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2002-12
Darstellung der Funktionsweise und Performance einer
Schlittenkatapultanlage mit 100% Regelung
H. Steffan, B.C. Geigl
University of Technology Graz, AUSTRIA
M. Hofinger, A. Moser
DSD, Linz, AUSTRIA
KURZFASSUNG eine Kompensation von dynamischen Massen am
Schlitten.
Schlittentests gehören zu den wichtigsten Methoden für
die Evaluierung von Fahrzeugeinrichtungen hinsichtlich In diesem Paper soll die grundsätzliche Funktionsweise
passiver Sicherheit. Diese Methode erlaubt es, reale und die Performance dieses neuen Systems dargestellt
Unfälle zu simulieren, ohne das ganze Fahrzeug zu werden.
zerstören.
EINLEITUNG
Verglichen mit den bekannten Schlittenanlagen, die
mittels Bungee Seil oder anderen Vorrichtungen sanft Schlittenversuche übernehmen eine immer wichtigere
beschleunigt werden, um anschließend auf ein Funktion bei der Entwicklung des Fahrzeuginnenraumes
Verformungselement zu prallen, funktionieren und von Sicherheitsbauteilen. Aufgrund der relativ
Katapultschlitten genau umgekehrt. Der Schlitten wird niedrigen Kosten im Vergleich zu Full – Scale Tests
entsprechend einem genormten Verzögerungspuls oder bieten sie eine sehr gute Alternative für die Optimierung
aber auch Verzögerungskurven aus realen Crashes auf des Fahrzeuginnenraumes und der Rückhaltesysteme.
die Anfahrgeschwindigkeit beschleunigt und Um jedoch eine gute Übereinstimmung mit Full – Scale
anschließend sanft abgebremst. Tests zu erhalten, ist es nötig, einen vorhandenen
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungspuls möglichst
Um eine gute Übereinstimmung mit einem realen genau nachbilden zu können.
Fahrzeug Crash zu zeigen, ist es wichtig, daß die
vorgegebene Beschleunigungskurve, die durch Derzeit werden zwei Arten von Schlittenanlagen
Vorzeichenumkehr aus der Verzögerungskurve aus verwendet:
einem Full Scale Crash generiert wird, exakt • Bei passiven Schlittenanlagen wird der Schlitten
nachgefahren werden kann. sanft beschleunigt und trifft dann mit der
gewünschten Kollisionsgeschwindigkeit auf
Einer der großen Vorteile von Katapult – einen Deformationsmechanismus oder ein
Schlittenanlagen besteht darin, daß sich der Schlitten Deformationselement, wodurch der gewünschte
vor dem “Crash“ nicht bewegt. Bei diesen Anlagen kann Verzögerungspuls entsteht.
daher die Ausgangsposition unmittelbar vor dem • Katapultanlagen arbeiten hingegen auf
Versuch sehr genau definiert und eingehalten werden. umgekehrte Weise. Der Schlitten wird
Von großem Nutzen ist dies z.B. bei der Dummy – entsprechend dem Crashpuls beschleunigt und
Positionierung. hinterher sanft abgebremst.
Während konventionelle Katapult Schlittenanlagen meist Passive Schlittenanlagen beinhalten einige Nachteile:
mittels entweder hydraulischer oder pneumatischer • Während der Beschleunigungsphase kann es zu
Beschleunigungsanpassung arbeiten, wird beim HyperG Bewegungen im Testaufbau kommen, wodurch
einfach komprimierte Luft zur Energieerzeugung und das Ergebnis des Versuchs erheblich beeinflusst
eine hydraulische Bremse, die direkt auf die werden kann.
Schubstange wirkt, verwendet. Die Säule aus • Weiters kann die Abstimmung eines neuen
komprimierter Luft stellt eine relativ konstante Kraft zur Crashpulses bisweilen sehr aufwändig sein und
Verfügung, der Beschleunigungsverlauf wird erst durch mehrere Vorversuche benötigen.
Veränderung der Bremskraft erzeugt. • Aufgrund der Tatsache, daß der Schlitten sanft
beschleunigt werden muß, werden üblicherweise
Da nur sehr geringe Ölflüsse für die Bremskraftregelung relativ lange Schienen benötigt, wodurch die
benötigt werden, können kleine, sehr schnelle Anlagen viel Platz benötigen.
Standardventile verwendet werden. Diese Ventile
ermöglichen einen geschlossenen Regelkreis für die
Beschleunigungsregelung und das wiederum erlaubt
Katapultschlittenanlagen haben diese Nachteile meist genau nachgefahren werden. Sobald entweder eine
nicht, sind aber aufgrund der komplexeren Bauweise vorher definierte Endgeschwindigkeit, eine maximale
üblicherweise deutlich teurer. Bisher stehen Zeitdauer, ein bestimmter Hub oder aber das Ende des
hauptsächlich zwei Grundarten von Katapultanlagen im vorgegebenen Pulses erreicht ist, wird die Schubstange
Einsatz: wieder mit maximaler Bremskraft verzögert. Bei üblichen
Tests trennt sich zu diesem Zeitpunkt der Schlitten von
Schlittenanlagen nach dem HYGE Prinzip erzeugen die der Schubstange. Der Schlitten wird anschließend nach
Kraft mittels komprimierter Luft. Die eigentliche einer frei definierbaren Zeitdauer über eine eigene
Pulskurve wird mit einem Dorn, dessen Oberfläche Bremse, die auf die Schienen wirkt, mit einer
entsprechend geformt ist und der sich mit der einstellbaren Bremskraft (Verzögerung) gestoppt.
Schubstange mitbewegt, erzeugt. Der Nachteil eines
solchen Systems liegt darin, dass für jede neue Pulsform Nach Ende des Tests wird die gesamte Luft aus dem
auch ein neuer Dorn gedreht werden muß. Rohr abgelassen, sodass keine Kraft mehr auf die
Kolbenstange wirkt und die Bremse abgeschaltet werden
Servohydraulische Katapultanlagen erzeugen den Puls kann.
