Estudo de caso
Dynamics Test Center CED, Normandia, França
Por Nicolas Phan, engenheiro de vendas, Dewesoft Franç

O Centro de Testes de Dinâmica (Centre d'Essais Dynamiques - CED) é um laboratório de testes público aberto a qualquer organização industrial ou de pesquisa. Entre outros, o CED fornece as instalações de teste para testes de colisão de assento, incluindo uma potente catapulta pneumática reversa. Isso é usado por fabricantes na indústria automotiva ou aeroespacial para avaliar o comportamento do assento durante um impacto - para garantir a segurança do ocupante em caso de emergência, como um acidente. 

Os engenheiros queriam visualizar os sinais de teste em tempo real durante o teste. Agora eles usam software e sistemas de aquisição de dados robustos da Dewesoft para testes de mecanismo de assento e calibração de manequins de teste de colisão

testing dummy in car seat ready for seat crash test

Um teste de colisão de assento é quase como o lançamento de um foguete. Um assento e um manequim são colocados no banco de ensaio da catapulta, que é então liberado e acelerado - ou desacelerado - em velocidades específicas para simular uma colisão frontal. Técnicos focados e organizados verificam meticulosamente o corpo de prova e a configuração - a bancada de teste, o assento, o manequim de teste, cada montagem, cabo e sensor.

Quando tudo estiver pronto, todos evacuam a sala de teste. Atrás de uma enorme janela de vidro blindado na sala de controle de teste, eles esperam. Em seguida, o operador-chefe soa um alarme estridente de enervar os nervos. As pessoas agora sabem que o teste é iminente. E BAAANG !!! - você ouve a liberação da mola de ar e sente a vibração do solo - mesmo na sala de controle isolada. O boneco leva o golpe. 

Dias ou semanas de preparação - e tudo acontece em menos de um segundo! É uma medição instantânea. E o assento com o manequim? Você já esteve em uma montanha-russa ou experimentou outros passeios sensacionais? 

Agora, imagine isso batendo em uma parede. A bancada de testes do CED é a mais poderosa da Europa. É capaz de projetar um corpo de prova de 4 toneladas a 90 km/h ao longo de 1 a 2m, o que corresponde à distância percorrida por uma colisão (deformação do veículo).

Teste de colisão de assento

Para carros, o teste de colisão - ou teste dinâmico - é um teste de segurança regulamentado obrigatório para homologar veículos. Os assentos automotivos permitem que os ocupantes dirijam com tranquilidade e segurança. Hoje em dia, o assento pode combinar várias funções mecatrônicas, como ajustar a automação com um motor elétrico, aquecimento e até mesmo um sistema de som ativo ou sistema de reconhecimento inteligente do motorista.

Um assento combina centenas de componentes mecânicos. Quanto à segurança, os mais básicos são o mecanismo de ancoragem - o trilho interno, o mecanismo de travamento e os parafusos - e o encosto do banco, sem esquecer peças essenciais de segurança como airbags e cintos. A cinemática moderna dos assentos é complexa. Os componentes do mecanismo do assento devem ser capazes de reclinar, elevar, ajustar e girar sem esforço o assento e, em seguida, retorná-lo suavemente à posição de direção - consulte a figura 1.

Para implementar um modelo numérico de resistência a vibrações e choques, o departamento de simulação do CED R&D precisa de dados reais de carga da estrada e tensões mecânicas extremas precisas em uma situação de teste de colisão real. A ciência dos materiais e o estudo das superfícies - e contatos entre eles - também são aplicados para entender o comportamento mecânico e potenciais problemas de pós-venda.

seat components of a vehicleFigura 1. O assento do veículo é construído com vários componentes. (Foto: Faurecia)

Centro de Teste de Dinâmica - CED

O Centro de Teste de Dinâmica CED pertence ao Campus Industrial de Pesquisa e Inovação Aplicada a Materiais (CIRIAM) - recentemente renomeado como Normand'Innov, e é apoiado pelo conselho regional da Normandia na França. Com sede na cidade de Caligny, o CED inclui instalações de teste, como enormes mesas de vibração de seis eixos e instalações para durabilidade climática, testes de ruído e chocalho, bem como a catapulta pneumática reversa.

