Adaptación a la evolución de los requisitos NVH de los amortiguadores

Las nuevas exigencias de mayor eficiencia en el consumo de combustible, menores emisiones y mayor comodidad para los pasajeros están cambiando la forma en que los fabricantes de automóviles abordan el diseño de los vehículos, lo que plantea una serie de retos para la industria en general y para las pruebas mecánicos en particular.

Durante la última década, Byron Saari, ingeniero principal de I+D de MTS Systems, se ha centrado en los retos de las pruebas. "Comenzó con algunas consultas realmente interesantes de los proveedores de amortiguadores de última generación hace unos 10 años", comenta Saari. "Preguntaron por un sistema NVH que fuera adecuado para probar un fenómeno de ruido transmitido por la estructura llamado "risa". Resultó ser una tarea difícil".

Byron Saari está integrando la tecnología de prueba de elastómeros (en primer plano) y el accionamiento electromagnético lineal (en segundo plano) para desarrollar un medio eficaz de estudiar el ruido de las estructuras.

Lo que Saari estaba presenciando era la aparición de fuerzas de mercado que pronto complicarían las pruebas de ruido, vibración y dureza (NVH) de los amortiguadores. Por ejemplo, el auge de los vehículos autónomos está poniendo mayor énfasis en la conducción y la comodidad. Los vehículos más ligeros y las cadenas cinemáticas más silenciosas han mejorado la eficiencia del combustible y han reducido las emisiones, pero también han dificultado el control del ruido generado por (y transmitido por) los amortiguadores. De hecho, ahora que el ruido del tren de potencia, el tren de transmisión y la aerodinámica se han reducido por completo, el ruido residual del amortiguador es más prominente.

Si bien el "silbido" en el aire es comparativamente fácil de identificar y mitigar a nivel de los componentes, el ruido tipo risa transmitido por la estructura presenta un problema más preocupante. La "risa" (también llamada "traqueteo", "estruendo" y "tronco de madera") aún no se comprende del todo Se origina como una vibración mecánica en el cuerpo del amortiguador. El acoplamiento de impedancia en el soporte superior convierte la vibración mecánica en un ruido acústico en la cabina. Como tal, la "risa" depende del modelo o de la plataforma y no se puede identificar ni resolver fácilmente a nivel de componente. A menudo se descubren problemas graves de "risa" durante la fase de prototipo y pueden ser extremadamente perjudiciales para el presupuesto y el calendario de desarrollo del vehículo.

La "risa" también presenta retos únicos para las pruebas mecánicos. A diferencia del análisis de los silbidos, las pruebas de "risas" no tienen equipos ni procedimientos estandarizados. El fenómeno es difícil de replicar en el laboratorio de pruebas porque no siempre está claro qué firma de ruido causará un problema.

“Incluso si se puede aislar una frecuencia que provoque "risas" en un amortiguador concreto, es posible que no se pueda reproducir en un banco de pruebas diferente debido a las resonancias que existen en el sistema de pruebas”, señala Saari. “Todos estos problemas hacen que sea muy difícil para los proveedores de amortiguadores cumplir con las especificaciones OEM para el ruido de los amortiguadores en la cabina. Como resultado, las pruebas de NVH se han convertido en una parte mucho más crítica del proceso de desarrollo”.

Los equipos convencionales de prueba de amortiguadores no son muy adecuados para caracterizar la “risa”. La vibración mecánica debe medirse con un acelerómetro en la parte superior de la varilla del amortiguador, lo que es difícil de hacer a altas frecuencias sin que el banco de pruebas influya en los resultados.

Además, los sistemas de prueba de amortiguadores se utilizan normalmente para ejecutar pruebas con una entrada máxima (datos sinusoidales o de carretera) de 25 Hz. Si las frecuencias más altas se excitan involuntariamente en el sistema de prueba, generalmente no es una preocupación. Desafortunadamente, la "risa" ocurre en frecuencias de 200 Hz a 500 Hz. Por ejemplo, si una sinusoide de 25 Hz excita un armónico de 250 Hz, se medirá en la salida de la varilla del pistón. El análisis de estos datos llevaría a los desarrolladores a concluir que el diseño del amortiguador tiene un problema de "risa" de 250 Hz, cuando en realidad es un efecto de la distorsión armónica de la excitación del sistema de prueba.

"Para ser realmente eficaz en el análisis de la "risa", una solución NVH de los amortiguadores debe ofrecer una excitación sinusoidal muy pura con muy poca distorsión armónica total o THD", explicó Saari.

