Case Study
Dynamics Test Centre CED, Normandy, France                                                                            Di Nicolas Phan, Sales Engineer, Dewesoft Francia

Il Dynamics Test Center (Centre d'Essais Dynamiques - CED) è un laboratorio di prova pubblico aperto a qualsiasi organizzazione industriale o di ricerca. Tra le varie prove effettuabili al CED c’è il Crash Test dei sedili auto, eseguito con l'ausilio di una potente catapulta pneumatica inversa. Questo tipo di Test viene utilizzato dai produttori dell'industria automobilistica e/o aerospaziale per valutare il comportamento del sedile durante un impatto. Il fine è di garantire la sicurezza degli occupanti in caso di emergenza.

Il desiderio degli ingegneri era quello di visualizzare i dati in tempo reale durante il test. Hanno scelto la soluzione di misura Dewesoft sia per il test del meccanismo del sedile sia per la calibrazione dei manichini per i crash test.

testing dummy in car seat ready for seat crash test

Un crash test del sedile è molto simile al lancio di un razzo. Un sedile e un manichino vengono posizionati sul banco prova della catapulta. Questa viene poi fatta scattare (provocando un’ accelerazione o una decelerazione) a velocità specifiche per simulare una collisione frontale. Una squadra di tecnici specializzati controlla e prepara meticolosamente il campione di prova e l'installazione. Il banco prova, il sedile, il manichino di prova, ogni supporto, cavo e sensore vengono controllati.

Quando tutto è pronto, la sala prove viene evacuata. Nella sala controllo, dietro un'enorme vetrata blindata, il personale rimane in attesa. Un forte allarme preannuncia l’imminente inizio del test. Poi, un boato! Si sente distintamente il rilascio della molla pneumatica e le vibrazioni del suolo si percepiscono addirittura nella sala controllo isolata. Il manichino subisce un forte colpo.

Giorni o settimane di preparazione - e tutto avviene in meno di un secondo! È una misura unica non ripetibile. E il sedile con il manichino?

Immaginali lanciati, sbattere contro un muro. Il banco prova del CED è il più potente d'Europa. È in grado di lanciare un campione prova di 4 tonnellate a 90 km/h per 1 o 2 m 
- che corrisponde alla distanza percorsa nel caso di un urto (deformazione del veicolo) -.

Crash Test del Sedile Auto

Per le auto, il crash test – o test dinamico – è un test di sicurezza regolamentato, obbligatorio per omologare i veicoli. I sedili auto consentono agli occupanti di guidare rilassati e sicuri. Al giorno d'oggi, il sedile può combinare molte funzioni meccatroniche come la regolazione automatica tramite un motore elettrico, il riscaldamento della superficie della seduta, un sistema audio attivo e un sistema di riconoscimento intelligente del conducente.

Un sedile auto combina centinaia di componenti meccanici. I più basilari per quanto riguarda la sicurezza sono:

  • il meccanismo di ancoraggio formato dal binario interno, dal meccanismo di  bloccaggio e dai bulloni) 
  • lo schienale
  • airbag
  • cinture. 

La moderna cinematica dei sedili è complessa. I meccanismi del sedile devono essere in grado di reclinare, sollevare, regolare, ruotare senza sforzo il sedile e riportarlo dolcemente nella posizione di guida - vedere la figura 1.

Il dipartimento R&D del CED, ha bisogno di dati reali circa il carico su strada e riguardo le sollecitazioni meccaniche estreme, per implementare un modello numerico di resistenza alle vibrazioni e agli urti. La scienza dei materiali, lo studio delle superfici e dei contatti tra di esse, vengono applicate anche per comprendere il comportamento meccanico e le potenziali problematiche post-vendita.

seat components of a vehicleFigura 1. Il sedile del veicolo è costituito da numerosi componenti. (Foto: Faurecia)

Il Dynamics Test Center - CED

Il Dynamics Test Centre CED fa parte del Campus Industriale di Ricerca ed Innovazione Applicata ai Materiali (CIRIAM). Il Centro, recentemente ribattezzato Normand’Innov, è supportato dal consiglio regionale della Normandia, Francia. Con sede nella città di Caligny, il CED ospita diverse strutture di prova come le enormi tavole vibranti a 6 gradi di libertà, installazioni per la durabilità climatica, per test di squeak & rattle, nonché la catapulta pneumatica inversa.