über ein Hydraulik – Ventil, das die
Schubstangengeschwindigkeit über den Ölfluß steuert. Der Schlitten und die Schubstange werden anschließend
Der Öldruck selbst wird mittels stickstoffgefülltem wieder mit Hilfe eines zusätzlichen Hydraulikzylinders in
Hochdruck Ölreservoir erzeugt. die Ausgangsposition gebracht. Abhängig von der Größe
des Druckluftreservoirs kann so bereits nach wenigen
DAS PRINZIP DES HYPERG Minuten schon wieder der nächste Versuch, auch mit
einem anderen Beschleunigungspuls durchgeführt
ARBEITSPRINZIP werden.
Das HyperG System erhält seine Kraft für die SYSTEM ÜBERBLICK
Beschleunigung des Schlittens aus einem Hochdruck –
Pneumatikzylinder, der mit komprimierter Luft, welche Das HyperG System basiert auf einem sehr einfachen
auf einen Kolben wirkt, gefüllt ist. Der Kolben wiederum Prinzip und kann in folgende gekoppelte Einheiten
wirkt direkt auf die Schubstange. Dadurch wird eine zerlegt werden:
relativ konstante Kraft erzeugt. Das Prinzip ist also
ähnlich dem von HYGE Anlagen, allerdings gibt es • Druckluft - Einheit (Energiespeicher)
innerhalb des Pneumatikzylinders keine Ventile oder • Bremseneinheit (hydraulisch, zur Vernichtung der
Luftkammern über die die Schubstangengeschwindigkeit Überschußenergie)
gesteuert wird. • Steuereinheit (Regelung des
Beschleunigungspulses)
Der eigentliche Beschleunigungspuls wird mittels einer • Sicherheitssystem
hydraulischen Bremse, die direkt auf die Schubstange • Schlitten und Schienen
wirkt, geregelt. Die Schubstange überträgt diese
Beschleunigung direkt auf den Schlitten. Die HyperG Schlittenanlage nutzt Druckluft (bis zu 230
bar) im Hauptzylinder als Energiequelle für die
Auf diese Weise werden nur relativ geringe Ölflüsse Beschleunigung des Schlittens. Die Druckluft wirkt auf
benötigt, und man kann Standard Hydraulikkomponenten einen Kolben, der wiederum auf die Schubstange wirkt,
verwenden. Die Reaktionszeit des Systems ist über die die Kraft auf den Schlitten übertragen wird. Die
außerdem sehr klein. Dadurch kann ein geschlossener Schubstange wird von der hydraulischen Bremse auch
Regelkreis realisiert werden. Das bedeutet, dass ein auf geführt, somit ist eine zusätzliche Lagerung der
dem Schlitten oder der Schubstange in Echtzeit Schubstange nicht nötig.
gemessenes Beschleunigungssignal als Eingangssignal
für Regelung der Servoventile zur Anpassung der Die Steuereinheit mißt in Echtzeit über zwei unabhängige
Bremskraft verwendet werden kann. Sensoren an der Schubstangenvorderseite oder am
Schlitten die Schlittenbeschleunigung. Im Steuerrechner
Das System wird hochgefahren, indem die wird aus diesem Signal basierend auf dem SOLL – IST –
Schubstangenbremse aktiviert und anschließend der Vergleich das Ventilsignal für die Servoventile auf der
Pneumatikzylinder mit komprimierter Luft aus einem Bremseneinheit erzeugt. Mit diesem Signal werden
Reservoir gefüllt wird. Bevor der Versuch gestartet wird, anschließen die bis zu 12 Servoventile (je nachdem wie
wirkt die volle Bremskraft auf die Schubstange, so dass viel Bremskraft benötigt wird) geregelt.
eine Bewegung verhindert wird. Der eigentliche Versuch
wird gestartet, indem der Bremsdruck langsam reduziert
wird bis die Schubstange sich zu bewegen beginnt. Ab
diesem Zeitpunkt wird über die Hydraulikventile der
Öldruck in den Bremsen in Abhängigkeit von der
Schlitten- oder Schubstangenbeschleunigung geregelt.
Ein vorgegebener Beschleunigungspuls kann so sehr
Vor Versuchsbeginn wird der Kugelhahn geöffnet.
Sobald die Anlage in Versuchsbereitschaft versetzt wird,
wird mittels einem elektrisch vom Steuerrechner
kontrolliertem Ventil die Befüllung des
Pneumatikzylinders gestartet. Die Software stellt sicher,
dass vor dem Öffnen des elektrischen Ventils in jedem
Fall die Bremse eingeschaltet wird und die Schubstange
blockiert ist.
Der Kompressor ist ebenfalls softwaregesteuert. Er wird
eingeschaltet, sobald der Druck im Speicher unter ein
bestimmtes Niveau gefallen ist und abgeschaltet sobald
der eingestellte Solldruck im Speicher erreicht ist.
HYDRAULIKEINHEIT
Die hydraulische Bremse besteht aus je nach
Bild 1: Haupteinheiten des HyperG Systems Anlagengröße bis zu 4 unabhängigen Bremskreisen.
Jeder Kreis versorgt 3 Servoventile, von denen
Abhängig von der maximalen SOLL – Beschleunigung wiederum jedes 2 Bremskolben bedient. Mittels
wird das Druckluftrohr immer nur mit dem jeweils nötigen Rückschlagventilen ist jeder Kreis von der zentralen
Druck befüllt. Ebenso werden je nach Luftdruck nicht Pumpe entkoppelt. Die kurzzeitigen sehr großen Ölflüsse
immer alle 12 Ventile für den Test verwendet. Für das werden von je einem Blasenspeicher pro Bremskreis
Blockieren der Schubstange vor dem Test und das abgedeckt.
