Segédlet a Jármrendszerek vizsgálata c. tárgyhoz Készítette: Wahl István, Bohner Gábor Budapest, 24. Budapesti Mszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépjármvek tanszék Budapest, XI. Sztoczek u. 6. Telefon: 463-1615. Fax: 463-3978 www.auto.bme.hu
1 A gyakorlat célja... 3 1.1 A hidraulikus rendszer fbb elemei... 3 1.1.1 Kormányoszlop... 4 1.1.2 Szabályozó szelep... 5 1.1.3 Tápszivattyú... 7 2 A gyakorlathoz szükséges berendezések... 8 2.1 Mér-, adatgyjt rendszer... 8 2.2 Mérkormány... 9 2.3 Sebességmér...1 2.4 VDSU...1 3 Vizsgálatok...11 3.1 Kormányrásegítés...11 3.2 Szinusz kormányzás...13 3.3 Visszatérítés...15 3.4 Falhatás...16 3.5 Csillapítás...17 4 Kiértékelés...18 4.1 Kormányrásegítés...18 4.2 Szinusz kormányzás...19 4.3 Visszatérítés...2 4.4 Falhatás...21 4.5 Csillapítás...23 5 Ellenrz kérdések...24 6 Felhasznált irodalom, linkek...26 2
1 A gyakorlat célja A gyakorlat célja a szervokormány próbapályás vizsgálatának elvégzése, annak értékelése az elvégzett tesztek alapján. 1.1 A hidraulikus rendszer fbb elemei 1. ábra A hidraulikus rendszer általános felépítése 3
1.1.1 Kormányoszlop A kormányoszlopban két kardáncsuklóval három rúd kerül beépítésre. A síkbeli Z illetve W rúdelrendezés kialakításoknál az els és a harmadik rúd a középs rúddal azonos abszolút érték szöget kell bezárnia a homokinetikus mködés biztosítása érdekében, a középs rúdon található két kardánvilla egy síkban van. A gépkocsiba épített kormányoszlop térbeli elrendezés, de ebben az esetben is elérhet a homokinetikus viselkedés. Ehhez szükséges, hogy az els és harmadik rúd a középsvel páronként a saját síkjaikban azonos abszolút érték szöget zárjanak be, illetve az elbb értelmezett két sík hajlásszögével el kell ékelni a középs rúdon lev két kardánvillát. Az állítható magasságú kormányoknál a magasság állítás elronthatja a homokinetikus elrendezést, illetve egyéb konstrukciós okok miatt már tervezéskor eltekinthetnek ennek a kialakításnak a megvalósíthatóságától. 2. ábra Állítható kormányoszlop metszetrajza Megjegyzésre érdemes továbbá, hogy vannak három kardáncsuklós négy rúdból álló rendszerek is, itt a kardánvillák elékelésének célszer megválasztásával minimalizálható a homokinetikus hiba. A homokinetikus hiba hátulütje, hogy periodikusan változik a rendszer mechanikai nyomaték módosítása, és ez fleg kis kormányzási nyomaték igény esetén zavaró nyomatékingadozást eredményezhet. A két kardáncsuklós rendszereknél a periodicitás 18 fokos. 4
1.1.2 Szabályozó szelep A következkben csak a személygépkocsikon leginkább elterjedt fogasléces szervókormánymvek szabályzószelepének felépítésével foglalkozom. A szabályzószelepek egy másik klasszikus fajtájával találkozhatunk a globoidcsigás kormánymvek esetén, aholis a rudazat megfelel helyére építenek be egy húzásra-nyomásra szabályzó szelepet, de ez a megoldás napjainkban már kiveszben van. (Chevrolet Corvette, Citroen DS) 3. ábra A szabályzószelep felépítése A szabályzó szelep a ráható nyomaték függvényében csökkenti az általa képviselt fojtás mértékét a tápszivattyú és a munkahenger között, a dugattyú megfelel oldalára irányítja az olajat és a másik oldal leürítését biztosítja az olajtartály felé. 4. ábra A szabályzószelep semleges (terheletlen) állásban 5