Il centro prove è equipaggiato con tavole vibranti a 6 gradi di libertà per test di durata, simulazione profili strada, test aerospaziali e prove sismiche. Figura 2 

Questi test di vibrazione possono essere effettuati in combinazione con una camera climatica rimovibile (per caldo, freddo o umidità), o con una camera semi-anecoica per la misura di squeak & rattle, lo sviluppo di auto elettriche, comfort acustico e altro ancora. La catapulta pneumatica inversa, viene usata dal CED per testare progetti provenienti principalmente da aziende del settore automobilistico e aerospaziale, come Airbus, Safran, Zodiac Aerospace.

Nel sito di 61 ettari, a Caligny, si trova anche il centro per la produzione di meccanismi di seduta della FAURECIA e una distaccamento dell'Università ENSICAEN. Si tratta di un centro R&D di importanza mondiale per la progettazione dei meccanismi per sedili. 

La francese Faurecia S.E., con sede a Nanterre, nella periferia occidentale di Parigi, è un fornitore global per il settore automobilistico. La Faurecia S.E. è nella top-10 dei più grandi produttori di componenti automobilistici a livello mondiale ed è anche ai vertici nei settori della produzione di interni per abitacoli e delle tecnologie per controllo delle emissioni. Al mondo un'auto su tre è equipaggiata con prodotti/tecnologia di marchio Faurecia.

six axis vibration table in the climatic chamberFigura 2. Tavola vibrante a 6 gradi di libertà con camera climatica

Test della Catapulta Inversa

La potente Catapulta Pneumatica Inversa del CED viene utilizzata per test real-time dinamici e di impatto. Viene utilizzata per testare alcuni componenti dei veicoli come cruscotti, sedili o sistemi di ritenuta per i seggiolini dei bambini. Il banco è costituito da un carrello che viene spinto da una molla idropneumatica per riprodurre situazioni di impatto/urto su strutture e attrezzature meccaniche. Consente di eseguire crash test con 3,1 Mega Newton, 90 km/h, 122 g, e un carico utile di 3000 kg - vedere le figure 3 e 4.

testing dummy on reverse pneumatic catapult for seat crash testingFigura 3. Catapulta Pneumatica Inversa per crash test.

Il dispositivo su cui vengono condotte le prove dinamiche per sedili e poggiatesta, è una slitta con pianale in acciaio che scorre su binari fissi. La slitta viene fatta muovere per simulare le accelerazioni che si hanno negli incidenti stradali. In tal modo si possono ricreare le forze che agiscono sugli occupanti dei veicoli durante gli incidenti reali. La variazione dell'accelerazione o della decelerazione nel corso della durata di un incidente viene definita “Impulso di Arresto”. La peculiarità della slitta di test è che può essere programmata per produrre impulsi di arresto specifici.

Per valutare la protezione dagli urti posteriori, i sedili del veicolo sono fissati alla slitta. A quel punto la slitta viene sottoposta ad un’accelerazione tale da simulare un veicolo fermo, tamponato da un altro veicolo dello stesso peso che viaggia a 32 km/h (20 mph). Per fare ciò, viene pompata aria compressa in uno speciale cilindro, che spinge in avanti un pistone secondo uno schema di accelerazione preprogrammato (impulso di arresto).

two men preparing a revers pneumatic catapult test with the dummy on the sledFigura 4. Fasi della preparazione del test della Catapulta Pneumatica Inversa: il manichino è sulla slitta.

La catapulta garantisce la ripetibilità delle prove nel rispetto delle specifiche del costruttore, nel rispetto delle normative vigenti e delle norme di sicurezza quali: 