Abbremsen nach dem Test werden allerdings in jedem
Fall immer alle Ventile und somit die volle Bremskraft Im Falle eines Versagens der Hydraulikpumpe oder
eingesetzt. eines Bremskreises kann so immer noch mit den
restlichen Kreisen die Schubstange abgebremst werden.
Über zwei unabhängige Drucksensoren wird permanent
der Luftdruck im Pneumatikzylinder überprüft. Sobald
einer diese Sensoren einen Überdruck von mehr als 1.7
bar misst, wird sofort die Bremse aktiviert.
BREMSENEINHEIT
Bild 2: Überblick über das HyperG System
Das Sicherheits System überwacht mittels Hallgeber
permanent den Weg und die Geschwindigkeit der
Schubstange. Wird ein hardwaremäßig vorgegebener
Wert überschritten, so wird sofort die volle Bremskraft
eingeschaltet. Dieses System hat einen eigenen
Steuerkreis, der dem Kontrollrechner übergeordnet ist
und somit auch bei dessen Ausfall noch arbeitet.
PNEUMATIKEINHEIT Bild 3: Querschnitt der Bremse
Bild 3 zeigt einen Schnitt durch die Bremseneinheit. Man
Der Kompressor und die Speichereinheiten sind auf kann deutlich den quadratischen Querschnitt der
einen Betriebsdruck von 300 bar ausgelegt. Mit einem Schubstange und die Anordnung der einzelnen
manuellen Kugelhahn können Speicher und Kompressor Bremskolben sehen.
vom Pneumatikzylinder vollständig abgekoppelt werden.
So kann verhindert werden, dass Druckluft in den Als Bremsbelag wird ein sehr hoch belastbarer
Zylinder kommt und das System befindet sich in einem Sinterbelag verwendet. Aufgrund des üblicherweise sehr
absolut sicheren Zustand. kurzen Bremsweges kommt es bei den Belägen kaum zu
Verschleiß, und sie halten über mehrere tausend
Versuche bevor sie getauscht werden müssen. Abhängig Safety absorber
von der Art der Tests können über 5000 Tests erreicht
werden.
STEUEREINHEIT
Die Flexibilität des HyperG basiert hauptsächlich auf Bild 4: Stauchrohr
dem geschlossenen Regelkreis, mit dem dieses System
Um die Gefahr des Versagens der Anlage zu
arbeitet. Während des Versuchs wird permanent die
minimieren, werden Druck und Temperatur an
Beschleunigung des Schlittens gemessen. Dieses Signal
verschiedenen Stellen des Hydraulikkreislaufs und des
dient als Eingangssignal für den Proportional – Integral – Pneumatiksystems permanent überwacht.
Differential Regler. Das Ausgangssignal des PID Reglers
wird dann zur Adaption des Öldrucks in der Bremse Ein Versuch kann nur dann gestartet werden, wenn der
verwendet über den die Schlittenbeschleunigung gemäß Schlitten Kontakt mit der Schubstange hat. Eine
dem Vorgabepuls geregelt wird. Derzeit übliche Beschädigung des Schlittens oder der
genormte Tests und ebenso viele Tests mit relativ Beschleunigungssensoren kann so vermieden werden.
niedrigen Frequenzen können so mit 100% Regelung
nachgefahren werden.
Im Fall einer Leckage im Ölkreislauf ist das Risiko einer
Explosion durch die kleinen Ölmengen sehr gering.
Für Beschleunigungspulse mit höheren Frequenzen
kann ein von der Software berechnetes Ventilsignal
Die HyperG Katapultanlage ist vollständig
vorgegeben werden, und die PID Regelung wird nur
computerüberwacht. Eine Einbindung von diversen
mehr zur Korrektur von kleineren Abweichungen
Sicherheitseinrichtungen wie zum Beispiel
verwendet. Auf diese Weise können auch komplexere
Raumüberwachung, automatischen Türen oder
Pulse mit ein bis zwei Vorversuchen nachgefahren
optischen bzw. akustischen Warnsignalen ist daher sehr
werden. Das System ist selbstlernend, und nach jedem
einfach möglich.
Versuch wird das Ventilsignal von der Software korrigiert.
Der HyperG kann mit 100% geschlossenem Regelkreis
bis zu 0% Regelung (= 100%Steuerung, nur
Ventilvorgabe) betrieben werden.
BETRIEB DER ANLAGE
SYSTEMSICHERHEIT
VOR DEM TEST (BREMSSCHLUPF – REDUKTION)
Da der Pneumatikzylinder und die Bremseinheit
miteinander verschraubt sind, werden in das Fundament Nachdem die Schubstange zusammen mit dem Schlitten
nur Beschleunigungskräfte eingeleitet. Die gesamte Kraft in die Ausgangsposition gebracht worden ist, wird sie
aufgrund der Druckluft bleibt systemintern. Das wieder wenige Millimeter herausgeschoben, damit
schlimmste Szenario für ein Versagen der Anlage ist ein sichergestellt ist, daß sämtliche Bremsbeläge an ihrem
Verlust der gesamten Bremskraft bei gleichzeitigem vorderen Anschlag anliegen und somit kein Spiel mehr
Maximaldruck im Pneumatikzylinder. Für diesen Fall sind vorhanden ist. Dieser Vorgang wird vollautomatisch
zwei unabhängige Sicherheitsvorkehrungen getroffen: durchgeführt und die Bremse bleibt danach bis zum
Versuchsstart eingeschaltet, damit sich die Position der
Zwei Hall - Geber, die an einem eigenen Hardwarekreis Bremsbeläge keinesfalls mehr ändern kann.
angeschlossen sind messen permanent den Weg und
die Geschwindigkeit der Schubstange. Sobald für einen DURCHFÜHRUNG EINES TESTS
der beiden Werte ein bestimmtes Limit überschritten
wird, werden sämtliche Ventile auf volle Bremskraft Vorbereitung
gestellt. Dieses System hat Priorität gegenüber der
Softwaresteuerung. Um einen Versuch durchführen zu können, muß zuerst
die Beschleunigungskurve erstellt werden. Dies kann auf
Falls diese Notbremsung versagt, oder generell keine beliebige Weise geschehen. Damit die Kurve dann vom
Reibung aufgebaut werden kann, dann gibt es als letztes System gelesen werden kann, muß sie allerdings im *.txt
Sicherheitselement ein Stauchrohr, das mittels – Format vorliegen.
