raport ȘtiinȚific Și tehnic - ihp.roihp.ro/sitech/raportul_stiintific_si_tehnic_etapa1.pdf ·...

Contract: nr. 91 BG / 2016

Denumire proiect: Sistem informatizat de încercare a casetelor de direcție ale

autovehiculelor în scopul creșterii siguranței participanților la trafic

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-BG-2016-0111

Etapa 1: Analiza tehnologiei de încercare existente

RAPORT ȘTIINȚIFIC ȘI TEHNIC

Contract: nr. 91 BG /

2016

Sistem informatizat de incercare a casetelor de directie ale autovehiculelor in scopul cresterii

sigurantei participantilor la trafic

Raport științific și tehnic Etapa 1/2016

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-BG-2016-

0111

2

REZUMATUL ETAPEI

În cadrul etapei 1 s-au elaborat următoarele documente:

1. Raportul științific și tehnic al etapei 1

2. Raport cu cererile concrete ale P2 pentru modernizarea standului

3. Studiu tehnic pentru analiza standului și a metodologiei de încercare a casetelor de direcție asistate hidraulic

1. Raportul științific și tehnic cuprinde:

Rezumatul etapei Descrierera științifică și tehnică, cu punerea în evidență a rezultatelor etapei și

gradul de realizare a obiectivelor

Indicarea rezultatelor și modul de diseminare a rezultatelor

2. Raportul cu cererile concrete ale P2 pentru modernizarea standului cuprinde:

Prezentarea standului existent Încercările si verificarile executate pe varianta actuală de stand de încercare a

casetelor și pompelor de servodirectie hidraulice, detinut de P2 - SC EUROTEXSO DISTRIBUTION SRL

Cererile concrete ale P2 pentru modernizarea standului Bibliografie

În prima parte ce cuprinde prezentarea standului existent pentru care se dorește modernizarea, s-au prezentat destinația, componența, caracteristicile tehnice actuale și o descriere generală a standului.

În partea a II-a s-au prezentat capabilităție standului pentru încercarea pompelor de servodirecție hidraulică și a casetelor de direcție pinion-cremalieră asistate hidraulic.

În partea a III-a s-au prezentat cererile concrete din partea partenerului P2 pentru modernizarea standului. Agentul economic dorește modernizarea standului în scopul creșterii productivității și a unei mai bune gestionări a clienților. Standul în varianta cu sistem informatizat va trebui să poată achiziționa date la o serie de traductoare instalate în instalația hidraulică. Cu ajutorul sistemului informatizat trebuie să se poată emite rapoarte de încercare și să se stocheze datele despre clienți și


2016





0111

3

lucrări, în baze de date. Tot aici s-au stabilit componența necesară sistemului informatizat pentru stand și caracteristicile sistemului informatizat.

În ultima parte s-au enumerat sursele bibliografice pentru elaborarea raportului.

3. Studiul tehnic pentru analiza standului și a metodologiei de încercare a casetelor de direcție asistate hidraulic cuprinde:

O introducere în sistemele de direcție asistată pentru autoturisme Noțiuni despre casetele de direcție asistată hidraulic Descrierea și caracteristicile principale ale standului de încercare Metodologia de încercare a casetelor de direcție și a pompelor Soluții pentru satisfacerea cererilor concrete ale P2 pentru modernizarea

standului Bibliografie

În prima parte s-a prezentat o clasificare a sistemelor de direcție și descrierea sistemului de direcție asistată hidraulic.

În partea a II-a s-a prezentat funcționarea hidraulică a valvei rotative, designul general al sistemelor de direcție asistată, elemente privind modelarea valvei rotative și identificarea orificiului de deschidere.

In partea a III-a s-a prezentat descrierea constructivă a standului, caracteristicile standului și ale componentelor din structura standului, precum și nomenclatorul probelor și verificărilor standului.

În partea a IV-a s-au prezentat metode de încercare a casetelor de direcție asistate hidraulic, metodologia de încercare a casetelor de direcție și a pompelor, iar la urmă listele de încercări pentru casetele de direcție pinion-cremalieră, asistate hidraulic și pentru pompele de servodirecție hidraulică.

