a spodný ventil. Tieto ventily pozostávajú z vinutých pružín, podložiek, pružných podložiek, tela ventilu a škrtiacich kanálikov. Piestna tyč je upevnená v hornej časti tlmiča. Malé množstvo oleja môže preniknúť medzi vedením piestnej tyče a samotnou tyčou. Takzvaná prachovka ochraňuje uzatvorenie tlmiča. Vnútorné priemery valcov tlmičov pre osobné automobily sa pohybujú v rozsahu 22÷36mm (v úžitkových automobiloch vnútorný priemer valca tlmiča môže dosiahnuť až 70mm, majú zväčša robustnejší dizajn použitých dielov lebo musia znášať oveľa väčšie sily ako tlmiče v osobných automobiloch). Identické dvojtrubkové McPherson tlmiče (obr.4) majú za úlohu tieto prídavné funkcie: - prenášať sily vinutej pružiny cez pružinový tanier (McPherson riešenie), - má upevňovací bod pre zavesenie kolesa a stabilizátor, - úchytky pre brzdové lanká a hadičky, ABS senzory, signálne vodiče ABS systému. V spodnej časti vonkajšej rúry tlmiča sa pripevňuje na hlavu ložiska čapu kolesa a o držiak stabilizátora kolesa. To zabezpečuje spojenie tlmiča s nápravou. Vinutá pružina je uložená na tanieri pružiny. Cez tento tanier sa prenáša príslušné silové zaťaženie pri pružení na karosériu automobilu. Piestna tyč sa pripevňuje ku karosérií automobilu cez pružné gumené uloženie. Takýto typ uchytenia s pružnými elementmi odfiltruje vibračné frekvencie vybudené nerovnosťami s frekvenciou väčšou ako 50Hz (tieto frekvencie by neutlmila pružina ani tlmič ale na karosériu sa neprenášajú vďaka pružným elementom v upevnení piestnej tyče o karosériu). Princíp tlmenia je rovnaký ako u klasických dvojtrubkových tlmičoch. Tanier pružiny musí byť navrhnutý tak aby vydržal všetky zaťaženia vyplývajúce z kinematiky nápravy a zaťaženia pružiny. Piestna tyč sa preto často vyrába z vysoko kvalitnej tvrdenej karbónovej ocele (odolať vysokým zaťaženiam) s lešteným a pochrómovaným povrchom (ochrana voči korózií a zníženie trenia). Piestny ventil a vedenie piestnej tyče sú povrchovo ošetrené teflónovou vrstvou alebo materiálmi s vysokým obsahom teflónu (znižuje trenie spôsobené priečne pôsobiacimi silami). Na rozdiel od dvojtrubkových tlmičov v jednotrubkových tlmičoch je pracovná komora a zásobovacia komora umiestnená v jedinom valci. Olej a plyn sú oddelené pohyblivým oddeľovacím piestom. Tlmiace ventily pre stav stláčania a vytláčania tlmiča sú umiestnené na piestnej tyči. Názorne zobrazené rozdiely medzi jednotrubkovým a dvojtrubkovým dizajnom automobilových tlmičov sú zosumarizované v tab.1. V súčasnosti sa väčšinou v automobilovom priemysle používa dvojtrubkový dizajn tlmičov (do 80-tych rokov sa jednotrubkový dizajn používal iba v Európe).
Výrobcovia tlmičov sa snažia zavádzať tzv. modulárny dizajn. To znamená že tlmiče sú navrhované a vyrábané s obmedzeným počtom priemerov piestnych tyčí, objemom pracovných komôr, vonkajších trubiek apod. Výber správnych priemerov a častí z tohto modulárneho systému definuje tlmiaci rozsah výrobku (systém sa nazýva aj GPS – global production system). 3. Elektronicky riadené automobilové tlmiče Tradičné tlmiče neumožňujú zmenu tlmiacej charakteristiky, tieto zmeny umožňujú elektronicky riadené tlmiče. Elektronický tlmič umožňuje variabilné tlmenie, ktoré je možné prispôsobiť rôznym situáciám. Tlmiaca charakteristika sa môže meniť v závislosti na rozdielnosti jazdných vlastnostiach automobilu (športová jazda, komfortná, terénna apod.), umožňujú prispôsobenie tlmičov na rozdielne zaťaženie náprav (zabezpečenie konštantného tlmiaceho faktora) a pomáhajú eliminovať kompromisy medzi jazdnými vlastnosťami (komfortom a bezpečnosťou pomocou priebežného upravovania tlmiacej charakteristiky). V tab.2 je predstavený sumár elektronických kontrolných prvkov pre tlmiče a pruženie a znázorňuje ich efekt na komfort a bezpečnosť.