Standard Organizzazione Descrizione
ECE17 UN/ECE Regolamento n. 17 della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UN/ECE) — Disposizioni uniformi relative all'omologazione dei veicoli per quanto riguarda i sedili, i loro ancoraggi e gli eventuali poggiatesta.
ECE94 UN/ECE Regolamento n. 94 della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UN/ECE) — Disposizioni uniformi relative all'omologazione dei veicoli per quanto riguarda la protezione degli occupanti in caso di urto frontale.
ECER44 UN/ECE Regolamento n. 44 della Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UN/ECE) — Disposizioni uniformi relative all'omologazione dei dispositivi di ritenuta per bambini occupanti di veicoli a motore («sistemi di ritenuta per bambini»)
Whiplash Euro NCAP I test del colpo di frusta di Euro NCAP sono progettati per promuovere la progettazione di sedili e poggiatesta secondo le migliori pratiche, ovvero quei design che, secondo i dati sugli incidenti, sono noti per fornire la protezione più efficace nel mondo reale. 
Euro NCAP Euro NCAP TL'European New Car Assessment Program è un programma europeo volontario di valutazione delle prestazioni di sicurezza delle auto. Il grado di sicurezza è determinato da una serie di test sui veicoli, progettati ed eseguiti da Euro NCAP. 
US NCAP National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) Una disposizione del Safe, Accountable, Flexible, Efficient Transportation Equity Act: A Legacy for Users (SAFETEA-LU) richiede che i nuovi veicoli passeggeri siano etichettati con informazioni sulla classificazione di sicurezza pubblicate dalla National Highway Traffic Safety Administration nell'ambito del suo New Car Assessment Program ( NCAP).
FMVSS 
(202, 207, 208, 225)
Federal Motor Vehicle Safety Standards Gli standard federali di sicurezza dei veicoli a motore (FMVSS) sono regolamenti federali statunitensi che specificano i requisiti di progettazione, costruzione, prestazioni e durata per i veicoli a motore e i componenti, i sistemi e le caratteristiche di progettazione regolamentati relativi alla sicurezza automobilistica.
AS8049 SAE Aerospace Standard (AS) Standard di prestazione per i sedili di aeroplani civili, aerei da trasporto e aerei dell'aviazione generale. 

graph showing the example of time acceleration profile of sled characterizationFigura 5. Esempio di profilo di accelerazione temporale.

Gli ingegneri del CED utilizzano un sistema di acquisizione e un software dedicati sulla catapulta della KT Automotive GmbH, azienda parte del gruppo Kistler.
Tuttavia, con il sistema di crash test standard, non erano in grado di visualizzare i segnali prima, durante o immediatamente dopo il test. Il test aveva caratteristiche molto simili a quelle di una scatola nera che registra i dati in modalità standalone. Per visualizzare i dati ed eseguire i calcoli, gli ingegneri dovevano entrare in modalità post-analisi ed esportare i dati.

Per sviluppare il banco prova ed avere la possibilità di eseguire le misure estensimetriche richieste dai propri clienti, gli ingegneri di CED cercavano un sistema DAQ in grado di fornire:

  • Condizionatore estensimetrico a 6 canali (ponte intero, mezzo ponte e un quarto di ponte).
  • Sistema compatto e robusto da incorporare nel carrello catapulta.
  • Sistema a Prova d’Urto (da 25 a 60G, con un impiego di circa 50 test/anno).
  • Frequenza di campionamento massima 20kHz per canale.
  • Ingresso digitale per sincronizzare l'acquisizione con la partenza del sistema a catapulta.
  • Possibilità di visualizzare le misure in tempo reale e/o di avere i risultati del test subito dopo la sua conclusione. 

Ciò non era possibile con il sistema esistente, che funzionando come una scatola nera, necessitava di lunghe analisi post-trattamento.

Il numero di canali utilizzati dipende da ciò che deve essere analizzato: il meccanismo strutturale del sedile, il comportamento umano sul sedile o entrambi.

La Soluzione Dewesoft

Gli ingegneri del CED hanno scelto la soluzione hardware proposta da Dewesoft - vedi figura 6:

  • KRYPTON 6xSTG: Sistema di acquisizione dati con estensimetri universali a 6 canali..
  • KRYPTON ONE 4xDI: modulo di ingresso digitale a 4 canali.
  • ECAT Power Junction: per l'iniezione di alimentazione.
  • Cavo KAWEFLEX®, EtherCAT flessibile da 50 m specifico per l’utilizzo con carrelli scorrevoli e adatto per movimenti meccanici ripetitivi.
  • Frequenza di campionamento 20kHz per canale.

system architecture of Krypton system on the catapult with seat crash testing dummyFigura 6. Architettura del sistema Krypton sulla catapulta.

Il Krypton One 4xDI riceve un segnale digitale dal carrello della Catapulta che attiva la misura per sincronizzare i due sistemi di acquisizione dati. Nessun dato viene perso perché il software DewesoftX può far iniziare la misura in molte condizioni e con il tempo di pre-trigger. Inoltre i risultati possono essere esportati in più formati per essere confrontati con qualsiasi sistema di acquisizione dati di terze parti.

