Detektering av avvikelser i oljenivå hos hydrauliska dämpare i en ledbuss
JOHAN THOLÉN
Examensarbete
Stockholm, Sverige 2010
Detektering av avvikelser i oljenivå hos hydrauliska dämpare i en ledbuss
av
Johan Tholén
Examensarbete MMK 2010:38 MDA 371 KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion
Examensarbete MMK 2010:38 MDA 371
Detektering av avvikelser i oljenivå hos hydrauliska dämpare i en ledbuss
Johan Tholén
Godkänt
2010-04-26
Examinator
Jan Wikander
Handledare
Bengt Eriksson
Uppdragsgivare
Scania CV AB
Kontaktperson
Oscar Robertsson
Sammanfattning
En stor del av Scanias ledbussar har motorn monterad i den bakre delen av bussen vilket innebär att den bakre delen puttar den främre delen framför sig. Bussens främre och bakre del är sammanbundna med en ledenhet. I ledenheten sitter två hydrauliska cylindrar avsedda att verka som dämpare vid vridning av leden. Scanias styrsystem ACS, Articulation Control System, reglerar de semiaktiva dämparnas styvhet utifrån parametrar så som ledvinkel, ledvinkelhastighet och fordonshastighet. För att systemet ska fungera optimalt bör ingen av dämparna ha en låg oljenivå.
Syftet med detta examensarbete är att ta fram en metod för att under körning detektera om oljenivån i någon av dämpcylindrarna i ledenheten avviker från den nominella. En felaktigt låg oljenivå tyder på att läckage av hydraulolja har förekommit och att dämparens funktion därför är begränsad vilket kan innebära en säkerhetsrisk i vissa situationer.
Den första delen av examensarbetet beskriver mätningar på en dämpare monterad i provrigg samt två dämpare monterade i buss. Mätningarnas syfte är att försöka fastställa hur en låg oljenivå yttrar sig i dämparens beteende. Det viktigaste resultatet av mätningarna är att en dämpare med en låg oljenivå som utsätts för en påtvingad rörelse uppvisar en långsammare uppbyggnad av trycket i den cylinderkammare som under rörelsen utsätts för kompression. Detta förklaras med hjälp av den effektiva tryckmodulen för en vätska som sjunker då en större mängd gas inblandas i vätskan. Detta resulterar i en avsaknad av dämpkraft i början av varje rörelse.
En black-boxmodell för att kunna estimera trycket i nämnda kammaren utifrån ledvinkel och styrsignal tas fram och en stoppregel används för att detektera avvikelser mellan det modellerade trycket och det verkliga. För att undvika falska varningar från stoppregeln görs algoritmen selektiv så att den för varje sväng som bussen gör utvärderar om modellen kan anses vara giltig under svängen och om resultatet därmed bör bidra till diagnosen av dämparen. Efter tillräckligt många giltiga detektionstillfällen anses dämparen ha en för låg oljenivå.
Algoritmen implementeras först i Matlab och sedan i C-kod för att kunna testas på en verklig styrenhet i buss. Slutsatsen blir att den framtagna metoden är lovande men måste testas mera.
Tester indikerar klart att metoden fungerar men även att en del utveckling återstår innan den är
tillräckligt pålitlig.
Master of Science Thesis MMK 2010:38 MDA 371
Detection of oil level deviations in hydraulic dampers of an articulated bus
Johan Tholén
Approved
2010-04-26
Examiner
Jan Wikander
Supervisor
Bengt Eriksson
Commissioner
Scania CV AB
Contact person
Oscar Robertsson
Abstract
A major part of Scania articulated buses have a rear mounted engine which means that the rear part of the bus is pushing the front part in front of itself. The rear is connected to the front through an articulation unit that includes two hydraulic cylinders meant to work as dampers on the rotating motion around the vertical axis of the joint. The Articulation Control System, ACS, controls the stiffness of the semi-active dampers by reading the articulation angle, angular velocity, the vehicle velocity and more. For the control system to work as intended none of the dampers are allowed to have a low oil level.
The purpose of this thesis is to develop a method for real-time detection of low oil levels in any of the dampers. A low oil level implies that there has been a leakage and that the damper might be suffering from a limited functionality which could be considered a safety risk in certain situations.
In the first part of the thesis an analysis of several tests done on a damper mounted in a test rig and on two dampers mounted in a bus are presented. The purpose of these tests is to develop an understanding of how the normal behaviour of a damper differs from the behaviour of a damper with less oil in it. The most important result is that when a damper with a low oil level is subject to a forced motion the pressure builds up slower in the cylinder chamber under compression than in the regular case. This is explained by the effective bulk modulus variation due to the larger proportion of gas in the oil and results in a decrease of damping force during the beginning of each motion.
A black-box model is developed to be able to estimate the pressure in the mentioned cylinder chamber from the articulation angle and control signal of the damper and a stop rule is used for detection of errors between the estimated and the real pressure. To avoid false warnings from the stop rule the algorithm is constantly considering if the model is valid in the situation and if the results should contribute to the diagnosis of the damper. After a certain amount of valid warnings the oil level in the damper is considered low.
The algorithm is implemented in Matlab and in C for testing on a control unit in a bus. The
conclusion is that the presented method is promising but that further testing is needed. Tests
verify the functionality of the method but in order to make the method more reliable more work
Inneh˚ all
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . . 1
1.2 Syfte . . . . 1
1.3 M˚ al . . . . 1
1.4 Avgr¨ ansningar . . . . 1
1.5 Metod . . . . 2
1.6 Rapportens uppl¨ agg . . . . 2
2 Bakgrundsteori 3 2.1 Ledbussens ledenhet . . . . 3
2.2 Hydraulik . . . . 3
2.2.1 Hydraulcylindern . . . . 4
2.2.2 Hydraulv¨ atska . . . . 4
2.2.3 T¨ atningar och l¨ ackage . . . . 5
2.2.4 Ventiler . . . . 6
2.3 Feldetektering i tekniska system . . . . 7
2.3.1 Terminologi . . . . 7
2.3.2 Grundid´ en f¨ or feldetektering . . . . 7
2.3.3 Modeller . . . . 8
2.3.4 Metoder f¨ or detektering av f¨ or¨ andringar i ett system . . . . 8
2.4 Utv¨ arderingsmetoder . . . . 9
3 M¨ atning p˚ a en d¨ ampare 11 3.1 Provrigg . . . . 11
3.2 M¨ atfall . . . . 11
3.3 Analys av m¨ atdata . . . . 12
3.3.1 Statisk styrsignal och minskande oljeniv˚ a . . . . 12
3.3.2 Statisk styrsignal och minskande oljeniv˚ a: Kraft-l¨ age . . . . 14
3.3.3 Pulsad styrsignal och minskande oljeniv˚ a . . . . 18
3.3.4 Statisk styrsignal och varierad hastighet . . . . 20
3.3.5 Proportionalventilen . . . . 22
3.3.6 En energibetraktelse av d¨ amparen . . . . 23
3.4 Sammanfattning av viktiga m¨ atresultat . . . . 24
3.5 M¨ atresultatens giltighet . . . . 25
4 Koncept 26 4.1 Koncept f¨ or en isolerad d¨ ampare . . . . 26
4.1.1 Modell och detektion av avvikelser . . . . 26
4.1.2 Detektion av testsekvens . . . . 27
4.2 Koncept f¨ or hela ledenheten . . . . 27
4.2.1 Ett exempel f¨ or att beskriva principen . . . . 27
5 Utveckling av modell och algoritm 29
5.1 Filtrering av sensorsignaler . . . . 29
5.2 Modellering . . . . 29
5.2.1 En f¨ orsta modell av d¨ amparen . . . . 29
5.2.2 En vidareutvecklad modell av d¨ amparen . . . . 30
5.2.3 En black-boxmodell av d¨ amparen . . . . 31
5.2.4 Identifiering av parametrar . . . . 32
5.3 Vinkelhastighet och kraftf¨ orh˚ allanden . . . . 32
5.3.1 F¨ orh˚ allandet mellan h¨ avarmarna och moment . . . . 32
5.3.2 Koordinattransformation . . . . 33
5.4 Modellverifiering . . . . 34
5.5 Detekteringsalgoritm f¨ or tryckavvikelser . . . . 34
5.5.1 Normering av avvikelsen . . . . 34
5.5.2 Inst¨ allningsparametrar f¨ or stoppregel och normering . . . . 35
5.6 Feldetekteringsalgoritm f¨ or d¨ amparna . . . . 35
5.6.1 Kriterier f¨ or utv¨ ardering av testsekvenser . . . . 35
5.7 Verifiering av feldetekteringsalgoritm . . . . 36
6 Prototyp 39 6.1 Linj¨ arisering av koordinattransformation . . . . 39
6.2 Prototypkod . . . . 40
6.3 Test av prototyp . . . . 40
7 Diskussion 42 7.1 Metodens begr¨ ansningar . . . . 42
7.2 Framtida arbete . . . . 43
7.3 Slutsats . . . . 43
8 Referenser 45
A M¨ atfall f¨ or provrigg 46
B Kraft-hastighetsdiagram 47
C Modellalternativ 50
D F¨ orh˚ allandet mellan d¨ amparnas kammartryck 53
E Koordinattransformation 54
F Utv¨ ardering av modell 55
G Utv¨ ardering detekteringsalgoritm 57
H D¨ amparens hydrauliska system 58
I Fl¨ odesschema f¨ or detekteringsalgoritm 59
Johan Thol´ en 1 INTRODUKTION
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Scania tillverkar m˚ anga olika sorters bussar bl.a. ledbussar. En stor andel av Scanias ledbussar har motorn monterad i den bakre delen av bussen vilket inneb¨ ar att bussens bakre del puttar den fr¨ amre delen framf¨ or sig. Bussens fr¨ amre och bakre del ¨ ar sammanbundna med en ledenhet. I ledenheten sitter tv˚ a hydrauliska cylindrar avsedda att verka som d¨ ampare vid vridning av leden i horisontalplanet. Dessa ¨ ar till f¨ or att minska horisontella oscillationer i bussens bakre del under k¨ orning.