A karakterisztikája nem lineáris, hanem parabolikus a kedvez kormányérzet kialakítása miatt. A karakterisztika alakulása az 5. ábrán látható. A rásegít rendszer nyomatéka nem mindig elegend a teljes elkormányzás megvalósításához ezt az esetet is láthatjuk az 5. ábrán. Ez fleg álló helyzetben és rossz úton fordulhat el, illetve alulméretezett rendszer esetén. Rásegít nyomaték a kormánykerékre számolva [Nm] Maximális rásegít nyomaték Kormánynyomaték [Nm] A teljes elkormányzáshoz tartozó kormánynyomaték 5. ábra A kormányra redukált rásegít nyomaték alakulása a kormánykeréken mérhet nyomaték függvényében. A görbe vízszintes szakasza elégtelen rásegít nyomatékot jelent. 6
1.1.3 Tápszivattyú 6. ábra LuK szervószivattyú röntgenképe A tápszivattyú állítja el a szükséges olajnyomást és térfogat áramot a rásegítés megvalósításához. A ketts mködés szárnylapátos szivattyút integrált nyomásszabályzó szeleppel már 1925-ben felhasználták az Oldsmobilban, elnyös tulajdonságai révén mára már a szervókormánnyal szerelt gépkocsik 95%-ában ilyen szivattyúkat alkalmaznak. Nagyon jó volumetrikus hatásfok A nyomás elérheti a 13 bar-t is (a térfogatáram fordulatonként 14 3 cm 3 ) Csendes üzem Alacsony nyomásingadozás Széles mködési tartomány -4 +135 C Könny Olcsó elállítás 7. ábra A csúszólapátos szivattyú mködése A szivattyúkat régebben közvetlenül a motorról hajtották meg ékszíjjal, újabban pedig villanymotorral hajtják, így a rendszer kompaktabb, jármbe építése egyszerbb, jobb a hatásfoka és általában a sebességfügg rásegítést is megvalósítják (EHPAS), valamint a motor esetleges kiesése esetén is megmarad a rásegítés. Ez a tendencia azonban nem általános, a mai jármvek egyébként is terhelt villamos hálózata miatt alternatívát jelent az elektronikusan szabályzott és tengelykapcsolóval ellátott motorról hajtott szivattyú is (lásd Mercedes!). A nyomásmaximum korlátozza a maximális rásegít nyomaték kialakulását, ezt általában megkerül szelep beépítésével állandó értékre állítják a gyártók. A térfogatáramot az olajnyomás függvényében a rendszer maximális teljesítménye korlátozza. Ez a teljesítmény korlát okozza a késbb tárgyalandó falhatást. 7
2 A gyakorlathoz szükséges berendezések 2.1 Mér-, adatgyjt rendszer A mérrendszer egy notebookból, egy AutoBoxból és a szenzorokból áll. A valós idej Simulink mérmodellt egy dspace szoftver segítségével (Targetlink) valós idej kóddá fordítunk le, ami letölthet a dspace AutoBoxba (továbbiakban AB). A modell és a paraméterek TCP/IP kapcsolaton keresztül töltehetk le az AB-ba a ControlDesk program segítségével. Az AB egy Motorola PowerPC processzorral felszerelt célszámítógép, melynek robosztus felépítése lehetvé teszi a gépjármbe történ beépítést. Az AB és a Controldesk környezet együttesen lehetvé teszik analóg, digitális, PWM és CAN jelek