Fot. Delphi

Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne amortyzatorów MagneRide

Zawieszenia półaktywne mają na celu poprawę komfortu i bezpieczeństwa jazdy dzięki wykorzystaniu mecha- tronicznych elementów wykonawczych i procesorowych układów sterowania.

Rozwiązania tego rodzaju stosowane są coraz częściej jako standardowe wyposażenie samochodów klasy wyższej i opcjonalne w klasie średniej. Z technicznego punktu widzenia wymaga się od takich układów:

• regulacji intensywności tłumienia, a przez to ilości rozpraszanej energii drgań pionowych samochodu, w zależności od warunków drogowych, w czasie rzeczywistym, w celu uzyskania pożądanej charakterystyki pojazdu (np. koncepcje: skyhook – nastawiona na komfort jazdy i izolację nadwozia od drogi lub groundhook – stosowana dla uzyskania wybitnie sportowej charakterystyki zawieszenia);
• minimalnego poboru mocy – głównie przez elementy sterujące charakterystykami zawieszeń w czasie rzeczywistym;
• umiarkowanego stopnia skomplikowania konstrukcji i kosztów jej wykonania, zwłaszcza w porównaniu z systemami całkowicie aktywnymi.

Z kolei sam amortyzator półaktywny musi cechować się:

• odpowiednim zakresem sił tłumienia, pozwalającym zapewnić wymagany jego poziom we wszystkich warunkach przewidywanych przez algorytm sterowania;
• szybką reakcją (odpowiednią zmianą charakterystyki w odpowiedzi na otrzymany sygnał sterujący);
• powtarzalnością i stabilnością charakterystyk w danych warunkach pracy oraz w miarę wzrostu przebiegu samochodu.

Wymagania te są zazwyczaj realizowane przez układy elektromechaniczno-hydrauliczne wykonane w technice zaworów proporcjonalnych, z programowalnym sterownikiem mikroprocesorowym. Konsekwencją tego jest wysoki stopień skomplikowania konstrukcji oraz procesu produkcyjnego, co może również obniżać niezawodność układu. System opracowany przez Delphi eliminuje w znacznej mierze te niedogodności, stanowiąc swego rodzaju rewolucję w rozwoju zawieszeń półaktywnych.

^{Rys.: Zasada działania amortyzatora z płynem magnetoreologicznym}

Założenia konstrukcyjne – innowacyjność rozwiązań

Amortyzator MagneRide™ (oznaczany w dalszej części tekstu też skrótem MR) ma inną konstrukcję niż stosowane dotąd powszechnie amortyzatory z elektrozaworami. Jego częścią mechaniczną, odpowiedzialną za generowanie sił tłumienia, jest tłok z kanałami o stałej geometrii (brak ruchomych elementów zaworowych) i z wbudowaną cewką emitującą pola elektromagnetyczne. Kluczowym elementem jest płyn magnetoreologiczny, czyli zawiesina ferromagnetycznych cząstek w oleju syntetycznym. Jej własności fizyczne zmieniają się zależnie od działającego na nią pola magnetycznego. Jeśli pola magnetycznego nie ma, płyn zachowuje się jak ciecz newtonowska (lepka), podobnie jak inne typowe oleje, natomiast w polu magnetycznym wykazuje własności typowe dla cieczy plastyczno-lepkiej, opisanej modelem Binghama (zmiana własności następuje w czasie << 1 ms).

Opór hydrauliczny płynu magnetoreologicznego rośnie wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego. Tak więc zależność sił tłumienia od wartości natężenia prądu elektrycznego generującego pole elektromagnetyczne jest prawie liniowa, co znacznie ułatwia sterowanie amortyzatorem. Rozpiętość sił tłumienia (czyli stosunek maksymalnej siły przy przyłożonym polu elektromagnetycznym do siły generowanej przy nieobecności pola) osiąga 14:1 przy prędkości tłoczyska 0.3 m/s, nie spadając poniżej 6:1 w zakresie prędkości tłoczyska od 0 do 1 m/s.

Innowacyjność rozwiązania polega na sterowaniu tłumieniem poprzez modyfikację własności cieczy roboczej, a nie przez dławienie jej przepływu (na zasadzie podobnej do stosowanej w amortyzatorach pasywnych) elektromechanicznymi elementami zaworowymi.

W skład systemu wchodzą również: sterownik, 4 czujniki ugięcia zawieszeń oraz przełącznik pozwalający kierowcy wybierać rodzaj charakterystyki tłumienia (sportową lub komfortową). Jest to funkcja specyficzna dla zawieszenia MR. Do sterowania wykorzystywane są również sygnały z czujników: przyspieszeń, prędkości, kąta obrotu kierownicy, układu napędowego i hamulcowego, a także z systemów kontrolujących dynamikę jazdy (ESC, ABS itp.).

Zalety systemu

System MagneRide™ odznacza się szerokim zakresem możliwych do uzyskania charakterystyk tłumienia, szczególnie w zakresie niskich prędkości pionowych ruchów zawieszeń. Drugą istotną właściwością systemu jest krótki czas jego reakcji. Zarówno pętla algorytmu sterowania, jak i reakcja amortyzatora na impuls sterujący trwają zaledwie przez jedną milisekundę.

W skrajnym przypadku, gdy siły tłumienia muszą wzrastać od minimum do maksimum, 100% pożądanej siły tłumienia uzyskuje się w ciągu kilkunastu milisekund.

