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Basare le Prove di Vibrazione su Specifiche Realistiche Aiuta la Valeo a Fornire Affidabilità e Prestazioni al Giusto Costo

La chiave del successo per i fornitori automobilistici è la progettazione di componenti che soddisfino obiettivi affidabili, tengano bassi i costi di garanzia e, che nel contempo, assicurino bassi costi di produzione. Tradizionalmente, i componenti automobilistici vengono provati utilizzando specifiche generiche basate su profili storici dei guasti aventi poca attinenza col veicolo su cui verranno installati. Il risultato è che il componente può essere sovra-progettato per alcuni tipi di vibrazioni mentre resta vulnerabile ad altre influenze. 

La Valeo è pioniera in un nuovo approccio che trasforma i dati di carico su strada acquisiti col veicolo in cui vengono usati i componenti, i segnali di prova che rappresentino realisticamente i carichi di fatica visti dal componente durante la sua vita nel veicolo attuale. Valeo ha lavorato con HBM-nCode per implementare questo approccio nel software di analisi dati nCode GlyphWorks ed utilizza questo software per generare rapidamente segnali di prova sintetizzati per pilotare i sistemi di prova alla fatica. Il risultato è che il componente è progettato per soddisfare gli specifici requisiti del veicolo, con conseguente riduzione sia dei costi di fabbricazione che di garanzia.

Affidabilità al giusto costo

Allestimento del radiatore per prove al banco

La progettazione di prodotti aventi le giuste prestazioni ed affidabilità al giusto costo è fondamentale per il successo nel settore dei componenti per autoveicoli. “Oggi, la durata della vita che ci si aspetta dai veicoli è tipicamente dell'ordine di 15 anni e 300.000 chilometri,” dice David Delaux, Group Reliability Director della Valeo. “I fornitori di componenti automobilistici devono garantire che i loro prodotti possano raggiungere questi obiettivi. Ovviamente, non è possibile provare effettivamente i componenti per l'intero periodo di vita del veicolo, quindi i componenti vengono solitamente valutati usando specifiche generiche provenienti dai produttori dei veicoli. Queste sono in genere la densità casuale dello spettro di potenza oppure la spazzolata di segnali sinusoidali armonici. Esse vengono applicate con diverse durate di esposizione, tipicamente da 30 a 100 ore per asse. “Ma in realtà, i diversi veicoli inducono carichi molto differenti sui loro componenti,” continua Delaux. “Coprire molti e diversi tipi di veicoli richiede che le specifiche generiche integrino grandi fattori di sicurezza, ma anche in tal modo non si è certi che essi coprano l'intero campo dei guasti verificatesi in particolari veicoli. Storicamente, abbiamo notato danni e modi di danneggiamento sui componenti effettivi su strada che non erano mai stati visti nelle prove con le specifiche generiche. Nelle prove abbiamo visto anche dei guasti mai notati nei veicoli reali. Inoltre, la progettazione con le specifiche generiche rende necessario il sovra-dimensionamento dei componenti, il che aumenta considerevolmente il loro costo.”

Convertire le storie temporali in specifiche realistiche

nCode GlyphWorks è usato per rilevare e correggere i picchi - i rossi sono quelli corretti