Požiadavky na tlmenie môžu byť definované nasledovne: zaistenie dobrej stability karosérie a relatívne vysokej tlmiacej sily aj pri malých pohyboch tlmiča (stláčanie a rozťahovanie). Vyžaduje sa rovnaká úroveň tlmenia pri malom aj vysokom zaťažení kolesa. V súčasnosti sa vývojári a konštruktéri automobilov snažia o minimalizovanie hmotnosti náprav tzv. neodpružených hmotností (vyplynulo to z nových dizajnov a materiálov používaných na komponenty nápravy). Tým pádom sú nároky na tlmenie týchto neodpružených častí automobilu menšie ako v minulosti. Takže ideálny tlmič s nekonečne regulovateľným tlmením by mal mať vždy optimálne vlastnosti v týchto troch kritériách: - dobré tlmenie karosérie (komfort), - dobrá izolácia od vibrácií s vysokými frekvenciami (komfort, bezpečnosť), - nízke zmeny zaťaženia kolies (bezpečnosť). Požiadavky na proporcionálne riadené tlmiče musíme posudzovať aj z inej perspektívy (obr.5). Veľký tlmiaci rozsah napr. si vyžaduje výrazne väčšie rozmery použitých súčiastok a komponentov (výrazne sa zvýši hmotnosť a aj cena tlmiča). To isté platí aj o rozsahu tlmenia (závisí od veľkosti ventilov). Ak je táto vlastnosť tlmiča nedostatočná dá sa kompenzovať použitím väčšej cievky vo ventile, ktorá má tiež negatívne vlastnosti a návrhári musia často zvoliť kompromis medzi týmito negatívnymi vlastnosťami. Systém CDC (continious damping control) je poloaktívny systém navrhnutý nemeckou spoločnosťou (obr.6). Tento systém využíva pre zmenu tlmiacej charakteristiky elektronicky riadený proporcionálny ventil. Systém CDC nepretržite vyhodnocuje signály zo senzorov a priebežne upravuje tlmiacu charakteristiku tlmiča podľa vopred definovaných požiadaviek. Tak sa zabezpečí čo možno najlepšia stabilita a kontrolovateľnosť vozidla pri rôznych podmienkach jazdy. Dizajn a vyhotovenie tlmičov s proporcionálnym ventilom má veľkú výhodu v tom, že dokáže uspokojiť aj špeciálne požiadavky zákazníkov. Tento štandardný ventil sa dá veľmi jednoducho upraviť tak aby bol vhodný aj pre iné vozidlá pri čo najmenších nákladoch na výrobu a vývoj. Pre prehľadnosť uvádzame výhody systému s CDC v porovnaní s konvenčnými tlmičmi (tab.3, meranie realizoval inštitút IKA - Aachen) z hľadiska: a) bezpečnosti: - vozidlo zostáva stabilné a riaditeľné aj v kritických situáciách, - pri brzdení skracujú brzdnú dráhu (pri vozidlách so systémom ABS v prípade plne funkčných tlmičov), - pri zmene smeru jazdy systém CDC stabilizuje a znižuje horizontálny náklon vozidla do strán a tým vyrovnáva zaťaženie pôsobiace na kolesá, - pri prudkej akcelerácií znižuje vertikálny náklon automobilu a tým zabezpečuje lepší prenos točivého momentu a kontroly nad vozidlom; b) preprava nákladu: - pri preprave nákladu CDC systém svojimi vlastnosťami znižuje riziko poškodenia materiálu pri jazdných manévroch; c) komfort: - väčšia stabilita karosérie pri jazdných úkonoch, - pri použití CDC systému dochádza k nárastu komfortu pri jazde.
Magneto-reologické automobilové tlmiče sú ešte pomerne zriedkavo používaným typom. Do povedomia európskej automobilovej verejnosti sa dostali v roku 2006 keď ich použila automobilka Audi. Magneto-reologické kvapaliny patria medzi tzv. inteligentné kvapaliny (smart fluids). Sú vlastne suspenziou kvapalného média a magnetizovateľných čiastočiek, ktorých zrná majú priemer 20÷50µm. Podiel čiastočiek v kvapaline je 20÷40%. Keďže čiastočky musia byť magnetizovateľné ako materiál sa používa väčšinou magneticky mäkké železo. Tieto čiastočky obsiahnuté v nosnom médiu však pôsobia ako brusivo, čo si vyžaduje tvrdšie a odolnejšie materiály pri využívaní týchto tekutín v rôznych aplikáciách. Magneto-reologické kvapaliny môžu meniť v magnetickom poli svoju viskozitu. Zmena závisí od sily magnetického poľa, takže je možné dosiahnuť veľmi presný a jemný krok. Zmena je možná od viskozity kvapaliny až po viskozitu tuhého telesa. Odozva kvapaliny na zmenu magnetického poľa je takmer okamžitá a plne ovládateľná. Ako kvapalné médium v ktorom sú rozptýlené čiastočky železa sa najčastejšie používa minerálny alebo silikónový olej. Jednotrubkové a dvojtrubkové magneto-reologické tlmiče vibrácií (obr.7,8) pracujú podobne ako konvenčné hydraulické