Deformation die Schubstange abbremst und so größere
Schäden verhindert. Zusätzlich muß noch die ungefähre Masse der
Schlittenbeladung eingegeben werden. Basierend auf
Für den Fall, daß die Bremse des Schlittens versagt, gibt diesen beiden Eingaben errechnet die Software den
es am Ende der Auslaufstrecke ebenfalls Stauchrohre, nötigen Luftdruck im Pneumatikzylinder und die Anzahl
die den Schlitten abbremsen und damit eine der benötigten Ventile samt deren Stellsignal. Aufgrund
Beschädigung des Schlittens oder des Gebäudes des geschlossenen Regelkreises reicht bei der
verhindern. Schlittenmasse eine Genauigkeit von +/- 10%.
Als Ergebnis wird von der Software dem Benutzer ein Neben diversen anderen Einstellmöglichkeiten können
Setupvorschlag (s. Bild 5) angezeigt. hier auch noch Trigger gesetzt werden, wobei sogar Pre
- Triggering möglich ist.
Herstellen der Versuchsbereitschaft
In dieser Phase ist die Bremse bereits eingeschaltet (seit
dem Positionieren des Schlittens). Nachdem nochmals
überprüft wurde, dass ausreichen Bremsdruck
vorhanden und die Schubstange voll eingebremst ist,
beginnt das Befüllen des Pneumatikzylinders. Der
Befüllvorgang dauert je nach Fülldruck etwa eine Minute.
Bevor die Versuchsbereitschaft hergestellt wird, werden
sämtliche Sicherheitseinrichtungen abgefragt, und erst,
wenn von diesen der Start freigegeben ist, kann der
Befüllvorgang gestartet werden.
Alle wichtigen Parameter werden auch am
Bild 5: Setup - Vorschlag
Kontrollschirm angezeigt (s. Bild 7)
Dieser Vorschlag beinhaltet eine Reihe von Parametern
die von der Software errechnet wurden, die jedoch der
Benutzer grundsätzlich noch verändern kann. Zusätzlich
werden noch einige Eckdaten wie z.B. die maximale
Geschwindigkeit, der max. Hub usw. angezeigt.
Weiters können (s. Bild 6) noch zusätzliche Werte wie
ein Zeitlimit, ein Hublimit oder ein Geschwindigkeitslimit
definiert werden. Diese Werte dienen als
Abbruchkriterien, wenn man zum Beispiel nur einen Teil
der Beschleunigungskurve testen möchte oder aber
auch, wenn bei einem Puls der Regler überfordert wird.
Bild 7: Kontrollbildschirm
Durchführung eines Tests
Sobald im Menü „Perform Test“ gedrückt wird, startet ein
10 Sekunden Countdown, während dessen der
Anlagenstatus überprüft wird und das Licht, die
Messtechnik und die Kameras usw. getriggert werden.
Falls ein Trigger oder die Anlage selbst während dieses
Countdowns eine Fehlermeldung ausgibt, wird der
Versuch abgebrochen. Der Countdown kann auch
manuell jederzeit gestoppt werden. Nach dem Test wird
sofort die gefahrene Beschleunigungskurve angezeigt,
und es wird ein Protokollfile erstellt, das sämtliche Daten
des Tests enthält. Weiters werden die Messtechnikdaten
und die Kamerabilder automatisch in ein vorher
definiertes Rechner - Verzeichnis gespeichert.
Am Schlitten befindet sich eine hydropneumatische
Bremse, die nach dem Versuch automatisch aktiviert
wird. Der Zeitpunkt für die Aktivierung der
Schlittenbremse kann relativ zu T0 (= Versuchsstart) frei
definiert werden.
Bild 6: Einstellmöglichkeiten
Abhängig vom Schlittengesamtgewicht kann die
Verzögerung des Schlittens bis zu 10g betragen. Diese
Verzögerung kann jedoch ebenfalls vom Benutzer max. Beladung 7000 kg 9000 kg
eingestellt werden.
Versuchsende
PULSE
Sofort nach dem Test kann die Anlage niedergefahren
werden. Dabei wird zuerst über einen elektrisch Betrachtet man die Qualität der Pulse, so kann man
angesteuerten Kugelhahn der Druck aus dem diese in den Bildern 8 bis 10 anhand von genormten
Pneumatikzylinder abgelassen. Aus Sicherheitsgründen Standardpulsen erkennen.
kann der Druckabbau auch über einen manuell
bedienbaren Kugelhahn erfolgen. Sobald der Druck im
Zylinder kleiner als 1.7 bar ist, schaltet sich auch die
Bremse ab, und die Anlage befindet sich wieder im
Ruhezustand.
Sämtliche Parameter des Versuchs werden
aufgezeichnet und im Anschluß an den Versuch
automatisch gespeichert.
Um den Versuch auch später wieder mit den selben
Einstellungen nachfahren zu können, können die
Abstimmungseinstellungen als Projektfile gespeichert
werden. Für einen späteren Versuch muss nur mehr
dieses Projektfile geladen werden.
Bild 8: FMVSS 208
Einfache Beschleunigungskurven können in der Regel
bereits beim ersten Test mit ausreichender Genauigkeit
nachgefahren werden. Für komplexere Pulse können
Vortests nötig sein. Für den ersten Test werden die
benötigten Daten mittels Simulation von der Software
ermittelt. Falls ein zusätzlicher Abstimmungsversuch
nötig ist, wird für diesen Versuch die tatsächliche
Ventilkurve aus dem ersten Test herangezogen und als
Vorgabekurve verwendet. Durch jeden zusätzlichen Test
wird diese Ventilkurve verbessert und das System ist
somit selbstlernend. Diese Optimierung läuft vollständig
automatisch ab.
