Adattamento ai requisiti ammortizzatori NVH in evoluzione

Le recenti richieste di maggiore efficienza energetica, minori emissioni e maggiore comodità del passeggero stanno cambiando l'approccio dei produttori di automobili al design dei veicoli, presentando così una gamma di sfide per l'industria nel suo complesso e, nello specifico, per i test meccanici.

Nell'ultimo decennio, Byron Saari, ingegnere capo in Ricerca e Sviluppo presso MTS Systems, si è concentrato sulle sfide nell'ambito dei test. "È iniziato tutto con alcune richieste davvero interessanti da parte di fornitori di ammortizzatori all'avanguardia, o assorbimento dello shock, circa 10 anni fa" spiega Saari. "Hanno richiesto un sistema NVH (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) che fosse adatto a testare un fenomeno di rumorosità strutturale chiamato 'chuckle'. Si è rivelata una bella impresa."

Byron Saari sta integrando la tecnologia di test degli elastomeri (primo piano) e l'attuazione lineare elettromagnetica (secondo piano) per sviluppare metodi efficaci per lo studio della rumorosità strutturale.

Saari vedeva l'emergere di forze di mercato che avrebbero presto complicato i test NVH (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) per gli ammortizzatori. La crescita dei veicoli autonomi, per esempio, sta ponendo una maggiore enfasi sul viaggio e sulla comodità. Veicoli più leggeri e gruppi propulsore più silenziosi hanno migliorato l'efficienza energetica e ridotto le emissioni, ma hanno anche complicato il controllo del rumore generato (e trasmesso) dagli ammortizzatori. Infatti, ora che il rumore di gruppo propulsore, trasmissione e aerodinamica è stato abbondantemente ridotto, la rumorosità residua dell'ammortizzatore è più evidente.

Mentre il fruscio dell'aerodinamica è relativamente semplice da individuare e mitigare a livello di componenti, la rumorosità strutturale da effetto 'chuckle' si presenta più problematica. Il fenomeno 'chuckle' (detto anche ticchettio, rombo e tronco) deve essere ancora del tutto compreso. Ha origine come vibrazione meccanica nel corpo dell'ammortizzatore. L'impedenza da accoppiamento nel supporto superiore trasforma la vibrazione meccanica in rumore nell'abitacolo. Come tale, il fenomeno 'chuckle' dipende da modello o piattaforma, e non può essere individuato o risolto facilmente a livello componenti. Durante la fase prototipo, vengono scoperti svariati problemi di effetto 'chuckle', e possono arrecare seri problemi al budget e al programma di sviluppo del veicolo.

L'effetto 'chuckle presenta sfide uniche anche dal punto di vista dei test. A differenza dell'analisi del fruscio, il test dell'effetto 'chuckle' non ha attrezzature o procedure standard. È un fenomeno difficile da replicare in un laboratorio di test, perché non è sempre chiaro che traccia acustica provocherà il problema.

"Anche se si isola una frequenza che causa effetto 'chuckle' per uno specifico ammortizzatore, potrebbe non essere possibile replicarla su un diverso banco di prova, per via di riverberi esistenti del sistema di test" spiega Saari. "Tutti questi fattori rendono molto complesso il rispetto delle specifiche OEM (Original Equipment Manufacturer, produttore di apparecchiature originali) per il rumore degli ammortizzatori nell'abitacolo. Perciò, i test NVH (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) sono diventati un fattore molto più critico nel processo di sviluppo."

L'attrezzatura convenzionale per i test sugli ammortizzatori non è adatta all'individuazione del 'chuckle'. La vibrazione meccanica deve essere misurata con un accelerometro sopra l'asta dell'ammortizzatore, cosa difficile da fare alle alte frequenze senza che l'attrezzatura di test influenzi i risultati.

Inoltre, i sistemi di test dell'ammortizzatore vengono tipicamente utilizzati per effettuare test ad un input massimo (sinusoidale o dati stradali) di 25 Hz. Se vengono involontariamente eccitate frequenze più alte nel sistema di test, in genere non c'è da preoccuparsi. Sfortunatamente, il 'chuckle' si verifica a frequenze che vanno dai 200 Hz ai 500 Hz. Se una sinusoide a 25 Hz eccita un'armonica a 250 Hz, per esempio, verrà misurata all'emissione dell'asta del pistone. Analizzare questo dato porterebbe i produttori alla conclusione che il progetto dell'ammortizzatore ha un problema di 'chuckle' a 250 Hz, quando in realtà è un effetto della distorsione armonica dell'eccitazione del sistema di test.

"Per essere davvero efficace nell'analisi del 'chuckle', una soluzione di ammortizzatore NVH (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) deve fornire un'eccitazione sinusoidale davvero pura con una THD (total harmonic distortion, distorsione armonica totale) davvero bassa" spiega Saari.

