Adaptando para evoluir em relação aos requisitos do NHV amortecimento

Novas demandas por maior eficiência de combustível, menores emissões e maior conforto dos passageiros estão mudando a forma como os fabricantes de automóveis abordam o projeto de veículos, apresentando uma série de desafios para a indústria em geral e, especificamente para os testes mecânicos.

Durante a última década, Byron Saari, engenheiro Principal de P&D da MTS Systems, tem se concentrado nos desafios dos testes. "Começou com algumas investigações realmente interessantes de fornecedores de amortecedores de ponta, ou amortecedores de choque, há cerca de 10 anos", lembra Saari. "Eles perguntaram sobre um sistema NVH que seria adequado para testar um fenômeno de ruído transmitido pela estrutura chamado "chuckle" (um barulho mais abafado) Acabou sendo algo muito difícil".

Byron Saari está integrando tecnologia de teste de elastômeros (primeiro plano) e atuação eletromagnética linear (segundo plano) para desenvolver um meio eficaz para estudar o ruído abafado da estrutura.

O que Saari estava testemunhando era o surgimento de forças de mercado que logo complicariam os testes de ruído, vibração e aspereza (NVH) para amortecedores. O surgimento de veículos autônomos, por exemplo, está dando maior ênfase ao passeio e ao conforto. Veículos mais leves e motores mais silenciosos melhoraram a eficiência do combustível e reduziram as emissões, mas também dificultaram o controle do ruído gerado pelos (e transmitido pelos) amortecedores. De fato, agora que o sistema de propulsão, o sistema de transmissão e o ruído aerodinâmico foram completamente reduzidos, o ruído residual do amortecedor é mais proeminente.

Enquanto o ruído "sibilante" transportado pelo ar é comparativamente fácil de identificar e mitigar em nível de componentes, o ruído abafado da estrutura apresenta um problema mais preocupante. O chuckle (também chamado de "tinido", "ronco" e "trunk of lumber" [tronco de madeira]) ainda não foi totalmente compreendido. Origina-se como uma vibração mecânica no corpo do amortecedor. O acoplamento de impedância no suporte superior transforma a vibração mecânica em ruído acústico na cabine. Como tal, o ruído chuckle depende do modelo ou plataforma e não pode ser facilmente identificado ou resolvido a nível de componentes. Problemas sérios referentes a este tipo de ruído são frequentemente descobertos durante a fase de protótipo e podem ser extremamente prejudiciais para o orçamento e o cronograma de desenvolvimento do veículo.

Esse tipo de ruído também apresenta desafios únicos para testes mecânicos. Ao contrário da análise do ruído sibilante, os testes com chuckle não têm equipamentos ou procedimentos padronizados. O fenômeno é difícil de replicar no laboratório de testes porque nem sempre é claro qual a assinatura de ruído causará um problema.

"Mesmo que você possa isolar uma frequência que cause o ruído em questão para um determinado amortecedor, você pode não ser capaz de replicá-lo em uma bancada de teste diferente devido às ressonâncias do sistema de teste existente", explica Saari. "Todas estas questões tornam muito difícil para os fornecedores de amortecedores atenderem às especificações OEM para amortecedores de ruído na cabine. Como resultado, os testes NVH se tornaram uma parte muito mais importante do processo de desenvolvimento".

O equipamento de teste de amortecedor convencional não é bem adequado para caracterizar o ruído de chuckle. A vibração mecânica precisa ser medida com um acelerômetro na parte superior da haste do amortecedor, o que é difícil de ser feito em altas frequências sem que o equipamento de teste influencie os resultados.

Além disso, os sistemas de teste de amortecedores são normalmente usados para realizar testes com uma entrada máxima (dados sinusoidais ou rodoviários) de 25 Hz. Se frequências mais altas são excitadas involuntariamente no sistema de teste, isso geralmente não é uma preocupação. Infelizmente, o ruído chuckle acontece em frequências de 200 Hz a 500 Hz. Se um sinusoide de 25 Hz excita uma harmônica de 250 Hz, por exemplo, ele será medido na saída da haste do pistão. A análise destes dados levaria os desenvolvedores a concluir que o projeto do amortecedor tem um problema de 250 Hz, quando na verdade este é um efeito da distorção harmônica da excitação do sistema de teste.