PERFORMANCE
Die HyperG Katapultanlage ist derzeit in zwei Größen
erhältlich, wobei die Größe als Produkt des
Pneumatikzylinderdurchmessers und des maximalen
Bild 9: FMVSS 213
Luftdrucks im Zylinder angegeben wird.
In der folgenden Tabelle sind die Eckdaten der beiden
Typen angegeben. Es ist zu beachten, dass diese Werte
nicht immer gleichzeitig erreicht werden können.
HyperG 110 HyperG 220
Schubkraft 1050 kN 2200 kN
max. Hub 1400 mm 1700 mm
max. Geschw. 80 km/h 80 km/h
max. Beschl. 80 g 80 g
Bild 10: US FAR 25.562
max. Beschl. grad. 15 g/ms 20 g/ms
Bild 11 zeigt im Gegensatz dazu einen realen
Fahrzeugpuls. Bild 12 zeigt ebenfalls einen
Fahrzeugpuls. In diesem Diagramm wird jedoch auch die
Wiederholgenauigkeit gezeigt. Man kann eine
Vorgabekurve und vier nachgefahrene Kurven sehen.
Bild 13: IIWPG Wiederholgenauigkeit
NEGATIVE SCHLITTENBESCHLEUNIGUNGEN
Bild 11: Realer Fahrzeugpuls Aufgrund der Tatsache, dass die
Schubstangenbeschleunigung durch die Bremskraft, die
auf sie wirkt, reguliert wird und diese immer größer als
die Druckluftkraft ist, kann die Schubstange natürlich
auch während des Versuchs verzögert werden. Wird der
Schlitten fest mit der Schubstange verbunden, können
so negative Beschleunigungen am Schlitten erzeugt
werden. Auf diese Weise kann relativ einfach auch ein
Seitenanprall simuliert werden. Bild 14 zeigt ein Beispiel
dafür.
150
a_cfc60_1
aDef
100
50
Bild 12: Wiederholgenauigkeit 0
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15
Wie in Bild 12 zu sehen ist, ist durch den geschlossenen
-50
Regelkreis die Wiederholgenauigkeit auch bei
verschiedenen Beladungen sehr hoch.
-100
ZUSÄTZLICHE FEATURES
-150
Aufgrund seiner Funktionsweise besitzt der HyperG auch
noch einige andere Vorteile. Bild 14: Positive / negative Beschleunigungen
SIMULATION VON KOLLISIONEN BEI NIEDRIGEN LANGE HÜBE UND SIMULATION VON PRECRASH -
GESCHWINDIGKEITEN BREMSEN
Weil das System mit beliebigem Luftdruck befüllt werden Für Beschleunigungen auf relativ niedrigem Niveau kann
und außerdem die Zahl der verwendeten Ventile in die Standard – Schubstange durch eine mit bis zu 4m
einem bestimmten Rahmen variiert werden kann, Hub ersetzt werden. Mit dieser Schubstange können
können Tests mit niederen Geschwindigkeiten und immer noch Beschleunigungskräfte bis zu etwa 1000kN
Beschleunigungen mit gleicher Qualität durchgeführt übertragen werden.
werden wie solche mit hohen. Bild 13 zeigt ein Beispiel
für einen aktuellen Low Speed Heckaufprall – Versuch. Bild 15 zeigt ein Beispiel für Precrash – Bremsen, gefolgt
von einer Sinus - Beschleunigung von 6g.
Bis jetzt sind 6 Anlagen weltweit im Betrieb
REFERENZEN
1. HyperG Sled Test Facility, User manual, Version 2.0;
DSD DSD GmbH, Linz; Austria; 2002.
2. Manfred Hofinger; Entwicklung einer aktiven Crash
Schlitten Anlage; Diplomarbeit, TU Graz; Austria;
1998.
KONTAKT
Bild 15: Precrash - Bremsen
DSD Testing
Salzburgerstr.34
A-4020 LINZ
ZUSAMMENFASSUNG Tel.: +43 732 343200
Fax.: +43 732 343200 30
Das HyperG System hat sich als eine interessante Email: h.steffan@dsd.at
Alternative zu anderen Katapultschlittenanlagen http:www.dsd.at
erwiesen. Aufgrund der einfachen Bauweise bewegen
sich die Kosten, verglichen mit servohydraulischen Dr. Andreas Moser
Anlagen, auf relativ niedrigem Niveau. Bei der
Entwicklung des HyperG wurde außerdem besonderes Dr. Hermann Steffan
Augenmerk auf die Beriebssicherheit der Anlage gelegt. Manfred Hofinger
Überdies bietet der HyperG einige zusätzliche Vorteile,
gegenüber anderen Typen von Katapultanlagen.
Diese sind:
• Einfache und rasche Generierung von neuen
Crashpulsen aufgrund des geschlossenen
Regelkreises
• Der Beschleunigungspuls wird direkt am
Computer erstellt
• Die Arbeit mit komplizierten Fahrzeugpulsen ist
einfach
• Der Beschleunigungspuls kann rasch und ohne
großen Aufwand geändert / gewechselt werden
• Einfache Verwendung von positiven und
negativen Beschleunigungen
• Auch lange Hübe sind bei verringertem
Maximalschub kein Problem
2002-12
HyperG – Presentation of an Active Sled Facility with
100%Closed Loop Control
H. Steffan, B.C. Geigl
University of Technology Graz, AUSTRIA
M. Hofinger, A. Moser
DSD, Linz, AUSTRIA
.