Valeo sta lavorano da circa un decennio per lo sviluppo di metodi che convertano le storie temporali dei dati acquisiti in specifiche vibrazionali reali che che siano molto più aderenti ai carichi sperimentati effettivamente nei veicoli. Queste storie temporali sono in genere rilevate di clienti sulle piste di prova usando accelerometri, estensimetri, sensori di pressione, ecc. e, in alcuni casi, acquisiti dalla Valeo stessa. Le forze armate francesi con la loro norma GAM-EG-13, quelle americane con la MIL-STD-817 e la società scientifica francese Association pour le développement des Sciences et Techniques de l’Environnement (ASTE), hanno tutte sviluppato dei metodi abbastanza coerenti per convertire i segnali della storia temporale in specifiche vibrazionali per pilotare le apparecchiature di prova alla fatica. Delaux afferma: “Vorrei ringraziare sentitamente Christian Lalane, Henri Grzeskowiak, Bruno Colin, Bernard Colomies, Jacques Vanuxeem, Lambert Pierrat ed Armand Delanghe, che hanno realizzato queste forti metodologie.” La sfida per il fornitore automobilistico che voglia perseguire questo approccio consiste nell'accettare i grandi volumi di segnali delle storie temporali acquisite sulle piste di prova di tutto il mondo e sviluppare un metodo efficiente ed accurato per convertirli in specifiche per le prove di fatica. “Ho iniziato a lavorare con HBM-nCode circa un decennio fa perche questa società superava tutte le altre nello sviluppo del software per convertire i dati delle storie temporali in specifiche vibrazionali sintetiche,” dice Delaux. “HBM-nCode è unico per la quantità di conoscenze sulle prove posseduto dal suo personale, compresi i suoi sviluppatori e lo staff di supporto tecnico. Abbiamo lavorato a stretto contatto con HBM-nCode per implementare i più recenti metodi di generazione della densità spettrale sintetica di potenza danno-equivalente nel suo software di analisi dei dati di prova GlyphWorks. Durante questo processo abbiamo sviluppato un forte rapporto di collaborazione con HBM-nCode.”

Valutare i campi di frequenza

Figura 1:  I dati dei picchi prima (in alto) e dopo (in basso) la correzione

Il primo passo di questo processo è l'inserimento dei dati della storia temporale in GlyphWorks utilizzando il glifo d'ingresso delle serie temporali. Per rilevare i valori anomali vengono usati gli algoritmi di rilevazione delle anomalie disponibile in GlyphWorks. Uno specialista di misurazioni esamina le anomalie e corregge i picchi mentre tiene d'occhio gli altri difetti, quali la saturazione, che possa essere necessario scartare.

Data correction

 

Figura 2: GlyphWorks è usato per rilevare e correggere i picchi, deviazioni, perdite di segnale, saturazioni, ecc. Primo piano dei dati corretti - in blu gli originali, in rosso quelli corretti.

 

 

 

 

 

Vengono poi calcolate le statistiche globali per ogni canale quali max, min, media, deviazione standard, RMS, asimmetria e curtosi. Questi valori di prova stazionari sono utilizzati per valutare rapidamente se il segnale è centrato sulla sua media e la sua piccosità. Viene eseguita un'analisi statistica per determinare se i valori della media e della deviazione standard restano costanti lungo il periodo di campionamento. Queste analisi aiutano gli esperti di misurazioni a distinguere se usare un approccio deterministico o probabilistico per calcolare lo spettro di danni della fatica.

Figura 3: Valori di prova stazionari compresi il segnale, la densità di probabilità, la media mobile e la deviazione standard mobile

Viene quindi eseguita una trasformata rapida di Fourier sui dati della storia temporale con GlyphWorks per determinare quale campo di frequenze sia necessario per eccitare la prova vibrazionale. Basandosi sulle frequenze che si vedono, l'esperto delle misurazioni può determinare la loro sorgente. In alcuni casi l'esperto delle misurazioni può decidere di limitare le frequenze che sono comprese nello spettro dei danni. Lo spostamento di un'accelerazione ad ampiezza costante decresce con il quadrato della frequenza. Talvolta si possono eliminare le alte frequenze poiché la deformazione è proporzionale allo spostamento e le alte frequenze generano poco spostamento.

Figura 4: Sorgenti di rumore nei differenti campi di frequenza

Calcolare lo spettro dei danni alla fatica

La Figura 5 mostra un esempio di calcolo dello spettro di danni alla fatica usando GlyphWorks. Data la natura non stazionaria dei segnali, in questo esempio è stato usato l'approccio deterministico. I parametri i fatica utilizzati sono quelli tipici per i metalli: pendenza di Basquin b=8 e fattore dinamico di amplificazione Q=10. Vengono usati gli stessi parametri per la derivazione dello spettro sintetizzato. L'obiettivo è quello di trovare una densità di potenza spettrale oppure una spazzolata siusoidale il cui spettro di danni alla fatica sia equivalente allo spettro di danni alla fatica generato dalla storia temporale.