În partea a V-a s-au prezentat stadiul actual al standului de încercare, soluții de standuri de încercare existente pe plan internațional și soluții pentru modernizarea standului, precum dotarea cu traductoare pentru parametrii mecano-hidraulici măsurati, dotarea cu modul de achizitie a datelor și realizarea unei aplicații software pentru efectuarea probelor de încercare a casetelor și pompelor de servodirecție asistată hidraulic. În ultima parte s-au indicat sursele bibliografice folosite la întocmirea studiului.


2016





0111

4

DESCRIERERA ȘTIINȚIFICĂ ȘI TEHNICĂ

1. Introducere în sistemele de direcție pentru autoturisme

Sistemul de directie, este interfața cea mai sensibilă dintre șofer și autovehicul. În ziua de azi, sistemul de direcție trebuie să îndeplinească standarde foarte exigente. În primul rând acest sistem, trebuie să îndeplineasca funcții multiple pentru a oferi comoditate țn manevrarea autoturismului. În al doilea rand, trebuie să ofere șoferului asistență la direcție și nu în ultimul rând să fie fiabile in timp.

Direcția trebuie să fie precisă, făra joc, ușoară, eficientă și compactă. Ce este cel mai important trebuie să transmită către șofer senzația unei suprafețe bune de drum și să facă posibilă revenirea la pozitia de mers înainte. Trebuie să lucreze fară șocuri și trebuie să necesite o mentenanță minimă pe durata funcționarii în timp ce oferă siguranță și confort maxim. Toate aceste funcții sistemul de direcție trebuie să le indeplineasca atât la viteze mari cât și la unele scăzute.

Sistemul de direcție asigură un confort sporit în conducerea unui autovehicul mai ales la efectuarea manevrelor de parcare sau la viraje.

În fig. 1 se poate observa schema de principiu a unui sistem de direcție clasic.

Fig. 1 Schema de principiu a unui sistem de direcție clasic

2. Sisteme de direcție asistată

Aceste sisteme utilizează pe lângă coloana de direcție niște sisteme de acționare care reduc efortul depus de șofer la acționarea volanului.

Aceste sisteme pot fi hidraulice, electrice sau electro hidraulice, fig. 2.


2016





0111

5

Fig. 2 Sisteme de direcție asistată

3. Sistemul de direcție asistată hidraulic

Sistemul de direcție e probabil cel mai folosit sistem servo de catre omul normal. Primul sistem de directie a fost inventat de Francis W. Davis la mijlocul anilor 1920, dar nu a fost introdus in masinile cu pasageri pana in 1951. In figura 3 se gaseste schita sistemului. Acest sistem este de tipul bila si nuca si se foloseste inca la vehiculele unde este nevoie de forta mare pentru virare, de obicei la camioane mari. Sistemul predominant folosit in ziua de estazi este cel de tip cremalieră și pinion, care a fost introdus tarziu prin aniii 1960 in masinile de curse medii ca performanta.

Sunt diferite sisteme de directie asistata PAS. Cel mai comun este cel de tip cremalieră și pinion cu o pompa hidraulica de debit constatnt SDAH. Mult mai recent a fost introdus la masinile mici un sistem de directie asistat electric SDAE.

Fig. 3 - Figură din unul dintre primele brevete ale lui Francis W. Davis


2016





0111

6

Cea mai simplă variantă de sistem de servodirectie hidraulică (fig. 4) se compune din: 1 - caseta de direcție hidraulică cu cremalieră; 2 - pompa de ulei servo (în acest exemplu cu fulie); 3 - rezervorul de ulei; 4 - furtun intrare ulei în pompă; 5 - furtun intrare ulei sub presiune in casetă; 6 - furtun retur ulei; 7 - bielete (brațe); 8 - capete de bară; 9 - coloana volanului.

În cazul unei defecțiuni la sistemul de directie hidraulică (datorata, de exemplu, unei scurgeri de ulei) efortul necesar mișcarii volanului va crește.