mérését és megjelenítését a hálózatra kapcsolt számítógépen. -C- Product_ AD_CH_GAIN -C- -C- MSTW_TORQUE_Nm RTI Data MUX_ADC #1 MUX_ADC #2 MUX_ADC #3 AD_CH_OFFS -C- AD_CH1_OFFS -C- AD_CH1_GAIN Demux -C- AD_CH2_GAIN -C- Product_1 Product_2 MSTW_STW_ANGLE_deg MSTW_STW_ANGLE_SPEED_deg_s MUX_ADC #4 MUX_ADC #5 AD_CH3_GAIN Product_3 AD_CH2_OFFS -C- PRES_LEFT_bar DS221ADC_B1 AD_CH3_OFFS -C- AD_CH4_GAIN Product_4 -C- PRES_RIGHT_bar -C- AD_CH4_OFFS AD_CH5_GAIN Demux Product_5 -C- DATR_VEH_SPEED_kph -C- AD_CH5_OFFS AD_CH6_GAIN Product_6 -C- EHPS_CURRENT_A AD_CH6_OFFS CAN CONTROLLER SETUP DS432CAN_SETUP_B1_C2 Group Id: RTICAN2 1 Signals Constant DS432CAN_TX_B1_C2 Group Id: RTICAN2 VDSU_TEMP VDSU_LAT_ACC VDSU_LONG_ACC VDSU_YAW_RATE MPC_18FF55 Group Id: RTICAN2 VDSU_TEMP VDSU_LAT_ACC VDSU_LONG_ACC VDSU_YAW_RATE 8. ábra A Simulink mérmodell felépítése 8
A modellben szerepl jelek ezután grafikusan megjeleníthetk egy ControlDesk layouton. 9. ábra A méréshez használt ControlDesk layout 2.2 Mérkormány A kormányzási nyomaték, a kormányszög, valamint a kormány-szögsebesség méréséhez egy RMS FEL 2 típusú mérkormányt használunk. A mérkormány a kormányzási nyomatékot ± 1, illetve ± 1 Nm-ig, a kormányszöget 1 vagy 1 -ig, a kormány-szögsebességet 8 /s értékig tudja mérni. A mérkormány egy szivargyújtó csatlakozón keresztül kapja a tápfeszültséget, a kimenetek pedig ± 5V feszültségszint jelek. 9
2.3 Sebességmér A járm sebességét egy DATRON M2 típusú mikrohullámú jeladóval mérjük. A szenzor 1-4 km/h között tudja a sebességet mérni. A tápfeszültséget egy szivargyújtó csatlakozón keresztül kapja. A szenzor analóg kimenete..1 V (1..1 mv/km/h beállítás szerint), digitális kimenete TTL szint jel (1..6 P/m beállítás szerint). A sebességszenzort egy felersít szerkezettel lehet a jármre rögzíteni. 1. ábra Mikrohullámú sebességmér 2.4 VDSU A járm hossz-és keresztirányú gyorsulását és a függleges tengely körüli forgásának szögsebességét (Yaw rate) egy Inventure gyártmányú VDSU-val (Vehicle Dynamics Sensor Unit) mérjük. A szenzort a gépkocsi súlypontjához közel kell elhelyezni, a mért értékeket CAN hálózaton továbbítja az AB felé. Min. Tipikus Max. Mértékegység Tápfeszültség 8. 36. V Áramfelvétel 22 ma Mködési tartomány -4 +85 C Yaw rate Mérési tartomány +-15 deg/s Felbontás 12 bit Mködési határfrekvencia 8 Hz Gyorsulás (hossz- és keresztirányú) Mérési tartomány +-1.4 m/s 2 Felbontás 14 bit Mködési határfrekvencia 1 Hz 1. Táblázat VDSU adatlap 1
3 Vizsgálatok A gyakorlat során különböz teszteket végzünk el, amelyek segítségével jellemezni tudjuk a járm kormányrendszerét, illetve a szervokormányt. A mérések két nagy csoportba sorolhatók. Az egyik csoport a statikus vagy kvázi statikus mérések a másik a dinamikus mérések. A statikus mérések elssorban a rendszer száraz súrlódás jelleg paramétereit hivatott feltárni, amíg a dinamikus mérések a viszkózus súrlódásokat mutatják ki. 3.1 Kormányrásegítés A mérés menete: Lassan guruljunk az autóval, majd a kormány tekerjük a kormányt középhelyzetbe és fékezzük le a