En d¨ ampares d¨ ampkraft styrs genom en proportionalventil som verkar som en variabel strypning i d¨ amparen. De b˚ ada d¨ amparnas ventiler styrs av en styrenhet kallad ACS, Articulation Control System, som bl.a. reglerar ledens styvhet utifr˚ an parametrar s˚ a som ledvinkel, ledvinkelhastighet, fordonshastighet, m.m. F¨ or att d¨ ampningen i leden ska fungera som t¨ ankt b¨ or hydraulcylindrarna inte inneh˚ alla f¨ or lite olja. Detta ¨ ar framf¨ orallt vikigt t.ex. vid h¨ aftiga undanman¨ ovrar, ett tillf¨ alle d˚ a kraven p˚ a kontroll ¨ over d¨ amparna spelar en stor roll. En typisk orsak till att olja l¨ acker kan vara ˚ aldersrelaterat slitage p˚ a t¨ atningar. Om cylindrarna har en felaktig oljeniv˚ a inneb¨ ar detta att bussen inte reagerar som t¨ ankt vid snabba f¨ orlopp, vilket kan ge upphov till farliga situationer. En s¨ aker metod f¨ or att detektera oljel¨ ackage i realtid under k¨ orning genom att utnyttja sensordata beh¨ ovs.
1.2 Syfte
Syftet med detta examensarbete ¨ ar att ta fram en metod f¨ or att under k¨ orning detektera om oljeniv˚ an i n˚ agon av d¨ ampcylindrarna i ledenheten p˚ a en ledbuss fr˚ an Scania avviker fr˚ an den nominella.
1.3 M˚ al
1. Att ta fram en metod f¨ or att detektera en felaktig oljeniv˚ a i hydraulcylindrarna genom avl¨ asning av befintliga sensorer.
2. Att implementera metoden i form av en prototyp som kan testas i en buss.
1.4 Avgr¨ ansningar
F¨ or att examensarbetet inte ska ¨ overskrida sin tidsram och f¨ or att f¨ ortydliga uppgiften g¨ ors vissa avgr¨ ansningar.
• Den framtagna prototypen beh¨over endast meddela om en cylinder har en felaktig oljeniv˚ a genom en lampa som t¨ ands eller en annan enkel indikation. Prototypen beh¨ over inte ange n˚ agot om den oljem¨ angd som fattas eller orsaken till detta, endast att niv˚ an ¨ ar felaktig ¨ ar relevant.
• Prototypen kommer att baseras p˚ a l¨ amplig h˚ ardvara som st¨ odjer insamling av
sensorv¨ arden och signaler fr˚ an befintliga sensorer.
Johan Thol´ en 1 INTRODUKTION
1.5 Metod
Examensarbetet kan indelas i f¨ oljande steg f¨ or att uppn˚ a m˚ alen:
• Litteraturstudie.
• Empiriska studier. F¨or att samla kunskap kring hur systemet som d¨amparen utg¨or beter sig vid olika oljeniv˚ aer. H¨ ar ing˚ ar m¨ atningar p˚ a en enskild isolerad d¨ ampare samt m¨ atningar i buss.
• Modellering. En modell skapas som representerar ett normalt beteende utifr˚ an givna sensordata.
• Implementering. Algoritmer f¨or att l¨osa examensarbetets problem tas fram.
1.6 Rapportens uppl¨ agg
Rapporten ¨ ar i princip upplagd p˚ a samma s¨ att som metoderna ¨ ar uppr¨ aknade.
Inledningsvis ges en teoribakgrund varefter de m¨ atningar som gjorts p˚ a den isolerade d¨ amparen samt de resultat m¨ atningarna gett presenteras. I del 4 beskrivs ett l¨ osningskoncept. Utvecklingen av modell och algoritmer beskrivs i del 5. D¨ arefter beskrivs prototyputvecklingen d¨ ar l¨ osningen anpassas till en verklig realtidsl¨ osning.
Slutligen diskuteras examensarbetets resultat, sv˚ arigheter och begr¨ ansningar och rekommendationer f¨ or framtida arbete ges. Meningen ¨ ar att parallellt med det tekniska
¨ aven synligg¨ ora tillv¨ agag˚ angss¨ att och problem.
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
2 Bakgrundsteori
I detta kapitels f¨ orsta del beskrivs kort ledbussens ledenhet varefter omr˚ adet hydraulik behandlas. Kapitlets f¨ orsta del ¨ ar huvudsakligen baserad p˚ a [9], [11] och [1]. I andra delen behandlas feldetektering i tekniska system och terminologi och generella metoder f¨ or feldetektering beskrivs.
2.1 Ledbussens ledenhet
Ledbussen ¨ ar en busstyp t¨ ankt f¨ or trafik i innerstaden och f¨ ororter och har ofta l˚ agt golv framme i bussen f¨ or att underl¨ atta p˚ a- och avstigning samt ¨ oka framkomligheten f¨ or passagerarna. Motorn ¨ ar i de flesta fall monterad bak i bussen och det kr¨ aver att vridr¨ orelsen kring den lagrade leden kan d¨ ampas f¨ or att undvika o¨ onskat beteende som t.ex. oscillationer. F¨ or det ¨ andam˚ alet inneh˚ aller ledenheten tv˚ a stycken hydrauliska d¨ ampare. En d¨ ampare utg¨ or ett eget isolerat hydrauliskt system och de ¨ ar endast sammankopplade rent mekaniskt. D¨ ampkraften hos d¨ amparna styrs med hj¨ alp av en proportionalventil. I figur 1 ses en ritning ¨ over ledenheten d¨ ar den triangellika basen
¨ ar riktad bak˚ at i bussen.
Figur 1: En ritning ¨ over bussens ledenhet
2.2 Hydraulik
En ¨ oversiktlig bild ¨ over d¨ amparens hydrauliska system visas i figur 2 och kompletteras
med en st¨ orre bild i bilaga H. I figuren inf¨ ors ben¨ amningarna 1 och 2 p˚ a kamrarna och vad
som ¨ ar en positiv kolvr¨ orelse definieras. I varje kammare finns ett utlopp mot v¨ axelventilen
och ett inlopp fr˚ an reservoaren (markerad med bl˚ att) via sugventilen. Mellan v¨ axelventil
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
och proportionalventil sitter en trycksensor. Det ¨ ar allts˚ a bara m¨ ojligt att avl¨ asa trycket i den kammare som f¨ or tillf¨ allet har h¨ ogst tryck. De n¨ amnda ventilerna beskrivs n¨ armare i avsnitt 2.2.4.