Fig. 4 Variantă simplă de sistem de direcție servohidraulică (Trami.ro)

4. Caseta de directie asistată hidraulic

Acest tip de casetă de direcție (fig.5) constă într-o casetă de direcție mecanică, un distribuitor hidraulic și un cilindru mobil. Cilindrul ghidează cremaliera cu pistonul integrat. Pinionul este amplasat langă distribuitor și cremalieră. Un arc tensionat împinge cremaliera împotriva pinionului și astfel nu există joc între cele doua piese. O bară de torsiune conecteaza pinionul la rotorul distribuitorului. Pinionul, transformă mișcarea de rotație a volanului, în miscare axială, a cremalierei. Distribuitorul rotativ asigură asistența hidraulică, constând în rotorul distribuitorului cu șase caneluri pe suprafașa carcasei și rulmentul distribuitorului, fixat pe pinion. Alezajul manșonului distribuitorului, conține caneluri axiale ce se potrivesc cu cele ale rotorului.


2016





0111

7

1. Carcasa 2. Cremaliera 3. Pinion 4. Piston 5. Rotorul valvei 6. Bara de torsiune 7. Rulmentul valvei 8. Bieleta 9. Alimentarea cu ulei a canelurilor radiale 10. Alimentarea cu ulei a canelurilor

11. Marginea alimentarii cu ulei 12. Caneluri axiale 13. Returul uleiului din caneluri 14. Muchia canalului de retur ulei din caneluri 15. Camera de retur a uleiului 16. Caneluri radiale 17. Caneluri radiale 18. Valva refulare presiune si limitare debit 19. Pompa servodirectie 20. Rezervor pentru lichidul hidrauluic al cilindrilor.

Fig. 5 Componența unei casete de direcție asistată hidraulic conform revistei Autotehnica

5. Caracteristica definită de distribuitorul rotativ

Când vine vorba de definire a caracteristicilor unui sistem HDA, distribuitorul este cea mai importantă componentă. Așa cum am menționat și mai sus, sistemul de direcție asistată traditional este cel bazat pe un distribuitor cu centrul deschis și o pompa cu debit controlat. Motivul pentru folosirea unui distribuitor cu centrul deschis este ca principalul scop al sistemului este realizarea de presiune pentru a genera asistență la direcție. Pentru o o solutie cu centru deschis, deplasarea distribuitorului este direct legată de o presiune de încărcare generată. În figura 5 bara de torsiune va lucra ca o translatie aplicata volanului către distribuitor. Acest lucru înseamnă că va fi o funcție care definește static relția dintre presiunea de încărcare generată de sistemul hidraulic și cuplul aplicat, vezi ecuația 1. Pentru a obține funcția dorită, orificiile distribuitorului vor trebui proiectate. Sistemul poate fi simplificat adunând orificiile din distribuitor, de regulă 3-4, intr-o reprezentare a unei punti Wheatston, figura 6. Bazat pe figura 6, se poate calcula presiunea de încărcare ca funcție de oricficii deschise, care la rândul său este legat de cuplul aplicat volanului, Tsw. Ecuațiile 2 și 3 se referă la calculele făcute de H.D.Merritt care stabilesc fluxul de încărcare și fluxul sistemului în funcție de presiunea sistemului, presiunea de încărcare și de deschiderile din zonă.

PL = f (Tsw) (1)


2016





0111

8

(2)

(3)

Bazându-ne pe ecuații, stabilind qS și qL, devine posibilă stabilirea relatiei de debit, care la rândul său este folosită pentru rezolvarea presiunii de încărcare și presiune sistemului în funcție de orificiile deschise și debitul de încărcare indus. Deplasarea sertarului este corelată cu cuplul aplicat volanului, prin urmare orificiile deschise sunt o funcție a cuplului aplicat volanului A[-Tsw] și A[Tsw]. Observăm că este mai degrabă folosit debitul sistemului qS decât debitul pompei qL. Ecuațiile 2 și 3 pot fi reformulate și descrise ca ecuațiile (4) și (5), care la rândul lor pot fi reformulate și descrise ca ecuațiile (6) și (7).

Figura 6 – Configuratia distribuitorului de la sistemul de distribuție asistată.

Reprezentarea punții Wheatstone unde sunt adunate mai multe orificii.

(4)

(5)

(6)

(7)


2016





0111

9

din ecuațiile (6) și (7) pot fi aflate presiunea de încărcare și presiunea sistemului, vezi ecuațiile (10) și (11).