^{Rys.: Układ sterowania systemu MagneRide}

Dzięki tym cechom system umożliwia zwiększenie komfortu jazdy przy jednoczesnej poprawie kontaktu koła z jezdnią w szerokim zakresie zmian charakterystyki, wymuszanych różnymi rodzajami nawierzchni i zmiennymi prędkościami jazdy. Zapewnia też polepszenie stateczności pojazdu podczas pokonywania ostrych zakrętów. Ponadto daje kierowcy możliwość przełączania trybu pracy zawieszenia ze sportowego na komfortowy i odwrotnie.

Pozostałe zalety to:

• niski pobór mocy (20 W dla jednego amortyzatora i najwyżej 100 W dla całego systemu),
• zwiększona niezawodność w stosunku do systemów wykorzystujących zawory elektromechaniczne (brak części ruchomych wewnątrz amortyzatora, dokładniejsza powtarzalność operacji wykonywanych przy produkcji seryjnej dzięki nieskomplikowanej geometrii i niewielkiej liczbie współpracujących elementów.

Kompatybilność z systemami stabilizacji toru jazdy umożliwia wykorzystywanie ich sygnałów, a także udział sterowania tłumieniem amortyzatorów w pracy układów odpowiedzialnych za dynamikę ruchu całego samochodu.

Pod względem ilości miejsca zajmowanego w pojeździe amortyzatory MR są porównywalne ze swymi tradycyjnymi (pasywnymi) odpowiednikami, a równocześnie mają mniejszą masę niż systemy z zaworami i mniej skomplikowane części mechanicznie. Płyn MR charakteryzuje się jednak znacznie większą masą właściwą w porównaniu ze standardowym olejem amortyzatorowym.

Trwałość i niezawodność

Charakter zastosowanego medium (zawiesina z cząstkami żelaza) sprawia, że elementy wewnętrzne amortyzatora muszą spełniać podwyższone wymagania w zakresie trwałości, a zwłaszcza odporności na ścierne zużycie. Dotyczy to szczególnie elementów ślizgowych i pokryć innych współpracujących ze sobą powierzchni, jak również uszczelnień. Pierwsze powinny odznaczać się zwiększoną twardością i niskim współczynnikiem tarcia, a drugie – odpornością na agresywne działanie cząstek metalowych.

Substancją bazową płynu magnetoreologicznego jest ciecz stabilna i odporna na degradację swych właściwości w szerokim zakresie temperatur. Opatentowane dodatki polepszają funkcjonalność i trwałość płynu, gdyż mają działanie antyutleniające i zmniejszające tarcie itp.

Obecny poziom rozwoju konstrukcji i jakość zastosowanych materiałów zapewniają skuteczne działanie amortyzatorów MagneRide™ przez około 200 000 km przebiegu pojazdu. Zostało to zweryfikowane laboratoryjnie w przyspieszonych testach trwałościowych oraz poprzez monitoring danych serwisowych z sieci dealerskich.

Zastosowania

Prace badawczo-rozwojowe związane z tym innowacyjnym systemem rozpoczęły się na początku lat 90. Pierwsze produkty seryjne znalazły zastosowanie w samochodach Cadilac Seville i Chevrolet Corvette C5, modele z lat 2002-2003. Obecnie system MR wykorzystuje kilku wiodących producentów samochodów na  świecie: Audi (TT, R8), General Motors (Chevrolet Corvette C6, Cadillac DTS, STS i CTS-V, Holden HSV, Buick Lucerne), Ferrari (599GTB), Honda (Acura MDX). Po drogach całego świata jeździ już ponad 275 tys. pojazdów wyposażonych w system MR.

Kierunki rozwoju

Delphi jako producent systemów MR prowadzi dalsze prace badawczo-rozwojowe ukierunkowane na wyeliminowanie ich obecnych niedoskonałości, a zarazem zwiększanie ich funkcjonalności. Prace te dotyczą optymalizacji:

• własności cieczy (trwałość, zakres temperatur roboczych, zwiększenie efektu MR, niższy koszt wytwarzania);
• komponentów amortyzatora (zmniejszenie niepożądanego tarcia, zwiększenie trwałości);
• reakcji amortyzatora na warunki pracy zawieszenia (zwiększenie zakresu sił tłumienia, skrócenie czasu reagowania – także w przypadku awarii zasilania, ewolucja algorytmu sterującego).

Równocześnie, we współpracy z producentami samochodów, którzy zdecydowali się zastosować system MagneRide™ w modelach debiutujących w ciągu kilku następnych lat, trwają prace mające na celu optymalne dostrojenie elementów wykonawczych systemu, czyli amortyzatorów oraz układu sterowania, do projektowanego samochodu oraz wielostronne badania laboratoryjne i drogowe, weryfikujące trwałość i niezawodność konstrukcji.

Niedługo ujrzymy innowacyjne amortyzatory MR w kolejnych markach i modelach pojazdów, w tym również w bardziej popularnych samochodach osobowych i terenowych.

Od początku przyszłego roku technologia MagneRide będzie dalej rozwijana przez nowego właściciela fabryki w Krośnie (BeijingWest Industries Co., Ltd.) kontynuującego dotychczasowe kontrakty, a techniczne aspekty projektów pozostawać będą nadal pod kontrolą specjalistów Delphi.

^{Rys.: Modele samochodów wyposażanych fabrycznie w system MagneRide}

Tweet

Sławomir Dzierżek
Menedżer Działu Projektowania Amortyzatorów i Modułów Zawieszeń w Centrum Technicznym BWI Group w Krakowie (poprzednio Delphi)