Resulta que Saari está en una posición única para desarrollar dicha solución debido a los muchos años que ha pasado en MTS investigando y desarrollando sistemas de prueba servohidráulicos para aplicaciones de prueba de amortiguadores y elastómeros. Su trabajo con clientes de todo el mundo ayudó a dar forma a las dos carteras de productos de la empresa y adquirió una profunda experiencia en los aspectos de estos complejos pruebas. Con conocimiento de ambos dominios, Saari concibió un nuevo diseño del sistema de prueba para estudiar el amortiguador NVH, uno que combinaría las capacidades de un sistema de prueba de elastómeros con las de un sistema de prueba de amortiguadores.

En 2014, MTS adquirió Roehrig Engineering, Inc., desarrollador de sistemas de prueba de amortiguadores EMA totalmente eléctricos, reconocidos por su respuesta de alta frecuencia y capacidad de programación. La incorporación de la tecnología de actuación electromagnética lineal (EMA) proporcionó la chispa que puso en marcha la nueva solución NVH para los amortiguadores.

La realización de la visión NVH de los amortiguadores de Saari, por tanto, representaría una fusión del elastómero MTS convencional con tecnologías de amortiguación y actuación electromagnética.

El sistema de amortiguación NVH del modelo 853 se basa en las tecnologías de prueba de amortiguadores servohidráulicos (izquierda), amortiguadores electromagnéticos lineales (centro) y elastómeros servohidráulicos (derecha).

Para realizar mediciones de NVH en los amortiguadores con fidelidad y precisión hasta los 700 Hz requeridos, el sistema utilizaría transductores de gran ancho de banda que suelen usarse para medir el desplazamiento, la fuerza y la vibración en sistemas de prueba de elastómeros de alta frecuencia. También necesitaría un bastidor de carga de alta rigidez del sistema de prueba de elastómeros, junto con columnas de mayor diámetro, una cruceta más gruesa y una base más robusta para evitar los modos resonantes que pueden alterar las mediciones.

La primera frecuencia modal que afecta a las mediciones de datos de interés está por encima de los 700 Hz.

La tecnología lineal EMA es una fuente ideal para la entrada sinusoidal limpia y la baja distorsión armónica que el sistema requeriría para un prueba eficaz de "risa". La tecnología EMA de MTS combina imanes de neodimio fijos de alta fuerza y motores eléctricos móviles con núcleo de aire (sin hierro). La falta de metales ferrosos hace que el motor sea extremadamente liviano, que es lo que permite la respuesta de alta frecuencia y la alta aceleración del actuador. El motor sin hierro también significa que no hay fuerza de atracción entre el motor y el imán y, por lo tanto, no hay riesgo de efectos de engranaje que puedan comprometer la forma de onda de velocidad.

Comando (azul) frente a la respuesta (rojo), que indica una baja distorsión armónica total (THD) para una excitación de 15 Hz.

El resultado de esta fusión es el sistema de amortiguación NVH modelo 853, diseñado especialmente para las pruebas NVH de los amortiguadores.

En cuanto a las especificaciones, el sistema realizará mediciones con fidelidad y precisión de hasta 700 Hz. Tendrá una capacidad nominal de 15 a 20 kN, proporcionará una fuerza dinámica y una velocidad simultáneas de 3 m/s y una fuerza estática de 1 kN estándar con una capacidad aumentada opcional. La versátil tecnología del controlador FlexTest® hará que el sistema sea capaz de reproducir prácticamente cualquier tipo de señal (bloque sinusoidal, barridos, señales de carretera). Además, el control PIDF (proporcional integral derivativo) de gran ancho de banda le permitirá seguir con precisión una forma de onda determinada sin iteraciones.

El Sistema de amortiguación NVH modelo 853, diseñado especialmente para las pruebas NVH de los amortiguadores.

Saari considera que el modelo 853 ayudará a los laboratorios de pruebas a realizar pruebas de "risa" con mayor facilidad, a abordar toda la gama de fenómenos de ruido de los amortiguadores estándar, incluidos los silbidos y los chirridos, a realizar la caracterización básica de los amortiguadores e incluso a proporcionar la funcionalidad de pruebas de elastómeros. "Este nuevo sistema será un avance importante en el campo de las pruebas de NVH", afirma Saari. "Llena un vacío crítico en los laboratorios de prueba de amortiguadores y ofrece a los equipos de prueba el equipo estandarizado necesario para abordar un problema persistente en el ciclo de desarrollo".