(8)

(9)

(10)

(11)

În ecuația (10), presiunea de încărcare este arătată ca funcție de aria de deschidere a valvei; când este egal, presiunea de încărcare generată este zero și nu va fi produsă forță de asistare. Ariile de deschidere a valvei sunt funcții ale torsiunii aplicate de la volan, Tsw. Alte variabile care afectează presiunea de încărcare sunt debitul livrat de pompă către valvă, debitul din sistem, qs și debitul de încărcare, q.

Carateristicile unui vehicul și ale sistemului de direcție Greutate vehicul Greutatea pe axa față Debitul pompei Presiunea maximă a pompei Aria cilindrului

1600 kg 950 kg 8,2 l/min 11 MPa 8,26 cm2

Următoarele grafice se bazează pe un model de automobil fictiv. Acesta are caracteristicile de bază prezentate mai sus.

Fig. 7 Aria deschiderii ca funcție de

torsiunea aplicată de la volan Fig. 8 Presiunea generată ca funcție de torsiunea aplicată de la volan. În relație

cu aria deschiderii din fig. 8

În figura 7 aria deschiderii valvei este prezentată ca funcție de torsiunea aplicată de la volan. În realitate, aria crescută este limitată de orificiile din corpul valvei și are valori


2016





0111

10

între 20 și 30 mm2. Caracteristica statică a sistemului de direcție asistată este prezentată în fig. 8.

Fig. 9 Diagrama cvasi statică a curbei de amplificare. Limitele externe din diagramă sunt definite prin diferite valori ale debitului de încărcare, q = 0,8. Curba din mijloc reprezintă curba de amplificare statică fără

aplicarea de debit Fig. 9 arată efectul debitului de încărcare, q. Curba din mijloc reprezintă curba statică când debitul de încărcare este zero. Curba de jos reprezintă un debit de încărcare q = 0,8. O valoare pozitivă înseamnă că asistarea și viteza tijei acționează în aceiași direcție, fig. 10.

Fig. 10 Presiunea și viteza tijei în

aceiași direcție. Aceasta va reduce asistarea, conform fig. 23 cu debit

pozitiv

Fig. 11 Preiunea și viteza tijei în direcție opusă. Aceasta va crește asistarea,

conform fig. 23 cu debit negativ

După cum se poate vedea în figura 9, asistarea este redusă la viteză crescută a tijei și va conduce eventual la pierderea asistării. Acest fenomen se cheamă ajungere din urmă. Al doilea scenariu este când presiunea de asistare și mișcarea tijei acționează în direcții opuse, ceea ce conduce la o creștere a asistenței generate, fig. 11. Pentru ca mișcarea tijei cu cremalieră și asistarea generată să acționeze în direcții opuse, cremaliera trebuie să fie condusă de o încărcare externă, care poate apărea în cazul când se iese din viraj. Încărcarea externă este atunci cuplul de aliniere, care este


2016





0111

11

generat de geometria suspensiei față. Creșterea asistării poate fi o problemă din perspectiva dinamicii; o creștere a asistării înseamnă că amplificarea sistemului crește de asemenea. Întrucât sistemul este un sistem în buclă închisă, amplificarea va conduce la o amplitudine scăzută sau limită de fază și duce la instabilitate.

6. Standul de încercare existent

Standul este destinat încercării pompelor și casetelor de servodirecție asistate hidraulic, Fig. 12.

Fig.12. Standul de încercare

1.Dispozitiv sarcină, 2.Debitmetre, 3. Robinet cu 2 căi, 4. Robinet cu 3 căi,

5. Manometre, 6. Termostat, 7. Indicator turație pompă,

8. Suport casetă de direcție, 9. Buton oprire de urgență, 10. Reglaj turație

Standul permite măsurarea presiunilor și debitelor la încercarea pompelor și casetelor de servodirecție. Pentru crearea de sarcină în circuitele hidraulice se utilizează două drosele notate P1 și P2. Standul permite reglarea debitului pompei standului prin reglarea turației motorului electric cu ajutorul unui convertizor de frecvență de 3 kW. Verificarea pierderilor interne din pompele de servodirecție sau din casetele de direcție asistată se realizează prin vizualizarea debitului din circuite cu ajutorul a 2 rotametre. Pentru simularea încărcării (drumul), la tija casetei de direcție se utilizează un dispozitiv de sarcină, de la care se poate regla sarcina.