Figur 2: D¨ amparcylinderns hydrauliska system
2.2.1 Hydraulcylindern
Hydraulcylindern som komponent kan anv¨ andas som st¨ alldon, d¨ ampare eller fj¨ ader.[11]
Den vanligaste anv¨ andningen f¨ or en hydraulcylinder ¨ ar som st¨ alldon n¨ ar en linj¨ ar r¨ orelse som kr¨ aver stora krafter ska utf¨ oras [9].
Cylindern ¨ ar vanligtvis uppbyggd av ett antal delar vars ben¨ amningar kommer att anv¨ andas i forts¨ attningen. Det ¨ ar sj¨ alva cylindern med sina gavlar som utg¨ or de yttre v¨ aggar som avgr¨ ansar ett inre rum i cylindern. Rummet delas upp i tv˚ a kammare av kolven som tillsammans med kolvst˚ angen utg¨ or cylinderns r¨ orliga del. F¨ or att h˚ alla cylindern t¨ at mot omgivningen och minimera l¨ ackaget mellan de tv˚ a kamrarna anv¨ ands t¨ atningar s˚ a som kolvt¨ atningen och kolvst˚ angst¨ atningen. D¨ ar kolvst˚ angen g˚ ar igenom gaveln sitter en avstrykare vars uppgift ¨ ar att stryka av smuts och ¨ overfl¨ odig olja fr˚ an kolvst˚ angen n¨ ar den r¨ or sig in och ut ur cylindern.
2.2.2 Hydraulv¨ atska
V¨ atskan i ett hydrauliskt system ¨ ar det som till stor del karakt¨ ariserar det. V¨ atskan kan vara i princip vad som helst men i praktiken anv¨ ands n˚ agon typ av mineralolja eller syntetisk v¨ atska baserad p˚ a olja. Viktiga egenskaper hos oljan ¨ ar viskositeten, densiteten, kompressibiliteten samt diverse termodynamiska egenskaper. Viskositeten hos en v¨ atska s¨ ager n˚ agot om dess tjockhet och tr¨ oghet. D.v.s. att den s¨ ager n˚ agot om friktions- och sm¨ orjningsegenskaper hos en olja.
”Kompressibilitet definieras som ¨ andring i volym per volymenhet f¨ or en
given tryck¨ andring. Tryckmodulen K definieras som det inverterade v¨ ardet av
kompressibiliteten.” [9]
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
Kompressibiliteten ¨ ar ett samband mellan volym¨ andring och tryck¨ andring och kan beskrivas med en matematisk formel (1) d¨ ar ∆P och ∆V ¨ ar tryck¨ andring respektive volym¨ andring f¨ or den slutna volymen V.
K = − V ∆P
∆V (1)
Kompressibiliteten ska inte ses som en konstant utan p˚ averkas av r˚ adande tryck och temperatur samt f¨ ororeningar och inl¨ ost gas i v¨ atskan. Detta g¨ or att den ¨ ar sv˚ ar att ber¨ akna exakt. Ofta anv¨ ander man sig av en effektiv tryckmodul som tar h¨ ansyn till framf¨ or allt gas i v¨ atskan. I grunden kan kompressibiliteten ses som en fj¨ adrande verkan hos en v¨ atska. Detta utnyttjas i komponenter s˚ a som v¨ atskefj¨ adern [11]. En cylinder d¨ ar kolven pressar ihop v¨ atskan i en av kamrarna ¨ ar exempel p˚ a en v¨ atskefj¨ ader. I likhet med en fj¨ ader blir trycket och d¨ armed fj¨ aderkraften st¨ orre i och med att kammarvolymen minskar. R¨ orelseenergin hos kolven och kolvst˚ angen omvandlas till en potentiell energi i oljan. Cylindern som innesluter v¨ atskan ¨ ar ¨ aven den till viss del elastisk och bidrar till fj¨ aderverkan och m˚ aste d¨ arf¨ or vara dimensionerad att klara de tryck som byggs upp.
F¨ or att d¨ ampa de fj¨ adrande r¨ orelserna anv¨ ands ofta stryph˚ al i kolven. Just en s˚ adan d¨ ampare med avlastningsventil har modellerats i [8]. I artikeln har man inriktat sig mot vibrationsd¨ ampare vilket inneb¨ ar att man f¨ oruts¨ atter sm˚ a kolvr¨ orelser. Det visar sig att det inte ¨ ar n˚ agon helt enkel uppgift att modellera en s˚ adan d¨ ampare. D¨ amparen som presenteras har stora likheter med den d¨ ampare som examensarbetet behandlar bortsett fr˚ an avsaknaden av mellanlagringen av olja som finns i bussens d¨ ampare och tillkomsten av ett stryph˚ al i kolven. F¨ orfattarna har lagt stor vikt vid att utreda hur storleken p˚ a strypning och ledningar till och fr˚ an ventiler samt styvheten hos fj¨ adern i ventilen p˚ averkar d¨ amparens beteende. Slutsatserna blir att olika representationer av d¨ amparsystemet har olika f¨ or- och nackdelar. Omr˚ aden som uppfattas som problematiska ¨ ar ventilens beteende mellan ¨ oppet och st¨ angt l¨ age, dess hysteres men ¨ aven tidsf¨ ordr¨ ojningar beroende p˚ a v¨ atskans kompressibilitet. En av de enligt mig viktigaste p˚ apekandena som g¨ ors i artikeln ang˚ aende oljan ¨ ar att den genom sin kompressibilitet verkar som det hydrauliska systemets minne ¨ over tidigare r¨ orelser.
2.2.3 T¨ atningar och l¨ ackage
Problem i hydrauliska system ¨ ar ofta relaterat till l¨ ackage. Om den hydrauliska cylindern tas som exempel finns tv˚ a typer av l¨ ackage, inre och yttre. Det inre l¨ ackaget inneb¨ ar en l¨ acka mellan cylinderns kamrar. F¨ or att f¨ orhindra ett alltf¨ or stort l¨ ackage anv¨ ands t¨ atningar. Eftersom kolven ¨ ar en r¨ orlig del m˚ aste t¨ atningen som anv¨ ands vara av dynamisk typ. Det g˚ ar allts˚ a inte med en vanlig statisk t¨ atning s˚ a som en O-ring eftersom dess deformation ¨ andras i samband med r¨ orelse. Ofta vill man att t¨ atningen ska ha ett litet l¨ ackage men ¨ aven en liten friktion. Att minimera b˚ ada kriterierna ¨ ar naturligtvis inte m¨ ojligt s˚ a det blir en avv¨ agning mellan de b˚ ada. Yttre l¨ ackage inneb¨ ar att olja f¨ orsvinner ut ur systemet. ¨ Aven h¨ ar spelar t¨ atningar en avg¨ orande roll. Orsaker till l¨ ackage ¨ ar ofta felaktig installation eller att konstruktionen eller underh˚ allet av systemet har brister.
˚ Alder medf¨ or slitage och g¨ or att t¨ atningar blir s¨ amre och framf¨ orallt f¨ ororeningar i oljan
har en stor inverkan p˚ a k¨ ansliga delar som t.ex. ventiler. Det ¨ ar avstrykarens uppgift att
skydda systemet fr˚ an smuts men ¨ and˚ a till˚ ata ett sm¨ orjande oljeskikt p˚ a kolvst˚ angen f¨ or
att motverka f¨ or stor friktion.
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
Om systemet inte ¨ ar dimensionerat f¨ or de tryck som uppkommer kan det ta skada.
Ett vanligt grepp n¨ ar ett hydrauliskt system ska dimensioneras ¨ ar att rita dess kraft- l¨ agesdiagram under arbetsslaget f¨ or att kunna se vilka laster som systemet uts¨ atts f¨ or.[9]
I [4] visas att samma typ av diagram ¨ aven kan anv¨ andas f¨ or att analysera ett befintligt system. ¨ Aven kraft-hastighetsdiagram anv¨ ands ofta vid analys av hydrauliska system.
2.2.4 Ventiler
Inom hydrauliken finns en m¨ angd olika ventiler f¨ or att kontrollera fl¨ oden och tryck.