jármvet úgy, hogy közben engedjük el a kormányt. Ezzel leterheljük a kormányt, vagyis elérjük azt, hogy a kormányszög és a kormányzási nyomaték is nulla lesz. Nyomjuk meg a mérkormányon a kormányszöget és a kormányzási nyomatékot kinullázó Reset gombokat. Indítsuk el a mérést. Tekerjük lassan és folyamatosan a kormányt az egyik véghelyzetbe, majd miután elértük a mechanikai véghelyzetet, tekerjük a másik véghelyzetbe, ezután középállásba. Állítsuk le a mérést. 8 6 Peugeot 37 HDi steering effort STC up STC down 4 MSTW torque [Nm] 2-2 -4-6 -8-54 -45-36 -27-18 -9 9 18 27 36 45 54 MSTW angle [deg] 11. ábra Peugeot 37 állóhelyzeti kormányzási karakterisztikája 11
8 6 VW POLO 1.9 PDTD steering effort STC up STC down 4 MSTW torque [Nm] 2-2 -4-6 -8-54 -45-36 -27-18 -9 9 18 27 36 45 54 MSTW angle [deg] 12. ábra VW Polo állóhelyzeti kormányzási karakterisztikája 1 VW POLO 1.9 PDTD boost curve at standing 9 8 7 Pressure [bar] 6 5 4 3 2 1-8 -6-4 -2 2 4 6 8 MSTW torque [Nm] 13. ábra VW Polo szabályzószelep karakterisztika 12
3.2 Szinusz kormányzás A mérés menete: Gyorsítsuk a jármvet egy adott sebességre Hagyjuk, hogy az autó egyenesen fusson. Nullázzuk ki a mérkormány szenzorait és indítsuk el a mérést. Lassan kormányozzunk jobbra és balra olyan szögértékekig, hogy a fellép oldalgyorsulás miatt ne legyen jelents a gépkocsi sodródása. Két-három ciklus után állítsuk meg a mérést. 6 4 km/h 1 km/h Peugeot 37 HDi sinus steering 4 2 MSTW torque [Nm] -2-4 -6-8 -6-4 -2 2 4 6 8 MSTW angle [deg] 14. ábra Különböz sebességeken felvett Peugeot 37 szinusz-kormányzási karakterisztikák 13
6 Peugeot 37 HDi VW POLO 1.9 PDTD 4 2 MSTW torque [Nm] -2-4 -6-8 -6-4 -2 2 4 6 8 MSTW angle [deg] 15. ábra VW Polo és Peugeot 37 szinusz-kormányzási karakterisztikák 8 km/h-nál 14
3.3 Visszatérítés A mérés menete: Tekerjük a kormányt egy meghatározott helyzetbe. Haladjunk a jármvel egy meghatározott állandó sebességgel. Indítsuk el a mérést. Engedjük el a kormányt, és hagyjuk, hogy az magától a középhelyzet felé tekeredjen. Ha a kormány megáll, állítsuk le a mérést. 2 18 Return test Peugeot 37 HDi VW POLO 1.9 PDTD 16 14 MSTW angle [deg] 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Time [s] 16. ábra Kormány-visszatérési jelleggörbék 5 km/h-nál 15
3.4 Falhatás A mérés menete: Lassan guruljunk az autóval, majd tekerjük a kormányt középhelyzetbe és fékezzük le a jármvet úgy, hogy közben engedjük el a kormányt. Ezzel leterheljük a kormányt, vagyis elérjük azt, hogy a kormányszög és a kormányzási nyomaték is nulla lesz. Nyomjuk meg a mérkormányon a kormányszöget és a kormányzási nyomatékot kinullázó Reset gombokat. Indítsuk el a mérést. Tekerjük a kormányt az egyik irányba fokozatosan egyre gyorsabban egy fél fordulatot, majd egyenletesen lassan vissza a kiinduló helyzetbe Állítsuk le a mérést. 45 Wall effect test 4 35 3 MSTW torque [Nm] 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 MSTW angle speed [deg/s] 17. ábra Falhatás jelleggörbe (VW Polo) 16
