Hydropneumatické odpružení

Hydropneumatické odpružení: rychlejší a cenově příznivější řešení díky stavebnicovým / modulárním regulačním systémům.

Hydropneumatické systémy odpružení zvyšují komfort a výkonnost vozidel.

To, že jsou v současné době používány pouze v určitých vozidlech, je důsledkem zejména konstrukční náročnosti a vysokých nákladů na komponenty odpružení.

ARGO- HYTOS nyní nabízí modulární systém, který kromě zlepšeného poměru náklady – užitná hodnota také snižuje konstrukční náročnost.

Dvě hydraulická řešení, vyvinutá speciálně za tímto účelem, nabízejí mimo to i značné výhody oproti stávajícím známým systémům.

Komfort, produktivita a hospodárnost patří dnes k nejčastějším požadavkům, kladeným na vlastnosti mobilních strojů. Stoupající nároky na komfort přitom vycházejí především ze směrnice 2002/44/EG, která definuje přípustné denní zatížení řidiče vibracemi. Jinými slovy: čím méně vibrací pronikne až k řidiči – tím pohodlněji jede a tím déle je mu dovoleno pracovat. Toto kritérium může zvláště u prací v terénu rozhodovat o tom, zda řidič smí určitou práci provádět po celý pracovní den, nebo ji musí předčasně přerušit.

Komfort tedy není spojován pouze s osobním pohodlím, ale i s konkrétní optimalizací pracovní doby a tím i s efektivitou. Zvýšený komfort navíc umožní řidiči provádět pracovní úkony rychleji a precizněji, čímž se zvyšuje jeho efektivita a produktivita.

K dosažení tohoto komfortu je třeba takový systém odpružení, který znemožní přenos vibrací, způsobených nerovnostmi povrchu, na podvozek vozidla, resp. na řidiče. Hydropneumatické systémy odpružení mohou být umístěny na různých místech vozidla.

Typické jsou tři případy aplikace: odpružení kol nebo nápravy, odpružení kabiny a odpružení výložníku, resp. naloženého břemene. U odpružení kol / nápravy se přidává ještě jedna důležitá výhoda: vyrovnávají se síly, působící na jednotlivá kola, resp. přítlak kol k terénu, a tím se zlepšuje přenos tažné síly. Tím stoupá jak efektivita, tak produktivita, což vede k další ekonomické optimalizaci.

Typické pro vozidla s častou změnou zátěže je použití odpružení s nastavitelnou výškou. Ve většině případů je to hydropneumatické odpružení, tedy systém, skládající se z válce odpružení, hydropneumatického akumulátoru a systému regulace polohy (schematické znázornění viz obr. 1).

V současnosti se odpovídajícími systémy odpružení vybavují téměř výhradně vozidla třídy Premium a vozidla, vyráběná ve vysokém počtu kusů. K tomu se přidávají různé speciální aplikace, které by měly být odpružením vybaveny. Důvodem pro chybějící odpružení jsou současné vysoké náklady na vývoj (a tím i výrobní náklady) ve spojení s dlouhou dobou, investovanou do vývoje. Obojí platí především tehdy, když OEM zavede systém odpružení na svém vozidle poprvé nebo i tehdy, pokud má být integrován nejbližší vyšší stupeň vývoje. Tato překážka je často důvodem, proč je rozhodnutí pro využití odpružení odkládáno, přestože výše popsané výhody jsou zřejmé.

Cílem společnosti ARGO-HYTOS proto je pro společnosti OEM, které projevily zájem, usnadnit vstup do technologie hydropneumatických systémů odpružení nebo do jejich dalšího vývoje. Je třeba snížit náklady na vývoj a podstatně zkrátit dobu, na něj vynaloženou. Toho se dosáhne pomocí nové strategie, která se vyznačuje především třemi výhodami:

1. Standardizovaný modulární regulační systém pro hydropneumatické odpružení – skládající se z hydrauliky a elektroniky
2. jednoduché přizpůsobení tohoto systému specifickým přáním zákazníka díky výběru vhodných modulů a parametrů
3. Podpora a poradenství zákazníkovi, zejména při integraci celkového systému odpružení do vozidla a při jeho zprovoznění

Výhody pro OEM jsou zřejmé:

1. Prototypové systémy jsou k dispozici velmi rychle.
2. Standardní moduly, s parametry nastavenými pro danou aplikaci, lze použít jako řešení pro série s malým a středním počtem kusů.
3. Pro velké počty kusů a/nebo speciální podmínky prostoru zástavby lze odvodit speciální zákaznické moduly modifikací prototypů.