Come si è scoperto, Saari è in una posizione unica per sviluppare una soluzione del genere, grazie agli svariati anni passati in MTS su ricerca e sviluppo di sistemi di test servoidraulici per applicazioni di test sia per ammortizzatori che per elastomeri. Il suo lavoro con clienti di tutti il mondo lo ha aiutato a riempire entrambi i cataloghi di prodotti per l'azienda, e ha acquisito una profonda esperienza nel settore sulle sfumature di questi test complessi. Grazie all'esperienza in entrambi i settori, Saari ha ideato un nuovo progetto di sistema di test per lo studio dell'ammortizzatore NVH (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità), che combinerebbe le capacità di un sistema di test su elastomeri con quelle di un sistema di test su ammortizzatori.

Nel 2014, la MTS ha acquisito la Roehrig Engineering, Inc., azienda sviluppatrice di tutti i sistemi di test per ammortizzatori EMA completamente elettrici, rinomata per l'altra frequenza di risposta e per la programmabilità L'aggiunta della tecnologia di EMA (Electro-Magnetic Actuation, attuazione elettromagnetica) lineare ha fornito ciò che mancava per dare avvio alla nuova soluzione di ammortizzatore NVH.

La realizzazione dell'idea di Saari dell'ammortizzatore NVH, quindi, rappresenta la fusione di un elastomero tradizionale MTS con tecnologie di ammortizzazione e attuazione elettromagnetica.

Il Sistema Ammortizzatore NVH Modello 853 attinge dalle tecnologie di test di ammortizzatore servoidraulico (sinistra), ammortizzatore lineare elettromagnetico (centro) ed elastomero servoidraulico (destra).

Per effettuare misurazioni dell'ammortizzatore NVH con fedeltà ed accuratezza fino ai 700 Hz richiesti, il sistema si avvarrebbe di trasduttori ad elevata larghezza di banda che sono tipicamente utilizzati per misurare spostamento, forza e vibrazione in sistemi di test per elastomeri ad alta frequenza. Necessiterebbe anche di una struttura di carico ad alta rigidità del sistema di test per elastomeri, insieme a colonne a diametro più ampio, testate a croce più spesse e una base più robusta, per evitare modalità di riverbero che possono falsare le misurazioni.

La prima frequenza modale di interesse che influenza le misurazioni di dati è sopra i 700 Hz.

La tecnologia EMA (Electro-Magnetic Actuation, attuazione elettromagnetica) lineare è una fonte di ideale di input sinusoidali puliti e bassa distorsione armonica di cui il sistema avrebbe bisogno per un efficace test sul 'chuckle'. La tecnologia EMA di MTS unisce magneti di neodimio fissi e ad alta forza a motori elettrici con nucleo ad aria (non magnetico). La mancanza di metallo ferroso rende il motore estremamente leggero, il che attiva la risposta ad alta frequenza dell'attuatore e l'alta accelerazione. Un motore non magnetico significa anche mancanza di forza attrattiva tra motore e magnete, e quindi nessun effetto dentatura che possa compromettere la velocità di forma d'onda.

Comando (blu) vs risposta (rosso), che indicano bassa THD (Total Harmonic Distortion, distorsione armonica totale) per un'eccitazione a 15 Hz.

Il risultato di questa fusione è il Sistema Ammortizzatore NVH Modello 853 - costruito appositamente per i test NHV (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) di ammortizzatori e assorbimento dello shock.

In termini di specifiche, il sistema effettua misurazioni fedeli ed accurate fino a 700 Hz. Sarà valutato da 15 a 20 kN, fornirà forza dinamica simultanea e velocità a 3 m/s e una forza statica standard a 1 kN, con capacità aumentata opzionale. La tecnologia versatile dei dispositivi di controllo FlexTest® renderà il sistema in grado di riprodurre virtualmente qualsiasi tipo di segnale (blocco sinusoidale, scansione, blocchi stradali). Inoltre, il controllo della PIDF (Proportional Integral Derivative Feedforward, previsione proporzionale integrale derivativa) ad elevata larghezza di banda consentirà di seguire la forma di un'onda specifica, precisamente, senza iterazioni.

Il Sistema Ammortizzatore NVH Modello 853 - costruito appositamente per i test NHV (noise, vibration and harness, rumore, vibrazione e rigidità) di ammortizzatori e assorbimento dello shock.

Saari crede che il Modello 853 aiuterà i laboratori di test a effettuare test sul 'chuckle' più facilmente, affrontare tutta la gamma di fenomeni di rumorosità dell'ammortizzatore standard, inclusi fruscio e cigolio, effettuare caratterizzazioni dell'ammortizzatore base e perfino fornire una funzionalità di test per elastomeri. "Questo nuovo sistema sarà un progresso importante nel campo dei test NHV" afferma Saari. "Riempie un vuoto critico nei laboratori di test su ammortizzatori e fornisce alle squadre di test l'attrezzatura standardizzata necessaria per approntare un problema ricorrente nel ciclo di sviluppo."