3.5 Csillapítás A mérés menete: Haladjunk a jármvel egy meghatározott állandó sebességgel. Tekerjük a kormányt egy meghatározott helyzetbe. Indítsuk el a mérést, majd engedjük el a kormányt és hagyjuk, hogy magától mozogjon. Miután a kormány mozgása lecsillapodott állítsuk le a mérést. 5 4 Damping test Peugeot 37 HDi VW POLO 1.9 PDTD 3 2 MSTW angle [deg] 1-1 -2-3 -4.25.5.75 1 1.25 1.5 Time [s] 18. ábra Kormánylengés-csillapítási jelleggörbék 8 km/h-nál 17
4 Kiértékelés 4.1 Kormányrásegítés A felvett kormányzási karakterisztikából az alábbi jellemzk állapíthatóak meg: 8 ept4 d max on 1.mat Measurement date:22-jun-24 6 M D M cpmax 4 M A M cpmin Steering wheel torque [Nm] 2-2 -4 M B -6 M C -8-54 -45-36 -27-18 -9 9 18 27 36 45 54 Steering wheel angle [deg] 19. ábra Kormányzási karakterisztika a fontosabb jellemzkkel feltüntetve A kormányzási szögtartomány. A maximális vezetnyomaték, amelynek számításánál nem szabad figyelembe venni a széls helyzetben történ nyomatéknövekedést, amelynek a futóm-geometriából származó ellenállás az oka. A 8. ábrán a kormányzási karakterisztika ±8 Nm közötti nagyításban látható. Jól megfigyelhet a [-4, 4] tartományban a hullámzás, ami a kormányrendszerben lév kardánkapcsolat eredménye. A nyomaték-egyenltlenség nagysága attól függ, hogy a kormányoszlop és a középs kormánytengely által bezárt szög milyen nagy. Értékét az alábbi képlettel számíthatjuk ki: M max M min c NU = 1 [%] M max 18
4.2 Szinusz kormányzás 6 ept5 8 max on 1.mat Measurement date:7-mar-23 4 Steering wheel torque [Nm] 2-2 H A s A M A δ A M B δ B H B s B -4-6 -6-4 -2 2 4 6 Steering wheel angle [deg] 2. ábra Szinusz-kormányzási karakterisztika a fontosabb paraméterekkel A középponti nyomaték gradiens a nulla kormányzási nyomatéknál a kormányzási karakterisztikához húzott érint meredeksége. A 9. ábrán jól megfigyelhet a középponti nyomaték gradiens meredekségének változása jármsebesség függvényében. 19
4.3 Visszatérítés 1 ept12 2 r 9 1.mat Measurement date:22-jun-24 9 8 w max 7 Steering wheel angle [deg] 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Time [s] fi 21. ábra Kormány-visszatérési jelleggörbe A kormány-visszatérítés jelleggörbéjébl a visszatérés idbeni lefolyása értékelhet. Jellemz a visszatérés kezdeti sebessége, amely a görbére illesztett érint meredekségébl számítható ki, valamint a maradó kormányszög, amelynél a bels súrlódások következtében nem tér jobban középállásba vissza a kormány. 2
4.4 Falhatás A szervokormány teljesítményének határát tudjuk megvizsgálni ezzel a teszttel. Hidraulikus szervokormány esetében a szivattyú szállításának a határát, elektromos szervokormány esetében pedig az áramfelvétel határát határozhatjuk meg. A kormányzási nyomaték és a kormány-szögsebesség növelésével elérjük a szervokormány maximális teljesítményét, amelynek következtében nem n tovább a rásegítés, a vezet nyomatéka megn a kormány-szögsebesség egyidej csökkenésével, majd a vezet csökkentve nyomatékát nem tekeri tovább a kormánykereket. A folyamat jól követhet a 22. ábrán. 45 Wall effect test 4 35 3 MSTW torque [Nm] 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 MSTW angle speed [deg/s] 22. ábra Falhatás jelleggörbe a mérkormányon 21