O centro de teste está equipado com várias mesas de vibração de seis eixos para teste de durabilidade com uma ampla gama de vibrações e cargas. Por exemplo, simulação multiaxial, como rodoviária, aviação e sísmica. Veja a figura 2 para mais detalhes. 

Esses testes de vibração podem ser combinados com uma câmara climática removível para calor, frio ou umidade, ou com uma câmara semianecóica para medição de ruído de Squeak and Rattle, desenvolvimento de carro elétrico, conforto acústico e muito mais. Com a catapulta pneumática reversa, o CED atende empresas do setor automotivo e aeroespacial, como Airbus, Safran, Zodiac Aerospace.

O local de 61 hectares em Caligny também compreende a produção de mecanismos de assento FAURECIA e uma filial da Universidade ENSICAEN. Este centro mundial de P&D para o projeto de mecanismos de assento se destaca em estágios e treinamento em engenharia mecânica e ciência dos materiais. 

A Faurecia SE é uma fornecedora automotiva global francesa com sede em Nanterre, nos subúrbios a oeste de Paris. Está no top 10 mundial dos maiores fabricantes internacionais de peças automotivas e no topo absoluto em interiores de veículos e tecnologia de controle de emissões. Um em cada três carros em todo o mundo é equipado de alguma forma pela Faurecia.

six axis vibration table in the climatic chamberFigura 2. Mesa vibratória de seis eixos com câmara climática.

Teste de catapulta reversa

A potente catapulta reversa pneumática no centro de testes CED é usada para testes de impacto e testes de dinâmica em tempo real de estruturas automotivas e equipamentos como painéis, assentos ou sistemas de retenção para crianças. A bancada é composta por um carrinho que é projetado por uma mola pneumática hidropneumática para reproduzir situações de impacto / choque em estruturas e equipamentos mecânicos. Ele permite testes de colisão com 3,1 Mega Newtons, 90kph, 122 ge uma carga útil utilizável de 3.000 kg - consulte as figuras 3 e 4.

testing dummy on reverse pneumatic catapult for seat crash testingFigura 3. Catapulta pneumática reversa para teste de colisão.

O dispositivo no qual os testes dinâmicos de assentos e encostos de cabeça são realizados é um trenó plano de aço que corre sobre trilhos fixos. O trenó é movido para simular acelerações de colisões de veículos, recriando as forças sobre os ocupantes dentro dos veículos durante colisões no mundo real. A mudança de aceleração ou desaceleração ao longo do tempo de duração de uma colisão é conhecida como pulso de colisão, e o aspecto principal de um trenó é que ele pode ser programado para produzir pulsos de colisão específicos.

Para avaliar a proteção contra impactos traseiros, os assentos do veículo são fixados no trenó. O trenó é acelerado para simular um veículo parado na traseira de outro veículo do mesmo peso indo a 32 km / h (20 mph). Para conseguir isso, o ar comprimido é bombeado para um cilindro especial, empurrando um aríete para frente em um padrão pré-programado de aceleração (pulso de choque).

two men preparing a revers pneumatic catapult test with the dummy on the sledFigura 4. Preparando um teste de catapulta pneumática reversa - o manequim está no trenó.

A catapulta garante a repetibilidade de vários pulsos de desaceleração em conformidade com as especificações do construtor e atendendo aos regulamentos da autoridade e padrões de segurança, tais como: 