Modulární regulační systém, vyvinutý na této bázi, se skládá, jak ukazuje obr. 2, z hydraulického řídícího bloku, který je spojen s elektronickou řídící jednotkou. Ta řídí, jako kontrolní centrum, veškeré funkce hydraulického řídícího bloku a získává informace z ovládacího panelu, různých snímačů a případně i ze sběrnice CAN BUS vozidla. Hydraulický řídící blok je spojen s válcem pérování, aby bylo možné řídit polohu pístu válce a tlak v  prostoru pístnice. Doplňkově může být hydraulický řídící blok spojen i s prostorem nad pístem válce a hydropneumatickým akumulátorem pro dosažení regulace tlumení nebo zablokování odpružení.

Regulační systém je propojen s vozidlem pro zajištění napájení elektrickou energií a tlakovou hydraulickou kapalinou. Regulační systém podporuje také LS-systémy (standard a „common rail“) s čerpadly s konstantním nebo proměnným geometrickým objemem. Napětí palubní sítě je možné od 12V do 24V.

Přizpůsobení systému požadavkům zákazníka se provádí jak výběrem vhodných modulů, tak nastavením parametrů těchto modulů. Co se týká hydrauliky, existují různé moduly, pomocí kterých lze ovládat různé druhy hydropneumatického odpružení (jednočinné, dvojčinné, konstantní nebo s proměnnou tuhostí atd.).

Potřebná hydraulika se sestává přinejmenším ze základního modulu. Je to řídící blok, který slouží k regulaci polohy, a proto odvádí z nebo přivádí do prostoru nad pístem válce odpružení olej. Zvláštností tohoto bloku je, že vystačí pouze s jedním elektromagnetickým ventilem v proporcionálním provedení a potřebuje pouze jeden elektromagnet (viz obr. 3). To má dvě výhody: oproti dosud běžným řídícím blokům se ušetří nejméně jeden elektromagnet a nastavení polohy lze řídit spojitě. To znamená: při malých změnách polohy je možno reagovat velmi citlivě a při velkých změnách polohy (nebo také při nízkých teplotách a tím vysoké viskozitě oleje) lze ventil úplně otevřít a tím opět rychle nastavit požadovanou polohu (rozsah regulace 2,5 až 25 l/min). Ventil a požadované přestavování v bloku regulace polohy a v řídícím bloku jsou patentovány.

Navíc existují různé moduly pro nastavení tlaku v prostoru pístnice u předepnutých systémů odpružení (obr. 4). Tím lze měnit tuhost systému v širším rozsahu. Modul pro hydromechanickou regulaci tlaku je k dispozici ve třech variantách. První provedení zajišťuje konstantním tlak, druhé provedení modulu řídí tlak podle předem nastavené charakteristiky (varianta používaná zvláště pro traktory; udělen německý patent). Třetí provedení modulu nabízí plynulé řízení tlaku a tím i výhodu měkkého a plynulého zvyšování tlaku, a tím i tuhosti odpružení, při snižování zátěže. Poslední provedení modulu využívá pro regulaci tlaku v prostoru pístnice proporcionální rozváděč, který ve spojení s tlakovým snímačem zajišťuje plynulé elektrohydraulické nastavení tlaku. To umožňuje optimální přizpůsobení tuhosti odpružení dané provozní situaci.

Kromě toho lze pomocí modulu pro řízení tlaku nad pístem měnit průtok oleje mezi prostorem válce odpružení a hydraulickým akumulátorem. Tím lze nastavit úroveň tlumení nebo úplně zablokovat hydropneumatické odpružení. Pro tyto funkce se používají proporcionální nebo přepínací ventily. Stavebnicově uspořádané moduly řídícího hydraulického bloku umožňují také selektivní odpojení části obvodu s prostorem nad pístem ve válci. Místo popsaného modulu lze variantně použít víceválcový modul, který umožňuje oddělení dvou hydropneumatických akumulátorů a tím zajištění stability proti výkyvům.