45 ept3 r c 1.mat Measurement date:7-mar-23 4 35 3 F rack [N] 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 STW angle speed [deg/s] 23. ábra Falhatás jelleggörbe a fogaslécre számított rásegít ern szemléltetve 22
4.5 Csillapítás A csillapítási jelleggörbébl a kormányrendszer saját csillapítását tudjuk értékelni. Általános követelmény, hogy a kormány magára hagyva maximálisan egy lengés után álljon be a középs helyzetbe. Ez fleg a kormányrendszerben lév elemek tömegétl, tehetetlenségétl, a járm haladási sebességétl, a gumiabroncsoktól valamint a csillapításoktól függ. Hidraulikus szervokormány esetében a hidraulika folyadék jól csillapítja a rendszert. 5 ept13 12 r on 1.mat Measurement date:22-jun-24 4 3 Steering wheel angle [deg] 2 1-1 w max Frequency -2-3 First overshoot -4.5 1 1.5 2 2.5 Time [s] 24. ábra Kormánylengés-csillapítás jelleggöbéje a fontosabb paraméterekkel A 12. ábráról az alábbi jellemzket lehet meghatározni: Lengési amplitúdó maximális értéke: δ max Lengések száma A lengések frekvenciája Maradó kormányszög Az értékelésnél az a kormányrendszer mondható jobbnak, ahol az alábbi tulajdonságokat állapíthatjuk meg: A lengés maximális amplitúdója kisebb A lengések száma kevesebb A lengés frekvenciája kisebb A maradó kormányszög kisebb 23
5 Ellenrz kérdések Az alábbi ábra egy járm álló helyzetben felvett kormányzási karakterisztikáját mutatja. Magyarázza meg, hogy a kormányszög (-36, 36) fokos tartományában a karakterisztika hullámzásának okát! 1 8 6 4 Kormányzási nyomaték [Nm] 2-2 -4-6 -8-1 -54-36 -18 18 36 54 Kormányszög [ ] Számítsa ki a fenti karakterisztika alapján a nyomaték-egyenltlenség nagyságát (%-ban)! Rajzolja be az ábrába a számításához felhasznált értékeket! Az alábbi ábra egy járm 2 km/h sebességgel felvett kormány-visszatérési jelleggörbéje látható. A felvett jelleggörbén rajzoljon be egy olyan jelleggörbét, amely ugyanabból a kiinduló szöghelyzetbl gyorsabban indul vissza a középs helyzetbe, de a maradó kormányszöge nagyobb! 2 18 16 14 12 Kormányszög [ ] 1 8 6 4 2.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Idõ [s] 24
Az alábbi ábrán két különböz járm 8 km/h sebességen felvett csillapítási jelleggörbéje látható. Értékelje a két görbét! 5 4 Damping test Peugeot 37 HDi VW POLO 1.9 PDTD 3 2 MSTW angle [deg] 1-1 -2-3 -4.25.5.75 1 1.25 1.5 Time [s] 25
6 Felhasznált irodalom, linkek A hidraulikus rendszer és elemeinek felépítéséhez: http://www.madsci.org/posts/archives/oct99/939144438.eg.r.html http://www.luk-as.de/de/aktuell/download/pdf/luk_lenkhelfpumpe.pdf http://www.visteon.com/technology/automotive/steering_pump.shtml http://www.delphi.com/products/auto/perform/hyd_steer/ http://www.thyssenkrupp-prestasteertec.com A mérrendszer felépítéséhez: http://www.inventure.hu http://www.rms-testsystems.de/de/produkte/vehicle/fel2/fel2.html http://www.datron-messtechnik.de/microstar.htm http://www.dspace.de/ww/en/pub/home.htm 26