Optimalizace snímače tlaku vestavěného v pneumatikách

K publikaci tohoto článku mě vedlo několik zajímavých údajů ze statistik. Prvním je, že 63 % motoristů jezdí na podhuštěných pneumatikách (zdroj: Bridgestone test 2011). Dále 3,3 % všech dopravních nehod se smrtelnými následky na francouzských dálnicích bylo způsobeno podhuštěnými pneumatikami (zdroj: ASFA – 2006 report).

Snímače tlaku zajištěním předepsaného tlaku v pneumatikách nepřímo ovlivňují spotřebu a výkon automobilu. V případě správného tlaku mají pneumatiky požadovaný tvar. Jakmile tlak poklesne, je zapotřebí více energie pro zajištění pohybu automobilu. Je zcela běžnou praxí, že řidiči, včetně mě, při každodenním provozu automobilu kontrolu tlaku v pneumatikách vynechávají. V případě poklesu tlaku dezén pneumatiky ztrácí svou schopnost odvádět vodu z prostoru mezi pneumatikou a vozovkou. Tlakové snímače zastávají každodenní rutinu kontroly tlaku v pneumatikách a v případě poklesu okamžitě upozorní řidiče, které kolo je podhuštěné. Při návrhu a ověření funkčnosti zařízení existují různé postupy, ale tím nejefektivnějším a nejrychlejším je použití počítačové simulace.

Nízký tlak v pneumatikách se projeví značným zvýšením spotřeby paliva. Navíc drasticky vzroste produkce skleníkových plynů do atmosféry. Podhuštěné pneumatiky také mají větší brzdnou dráhu nebo dokonce na mokré vozovce mohou způsobit smyk. Výrobci automobilů instalují snímače tlaku v rámci základní výbavy do vozů středních a vyšších tříd. Aktuálním světovým lídrem ve výrobě snímačů tlaku je firma Schrader Electronics, která ročně vyrobí 45 milionů senzorů, tj. zhruba 52 % celosvětové produkce, a dodává je světovým lídrům automobilového průmyslu, jakými jsou GM, Ford anebo Mercedes. Pro výrobce dalších 39 % snímačů dodává podstatné části.

Aby snímače vydržely po celý životní cyklus automobilu a odolaly všem nástrahám, které vozovky skýtají, jsou pro ně klíčovými vlastnostmi spolehlivost, odolnost a životnost. Při návrhu snímačů tlaku musí konstruktéři brát v úvahu nárazy, vibrace, tlak, vlhkost, teplotu a rozmanité dynamické namáhání. Ve firmě Schrader Electronics se návrhem a ověřením správné funkce snímače zabývalo několik techniků z divize Mechanical Engineering, přičemž na vývoji snímačů tlaku se podílí konstruktérský tým Christabel Evansové. Pro návrh efektivních snímačů tlaku, implementovaných do kol různých typů automobilů, používá metodu konečných prvků (MKP).

Automobilový Snap-in snímač tlaku pro vysoké rychlosti (210 km.h-1) je zobrazen na obr. 1. Snímač se běžně připíná přímo na ráfek kola a tlak je snímán i při pohybu kola. Jakmile tlak v pneumatice poklesne, snímač vyšle signál řidiči, že je čas zastavit a dohustit pneumatiku.

Ačkoliv firma Schrader Electronics vyrábí snímače tlaku téměř 20 let, stále hledala způsob, jak návrh produktu i jeho následné testování zefektivnit. S využitím metody konečných prvků a postupnou iterací se podařilo minimalizovat experimentální náklady spolu s potřebným časem na vyhodnocení vlastností konstrukce v průběhu vývoje. Firma zvolila použití již existujícího řešení, které poskytuje program Comsol Multiphysics spolu s jeho nadstavbami Structural Mechanics Module a CAD Import Module, neboť počáteční rozvaha vývojového týmu ukázala, že by se vývoj vlastního softwaru MKP nevyplatil. Pro ověření výsledků simulace konstruktéři provedli sérii testů porovnávajících standardizované vzorky se simulací.

Postupem času vývojáři začali do simulace začleňovat více multifyzikálních parametrů popisujících reálné chování. Mezi tyto parametry patří dynamické zatěžování (odstředivou silou), vnější zatížení (změna teploty), statické zatěžování (tlak) a také náhlé zatížení. Snap-in snímače tlaku obsahují vysílač, který je uložen v ráfku kola. Geometrie Snap-in snímače tlaku obsahuje žebro zajišťující uchycení sestavy v drážce ráfku.