ABSTRACT agreement with full scale crash tests a good
agreement of the crash pulse must be guaranteed for
Sled testing is one of the most important test methods various crash conditions.
for the evaluation of vehicles interior with respect to
crash safety. This method allows to simulate real crash Two different types of sleds are currently used:
conditions without destroying the vehicle structure. • Conventional sleds are accelerated smoothly
and then impact a deformation element, which
In addition to conventional sleds which are accelerated provides the demanded crash pulse.
smoothly using a bungee cord or other device and then • Catapult sleds act in reverse mode. The sled is
impact to a deformation element, catapult sled types accelerated according to the crush pulse and
act in a reverse mode. The sled is accelerated to the then decelerated smoothly
impact speed according to a full scale crash test pulse
and then smoothly decelerated. Conventional sled systems involve several
disadvantages:
To ensure good correlation with the full scale crash test • Due to the acceleration phase the test setup
an accurate modelling of the vehicles crash pulse must may be dislocated before the crash pulse
be guaranteed occurs. This may have a significant influence
on the results.
Catapult type sleds guarantee, that the sled will not • On the other hand the generation of a new
move before the pulse starts. Therefore well defined pulse may need some pretests before they
initial conditions especially regarding dummy show good results.
positioning can be guaranteed. • Due to the fact, that the sled must be
accelerated smoothly, a long rail has to be
While conventional catapult type sleds mainly work on used which requires lot of space
hydraulic or pneumatic modulation of the pulse the
HyperG combines a simple pneumatic spring with a Catapult type sleds overcome most of these problems,
hydraulic brake directly acting on the ram. While the but their costs are mostly higher, due to their more
pneumatic air spring provides a rather constant force, complex construction. Up to now two basic concepts
the pulse is modeled by varying the brake force. were used for catapult type sleds:
As only little hydraulic flows are required to control the The HYGE type sleds create the force using
brake, standard valves with very fast response and compressed air and control the pulse through a
small through flows can be used. In this way it was pneumatic valve – the pin-oriphice, whose through flow
possible to use a closed loop system which is controlled over the ram movement. The
automatically compensates for dynamic masses. disadvantage of this system is the fact, that a new pin-
oriphice, must be prepared for every new pulse shape.
This paper describes the principle functionality, safety
aspects, handling and performance of this new system. The servo hydraulic catapult type sleds modulate the
pulse through a servo hydraulic valve, which controls
INTRODUCTION the ram speed by varying the hydraulic through flow.
The oil pressure is gained from a nitrogen filled high
Sled testing has become an important aspect for the pressure reservoir.
safety development of the vehicles interior and its
safety components. Due to the relative moderate costs
of the individual sled test it is a preferable alternative to
full scale crash tests for the optimization of the vehicles
interior and its restraint system. But to get a good
• Safety control unit
• Sled and rail system
THE HYPERG SYSTEM
The HyperG sled system uses compressed air
SYSTEM PRINCIPLES (typically up to 230 bar) in the main cylinder as a
source of energy to accelerate the sled. The
The HyperG system gains the necessary force to compressed air drives a pneumatic piston, which
accelerate the sled from a pneumatic high pressure pushes the ram through the hydraulic brake and
cylinder, filled with compressed air, acting on a piston accelerates the sled. The brake is also used to guide
which directly pushes a ram. In this way a rather the ram. Therefore no separate guiding device for the
constant force is created. A cylinder with a typical ram is necessary.
length of 7 m is used to get a propper reservoir size.
This is a similar approach like in the HYGE system, but The control unit measures the actual sled acceleration
inside the cylinder no valves or different pressure at the front of the ram or on the sled using two
chambers are included. independent accelerometers. The control computer
modulates the valve signal for the servo valves of the
The pulse is then modulated by a hydraulic brake, hydraulic brake unit based on the difference of actual
acting directly on the ram. The brake force is controlled and target acceleration and applies these valve control
through hydraulic valves. The ram then pushes the signals to the 6 (or12) servo valves of the hydraulic
sled. brake unit, depending on the necessary force.
In this way only rather small hydraulic flows have to be
controlled and standard hydraulic components can be
used. The response time of this system is rather low
and so a closed loop control can be realized. This
means, that the acceleration signal measured on the
ram or the sled is captured in real time and used as a
feed back signal to control the valve regulation.
The system is powered up by activating the ram-brake
and filling the cylinder with pre compressed air from a
reservoir. Before the test is started the brake is fully
activated to prevent the ram from motion. Through a
controlled release of the brake pressure the system is
triggered and the sled starts moving. During the test
the hydraulic brake valves are regulated to produce the
proper pulse. As soon as the end of the predefined
pulse or the target velocity is reached the brake is put
to full brake force again to stop the ram. With standard
tests ram and sled will separate at this point. The sled
is than braked after a predefined time through a Figure 1: Principle components of the HyperG system
separate brake mounted on the sled and acting on the
Depending on the acceleration level of the target pulse
rails.
only a limited pressure may be applied to the cylinder
and not all servo valves may be used during the test.
After the test is finished, the system is de-powered by However, under all circumstances all servo valves are
releasing the compressed air from the cylinder. So used before the test to hold the ram and after the test
there is no energy left in the system after the test is to stop the ram again.
finished.
The ram and the cylinder are moved back in the
original position using a separate hydraulic cylinder. As
the ram only heats up a few deg C between two tests
no cooling periode is required between repeated tests.
A cycle time of only a few minutes between two tests
can so be realized.