tlmiče (rozdiel je v konštrukčných materiáloch apod.). Ich najväčšou výhodou je rýchla odozva systémov na zmenu tlmiacej sily, ktorá umožňuje riadenie v reálnom čase. Pre riadenie elektronických tlmičovbolo navrhnuté množstvo riadiacich systémov (obzvlášť pre poloaktívne tlmiče). Najčastejšie používané metódy využívajú akceleračné senzory. Takéto senzory sú vyrábané vo veľkých množstvách a majú všestranné využitie (airbagy, modelárstvo, priemyselná senzorika apod.) a preto sú aj jedným z ekonomicky najvýhodnejších riešení. Navyše sa veľmi ľahko štandardizujú vďaka ich pomerne častému uplatneniu v rámci senzoriky. Senzory posunutia sú ďalšou možnosťou. Tie sú však drahšie ako senzory akcelerácie a ich začlenenie do návrhu automobilu je zložitejšie. Používajú sa väčšinou v tých prípadoch ak ich využíva aj iný systém
Treshold systém je jednoduchý senzorický systém pre riadenie tlmiča s elektronickým ventilom. Systém využíva iba tri senzory zrýchlenia (horizontálny senzor zisťuje postranné zrýchlenie, dva vertikálne orientované senzory monitorujú pohyby karosérie). Signály z týchto akcelerometrov sú neustále porovnávané s prednastavenými prahovými úrovňami. Po ich prekročení dochádza k úprave tlmiacej charakteristiky (tvrda alebo mäkka). Stratégia riadenia s názvom Skyhook je založená na princípe zabezpečenia stability karosérie nezávisle na jazdných podmienkach a stave vozovky. Keďže jazdné vlastnosti (brzdenie a akcelerácia závisia na adhézií kolies a vozovky) je Skyhook systém neuskutočniteľný vo svojej plnej podobe. V reálnom použití sa systém Skyhook upravuje požiadavkám zákazníkov. 4. Záver Hydraulické teleskopické tlmiče sú v súčasnosti najpoužívanejším typom automobilových tlmičov. Tento fakt by mal podľa odhadov pretrvať nasledujúcich 5÷10 rokov. Ich obľúbenosť u konštruktérov automobilov je vysoká (relatívne nízku cenu a výborný pomer cena-výkon). Dizajn týchto tlmičov je dnes najľahšie prispôsobiteľný pre potreby konštruktérov a modulárny systém súčastí hydraulických tlmičov poskytuje veľkú variabilitu pri minimálnych nákladoch na vývoj nových komponentov. Nové vylepšenia a technológie pre konvenčné hydraulické tlmiče momentálne nie sú známe. V oblasti elektronicky riadených tlmičov vývoj smeruje k využívaniu elekto-relogických a magneto-reologických kvapalín (ERF a MRF). Tieto kvapaliny vedia meniť viskozitu pri pôsobení elektrického alebo magnetického poľa. V súčasnosti sa magneto-reologické tlmiče využívajú v supermoderných športových autách pri ktorých nejde o cenu. Takýmito tlmičmi sú vybavené napr. automobily Ferrari, Audi, Chevrolet a niekoľko ďalších. Takéto typy tlmičov sa však do bežných automobilov ešte niekoľko desiatok rokov nedostanú kvôli ich extrémne vysokým cenám.
Literatúra [1] Beňo, M.: Elektronicky riadené tlmiče a princípy tlmenia v automobile. Bakalárska práca, EF ŽU v Žiline, 2011. [2] Causemann, P.: Automotive shock absorbers : features, desings, applications, Verlag moderne industrie 2000. [3] Mitschke, M.: Dynamik def kraftfahrzeuge, Vol. B Schwingungen, Berlin 1984. [4] Kubjatko, C., Ivánek, P., Liščák, Š.: Technická prevádzka a opravy automobilov I, Žilinská univerzita v Žiline 1998. [5] Poynor C.,J.: Inovative desings for Magneto-rheological dampers, Virginia polytechnic institute and state university 2001. [6] Autoreview [Online] http://www.autoreview.ru/archive/2006/13-14/auditt/. [7] Autopressnews [Online] http://www.autopressnews.com/2007/m10/Nissan/Nissan_GT-R.shtml. |
Pre zaistenie komfortu a bezpečnosti je potrebné zabezpečiť čo najlepší kontakt kolies s vozovkou. Je to jedna z požiadaviek, ktorá sa od počiatku automobilov nezmenila aj napriek tomu, že moderné technológie ktoré boli pred pár rokmi výhradne určené len pre drahé luxusné automobily najvyššej triedy sa pomaly dostávajú aj do nižších tried.
Rozdiel medzi poloaktívnym automatickým systémom kontroly tlmenia (CDC) a aktívnymi systémami (ARS,ASC) vyplýva jasne z tab.2. So systémom CDC vieme ovplyvniť a zmierniť všetky dynamické pohyby a situácie pri ktorých sa mení zaťaženie kolies ale nevieme ich úplne odstrániť. Odstránenie týchto negatívnych vplyvov na komfort či bezpečnosť je možné iba s 