Krypton modules mounted on the catapult trolleyFigura 7. Moduli Krypton montati sul carrello della Catapulta.

Custom flexible 50m EtherCAT KAWEFLEX® for Krypton power supply, data, and synchronizationFigura 8. Cavo EtherCAT KAWEFLEX® flessibile personalizzato da 50 m per alimentazione, dati e sincronizzazione Krypton.

Dewesoft hardware comes with the powerful data recording and analysis software - DewesoftX. A large choice of mathematical functions is available: 

L’estrema semplicità d’uso ha permesso agli ingegneri del CED di creare rapidamente display multifisici personalizzati con calcoli in tempo reale - vedere le figure 9 e 10.

Example of a customized software interface for real-time math calculation in DewesoftX softwareFigura 9. Esempio di un'interfaccia software personalizzata per il calcolo matematico in tempo reale.

Screenshot of multiple math functions (including CFC filters for the crash test) that are available in DewesoftX softwareFigura 10. Nel software DewesoftX sono disponibili più funzioni matematiche (inclusi i filtri CFC per il crash test).

I Manichini per Crash test

Il Crash Test prevede l’utilizzo di un Manichino. I Manichini per crash test sono progettati per simulare la risposta umana ad impatti, accelerazioni, deviazioni, forze e momenti di inerzia generati durante un incidente. Consentono lo studio e lo sviluppo di strutture e sistemi di ritenuta resistenti agli urti. 

Dotati di più sensori, integrati o montati, rilevano e registrano un intervallo di valori durante il test. I valori che vengono registrati, insieme ad altre misure effettuate durante il crash test, consentono di valutare se il test soddisfa gli standard.

Tutti i dettagli come l'abbigliamento del manichino, la tensione dell'imbragatura, la posizione della clip toracica, la tensione della cintura del veicolo, sono regolati da standard che consentono di ripetere e confrontare i test eseguiti presso diversi laboratori.

I manichini strumentati al CED sono realizzati dal produttore americano HUMANETICS, leader internazionale nella progettazione, produzione e fornitura di manichini per crash test. L'azienda fornisce anche apparecchiature per la calibrazione, strumentazione per sensori di crash, modellazione software e apparecchiature per test di sicurezza attiva. Questi manichini non sono proprio economici. Il prezzo di un manichino è simile a quello di un'auto di media gamma.

different models of testing dummies in warehouse Figura 11. Vengono utilizzati diversi modelli a seconda della configurazione del test - impatto frontale o laterale - e del comportamento biomeccanico che deve essere studiato

Le Misure

In tutti i crash test fisici, i manichini vengono utilizzati per misurare le forze che agiscono su di loro. Ciò consente di valutare le probabili lesioni che subirebbero conducenti e passeggeri, adulti o bambini in caso di incidente. Viene condotta una serie di crash test distruttivi per simulare i tipi più comuni di incidenti tra cui: impatto frontale, impatto laterale, fuoristrada e retrotreno.

Il Test Center del CED esegue dai 600 agli 800 crash test all’anno. Tali test sono sia per impatto frontale che per impatto laterale - a seconda del numero di provini realizzati. Sono necessari dai 20 ai 30 canali di misura per un solo manichino. Ecco perché vengono applicati canali aggiuntivi come con i Krypton.

I Krypton ci consentono di acquisire facilmente e rapidamente fino a sei estensimetri durante un test

afferma Baptiste Fleury, Crash Test Engineer presso CED Normandy. “Utilizziamo questi estensimetri per misurare le sollecitazioni in diversi punti dei sedili. Ad esempio, verifichiamo una potenziale debolezza già individuata nel calcolo, dimensionando un componente in base alle sollecitazioni misurate. Oppure forniamo dati al calcolo su parti difficili da modellare o simulare”.

Prima che un seggiolino per auto arrivi sul mercato, possono essere eseguiti più tipologie di crash test. I produttori eseguono simulazioni di crash test durante la progettazione e lo sviluppo di un prodotto. I primi crash test vengono eseguiti a scopo di ricerca. Lo scopo è quello di aiutare a determinare quali aree del progetto devono essere migliorate e/o chiarire se una potenziale modifica del prodotto sarà vantaggiosa o meno. Ci sono alcuni casi in cui però i primi crash test vengono effettuati solo quando il sedile prototipo è disponibile.