I det system som d¨ amparen utg¨ or finns tre typer av ventiler. Den f¨ orsta ¨ ar tryckbegr¨ ansningsventilen, en ventil som begr¨ ansar trycket till ett inst¨ allt tryck. Ventilens uppgift kan vara att s¨ akra mot stora tryck eller som en variabel strypning. En tryckbegr¨ ansningsventil (figur 3) best˚ ar av en konisk k¨ agla som med kraften fr˚ an en mekanisk fj¨ ader ligger som ett lock ¨ over ¨ oppningen mot det trycksatta rummet. N¨ ar trycket blir tillr¨ ackligt stort f¨ or att kunna ¨ overvinna fj¨ aderns kraft l¨ attar k¨ aglan och sl¨ apper igenom ett oljefl¨ ode. Ju st¨ orre trycket blir desto mer ¨ oppnas ventilen tills det att fj¨ adern ¨ ar maximalt hoptryckt. Fj¨ adern ¨ ar i regel f¨ orsp¨ and f¨ or att ventilen ska f˚ a en viss tryckgr¨ ans.
Figur 3: En principskiss ¨ over en tryckbegr¨ ansningsventil
En tryckbegr¨ ansningsventil med en tryckgr¨ ans som kan styras ¨ ar en typ av proportionalventil. I denna finns en proportionalsolenoid vars magnetkraft styrs med hj¨ alp str¨ ommen. Magnetkraften p˚ averkar fj¨ adern och d¨ armed vilket tryck som motsvarar ventilens tryckgr¨ ans.
En ideal tryckbegr¨ ansningsventil har ett mycket enkelt beteende som inneb¨ ar att den vid tryckgr¨ ansen ¨ oppnas och h˚ aller trycket konstant tills dess att trycket blir l¨ agre ¨ an tryckgr¨ ansen varp˚ a ventilen st¨ angs. En verklig ventil ¨ ar mer komplex eftersom en ¨ oppning av ventilen inneb¨ ar ett genomfl¨ ode av olja genom en ¨ oppning som har en maximal m¨ ojlig storlek. Det betyder att det ¨ ar sv˚ art att exakt h˚ alla trycket konstant. Ventilen har ¨ aven den viss hysteres, d.v.s. dess beteende vid ¨ oppnings skiljer sig fr˚ an det vid st¨ angning.
F¨ or att kunna modellera en tryckbegr¨ ansningsventil exakt m˚ aste hysteres och framf¨ orallt str¨ omningstekniska fenomen tas med i ber¨ akningarna. Att detta ¨ ar sv˚ art beskrivs i artikeln som behandlade modellering av en d¨ ampare: ”...relief valves treated on their own have been shown to lead to nonlinear and chaotic dynamics.” [8].
En av de andra relevanta ventiltyperna ¨ ar v¨ axelventilen som ¨ ar en fl¨ odesventil som i
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
Denna ventil styrs allts˚ a endast vilket av trycket i de b˚ ada kamrarna som ¨ ar h¨ ogst.
Slutligen har vardera kammaren en sugventil som vid en tryckskillnad mellan kammare och oljereservoar ¨ oppnas och l˚ ater olja sugas in i kammaren f¨ or att undvika undertryck och f¨ or att fylla p˚ a olja.
2.3 Feldetektering i tekniska system
2.3.1 Terminologi
Feldetektering i tekniska system f¨ orknippas med en viss terminologi som kommer att anv¨ andas i rapporten. Beskrivningen av terminologin baseras p˚ a [3] och [10].
Ett fel (fault) definieras som en otill˚ aten avvikelse fr˚ an normalfallet i minst en f¨ or systemet karakt¨ aristisk parameter. Sj¨ alva avvikelsen (error) ska tolkas som en skillnad mellan ett m¨ att v¨ arde och ett b¨ orv¨ arde. En residual ¨ ar en felindikator som baseras p˚ a avvikelsen som kan ha normerats p˚ a n˚ agot s¨ att. N¨ ar ett system inte l¨ angre kan klara av sin funktion p˚ a ett acceptabelt s¨ att kallas det ett funktionsfel (failure). Om detta inte ¨ ar permanent utan ˚ aterkommer oregelbundet kan det kallas en funktionsst¨ orning (malfunction).
N¨ ar det g¨ aller att uppt¨ acka och diagnostisera fel tillkommer ytterligare begrepp.
Feldetektion inneb¨ ar detektion av att ett fel finns i systemet samt kunskap om n¨ ar det intr¨ affade. Om det g˚ ar att avg¨ ora var i systemet och n¨ ar ett fel intr¨ affat samt vilken typ av fel det ¨ ar har felet isolerats. F¨ or att felet ¨ aven ska kunna kallas identifierat m˚ aste storleken p˚ a felet samt dess tidsinvarianta beteende kunna avg¨ oras. Slutligen kan en full feldiagnos s¨ agas inneb¨ ara att felets typ, storlek, plats och tid kan avg¨ oras, det inkluderar allts˚ a b˚ ade felisolering och felidentifiering.
I artikeln [10] ger f¨ orfattaren en introduktion till feldetektering och ¨ overvakning i tekniska system. F¨ orfattaren beskriver uppgiften f¨ or ett ¨ overvakningssystem som:
”Supervisory functions serve to indicate undesired or unpermitted process states, and to take appropriate actions in order to maintain the operation and to avoid damage or accidents.”. Uppgiften ¨ ar allts˚ a uppdelad i tre delar d¨ ar den f¨ orsta inneb¨ ar att viktiga variabler m¨ ats och om de skulle ligga utanf¨ or ett p˚ a f¨ orhand satt toleransintervall inneb¨ ar det att n˚ agot ¨ ar fel. Detta kallas passiv ¨ overvakning (monitoring) eftersom inget ingrepp g¨ ors i det fysiska systemet. ¨ Overvakningssystemet kan ¨ aven vara av typen att det sj¨ alv kan vidta ˚ atg¨ arder f¨ or att bibeh˚ alla funktionen vid fel. Det ¨ ar ett exempel p˚ a aktiv ¨ overvakning (supervision). Den sista typen ¨ ar ett system som kan vidta ˚ atg¨ arder f¨ or att undvika eller komma ur farliga situationer, ett system med skydd (protection).
2.3.2 Grundid´ en f¨ or feldetektering
Grundid´ en f¨ or alla feldetekteringssystem ¨ ar att viktiga variabler i systemet m¨ ats och j¨ amf¨ ors med ett referensv¨ arde som speglar ett korrekt beteende hos det fysiska systemet i den specifika situationen. Om den eventuella avvikelsen uppfyller ett visst kriterie, t.ex.
¨ overstiger ett tr¨ oskelv¨ arde, har ett fel detekterats.
Ett exempel p˚ a en enkel typ av feldetektering ¨ ar om det fysiska systemet har en variabel som alltid ska ligga inom ett visst intervall. Om den uppm¨ atta variabeln ligger utanf¨ or intervallet tolkas det som ett fel, annars inte. Ett exempel p˚ a en avancerad feldetektering
¨ ar om det fysiska systemets viktiga variabler inte ¨ ar m¨ atbara utan m˚ aste r¨ aknas ut fr˚ an
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
andra m¨ atbara variabler. Om systemets beteende dessutom ¨ ar sv˚ art att f¨ oruts¨ aga m˚ aste referensv¨ ardet r¨ aknas ut med hj¨ alp av n˚ agon typ av modell. Ofta ¨ ar det i det sistn¨ amnda som den stora utmaningen ligger.
2.3.3 Modeller
En modell inneb¨ ar en matematisk beskrivning av ett systems beteende. Det finns olika typer av modeller bl.a.:
• Fysikaliska modeller, d.v.s. modeller d¨ar variabler och konstanter har en fysikalisk tolkning och modellen ¨ ar baserad p˚ a kunskaper om systemet.
• Konfektionsmodeller d¨ar en ¨overf¨oringsfunktion anpassas till m¨atningar av in- och utsignaler hos systemet som ska modelleras.
Den senare kan s¨ agas vara en typ av black-boxmodel, d.v.s. en svart l˚ ada, som tar emot en eller flera insignaler och s¨ ander ut en eller flera utsignaler utan att det som h¨ ander inom l˚ adan kan f¨ orklaras med fysikaliska parametrar.