"Para ser verdadeiramente eficaz na análise deste determinado ruído, uma solução NVH amortecedora precisa fornecer excitação sinusoidal muito pura com pouquíssima distorção harmônica total, ou THD", afirma Saari.

Acontece que Saari está numa posição única para desenvolver tal solução devido aos muitos anos que passou na MTS pesquisando e desenvolvendo sistemas de testes servo-hidráulicos para aplicações de amortecedores e testes de elastômeros. Seu trabalho com clientes no mundo todo ajudou a moldar as duas carteiras de produtos para a empresa, e ele adquiriu profunda experiência de domínio nas nuances destes testes complexos. Com o conhecimento de ambos os domínios, Saari idealizou um novo projeto de sistema de teste para estudar o amortecedor NVH, um que combinaria as capacidades de um sistema de teste de elastômeros com as de um sistema de teste de amortecedores.

Em 2014, a MTS adquiriu a Roehrig Engineering, Inc., desenvolvedora de sistemas de teste de amortecedores de EMA totalmente elétricos - conhecida pela resposta de alta frequência e programabilidade. A adição da tecnologia de atuação eletromagnética linear (EMA) forneceu a faísca para colocar em movimento a nova solução NVH de amortecimento.

A realização da visão do amortecedor NVH de Saari representaria, então, uma fusão do elastômero MTS convencional com tecnologias de amortecimento e acionamento eletromagnético.

O Sistema Model 853 NVH Damper é projetado a partir das tecnologias de teste servo-hidráulico (esquerda), amortecedor eletromagnético linear (meio) e elastômero servo-hidráulico (direita).

Para realizar medições de amortecedores NVH com fidelidade e precisão até os 700 Hz necessários, o sistema empregaria transdutores de grande largura de banda que são normalmente usados para medir deslocamento, força e vibração em sistemas de teste de elastômeros de alta frequência. Ele também precisaria de uma estrutura de carga de alta rigidez do sistema de teste de elastômeros, juntamente com colunas de maior diâmetro, uma cabeça transversal mais grossa e uma base mais robusta para evitar os modos ressonantes que podem corromper as medições.

A primeira frequência modal que afeta as medições de dados de interesse está acima de 700 Hz.

A tecnologia Linear EMA é uma fonte ideal para a entrada sinusoidal limpa e baixa distorção harmônica que o sistema exigiria para o teste eficaz do chuckle. A tecnologia EMA da MTS combina ímãs de neodímio fixos de alta força e motores elétricos com núcleo de ar móvel (sem ferro). A falta de metal ferroso torna o motor extremamente leve, que é o que permite a resposta de alta frequência e a alta aceleração do atuador. O motor sem ferro também significa que não há nenhuma força atrativa entre o motor e o ímã e, portanto, nenhum risco de efeitos de cogging [efeito de borda) que possam comprometer a forma de onda da velocidade.

Comando (azul) X Resposta (vermelho), indicando baixa distorção harmônica total (THD) para uma excitação de 15 Hz.

O resultado desta fusão é o Sistema Model 853 NVH Damper, construído especialmente para testes de amortecedores e amortecedores NVH.

Em termos de especificação, o sistema realizará medições com fidelidade e precisão de até 700 Hz. Será avaliado em 15 a 20 kN, fornece 3 m/s de força dinâmica e velocidade simultâneas e 1 kN de força estática padrão com capacidade aumentada opcional. A tecnologia versátil do controlador FlexTest® tornará o sistema capaz de reproduzir praticamente qualquer tipo de sinal (bloco senoidal, varreduras, sinais de estrada). Além disso, o controle de largura de banda alta PIDF (Proportional Integral Derivative Feed Forward) permitirá que ele siga uma forma de onda especificada precisamente sem iterações.

O Sistema Model 853 NVH Damper - desenvolvido especificamente para teste NHV de amortecedores e absorvedores de choque.

Saari acredita que o Model 853 ajudará os laboratórios de teste a realizar mais facilmente os testes de ruído, abordará toda a gama de fenômenos de ruído padrão de amortecedores, incluindo sibilante e rangido, realizará a caracterização básica de amortecedores e até mesmo fornecerá funcionalidade de teste de elastômeros. "Este novo sistema será um avanço importante no campo dos testes NVH", comemora Saari. "Ele preenche uma lacuna importante nos laboratórios de teste de amortecedores e dá às equipes de teste o equipamento padronizado necessário para resolver um problema persistente no ciclo de desenvolvimento"