SYSTEM OVERVIEW
The HyperG system is based on a very simple principle
and can be separated into the following interacting
system units:
• Pneumatic unit (as energy reservoir)
• Hydraulic brake unit (for surplus energy
dissipation) Figure 2: System overview of the HyperG system
• Control unit (for acceleration pulse control)
The safety control unit measures the displacement of also shows the individual brake cylinders, acting on the
the ram using a separate inductive sensor. When a ram as well as the adapter to the valves.
predefined velocity or displacement is reached, which
is set in hardware, all system brakes are applied at full For the brake linings a special very robust material is
load. used. As the brake typically only brakes over a
distance of 1 m per test and the linings are loaded only
PNEUMATIC UNIT to there certified limits, their lifetime exceeds several
thousands of tests. On the existing systems installed
The air compressor and tanks are designed for an the linings were used for up to 5000 tests without being
operating pressure of 300 bar. When the manual ball replaced.
valve, which connects the fill line between cylinder and
tanks is closed the tanks and air compressor can be CONTROL UNIT
seen as an independent system. There is no way to get
air pressure into the cylinder if the ball valve is closed. The flexibility of the HyperG is mainly based on the
closed loop control of the system. During the test the
Before the system is powered up a manual ball valve acceleration of the sled and the ram is monitored. This
has to be opened. An additional electric ball valve still signal is the input for the Proportional - Integral -
keeps the connection between cylinder and reservoir Differential loop control. The output of the PID control
closed. Just when the system is powered up for a test is used to adjust the pressure of the friction brakes so
the electric ball valve is opened, too, by the control that the sled acceleration follows the predefined curve.
software. Using this valve the cylinder is filled up to a Standard tests and lower frequency tests can be run
predefined pressure. The software also ensures, that with 100% closed loop control and no pretest is
the cylinder can only be filled with compressed air if the necessary.
hydraulic unit is active and the brake is fully engaged.
For higher frequency pulses a predictive valve signal
HYDRAULIC UNIT can be calculated by the software and the PID control
is then used to correct errors as they occur. The
The hydraulic brake unit consists depending on the system is self learning and if pretests are necessary to
facility size of two to four independent circuits. Each get a sufficient accuracy the valve signal is corrected
hydraulic circuit has a check valve in the feed line by the software. Even for more complex pulses
before the hydraulic accumulators. Each circuit approximately two pretests are sufficient. The mixed
supplies 3 servo valves. Each servo valve applies mode allows to run the HyperG from 100% closed loop
hydraulic pressure to two brake cylinders. control to 0% closed loop control (100% valve
prediction).
Bladder accumulators in combination with check valves
on the hydraulic brake isolate the brake from the SAFETY ASPECTS
hydraulic pump in case of a hydraulic pump failure.
The ram can still be decelerated. Due to the fact, that the cylinder and the brake are
screwed together all pressure forces can be seen as
The control software monitors the pressure in the internal forces and only acceleration forces have to be
cylinder using two independent pressure sensors and treated as external forces. The worst case scenario for
whenever one of these sensors detects a pressure a possible failure of the system is a complete release
larger than 1.7 bar the hydraulic brake will be activated. of the brake when the cylinder is under full pressure. In
this case two safety levels are foreseen:
BRAKE UNIT
An HALL or optical sensor, which is controlled through
an independent electronic device, monitors velocity
and displacement of the ram. When either the velocity
limit or the maximum displacement are reached, the
valves are electrically set to full brake power and the
ram will be stopped. This sensor is mounted at the
front end of the brake. It monitors indicators, mounted
directly on the ram.
In case this system fails a mechanical deformation
element in form of a crush tube, mounted between the
piston and the brake will stop the ram.
If the sled brake fails similar devices are mounted at
the end of the rails. They prevent damages to the sled
and to the building and can be simply replaced.
Figure 3: Brake Cross-section
Figure 3 shows a cross-section of the brake also
showing the square shape of the ram. This drawing
Safety absorber
Figure 4: Safety absorber
To minimize of all kind of failures the control software
monitors the air pressure and temperature in the
pneumatic system as well the oil pressure and
temperature at various locations in the hydraulic
system.
Figure 5: Initial Settings
A test can only be run if the sled is fully attached to the
This setup proposal a list of parameters which were
ram so that the sled cannot be destroyed by a hit of the
calculated by the software but which also can be
ram. In case of an oil leakage the danger of fulmination
changed by the user if necessary. In addition different
is not higher as in any hydraulic machine, as only small
values like the maximum ram displacement or velocity
quantities of oil are under pressure within the HyperG.
are indicated.
As the HyperG sled facility is completely computer
Further parameters like additional stop criteria (e.g.
controlled, the control of all the safety installations of
max velocity change), triggering times of up to 16
the lab such as automatic door locks and warning
power- or switch triggers as well as control and
lights are integrated very easily.
triggering of the data acquisition system can be defined
in an additional window (see figure 6).
OPERATION
BEFORE TEST (BRAKE SLIP REDUCTION)
Once the ram has been pulled back together with the
sled through an hydraulic cylinder, it has to be pushed
forward for a few millimeters to ensure that the brake
pads are correctly positioned and a possible gap is
eliminated. This procedure is called “Brake slip
reduction” and performed by the system automatically.
After the ram is positioned properly the brakes stay
running until the test is finished to keep the ram in
position.
PERFORMING A TEST
Preparation work
Before performing a test, the target pulse must be
specified and read by the system. Once the pulse
curve is generated e.g. in EXCEL format it has to be
transferred into the txt – format before it can be read by
the HyperG Control software.
In addition the approximate sled mass must be
defined. This input is necessary for the system to
calculate the necessary air pressure and to determine Figure 6: Additional Control Parameters
the number of valves necessary to control the pulse.
Due to the closed loop system, changes on the sled Even triggering before t0, so called “pre crash
mass up to approximately 10% will be compensated triggering” can be defined.
automatically.
Startup Facility
The results of the calculation will be presented to the
user, as shown in Figure 5. The brakes are already on in this phase. After the
brake pressure is checked once more for its correct
level, the system starts filling the air cylinder to the
predefined level using air from the reservoir. This
typically takes approximately 1 minute. This step can
only be performed, when all safety regulations are All important parameters of the test are recorded on
fulfilled, like all doors close, no gap between sled and the system automatically and collected in a database
ram, or all system temperatures and pressures within for further analysis.
the correct level.