Ofta anv¨ ands en observat¨ or i samband med feldetekteringssystem. En observat¨ or g˚ ar ut p˚ a att uppskatta s.k. tillst˚ andsvariabler f¨ or en modell. Exempel p˚ a en tillst˚ andsvariabel kan t.ex. vara ett tryck i ett system. Med hj¨ alp av insignalen och givarsignaler fr˚ an det system som observeras kan en modell r¨ akna ut de tillst˚ andsvariabler man ¨ ar intresserad av. P˚ a s˚ a vis ¨ ar det m¨ ojligt att uppskatta en signal i systemet som inte ¨ ar m¨ atbar. En vanlig typ av observat¨ or som utf¨ or en sensorfusion ¨ ar Kalmanfiltret. Kalmanfiltret ¨ ar en observat¨ or som tar h¨ ansyn till den kunskap som eventuellt finns om m¨ atfel och st¨ orningar och r¨ aknar ut en optimal ˚ aterkoppling f¨ or de st¨ orningar som f¨ orutsatts. [6]
I artikeln [7] beskrivs en metod att med hj¨ alp av ett ut¨ okat kalmanfilter (EKF) identifiera fel i ett hydrauliskt positioneringssystem. De fel som kan identifieras ¨ ar enligt artikeln olika typer av l¨ ackage d¨ ar man skiljer p˚ a ett inre l¨ ackage p.g.a. d˚ alig kolvt¨ atning och yttre l¨ ackage. F¨ orfattarna visar att det med hj¨ alp av en omfattande modell under kontrollerade former g˚ ar att uppt¨ acka ett l¨ ackage n¨ ar det intr¨ affar. Den stora skillnaden mellan systemet som examensarbetet behandlar och systemet som artikeln behandlar ¨ ar att artikeln fokuserar p˚ a ett st¨ alldon och inte en d¨ ampare.
2.3.4 Metoder f¨ or detektering av f¨ or¨ andringar i ett system
I [3] beskrivs en klassisk metod f¨ or att med hj¨ alp av en s.k. stoppregel detektera pl¨ otsliga
¨ andringar i ett system. Algoritmen kallas CUSUM (CUmulative SUM) och beskrivs av ekvationerna (2), (3) och (4). Metoden verkade v¨ al bepr¨ ovad varf¨ or den var den f¨ orsta som provades.
Algoritmen utg˚ ar ifr˚ an en residual som inneb¨ ar en normerad avvikelse s t mellan verkligt v¨ arde och b¨ orv¨ arde. Normeringen kan f¨ orb¨ attra stoppregeln om kunskap finns om det brus som f¨ orv¨ antas upptr¨ ada. Avvikelserna summeras enligt ekvation (2) till en ackumulerad summa av avvikelser g. F¨ or att inte alltf¨ or sm˚ a ¨ andringar orsakade av t.ex.
m¨ atbrus ska p˚ averka summan subtraheras den med driftparametern ν vilket inneb¨ ar att inga avvikelser under parameterns v¨ arde bidrar till den ackumulerade summan.
Algoritmen ¨ ar konstruerad s˚ a att endast positiva skillnader bidrar, den ¨ ar med andra
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
Tiden d˚ a detta sker sparas i ˆ k som kan ses som en estimerad tidpunkt f¨ or n¨ ar ¨ andringen sker. Om felsumman ¨ overstiger ett satt tr¨ oskelv¨ arde Γ ges ett alarm f¨ or att indikera att en ¨ andring skett. Samtidigt nollst¨ alls den ackumulerade summan och tiden f¨ or alarmet sparas.
g t = g t−1 + s t − ν (2)
g t = 0 och ˆ k = t om g t < 0 (3) g t = 0 och t a = t och ge alarm om g t > Γ > 0 (4) Den beskrivna metoden ¨ ar en s.k. online-metod vilket betyder att detekteringen sker i realtid. Det finns ¨ aven offline-metoder som kan detektera ett fel i efterhand genom att behandla en st¨ orre m¨ angd data f¨ or att hitta avvikelser. Onlinemetodernas f¨ ordel ¨ ar att ingen st¨ orre lagring av data beh¨ ovs utan att metoden bed¨ omer data som existerar just f¨ or stunden. Offline-metodernas f¨ ordel ¨ ar att det g˚ ar att unders¨ oka data b˚ ade innan och efter en h¨ andelse. Det ¨ ar t¨ ankbart att anv¨ anda b˚ ade offline- och online-metoder f¨ or att l¨ osa uppgiften men d˚ a minnet i styrenheten ¨ ar begr¨ ansat ¨ ar en online-l¨ osning att f¨ oredra.
2.4 Utv¨ arderingsmetoder
I [3] och [5] beskrivs flera metoder f¨ or att utv¨ ardera hur bra en modell ¨ ar i j¨ amf¨ orelse med en annan. Samtliga inneb¨ ar att ett medelv¨ arde av avvikelsen i kvadrat ¨ over ett antal samples ber¨ aknas. Om roten tas ur uttrycket f˚ as ekvation (5) som av [3] kallas RMSE- v¨ ardet d¨ ar RMSE st˚ ar f¨ or Root Mean Square Error. M˚ alet ¨ ar att hitta en modell som ger ett minimalt RMSE-v¨ arde f¨ or en viss datam¨ angd. I ekvation (5) ¨ ar x t ett uppm¨ att v¨ arde p˚ a en storhet i samplet t medan ˆ x t ¨ ar det estimerade v¨ ardet i samma sample. N ¨ ar antalet samples ¨ over det unders¨ okta intervallet.
RM SE = v u u t
1 N
N
X
t=1
(ˆ x t − x t ) 2 (5)
Ett annat j¨ amf¨ orelsem˚ att ¨ ar peak-normen som definieras som den st¨ orsta avvikelsen
¨ over alla samples enligt ekvation (6). I vissa s¨ akerhetskritiska system kan det vara viktigt att avvikelsen aldrig ¨ overstiger ett visst v¨ arde och d˚ a kan peak-normen anv¨ andas f¨ or att kontrollera detta.
P eak = max
t∈{1,N } | ˆ x t − x t | (6)
Det ¨ ar viktigt att komma ih˚ ag att m˚ atten ¨ ar beroende av vilken datam¨ angd modellen testas mot. Den b¨ asta anv¨ andningen f¨ or m˚ atten ¨ ar vid j¨ amf¨ orelse av olika modeller mot en datam¨ angd som inte har anv¨ ants f¨ or att skapa n˚ agon av modellerna.
I [3] presenteras ocks˚ a ett antal m˚ att f¨ or att m¨ ata prestationen hos en stoppregel exempelvis:
• Genomsnittlig tid mellan falska alarm (MTFA - Mean Time between False Alarms)
som ger ett m˚ att p˚ a hur ofta stoppregeln ger falska alarm.
Johan Thol´ en 2 BAKGRUNDSTEORI
• Genomsnittlig detektionstid (MTD - Mean Time to Detection) vilket inneb¨ar hur l˚ ang tiden ¨ ar mellan ¨ andringen som ska detekteras och alarmet.
• Frekvensen f¨or ej detekterade ¨andringar (MDR - Missed detection rate) s¨ager n˚ agot om hur ofta en avvikelse eller ¨ andring missas av stoppregeln.
Aven h¨ ¨ ar spelar den data som stoppregeln till¨ ampas p˚ a en stor roll ¨ over hur
meningsfulla m˚ atten blir. Tanken med m˚ atten ¨ ar oftast inte att m¨ ata prestandan
f¨ or en modell eller stoppregel utan att j¨ amf¨ ora modeller och f˚ a underlag till val av
modellalternativ under den iterativa process som modellbyggande inneb¨ ar.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
3 M¨ atning p˚ a en d¨ ampare
F¨ or att ta reda p˚ a mer om en enskild d¨ ampares beteende i olika situationer kr¨ avs m¨ atningar. Eftersom en m¨ atning p˚ a en d¨ ampare som ¨ ar monterad i buss inneb¨ ar flera obekanta faktorer s˚ a som st¨ orningar och krafter som inte g˚ ar att m¨ ata ¨ ar en bra strategi att isolera d¨ amparen och studera den under kontrollerade f¨ orh˚ allanden. Detta har gjorts med hj¨ alp av en provrigg. I detta kapitel beskrivs hur m¨ atningarna g˚ att till och en analys av resultaten presenteras. Kapitlet avslutas med en sammanfattning av viktiga resultat.