Ciò viene realizzato in GlyphWorks usando un approccio riterativo che adatti la densità di potenza spettrale finché esso si sovrapponga entro un certo margine allo spettro di danni alla fatica. Nell'esempio, le densità sintetizzate di potenza equivalenti sono calcolate per ottenere un danno equivalente con la durata di esposizione di 30 ore per asse. È stato aggiunto un fattore di sicurezza statistico che tiene conto delle variazioni del carico applicato e della resistenza alla fatica del componente. S'impiega un fattore di sicurezza addizionale per considerare il numero limitato delle prove di durevolezza che saranno eseguite e degli obiettivi di affidabilità dei costruttori di automobili. Il fattore di sicurezza totale è il prodotto di questi due valori. La specifica realistica creata nell'esempio soprastante fu confrontata con la specifica generica fornita dai produttori automobilistici, come mostrato in Figura 6. La loro sovrapposizione mostra che la specifica sintetizzata supera quella generica nelle frequenze sotto i 200 Hz, tipicamente dove gli ordini del motore sono un contributo rilevante alle vibrazioni. D'altra parte, alle alte frequenze la specifica sintetizzata ha magnitudo più basse di quelle del profilo esistente. In questo esempio, l'impiego della specifica generica può condurre al sovra-dimensionamento nel campo delle alte frequenze ed al sotto-dimensionamento in quello delle basse frequenze.

Fatigue damage spectrum calculation with nCode GlyphWorks

La Valeo ha utilizzato questi metodi per progettare e validare oltre 400 prodotti per il raffreddamento del motore. Solitamente essa inizia usando un software di analisi della fatica per valutare le specifiche PSD rispetto al progetto corrente. Se la simulazione mostra che il progetto corrente non può resistere allo spettro realistico, il progetto viene reiterato finché gli ingegneri guadagnano la fiducia che passerà la prova. Le specifiche realistiche prodotte dal nuovo metodo hanno di dimostrato di essere considerevolmente più accurate delle specifiche generiche.

Ad esempio, in un caso un OEM automobilistico richiese alla Valeo di usare una prova con spazzolata sinusoidale generica su un componente di plastica. La Valeo misurò i dati della storia temporale e calcolò anche i danni basati sul profilo realistico. Furono creati i progetti per soddisfare entrambe le specifiche. Il progetto basato sulla specifica realistica consentiva di risparmiare 100.000 Euro nei costi di attrezzatura, 0,60 Euro per parte nei costi di fabbricazione ed anche di ridurre il peso del 10 %.

“Molto più alto ma più difficile da misurare il risparmio dei costi ottenuto dalla nostra capacità di progettare più accuratamente i prodotti per soddisfare le condizioni del mondo reale utilizzando specifiche affidabili,” afferma Delaux. “Le parti progettate con le specifiche generiche talvolta non sono in grado di sopportare i carichi generati da particolari configurazioni del veicolo. Progettare le parti con specifiche affidabili può generare enormi riduzioni dei costi di garanzia, pur garantendo che esse siano in grado di soddisfare i requisiti dell'applicazione.”

La Valeo

Valeo è uno dei maggiori fornitori di parti per automobili europei, e rifornisce di componenti quasi tutti i costruttori automobilistici del mondo. Valeo è organizzata in quattro gruppi aziendali: gruppo Comfort and Driving Assistance Systems (controlli interni, sistemi di sicurezza); Powertrain Systems (sistemi motoristici ed elettrici, trasmissioni); Thermal Systems (controllo climatico, compressori, raffreddamento motori); e Visibility Systems (sistemi di illuminazione, sistemi di tergicristalli). Il Valeo Service distribuisce anche prodotti per il mercato automobilistico post-vendita. Valeo ha circa 120 sedi di produzione in 27 paesi e più dei due terzi del suo giro di affari proviene dall'Europa.

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