Padrão Organização Descrição
ECE17 UN/ECE Regulamento nº 17 da Comissão Econômica para a Europa das Nações Unidas (UN / ECE) - Disposições uniformes relativas à homologação de veículos no que diz respeito aos bancos, suas fixações e eventuais apoios de cabeça.
ECE94 UN/ECE Regulamento n.º 94 da Comissão Econômica para a Europa das Nações Unidas (UN / ECE) - Disposições uniformes relativas à homologação de veículos no que diz respeito à proteção dos ocupantes em caso de colisão frontal.
ECER44 UN/ECE Regulamento n.º 44 da Comissão Econômica para a Europa das Nações Unidas (UN / ECE) - Disposições uniformes relativas à homologação de dispositivos de retenção para crianças ocupantes de veículos a motor («sistemas de retenção para crianças»)
Whiplash Euro NCAP Os testes de chicotada do Euro NCAP são projetados para promover as melhores práticas de projeto de assento e encosto de cabeça, ou seja, aqueles projetos que são conhecidos por dados de acidentes para fornecer a proteção mais eficaz no mundo real. 
Euro NCAP Euro NCAP O Programa Europeu de Avaliação de Novos Carros é um programa voluntário europeu de avaliação de desempenho de segurança automotiva. A classificação de segurança é determinada a partir de uma série de testes de veículos, concebidos e executados pela Euro NCAP. 
US NCAP US NCAP
Administração Nacional de Segurança de Tráfego Rodoviário (NHTSA)
Uma disposição da Lei de Equidade no Transporte Seguro, Responsável, Flexível e Eficiente: Um Legado para Usuários (SAFETEA-LU) exige que os novos veículos de passageiros sejam rotulados com informações de classificação de segurança publicadas pela National Highway Traffic Safety Administration em seu Programa de Avaliação de Novos Carros ( NCAP).
FMVSS 
(202, 207, 208, 225)
Padrões federais de segurança de veículos motorizados Os Padrões Federais de Segurança de Veículos Motorizados (FMVSS) são regulamentações federais dos EUA que especificam requisitos de design, construção, desempenho e durabilidade para veículos motorizados e componentes, sistemas e recursos de design regulamentados relacionados à segurança automotiva.
AS8049 SAE Aerospace Standard (AS) Padrão de desempenho para assentos em aeronaves civis, aeronaves de transporte e aeronaves da aviação geral. 

graph showing the example of time acceleration profile of sled characterizationFigura 5. Exemplo de perfil de aceleração de tempo

Os engenheiros do CED usam um sistema de aquisição dedicado e software na catapulta da KT Automotive GmbH, uma descendência da Kayzer-Threde Gmbh, agora parte do Grupo Kistler. No entanto, com o sistema de teste de colisão padrão, eles foram incapazes de visualizar os sinais de teste antes, durante ou imediatamente após o teste. O teste funcionou como uma caixa preta registrando os dados de forma autônoma. Para visualizar os dados e fazer seus cálculos, os engenheiros tiveram que entrar no modo de pós-análise e exportar os dados. 

Para desenvolver a bancada de testes e, principalmente, adquirir a capacidade de medições de extensômetro solicitadas por seus clientes, os engenheiros do CED estavam em busca de fornecimento de sistema DAQ:

  • 6 canais de condicionador de extensômetro (Ponte Completa, Meia ponte, ¼ de ponte).
  • Sistema compacto e robusto para ser embutido no carrinho da catapulta.
  • À prova de choque de 25 a 60G (com uma taxa em torno de 50 testes / ano).
  • Taxa de amostragem máxima de 20 kHz por canal.
  • Entrada digital para sincronizar a aquisição inicial com o sistema de catapulta.
  • Possibilidade de visualizar as medidas em tempo real ou ter o status dos resultados do teste imediatamente ao final do teste. Isso não foi possível com o sistema existente que funciona como uma caixa preta e precisa de uma longa análise pós-tratamento.

O número de canais usados depende do que precisa ser analisado - o mecanismo estrutural do assento, o comportamento humano no assento ou ambos.

A solução

Os engenheiros do CED escolheram a solução de hardware proposta por Dewesoft - ver figura 6:

  • KRYPTON 6xSTG: Sistema de aquisição de dados de extensômetros universais de 6 canais.  
  • KRYPTON ONE 4xDI: Módulo de entrada digital de 4 canais.
  • ECAT Power Junction: para injeção de alimentação. 
  • Cabo EtherCAT flexível de 50m específico KAWEFLEX® dedicado para carrinhos rolantes e movimentos mecânicos repetitivos.
  • Taxa de amostragem de 20 kHz por canal.

system architecture of Krypton system on the catapult with seat crash testing dummyFigura 6. Arquitetura do sistema Krypton na catapulta.

O Krypton One 4xDI recebe um sinal digital do carrinho da catapulta que aciona a medição para sincronizar os dois sistemas de aquisição de dados. Como o DewesoftX pode iniciar a medição em muitas condições e com tempo de pré-disparo, nenhum dado é perdido e os resultados podem ser exportados em vários formatos para serem comparados a qualquer sistema de aquisição de dados de terceiros.