3.1 Provrigg
Den rigg som anv¨ ants kan ses i figur 4 och best˚ ar av ett st¨ alldon i form av en hydraulcylinder stelt sammankopplad med en d¨ ampare komplett med tryckgivare och proportionalventil. Dessa ¨ ar f¨ asta i golvet. St¨ alldonet ¨ ar t¨ ankt att simulera r¨ orelsen som d¨ amparen uts¨ atts f¨ or i buss och ¨ ar l¨ ages˚ aterkopplad, utifr˚ an detta kan slutsatser om d¨ ampkraft i olika situationer dras. F¨ or att kunna ˚ aterkoppla mot l¨ aget kr¨ avs en l¨ agesgivare som ocks˚ a kan anv¨ andas f¨ or att logga d¨ amparkolvens l¨ age. Av s¨ akerhetssk¨ al m˚ aste en kraftgivare anv¨ andas. Denna anv¨ ands ¨ aven f¨ or att m¨ ata hur d¨ ampkraften varierar. F¨ or att f˚ a signaler med uppl¨ osning och samplingstid liknande de som existerar i verklighetens d¨ ampningssystem har ACS-systemet anv¨ ants f¨ or att inh¨ amta tryckdata samt f¨ or att st¨ alla ut styrsignalen till proportionalventilen.
Figur 4: Den provrigg som anv¨ andes f¨ or testerna
3.2 M¨ atfall
De m¨ atningar som analyserats kan delas upp i tv˚ a delar:
• Riggm¨atningar gjorda utom examensarbetet vars data endast tolkas.
• M¨atningar p˚ a en verklig buss gjorda inom examensarbetet f¨ or att f˚ a en bild av de
verkliga f¨ orh˚ allanden som r˚ ader samt utv¨ ardera teorier och koncept.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
Riggm¨ atningarna ¨ ar uppdelade i tre delar. I den f¨ orsta delen har man l˚ atit styrsignalen till proportionalventilen, vidare ben¨ amnd styrsignal, ligga som en pwm-signal med en viss duty-cycle medan man i andra delen har anv¨ ant sig av en pulsad pwm-signal vilket inneb¨ ar att den f¨ orra signalen st¨ angs av och s¨ atts p˚ a med en viss frekvens. Dessa tv˚ a fall ben¨ amns h¨ arefter statisk respektive pulsad styrsignal och ˚ ask˚ adligg¨ ors med ett exempel i figur 5 nedan. Detta inneb¨ ar att de procent som d¨ amparnas styrsignal anges i inte blir ¨ akta duty- cycle procent f¨ or den pulsade pwm-signalen och inte kan j¨ amf¨ oras med en vanlig pwm- signal. F¨ or b˚ ada m¨ atningarna har d¨ amparens kolv tvingats f¨ olja en sinusr¨ orelse. Detta har gjorts f¨ or flera olika oljeniv˚ aer i d¨ amparen. I den tredje delen av m¨ atningarna har d¨ amparkolven tvingats r¨ ora sig med olika konstanta hastigheter likt en trekantsv˚ ag. Den senare delen av m¨ atningarna har endast gjorts f¨ or fallet med normal oljeniv˚ a i d¨ amparen.
M¨ atfallen beskrivs mer exakt i bilaga A.
0 50 100 150
0 5 10
Statisk styrsignal
Tid
Storlek
0 50 100 150
0 5 10
Pulsad styrsignal
Tid
Storlek
Figur 5: Bilden exemplifierar skillnaden mellan en statisk och en pulsad styrsignal.
3.3 Analys av m¨ atdata
3.3.1 Statisk styrsignal och minskande oljeniv˚ a
F¨ or att f˚ a en uppfattning om d¨ amparens normala beteende analyserades f¨ orst data fr˚ an
m¨ atningar d˚ a en normal oljeniv˚ a r˚ ader. M¨ angden m¨ atdata var omfattande och f¨ or att f˚ a
ut n˚ agot av den plockades n˚ agra delar ut f¨ or att unders¨ okas var f¨ or sig. Fyra delar ¨ over en
tid p˚ a tv˚ a perioder vardera, d.v.s. 6,6 sekunder, studerades. I varje del ligger styrsignalen
statiskt p˚ a en niv˚ a. Niv˚ an ¨ ar olika f¨ or de olika delarna. Figur 6 och 7 visar beteendet f¨ or
styrsignalerna 2% respektive 9,7 %. Figurerna f¨ orklaras tydligare nedan.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
22 24 26 28 30
−2 0 2 4 6
Tid [s]
Tryck [bar]
22 24 26 28 30
−40
−20 0 20 40
Tid [s]
Hastighet [mm/s]
22 24 26 28 30
370 380 390 400 410
Tid [s]
Läge [mm]
22 24 26 28 30
−2 0 2 4
Tid [s]
Kraft [kN]
Figur 6: Data fr˚ an riggens givare vid styrsignalen 2 %
64 66 68 70 72
10 15 20 25 30
Tid [s]
Tryck [bar]
64 66 68 70 72
−40
−20 0 20 40
Tid [s]
Hastighet [mm/s]
64 66 68 70 72
370 380 390 400 410
Tid [s]
Läge [mm]
64 66 68 70 72
−10
−5 0 5 10
Tid [s]
Kraft [kN]
Figur 7: Data fr˚ an riggens givare vid styrsignalen 9,7 %
Graferna beskriver de fyra variablerna under tv˚ a stycken fullst¨ andiga cylinderslag. N¨ ar
d¨ amparen trycks ihop ¨ okar trycket i kammare 1 (se bilaga H) tills dess att m¨ attnadstrycket
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
uppn˚ as d.v.s. det tryck d˚ a proportionalventilen ¨ oppnas och d¨ armed begr¨ ansar trycket i kammaren. I kolvens v¨ andl¨ age ¨ ar hastigheten noll och trycket i kammare 1 b¨ orjar sjunka efter att kolven v¨ ant. D¨ arefter v¨ axer trycket i kammare 2 under d¨ amparcylinderns expansion. N¨ ar det v¨ axande trycket ¨ overstiger det sjunkande sl˚ ar v¨ axelventilen om vilket inneb¨ ar att tryckgivaren nu registrerar trycket i kammare 2. M¨ attnadstrycket i kammare 2 blir inte lika stort som f¨ or kammare 1 trots samma r¨ orelse.
F¨ oljande noteras:
• Ju st¨orre styrsignal till proportionalventilen desto st¨orre tryck till˚ ats och desto st¨ orre kraft kr¨ avs f¨ or att d¨ ampcylinderkolvens l¨ age ska f¨ olja den best¨ amda sinusv˚ agen.
Detta ¨ ar hela tanken med d¨ amparen.
• Observera att tryckkurvan respresenterar tryckgivarens syn p˚ a trycket. P.g.a.
v¨ axelventilen registrerar tryckgivaren alltid det tryck som ¨ ar det st¨ orsta av de b˚ ada kammartrycken.
• Anledningen till att trycktopparna ¨ar olika h¨oga beror p˚ a den mindre kolvarean i kammare 2 som beror p˚ a att kolvst˚ angen sitter d¨ ar. Detta f˚ ar till f¨ oljd att f¨ or samma r¨ orelse resulterar kompression av d¨ amparen i en st¨ orre volyms¨ andring och ett st¨ orre fl¨ ode tvingas genom proportionalventilen vilket ger ett n˚ agot h¨ ogre tryck.
Detta visas i 3.3.5.
I figur 7 ses tydligt hur proportionalventilen m¨ attar trycket vid ungef¨ ar 20 bar.
Tryckspiken som uppst˚ ar i b¨ orjan av en r¨ orelse beror p˚ a v¨ axelventilens karakt¨ ar. Om v¨ axelventilen ¨ ar en slidventil med positiv ¨ overlappning betyder det att f¨ orbindelsen mellan kammare 1 och tryckgivaren samt proportionalventilen kommer att st¨ angas innan f¨ orbindelsen till kammare 2 ¨ oppnas. Under tiden d˚ a ingen f¨ orbindelse ¨ ar ¨ oppen kommer trycket att stiga innan v¨ axelventilen vilket f˚ ar till f¨ oljd att tryckspikar uppst˚ ar vid varje omslag. Hur stor tryckspiken blir beror p˚ a tiden det tar f¨ or ventilen att st¨ alla om samt fl¨ odet. [9] F¨ or proportionalventilen kan en viss hysteres noteras vilket inneb¨ ar att ventilen inte beter sig p˚ a samma s¨ att vid ¨ oppning som st¨ angning.