Celle di carico, accelerometri, trasduttori di spostamento sono tutti inclusi nei manichini. Questi aiutano gli ingegneri a valutare ciò che un vero corpo umano subisce in termini di shock e forza d'impatto. 
Sono inoltre utilizzati per valutare l'efficienza dei sistemi di sicurezza dei sedili quali:

  • cinture di sicurezza, 
  • supporti per la testa,
  • braccioli
  • ecc.

Sui sedili sono montati anche altri trasduttori, come gli estensimetri. Questi consentono agli ingegneri di vedere come si comporteranno i materiali utilizzati in caso di incidente, se sono abbastanza resistenti da evitare rotture, perdite o deformazioni.

testing dummy mounted on seat and ready for the seat crash testFigura 12. Un manichino montato e pronto per il crash test del sedile.

Moduli DAQ Versatili

I nuovi moduli Krypton Dewesoft usati al CED non sono solo robusti ma anche versatili. Nel loro reparto di metrologia, la "Clinica dei manichini", gli ingegneri ora utilizzano i moduli Krypton anche per altre attività di misura come la calibrazione dei sensori ed il controllo dello stato generale dei manichini.

Poiché i manichini per crash test sono sottoposti a duri colpi ed impatti. Questo perché simulano la risposta umana ad impatti, accelerazioni, flessioni, forze e momenti di inerzia generati durante un incidente. Per tutta la loro "vita" i manichini sono esposti ad alti livelli di shock. Tutti i sensori all'interno - forza, coppia, spostamento, ecc. - devono essere controllati regolarmente. Questi check vengono fatti su banchi prova specifici come i Banchi Prova per Impattori o Macchine per Compressione di Tensione. L'elevata precisione e gli ingressi universali dei moduli Krypton sono adatti a calibrazioni come queste.

Le procedure di test per i manichini sono regolamentate e descritte negli standard di prova. Gli ingegneri eseguono i test o con un pendolo dinamico per prove di impatto o su un banco prova elettromeccanico per trazione e compressione. Figure 13 e 14. 

Il pendolo per prove di impatto fornisce dati sul comportamento di materiali o componenti soggetti a carichi rapidi. Viene usato per misurare la risposta di un torace umano ad un impatto - la regione del torace tra il collo e l'addome. Durante il test con il pendolo per prove di impatto, una massa nota di riferimento urta il manichino a una velocità nota. Viene misurata la risposta alla forza/deflessione dello sterno o del torace del manichino.

Il banco prova elettromeccanico viene utilizzato per misurare la curva di risposta del sensore. Applica un carico statico o uno spostamento noto e viene verificata la deformazione del sensore stesso.

testing dummy on a tension-compression machine which calibrates displacement sensors or strain gaugesFigura 13. Un macchinario tensione-compressione con un setpoint di spostamento noto viene utilizzato per calibrare i sensori di spostamento o gli estensimetri.

L'intera catena di misura dell'acquisizione dati può essere calibrata anche con un segnale del generatore di riferimento elettrico. Ogni sensore ha un'uscita elettrica che viene “ridimensionata” in un'unità fisica nel sistema di acquisizione. Viene eseguito un processo di calibrazione per verificare se il sistema di acquisizione dati stesso misura il valore corretto. Un generatore di segnale calibrato viene utilizzato come riferimento di tensione elettrica noto e il segnale viene inviato agli ingressi del sistema di acquisizione dati.

Krypton modules being used to calibrate dummies and sensors
Fig. 14. I moduli Krypton vengono utilizzati per calibrare manichini e sensori.

Conclusione

Il Dynamics Test Center CED in Normandia (Francia), ha scelto i moduli di acquisizione KRYPTON Rugged Dewesoft per la sua Catapulta Pneumatica Inversa. Le unità KRYPTON hanno all'interno estensimetri shockproof fino a 100G e STG universali. Questo le rende adatte per l'uso in ambienti con vibrazioni estreme e per un campo di misura ad alta risoluzione.

Facili da usare e versatili. Utilizziamo i moduli KRYPTON sia nei crash test per studiare il comportamento dinamico di strutture/materiali sia per operazioni di calibrazione ad alta precisione

Crash Test Engineer Baptiste Fleury.

Riferimenti

French television report on CED

Video report on CED test center

Crash Test Dummies at CED