Krypton modules mounted on the catapult trolleyFigura 8. EtherCAT KAWEFLEX® de 50 m flexível personalizado para fonte de alimentação, dados e sincronização Krypton.

Custom flexible 50m EtherCAT KAWEFLEX® for Krypton power supply, data, and synchronization
Figure 8. Custom flexible 50m EtherCAT KAWEFLEX® for Krypton power supply, data, and synchronization.

O hardware Dewesoft vem com o poderoso software de registro e análise de dados - DewesoftX. Uma grande variedade de funções matemáticas está disponível:  

Como é fácil de usar, os engenheiros do CED podem criar rapidamente monitores multifísicos personalizados com cálculos em tempo real - veja as figuras 9 e 10.

Example of a customized software interface for real-time math calculation in DewesoftX softwareFigura 9. Exemplo de uma interface de software personalizada para cálculos matemáticos em tempo real.

Screenshot of multiple math functions (including CFC filters for the crash test) that are available in DewesoftX softwareFigura 10. Várias funções matemáticas (incluindo filtros CFC para o teste de colisão) estão disponíveis no software DewesoftX.

Os Dummies para Crash Test

O teste de colisão envolve um simulado de teste de colisão. Os bonecos de teste de colisão são projetados para simular a resposta humana a impactos, acelerações, deflexões, forças e momentos de inércia gerados durante uma colisão. Eles permitem o estudo e o desenvolvimento de estruturas e sistemas de retenção à prova de acidentes. 

Equipados com vários sensores embutidos ou montados, eles captam e registram uma faixa de valores durante o teste. Os valores que são registrados, juntamente com outras medições feitas durante o teste de colisão, permitem avaliar se o teste atende aos padrões.

Todos os detalhes - a roupa do manequim, a tensão do arnês, a posição do clipe de tórax, o aperto do cinto do veículo - são regulamentados por normas que permitem que os testes sejam repetidos e comparados quando feitos em diferentes instalações laboratoriais.

Os manequins instrumentados do CED são feitos pelo fabricante americano HUMANETICS, líder global no projeto, fabricação e fornecimento de manequins de teste de colisão que modelam fielmente seres humanos. A empresa ainda fornece equipamentos de calibração, instrumentação de sensores de colisão, modelagem de software e equipamentos de teste de segurança ativa. E esses manequins não são brinquedos baratos. O preço de um manequim é semelhante ao de um carro familiar muito bom. 

different models of testing dummies in warehouse Figura 11. Diferentes modelos de manequim são usados ​​de acordo com a configuração do teste - impacto frontal ou lateral - e o comportamento biomecânico que precisa ser estudado  

Medições

IEm todos os testes físicos de colisão, os manequins são usados para medir as forças e avaliar prováveis ferimentos em motoristas e passageiros de veículos, adultos ou crianças. Uma série de testes de colisão destrutivos é conduzida para simular os tipos mais comuns de colisões, incluindo impacto frontal, impacto lateral, fuga fora da estrada e traseira.

Por ano, o centro de testes CED faz cerca de 600 a 800 testes de impacto - testes de impacto frontal-reverso e impacto lateral - dependendo do número de corpos de prova feitos. 20 a 30 canais de medição são necessários para apenas um manequim. É por isso que canais adicionais, como Krypton, são aplicados.

Krypton nos permite adquirir fácil e rapidamente até seis medidores de tensão em um teste

diz Baptiste Fleury, engenheiro de teste de colisão no CED Normandy. “Usamos esses medidores para medir as tensões em diferentes lugares dos assentos. Por exemplo, verificar uma potencial fraqueza identificada no cálculo, dimensionar um componente de acordo com as tensões medidas, ou ainda fornecer dados para o cálculo em locais de difícil modelagem ou simulação ”.

Antes que um assento de carro chegue ao mercado, mais testes de colisão podem ser realizados. Os fabricantes executam simulações de teste de colisão durante todo o projeto e desenvolvimento de um produto. Os primeiros testes de colisão são feitos para fins de pesquisa para ajudar a determinar quais áreas de design precisam ser melhoradas ou para esclarecer se uma alteração potencial do produto será benéfica ou não. No entanto, em alguns casos, os primeiros testes de colisão são feitos apenas quando o assento do protótipo está disponível.