3.3.2 Statisk styrsignal och minskande oljeniv˚ a: Kraft-l¨ age
Som tidigare n¨ amnt i rapportens teoridel ses ibland kraft-l¨ agesgrafer och kraft- hastighetsgrafer som ett f¨ ordelaktigt s¨ att att st¨ alla data mot varandra n¨ ar det g¨ aller hydraulik. I figur 8 presenteras kraften som funktion av positionen. Beh˚ allningen av graferna ¨ ar insikten om hur d¨ ampkraften och d¨ armed indirekt trycket varierar ¨ over cylinderslaget.
Kolvens r¨ orelse startar vid 392 mm och forts¨ atter i positiv riktning d˚ a d¨ amparen komprimeras vilket betyder att tidsaxeln g˚ ar medurs i grafen. I figur 9 ses en tydligare graf (den ¨ ovre v¨ anstra) d¨ ar riktningen visas med en pil. D¨ ar ¨ ar kolvens r¨ orelse vid kompression av d¨ amparen markerad med bl˚ att och kolvr¨ orelsen vid expansion ¨ ar markerad med r¨ ott. Slutsatserna som kan dras ¨ ar att vid en normal oljeniv˚ a ¨ ar kompressions- och expansionsf¨ orloppet i princip symmetriskt bortsett fr˚ an d¨ ampkraftens storlek. Detta g¨ aller
˚ atminstone f¨ or den h¨ ar specifika sinusr¨ orelsen.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
370 380 390 400 410
−2 0 2 4
Kraft av position, styrsignal 0%
Läge [mm]
Kraft [kN]
370 380 390 400 410
−2 0 2 4
Kraft av position, styrsignal 2%
Läge [mm]
Kraft [kN]
370 380 390 400 410
−10
−5 0 5 10
Kraft av position, styrsignal 9,7%
Läge [mm]
Kraft [kN]
370 380 390 400 410
−20
−10 0 10 20
Kraft av position, styrsignal 14,1%
Läge [mm]
Kraft [kN]
Figur 8: Kraften som funktion av l¨ aget vid olika styrsignaler
370 380 390 400 410
−10
−5 0 5 10
Kraft av läge, styrsignal: 9.7%, −0 dl
Läge [mm]
Kraft [kN]
370 380 390 400 410
10 15 20 25
Tryck av läge, styrsignal: 9.7%, −0 dl
Läge [mm]
Tryck [bar]
65 66 67 68 69
10 15 20 25
Tryck av tid, styrsignal: 9.7%, −0 dl
Tid [s]
Tryck [bar]
−40 −20 0 20 40
−10
−5 0 5 10
Kraft av hastighet, styrsignal: 9.7%, −0 dl
Hastighet [mm/s]
Kraft [kN]
Figur 9: D¨ amparens beteende vid styrsignalen 9,7 %
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
370 380 390 400 410
−10
−5 0 5 10
Kraft av läge, styrsignal: 9.7%, −3 dl
Läge [mm]
Kraft [kN]
370 380 390 400 410
5 10 15 20 25
Tryck av läge, styrsignal: 9.7%, −3 dl
Läge [mm]
Tryck [bar]
43 44 45 46 47
5 10 15 20 25
Tryck av tid, styrsignal: 9.7%, −3 dl
Tid [s]
Tryck [bar]
−40 −20 0 20 40
−10
−5 0 5 10
Kraft av hastighet, styrsignal: 9.7%, −3 dl
Hastighet [mm/s]
Kraft [kN]
Figur 10: D¨ amparens beteende vid styrsignalen 9,7 % d˚ a oljeniv˚ an ¨ ar -3 dl
F¨ or att uppt¨ acka vilka effekter en l¨ agre oljeniv˚ a i d¨ amparen ger har olja tappats ur d¨ amparen i steg om 1 dl i taget. ¨ Ovriga f¨ orh˚ allanden ¨ ar desamma. I figur 10 presenteras data d˚ a 3 dl olja tappats ur. En stor skillnad uppt¨ acks direkt och denna syns tydligast i kraft-l¨ agesgrafen men kan uppt¨ ackas i alla grafer. Det visar sig att det n˚ agorlunda symmetriska utseendet inte l¨ angre g˚ ar att hitta d˚ a oljeniv˚ an ¨ ar f¨ or l˚ ag.
Ut¨ over det viktiga resultatet noteras att trots att kraften ¨ ar positiv i v¨ andl¨ aget startar en r¨ orelse ˚ at andra h˚ allet. N¨ astan ingen kraft kr¨ avs f¨ or att dra tillbaka kolven den f¨ orsta biten d˚ a d¨ amparen expanderar. Det ¨ ar f¨ orst efter en viss str¨ acka som kraften i negativ riktning ¨ okar och trycket m¨ attas varp˚ a kraften ligger konstant tills n¨ asta v¨ andl¨ age n˚ as.
N¨ ar d¨ amparen ˚ aterigen ska komprimeras ¨ okar trycket n¨ astan direkt till m¨ attnadstryck med en avsev¨ art mindre f¨ ordr¨ ojning. F¨ ordr¨ ojningen kan ses som ett d¨ odband vars storlek
¨ okar i takt med att oljeniv˚ an sjunker.
Eftersom detta syns s˚ a tydligt i en kraft-l¨ agesgraf j¨ amf¨ ors dessa f¨ or n˚ agra olika
oljeniv˚ aer i figur 11. Figur 12 kompletteras med figur 11, en kraft-hastighetsgraf f¨ or samma
oljeniv˚ aer.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
375 380 385 390 395 400 405 410
−8
−6
−4
−2 0 2 4 6 8 10 12
Kraft av läge, statisk styrsignal: 9,7 %, varierad mängd urtappad olja
Läge [mm]
Kraft [kN]
0 dl 1 dl 2 dl 3 dl 4 dl 5 dl
Figur 11: Kraft av l¨ age f¨ or olika m¨ angd urtappad olja vid styrsignalen 9,7 %
−40 −30 −20 −10 0 10 20 30 40
−8
−6
−4
−2 0 2 4 6 8 10 12
Kraft av hastighet, statisk styrsignal: 9,7 %, varierad mängd urtappad olja
Hastighet [mm/s]
Kraft [kN]
0 dl 1 dl 2 dl 3 dl 4 dl 5 dl
Figur 12: Kraft av hastighet f¨ or olika m¨ angd urtappad olja vid styrsignalen 9,7 %
Av detta dras den tydliga slutsatsen att d¨ ampkraft i b¨ orjan av d¨ amparens
kompressionsr¨ orelse saknas men framf¨ orallt i b¨ orjan av d¨ amparens expansionsr¨ orelse.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
Tendensen ¨ ar att ju l¨ agre oljeniv˚ a, desto l¨ angre str¨ acka saknas d¨ ampkraft under expansionsr¨ orelsen. Figur 12 visar samma resultat d˚ a hastigheten f¨ or en expansionsr¨ orelse
¨ okar till ¨ over 20 mm/s utan att n˚ agon kraft att tala om kr¨ avs. I bilaga B presenteras en vidare analys av kraft-hastighetsgrafer f¨ or olika oljeniv˚ aer.
Fenomenet ¨ ar logiskt. Om det finns mindre olja att trycka ihop som kan g¨ ora motst˚ and kr¨ avs st¨ orre volym¨ andring f¨ or att trycket ska byggas upp. I figur 13 visas samma fenomen fast med trycket som funktion av tiden vid en statisk styrsignal och tre olika oljeniv˚ aer.
F¨ ordr¨ ojningen som uppst˚ ar syns tydligt. ¨ An s˚ a l¨ ange har resultatet bara visat sig g¨ alla f¨ or den speciella sinusr¨ orelsen.