Jednotlivé hydraulické moduly jsou vzájemně sešroubovány. Manipulace s nimi je velmi jednoduchá a jednotlivé plochy modulů mají shodné využití (viz obr. 5): připojovací plochy modulů vpravo a vlevo, vstup pro napájení modulů vzadu, vstupy pro připojení obvodu odpružení vpředu, ventily montované na vrchní ploše a závity pro mechanické upevnění dole. Samozřejmě lze hydraulický blok namontovat v libovolné poloze. K systému lze rovněž dodat hydropneumatické akumulátory různých velikostí a tlakových stupňů podle dimenzí systému odpružení. Díky optimálnímu poměru cena-výkon bývají nejčastěji používány membránové akumulátory, svářené elektronovým paprskem.

Na přání zákazníka lze dodat rovněž potřebnou elektroniku, která se skládá minimálně ze snímače polohy a řídící elektronické jednotky. Ta je přednastavena podle typu hydraulického obvodu a lze ji výběrem algoritmů a parametrů přizpůsobit dané aplikaci. Elektroniku je možné doplnit ovládacím panelem s prvky umožňujícími nastavení požadované polohy a parametrů systému odpružení. Řídící jednotka může přijímat další údaje ze sběrnice CAN vozidla, aktuálně je připravena pro protokol CANopen, ale použití jiných protokolů je také možné. Pro jednoduché nastavování a indikaci parametrů a režimů odpružení i pro kontrolu funkce systému je k dispozici dotykový displej.

Elektronika umožňuje proporcionální regulaci polohy a regulaci tuhosti a tlumení odpružení. Pro zlepšení komfortu a jízdních vlastností lze přizpůsobit vlastnosti odpružení konkrétní jízdní a pracovní situaci pomocí adaptivního regulačního algoritmu. Možné je i manuální nastavování. Pro tlumení se v současné době vyvíjí semi-aktivní regulace na bázi rychle spínaného proporcionálního rozváděče.

Celý systém se nyní nachází ve stádiu přechodu od prototypu do ověřovací série. Systém byl úspěšně otestován v laboratoři na zátěžovém simulátoru ARGO-HYTOS (obr. 6a). Pomocí programu DSHplus byla provedena simulace zátěže systému (simulace Hardware-In-the-Loop) a tak bylo řízení oživeno a otestováno nejprve ve virtuálním systému. Následovaly testy modulárního systému odpružení v praxi na traktoru, u kterého byl deaktivován jeho původní systém a místo něho byl namontován systém odpružení ARGO-HYTOS (obr. 6b). Regulace polohy byla na vozidle úspěšně otestována již dříve, nyní probíhají pokusy s regulací tuhosti a tlumení.

V projektech zákazníků nabízíme použití modulárního systému odpružení již ve fázi prototypu vozidla.

V první fázi vypracuje ARGO-HYTOS pomocí výpočetních a simulačních programů návrh vhodného typu a parametrů odpružení a vhodnou kombinaci modulů. Následují testy na vozidle, při kterých se ověří návrh, optimalizují parametry a definitivně stanoví konfigurace modulů i jejich nastavení.  V dalším kroku se zákazník rozhodne, zda použije validované modulové řešení i pro sériovou výrobu nebo bude požadovat speciální zákaznický řídící hydraulický blok. Speciální modifikovaný blok bývá řešením především v případech, kdy jsou k dispozici pouze omezené zástavbové prostory, nebo při hledání cesty ke snížení výrobních nákladů při výrobě většího počtu kusů. V tomto případě vytvoří ARGO-HYTOS modifikovaný hydraulický blok podle potřeb zákazníka, který zajistí již ověřené funkce.

Hydropneumatické odpružení zlepšuje komfort a produktivitu vozidel. ARGO-HYTOS přichází s modulárním systémem, který nabízí optimální poměr náklady-využití a snížené náklady na vývoj.

Autoři:
Dr. Wolfgang Bauer zodpovídá v úseku Advanced Engineering skupiny ARGO-HYTOS za oblast systémové techniky

Dr. Marcus Fischer je Chief Technical Officer skupiny ARGO-HYTOS

 

Technical Data