Células de carga, acelerômetros, transdutores de deslocamento estão incluídos nos manequins. Eles ajudam os engenheiros a avaliar o que um corpo humano real passa em termos de choque e força de impacto. Eles também são usados para avaliar a eficiência dos sistemas de segurança dos assentos, tais como:

  • cintos de segurança, 
  • apoios de cabeça,
  • apoios de braço do assento,
  • etc.

Além disso, outros transdutores, como medidores de tensão, são montados nas sedes. Isso permite que os engenheiros vejam como os materiais usados se comportarão em caso de situações de colisão - se eles são fortes o suficiente para evitar quebrar, perder ou deformar. 

testing dummy mounted on seat and ready for the seat crash testFigura 12. Um manequim montado e pronto para o teste de colisão do banco.

Módulos DAQ versáteis

Os novos módulos Dewesoft Krypton no CED não são apenas robustos, mas também versáteis. Em seu departamento de metrologia - a “Clínica Dummies”, os engenheiros agora também os usam para outras tarefas de medição, como calibração de sensores e verificações de saúde simuladas.

Como os bonecos de teste de colisão simulam a resposta humana a impactos, acelerações, deflexões, forças e momentos de inércia gerados durante uma colisão - eles levam uma surra pesada. Ao longo de sua “vida útil”, os manequins são expostos a altos níveis de choque e todos os sensores internos - força, torque, deslocamento ... devem ser verificados regularmente. Isso é feito em bancadas de teste específicas, como bancadas de teste do impactor ou máquinas de compressão de tensão. As entradas universais e de alta precisão dos módulos Krypton são adequadas para esses fins de calibração.

Os procedimentos de teste para manequins são regulamentados e descritos em padrões de teste. Os engenheiros fazem um teste em um impactador de pêndulo dinâmico ou em uma bancada de teste eletromecânico para tração e compressão - veja as figuras 13 e 14. 

O impactador de pêndulo dinâmico fornece dados sobre o comportamento de materiais ou componentes sujeitos a cargas rápidas. É usado para medir a resposta de um impacto no tórax humano - a região do tórax entre o pescoço e o abdômen. Ao testar com o pêndulo, uma massa de referência conhecida colide com o manequim a uma velocidade conhecida. A resposta de força / deflexão do esterno ou do osso torácico do manequim é medida.

A bancada de teste eletromecânico é usada para medir a curva de resposta do sensor. Ele aplica uma carga estática ou deslocamento conhecido e a deformação do próprio sensor é verificada.

testing dummy on a tension-compression machine which calibrates displacement sensors or strain gaugesFigura 13. Teste de impacto do centro de testes CED - o módulo Krypton está na mesa na parte de trás.

Toda a cadeia de medição de aquisição de dados também pode ser calibrada com um sinal de gerador de referência elétrica. Cada sensor possui uma saída elétrica que está sendo dimensionada em uma unidade física no sistema de aquisição. Um processo de calibração é feito para verificar se o próprio sistema de aquisição de dados mede o valor correto. Um gerador de sinal calibrado é usado como uma referência de tensão elétrica conhecida e o sinal é enviado para as entradas do sistema de aquisição de dados.

Krypton modules being used to calibrate dummies and sensors
Fig. 14. Uma máquina de compressão de tensão com um ponto de ajuste de deslocamento conhecido é usada para calibrar sensores de deslocamento ou medidores de tensão

Conclusão

O Dynamics Test Center CED na Normandia, FRANÇA, escolheu os módulos de aquisição KRYPTON da Dewesoft robustos para sua catapulta de teste de colisão de assento. Com são à prova de choque de até 100G, os medidor de tensão e amplificadores STG universais internos, as unidades KRYPTON são adequadas para uso em ambiente de vibração extrema e faixa de medição de alta resolução.

Fácil de usar e versátil, usamos os módulos KRYPTON tanto para testes de colisão para estudar o comportamento dinâmico de estruturas / materiais quanto para operações de calibração de alta precisão

diz o engenheiro de testes de colisão Baptiste Fleury.

Referências

Reportagem da televisão francesa no CED

Relatório de vídeo no centro de teste CED

Crash Test Dummies no CED