2016





0111

12

Fig. 13 Caracteristicile și schema hidraulică a standului

7. Soluții pentru modernizarea standului

Agentul economic dorește modernizarea standului în scopul creșterii productivității și a unei mai bune gestionări a clienților. Standul în varianta cu sistem informatizat va putea achiziționa date de la o serie de traductoare instalate în instalația hidraulică, va putea emite rapoarte de încercare și se vor putea stoca datele despre clienți și lucrări în baze de date.

Soluțiile posibile pentru satisfacerea cerințelor beneficiarului sunt prezentate în cele ce urmează. Soluțiile definitive vor fi elaborate în Etapa 2.

7.1 Dotarea cu traductoare pentru parametrii mecano-hidraulici măsurati in timpul probelor

Traductoarele necesare pentru prelucrarea informatizată a valorilor măsurate sunt: - 2 traductoare de presiune 0…160 bar cu semnal de ieșire 4…20 mA,

alimentare 24 Vcc, fig. 14;


2016





0111

13

Fig. 14 Traductor de presiune Wika

- traductor de forță pentru dispozitivul de sarcină 0…1500 daN, semnal de ieșire

4…20 mA, 24 Vcc, fig. 15;

Fig. 15 Traductor de forta Lorentz Messtechnik

- traductor de cuplu 0…20 Nm, semnal 4…20 mA, 24 Vcc, fig. 16;

Fig. 16 Traductor de cuplu Lorentz Masstechnik

- encoder de rotație absolut, multirotatie – 16 rotații, rezoluție 12 bit, semnal 4…20 mA, alim.: 15…30 Vcc, fig. 17;

Fig. 17 Encoder de rotașie marca Kubler

- traductor de debit 0,1…10 l/min, semnal 4…20 mA, 24 Vcc, fig. 18;

Fig. 18 Debitmetru cu roți dințate ovale Sika


2016





0111

14

- traductor temperatură PT100, 0…100 C, semnal 4…20 mA, 24 Vcc, fig. 19;

Fig. 19 Traductor de temperatura Comeco

- traductor de cursă 0…300 mm, rezistiv 1 K, fig. 20

Fig. 20 Traductor de cursă rezistiv MegAuto

Standul poate fi dotat și cu elemente de control pentru automatizarea unor

operații din timpul realizării încercărilor. Astfel standul poate fi prevăzut cu servomotor (fig. 21) pentru antrenarea valvei rotative de la caseta de direcție și cu electrovalve pentru comutarea circuitelor hidraulice, în funcție de încercarea realizată. Beneficiarul poate opta pentru dotarea cu astfel de elemente în funcție de costurile implicate.

Fig. 21 Motor pas cu pas MST

Caracteristici ale motorului pas cu pas

MST430C213 MST431C213 MST432C213 MST430C213 Cuplu menținut 10 21 25 Nm Moment de inerție rotor

5,5 10,9 16,2 Kgcm2

Greutate 5,0 8,4 11,7 kg


2016





0111

15

7.2 Dotarea cu modul de achizitie a datelor furnizate de traductoarele ce vor fi montate pe stand.

Modulul de achizitie a datelor, necesar, poate fi o placă de achizitie a datelor, fig. 22 de tip USB -6001 [6], care este o versiune cu preț redus ce satisface necesarul de canale pentru cuplarea traductoarelor ce vor fi incluse in schemă. Aceasta dispune de 8 intrări analogice, 2 canale cu ieșire analogică și 13 linii I/O digitale.

Intrări analogice Ieșiri analogiceNumăr canale Ieșiri analogice 2 Diferențiale 4 Rezoluția convertor DA 14-bit Normale 8 Domeniu semnal ± 10 V Rezoluția convertorului AD

14 - bit Rata de actualizare max.