For lower frequency pulses the first test will be very
During this phase all important system parameters are close to the desired curve and no pre-testing is
also monitored on the control screen, as shown in fig 7. required. Running a more dynamic high frequency
pulse is equally simple, but practice tests may be
needed. In this case the software automatically
simulates the test for the first test. Each following test
uses the valve control signal from the preceding test as
the predicted valve signal, and in each test the closed
loop feedback improves the valve control curve. The
entire procedure is automated.
PERFORMANCE
The HyperG is currently available in two system sizes.
The system size is defined by the reference force,
which is calculated as product of piston square area
and maximum air pressure in the cylinder.
It must also be mentioned, that not all parameters can
be reached at the same time. Each parameter is
Figure 7: Control Screen printed to its individual maximum. The system is
The number of indicators for the hydraulic valves and always limited to the maximum force available.
brake circles may vary from system to system.
HyperG 110 HyperG 220
Performing a test
Peak Force 1050 kN 2200 kN
By activating the menu option “Perform Test” the
system enters a 10 seconds countdown. During the Available Stroke 1400 mm 1700 mm
countdown the software checks the status and triggers
other equipment such as data acquisition, high speed Max. velocity 80 km/h 80 km/h
cameras, lights, etc. The software is configured to
abort the test if any equipment reports a fault, and it Peak 80 g 80 g
allows a manual abort up to the moment of firing. After Acceleration
the test the acquired acceleration immediately plots
against the desired pulse, and the data acquisition and Peak Jerk 15 g/ms 20 g/ms
video data will be downloaded automatically.
Max. Payload 7000 kg 9000 kg
The brakes of the sled are activated automatically to
ensure proper deceleration of the sled after the test
has been performed. The sled brakes are hydraulic,
driven through a conventional spring. Whenever PULSE
electric power is disconnected, they automatically go
on full brake force. Regarding the pulse quality figures 8 to 10 show some
sample pulses for general sled test procedures like
The brakes are activated after a certain time relative to FMVSS or US FAR. The figures always show the
T0 (start of test). Depending on the sled weight the target pulse, the result of the HyperG test and the
deceleration can be adapted from 0g to 10g. velocity, all parameters are displayed over time.
The brake force can be adjusted by reducing the air
pressure in the unloading device only to a certain level.
Shutting down the system
Immediately after the test has been performed, the
system can be shutdown by the user. Using this menu
option in the control software, the pneumatic pressure
in the cylinder will be reduced to atmospheric pressure
opening an electric valve. For safety reasons, an
additional pressure release valve can also be opened
manually. When atmospheric pressure is reached
within predefined boundaries, the hydraulic system is
deactivated and the brake released.
Figure 8: FMVSS 208 Figure 11: Reference test pulse
Figure 9: FMVSS 213
Figure 12: Repeatability
As can be seen in this diagram, the HyperG System
shows a very good repeatability. Even if there are
different payloads the closed loop control guarantees a
good agreement.
ADDITIONAL FEATURES
There are some other advantages for the HyperG
system due to its new approach.
LOW SPEED COLLISIONS
Figure 10: US FAR 25.562
Due to the fact, that the system can be loaded with
Figures 11 shows a general car pulse and figure 12 different air pressures and different numbers of valves
shows a similar pulse with respect to repeatability. 4 can be used, it can be used with the same quality as
different tests and the reference pulse are overlaid in well for low speed pulses as for high speed pulses
one diagram. without any further adaptations. Figure 13 shows a
sample of a low speed test pulse which is currently
used for low speed rear end testing.
Figure 14: pre crash braking - long strokes
Figure 13: IIWPG Repeatability
CONCLUSION
NEGATIVE SLED ACCELERATIONS
The HyperG system has proven to be an interesting
Due to the fact, that the ram acceleration is defined alternative to existing catapult type sleds. Due to its
through the brake force, acting on the ram, which is rather simple construction, it can be produced at lower
under all conditions higher, than the driving force of the costs, compared to especially servo hydraulic systems.
piston, positive and negative accelerations can be Safety aspects have been considered to be one of the
created on the ram. If the sled is connected to the ram major aspects during the development of the system.
using a fixed mounting, these negative accelerations
can also be imposed to the sled. In this way especially In addition the HyperG provides a variety of additional
side impacts can be simulated easily. Figure 14 shows features which cannot be fulfilled by comparable
a sample of a positive/ negative acceleration systems.
distribution.
These are:
• Simple and fast generation of crash pulses
150 through a closed loop system
a_cfc60_1
aDef • Pulse generation only on the computer
100 • Complicated true vehicle pulses can be
handled
50 • Fast and simple exchange of acceleration
pulses
0 • Possibility to handle positive/ negative
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 accelerations of the sled
-50 • Long strokes can be handled with limited force
level
-100
Up to now 6 systems have been put into various places
-150 in Europe and US.
Figure 14: Positive / negative accelerations REFERENCES
LONG STROKES - 1. HyperG Sled Test Facility, User manual, Version
SIMULATION OF PRECRASH BRAKING 2.0; DSD DSD GmbH, Linz; Austria; 2002.
2. Manfred Hofinger; Entwicklung einer aktiven Crash
For lower acceleration levels it is very simple to replace Schlitten Anlage; Diploma Thesis, TU-Graz;
the ram through an extended version, which gives the Austria; 1998.
possibility to reach strokes up to 4 meters. The only
limits is the size of the reservoir and the buckling of the CONTACT
ram. With a stroke of 4 m approximately 1000 kN can
still be reached with the current systems. In case of further questions, don’t hesitate to contact
the main author or one of his colleagues
Figure 15 shows a sample of a pre crash braking of a
vehicle at 1g followed by a sine pulse at 6g. DSD
Hermann Steffan
Salzburgerstr.34
A-4020 LINZ
Tel.: +43 732 343200
Fax.: +43 732 343200 30
Email: h.steffan@dsd.at
http:www.dsd.at