Na obr. 1 je zobrazeno výsledné napětí a deformace způsobená vnějšími silami od uchycení kola, nárazů a vibrací způsobených nerovnostmi vozovky. Obr. 2 zobrazuje geometrii součástky určenou k zátěžovému testu, který simuluje zatížení snímače při rotaci kola při nejvyšší návrhové rychlosti. Pomocí simulace byla ověřena správnost volby materiálu tak, aby součástka vydržela předepsané zatížení.

Na základě provedených simulací nárazů mohl tým Christabel Evansové určit nejlepší konfiguraci a na základě této konfigurace i tvar navrhované součástky. Při testování se zaměřil především na simulaci několika rozdílných geometrií, materiálů a možných scénářů zatěžování.

Nasazení programu COMSOL Multiphysics a jeho nadstaveb do vývojového procesu umožnilo firmě Schrader Electronics rychle navrhnout a optimalizovat snímač tlaku. Christabel Evansová shrnula její zkušenosti do jedné věty: „Comsol Multiphysics je přehledný a každý budoucí uživatel se ho velice snadno naučí používat – okamžitě jsme ho zavedli do běžného provozu.“

Firma do budoucna plánuje věnovat více času návrhu designu výrobku společně s analýzou poruchovosti pomocí simulací. S každým novým produktem je tým Christabel Evansové schopen zvýšit pohodlí řidiče, snížit dopady na životní prostředí a především zvýšit celkovou bezpečnost provozu na komunikacích.

Ing. Pavel Ludvík

Na začátku měsíce listopadu byla do distribuce uvolněna nová verze Comsol Multiphysics 5.0 švédské společnosti Comsol. Comsol Multiphysics je softwarový inženýrský nástroj určený k modelování a simulaci fyzikálních dějů. Firma Comsol AB s novou verzí mění zažité standardy v oblasti inženýrských počítačových simulací.

Kromě významných aktualizací v jádře systému i v existujících nadstavbových modulech, přichází firma na trh pod heslem „od modelu k aplikaci“ (From model to App) se zcela novým Application Builderem. Uživatel na základě klasického modelu vytvořeného v programu Comsol Multiphysics může pomocí Application Builderu vytvářet v několika jednoduchých krocích samostatné aplikace, které mohou být určeny nejen pro vývojáře, ale i pro uživatele, kteří nemají zkušenosti s počítačovými simulacemi. Uživatelská aplikace může obsahovat jakýkoliv fyzikální děj, k výběru jsou simulace z oblastí elektromagnetismu, strojírenství, proudění tekutin a chemie. V případě potřeby lze do aplikace zahrnout i jejich libovolné kombinace a tím se přiblížit k reálnému fyzikálnímu chování. Návrh vlastních aplikací se provede rychle a efektivně v interaktivním grafickém Form Editoru. Takto vytvořené aplikace je možné následně sdílet napříč firmou anebo je poskytovat třetím stranám.

Ray Optics Module je nový nadstavbový modul určený specialistům zabývajícím se návrhem mikrovlnných zařízení. Modul je vhodný pro simulaci čoček, interferometrů, laserů, spektrometrů, optických vláken a mnoha dalších aplikací z této oblasti. Samozřejmostí je možnost výpočtu reflexe (odrazu) či refrakce (lomu) na hranicích mezi různými materiály.

Design Module obsahuje pokročilé funkce pro tvorbu geometrických tvarů, jaké jsou běžné v CAD systémech.

LiveLink for Revit je nadstavbový modul, který zajišťuje propojení Comsol Multiphysics s CAD systémem Autodesk Revit Architecture (CAD software, který se používá ve stavebnictví a v architektuře při návrhu budov a pozemních staveb). Modul umožňuje obousměrně přenášet geometrie mezi oběma programy.

Pavel Ludík

Humusoft
ludvik@humusoft.com
www.humusoft.cz/comsol/
//www.comsol.eu/
//www.comsol.eu/resources

Videa k tomuto článku si můžete prohlédnout zde

Úvod do modelování v programu COMSOL Multiphysics (česky):

Novinky v COMSOL Multiphysics 5.0 (anglicky):

//www.comsol.com/video/

Od modelu k aplikaci (anglicky):

//www.comsol.com/video/application-builder-expands-simulation-industry