5 kS/s simultan / canal, timer hardware

Rata max. de eșantionare 20 kS/s Tip conversie Aproximări succesive AO FIFO 2047 eșantioane AI FIFO 2047 eșantioane Surse trigger-are Software, PFI0, PFI1 Surse trigger-are Software, PFI0, PFI1

Fig. 22 Placa de achizitie date NI tip USB-6001

O altă posibilitate este utilizarea unui automat programabil compact, fig. 23. Un astfel de automat programabil este Twido TWDLCAA16DRF [7]. Aceste automate programabile sunt modulare si pot fi configurate cu diverse module de extensie (intrari/ieșiri analogice). Pot avea iesiri pe releu sau tranzistor, comunicație Ethernet sau CANopen.

Caracteristici principale Seria produsului Twido

Tip produs Controler compact

Numar de I/O discrete 16

Număr de intrări discrete 9

Tensiunea de intrare discretă 24 V

Tipul tensiunii de intrare discretă Curent continuu

Număr de ieșiri discrete 7 contacte releu

Tensiune de alimentare 100…240 Vcc

Sloturi Cartuș memorie sau ceas timp real

Fig. 23 Automat programabil model Twido de la Schneider Electric


2016





0111

16

7.3 Realizarea unei aplicații software pentru realizarea probelor de încercare a casetelor și pompelor de servodirecție asistată hidraulic

Aplicația software pentru încercare trebuie sa permită afișarea pe ecran a valorilor parametrilor măsurați, introducerea modelului casetei, seria, beneficiarul și numele operatorului care realizeaza încercarea.

Aplicația trebuie sa permită înregistrarea datelor de încercare și emiterea unui raport care să conțină datele de identificare a casetei, operatorul, beneficiarul, numarul raportului și data, precum și rezultatele probelor sub forma unor valori / tabel cu valori și diagrame.

La panoul aplicației se vor seta parametrii de încercare in funcție de modelul casetei și tipul probei (încercare caseta de direcție asistată hidraulic sau pompă de direcție asistată hidraulic). Aplicația software va realiza ciclul de încercare, dând comenzile necesare în timpul încercării (de exemplu la atingerea poziției de centru a pistonului de la cilindrul hidraulic al casetei de direcție va înregistra valoarea pierderii de debit interne).

Rapoartele trebuie sa poata fi salvate pentru arhivare. In varianta cu placă de achizitie de la National Instruments aplicația software poate fi realizată în mediul LabView. Pentru varianta cu automat programabil se poate utiliza la realizarea aplicației software, platforma open-source Lazarus IDE.

8. Rezultatele etapei, gradul de realizare a obiectivelor și diseminarea rezultatelor

Rezultatele etapei 1 Analiza tehnologiei de încercare existente, activitatea I.1 : Analiza tehnologiei de încercare existente la agentul economic P2 pentru găsirea de variante noi si pentru dezvoltarea standului existent, realizate de către Coordonatorul proiectului și Partenerul P1 sunt:

Raport științific și tehnic Raport cu cererile concrete ale P2 pentru modernizarea standului Studiu tehnic pentru analiza standului și a metodologiei de încercare a

casetelor de direcție asistate hidraulic Diseminarea rezultatelor prin participarea la Conferința Internațională

Hervex 2016, ediția a 22-a ținută între 9-11 Noiembrie 2016 la Băile Govora, Romania

Publicarea unui articol în proceedings-ul conferinței Hervex 2016, ISSN 1454-8003: A. Hristea, R. Radoi, I. Balan, D. Grab, Informatic test bench system for automotive power steering, pp. 231-235, 9-11 Noiembrie 2016, Băile Govora, Romania

Elaborarea unei pagini web a proiectului: www.ihp.ro/sitech ce va fi actualizată pe tot parcursul desfășurării proiectului.


2016





0111

17

Gradul de îndeplinire a rezultatelor a fost de 100 % și se poate trece la următoarea etapă de realizare a proiectului.

Indicatori de rezultat

Denumire indicatori UM/an Valoare Articole publicate in reviste indexate in baze de date internaționale

Nr. 1

Participare la conferințe Nr. 1 Studii Nr. 1 Pagina WEB a proiectului (alte rezultate) Nr. 1

raport ȘtiinȚific Și tehnic - ihp.roihp.ro/sitech/raportul_stiintific_si_tehnic_etapa1.pdf ·...

Documents