1 2 3 4 5 6 7 8
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Tryck av tiden, statisk styrsignal: 9,7 %, varierad mängd urtappad olja
Tid [s]
Tryck [bar]
0 dl 3 dl 5 dl
Figur 13: Tryckkurvor f¨ or olika m¨ angd urtappad olja vid styrsignalen 9,7 %
3.3.3 Pulsad styrsignal och minskande oljeniv˚ a
Den stora skillnaden mot tidigare beskrivna m¨ atningar ¨ ar att styrsignalen nu ¨ ar en pulsad
pwm-signal likt den styrsignal som anv¨ ands i bussens ledenhet och detta sl˚ ar givetvis
igenom i tryck- och kraftgraf. I figur 14 visas hur pulsningen inverkar p˚ a bl.a. trycket.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
62 64 66 68 70
−20 0 20 40
Tid [s]
Tryck [bar]
60 65 70
−40
−20 0 20 40
Tid [s]
Hastighet [mm/s]
60 65 70
370 380 390 400 410
Tid [s]
Läge [mm]
60 65 70
−10 0 10 20
Tid [s]
Kraft [kN]
Figur 14: Data fr˚ an riggens givare vid den pulsade styrsignalen 9,7 %
Trycket byggs upp efter kolvens v¨ andl¨ age och ligger vid m¨ attningsniv˚ an som f¨ or den pulsade styrsignalen varierar. Det inneb¨ ar att trycket varierar mellan m¨ attnadstrycket och ett l¨ agre tryck. Det grundl¨ aggande beteendet vid avvikelse i oljeniv˚ a som konstaterades f¨ or fallet med statisk styrsignal g¨ aller ¨ aven h¨ ar. Detta ses i kraft-l¨ agesgrafen i figur 15 nedan.
Vid kolvens v¨ andl¨ age efter en kompressionsr¨ orelse p˚ averkas uppbyggnaden av trycket m¨ arkbart av oljeniv˚ an trots den st¨ orning som den pulsade styrsignalen utg¨ or.
375 380 385 390 395 400 405 410
−8
−6
−4
−2 0 2 4 6 8 10 12
Kraft av läge, pulsad styrsignal: 9,7 %
Läge [mm]
Kraft [kN]
0 dl 1 dl 2 dl 3 dl 4 dl 5 dl
Figur 15: Kraft mot l¨ age vid den pulsade styrsignalen 9,7 %
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
3.3.4 Statisk styrsignal och varierad hastighet
Tanken med m¨ atningen ¨ ar att ge en bild av hur d¨ ampkraften varierar f¨ or sm˚ a cylinderslag med olika hastigheter. I figur 16 presenteras ett typiskt resultat. Unders¨ oks kraftgrafen n¨ armare uppt¨ acks att det som tidigare setts som en indikation p˚ a l¨ ackage nu uppt¨ acks vid normal oljeniv˚ a. Det som avses ¨ ar att kraften ¨ ar n¨ ara noll i b¨ orjan av expansionsr¨ orelsen.
Detta visar sig olika mycket f¨ or olika hastigheter och olika styrsignaler. I figur 17 visas kraft av l¨ agesgrafer f¨ or hastigheterna 10, 20, 40, 80 mm/s och styrsignalerna 0, 2, 4, 6, 8 och 10 %. I figuren ses tydligt fenomenet som ¨ aven uppst˚ ar vid en l˚ ag oljeniv˚ a.
75 80 85 90
−5 0 5 10 15
Tid [s]
Tryck [bar]
75 80 85 90
−50 0 50
Tid [s]
Hastighet [mm/s]
75 80 85 90
300 350 400 450
Tid [s]
Läge [mm]
75 80 85 90
−5 0 5 10
Tid [s]
Kraft [kN]
Figur 16: Data vid slaghastigheten 40 mm/s med den statiska styrsignalen 5 %
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415
−4
−2 0 2 4 6 8 10
Position [mm]
Kraft [kN]
10 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(a) 10 mm/s
340 360 380 400 420 440
−8
−6
−4
−2 0 2 4 6 8 10 12
Position [mm]
Kraft [kN]
20 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(b) 20 mm/s
340 360 380 400 420 440
−10
−5 0 5 10 15
Position [mm]
Kraft [kN]
40 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(c) 40 mm/s
340 360 380 400 420 440
−15
−10
−5 0 5 10 15 20
Position [mm]
Kraft [kN]
80 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(d) 80 mm/s
Figur 17: Kraft av l¨ age vid olika hastigheter samt olika styrsignaler
F¨ oljande observeras n¨ ar data studeras n¨ armare:
1. En ¨ okad kolvhastighet inneb¨ ar ett st¨ orre m¨ attnadstryck.
2. En l˚ ag kolvhastighet (mindre m¨ attnadstryck) inneb¨ ar att kolven m¨ arkbart skjuts tillbaka av kvardr¨ ojande tryck i kammare 1 efter en kompressionsr¨ orelse f¨ or d¨ amparen. Vid en st¨ orre styrsignal noteras en st¨ orre tillbakafj¨ adring i v¨ andl¨ aget.
Beteendet ¨ ar inte lika tydlig vid st¨ orre hastigheter. Figur 18 st¨ odjer observationen.
3. En h¨ og kolvhastighet (h¨ ogre m¨ attnadstryck) ger d¨ amparen ett mer distinkt och mjukt beteende, d.v.s. att toppighet och sv¨ angningar hos tryckkurvan inte ¨ ar lika framtr¨ adande.
4. F¨ or styrsignaler st¨ orre ¨ an 6 % vid hastigheten 10 mm/s syns ingen trycktopp under expansionsr¨ orelsen. Detta visas i figur 19
5. Avsaknaden av d¨ ampkraft i b¨ orjan av expansionsr¨ orelsen ¨ okar med ¨ okad styrsignal
och hastighet. Detta ses i figur 17b och 17c.
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
404 406 408 410 412 414 416 418
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Position [mm]
Kraft [kN]
10 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(a) 10 mm/s
424 426 428 430 432 434 436 438
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Position [mm]
Kraft [kN]
80 mm/s 0 %
2 % 4 % 6 % 8 % 10 %
(b) 80 mm/s Figur 18: Tillbakafj¨ adring i v¨ andl¨ aget vid olika hastigheter
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
365 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415
Styrsignal: 10%, Hastighet: 10 mm/s
Läge [mm]
Tid [s]
(a) L¨ age av tid
14 16 18 20 22 24 26 28 30
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Styrsignal: 10%, Hastighet: 10 mm/s
Tryck [bar]
Tid [s]
(b) Tryck av tid
Figur 19: Avsaknad av trycktopp vid 10 mm/s och styrsignalen 10 %
De styrsignaler och hastigheter som provats ¨ ar i h¨ ogsta grad aktuella under verklig k¨ orning. Kraft-hastighetsgraferna i bilaga B visar att kolvhastigheten kan varierar mellan 0 och 80 mm/s f¨ or en normal oljeniv˚ a. F¨ or l¨ agre oljeniv˚ aer uppn˚ as h¨ ogre kolvhastigheter.
I slut¨ andan ¨ ar det regleringen av d¨ ampkraften i leden till f¨ oljd av oljeniv˚ an i de b˚ ada d¨ amparna som avg¨ or hur h¨ oga hastigheter som till˚ ats.
3.3.5 Proportionalventilen
F¨ or att kunna f¨ orklara observationerna m˚ aste proportionalventilen unders¨ okas n¨ armare.
Vid vilket tryck som ventilen ¨ oppnas best¨ ams av dess styrsignal. Tanken med ventilen
¨ ar att m¨ attnadstrycket ska vara proportionellt mot styrsignalen. Men de resultat som presenterats ovan visar att det inte bara ¨ ar styrsignalen som avg¨ or vilket m¨ attnadstrycket blir.
Observation nummer 1 innebar att en ¨ okad kolvhastighet ger ett h¨ ogre m¨ attnadstryck.
I figur 20a visas sambandet mellan hastigheten och m¨ attnadstrycket. ¨ Okningen ¨ ar naturlig
eftersom ventilen reglerar trycket genom att sl¨ appa igenom luft och olja och har en
konstant maximal genomsl¨ appning. Det betyder att en h¨ ogre hastighet m˚ aste ge ett
Johan Thol´ en 3 M ¨ ATNING P˚ A EN D ¨ AMPARE
och en dragr¨ orelse vilket tidigare konstaterats bero p˚ a de olika stora kolvytorna. Detta blir tydligt om hastigheten omskalas till ett fl¨ ode med hj¨ alp av kolvarean. Detta kan ses i figur 20b d¨ ar graferna f¨ or tryck och dragr¨ orelse i princip sammanfaller.
10 20 30 40 50 60 70 80
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Hastighet [mm/s]
Mättnadstryck [bar]
Mättnadstryck vid olika hastigheter
4% drag 4% tryck 8% drag 8% tryck
(a) M¨ attnadstrycket av hastigheten
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
x 105 0
5 10 15 20 25 30 35 40
Flöde [mm3/s]
Mättnadstryck [bar]
Mättnadstryck vid olika flöde
4% drag 4% tryck 8% drag 8% tryck
