Tema 14: Amortizatorul cu control continuu al amortizării (CDC)

După studierea acestei teme, elevul va fi capabil:

-   să identifice rolul amortizatorului cu control continuu al amortizării;

-   să explice construcția și principiul de funcționare al sistemelor CDC / DCC (electro-hidraulic și electro-pneumatic);

-   să descrii operațiile de diagnosticare tehnică și mentenanță ale sistemului CDC / DCC.

14.1           Rolul amortizatorul cu control continuu al amortizării

Șocurile și vibrațiile autovehiculelor sunt generate de factori exteriori (starea drumului) și interiori (funcționarea agregatelor), acționând de regulă simultan. Acestea influențează negativ confortul, provocând oboseală, disconfort fiziologic și, în cazuri extreme, rău de automobil.

Vibrațiile determină reducerea vitezei medii de deplasare, creșterea consumului de combustibil și uzura accelerată a componentelor vehiculului.

Amortizare acestor vibrați la autovehicul este asigurat de (Figura 14.1): roți, elementele elastice ale suspensiei, scaunele șoferului și pasagerilor.

Figura 14.1 Elementele care diminuează vibrațiile la autovehicul

În procesul de amortizare a vibrațiilor apar oscilații caracterizate prin amplitudine și frecvență. Frecvențele mai mari de 1 Hz reduc confortul, iar cele peste 5 Hz sunt percepute ca vibrații intense.

Frecvența oscilațiilor caroseriei depinde de rigiditatea elementelor elastice și de masa oscilantă (Figura 14.2). Elementele elastice moi și masele mari produc oscilații cu amplitudine mare și frecvență redusă, iar elementele rigide și masele mici determină oscilații cu frecvență mare și amplitudine redusă.

Figura 14.2 Frecvența oscilațiilor în dependență de rigiditatea elementelor elastice și de masă 

Primele generații de suspensie hidroactivă dezvoltate de marca Citroën permiteau adaptarea rigidității elementului elastic în două trepte: rigid (Sport) și moale (Confort). În schimb, amortizatorul cu control continuu al amortizării (CDC) asigură variația continuă a caracteristicii de amortizare, în funcție de condițiile de rulare.

Sistemul DCC (Dynamic Chassis Control) permite adaptarea continuă a suspensiei la condițiile de drum, la situația de rulare și la dorințele conducătorului auto, prin utilizarea amortizoarelor cu control continuu al amortizării. În același timp, este adaptat și gradul de asistare al direcției.

Rolul principal al amortizatorului adaptiv este de a asigura un compromis optim între confort și stabilitate, prin adaptarea rapidă a caracteristicilor de amortizare. Acesta contribuie la:

-   reducerea oscilațiilor verticale ale caroseriei;

-   menținerea contactului optim al roților cu carosabilul;

-   îmbunătățirea stabilității în viraje, la frânare și la accelerare;

-   creșterea confortului la rularea pe drumuri cu denivelări;

-   adaptarea comportamentului suspensiei în funcție de modul de conducere selectat (Comfort, Normal, Sport).

14.2 Construcția și principiul de funcționare a amortizatorul cu control continuu al amortizării

Amortizorul are rolul de a diminua rapid oscilațiile caroseriei și ale roților, transformând energia mecanică în căldură. Fără amortizoare, oscilațiile generate în timpul deplasării pot duce la pierdere a contactului roților cu drumul, ceea ce afectează stabilitatea și manevrabilitatea vehiculului.

Amortizoarele autovehiculelor pot fi clasificate în două tipuri: monocamerale, unde camera de lucru și cea de compensare se află într-un singur cilindru, și bicamerale (tub dublu), cu cilindru de lucru și rezervor separat pentru compensare.

Amortizor monocameral cu gaz

Amortizorul monocameral cu gaz are camera de lucru și camera de compensare într-un singur cilindru, presiunea gazului fiind de aproximativ 25–30 bar, pentru a asigura amortizarea corespunzătoare.

Funcționare (Figura 14.3):

-   Cursa de comprimare: uleiul trece prin supapa de comprimare integrată în piston, camera de compensare se comprimă, absorbind șocurile.

-   Cursa de revenire: uleiul trece prin supapa de revenire, camera de compensare se extinde, disipând energia acumulată.

Calibrare: rezistența la comprimare este mai mică decât la revenire, pentru a reduce transmiterea șocurilor către caroserie.

Avantaj: confort sporit pe drumuri denivelate.

Dezavantaj: la denivelări succesive rapid, revenirea pistonului poate fi incompletă, crescând rigiditatea și afectând confortul și siguranța.

Amortizor bicameral cu gaz

Amortizoarele bicamerale cu gaz sunt cele mai frecvent utilizate în suspensia autovehiculelor. Corpul lor este format din două tuburi concentrice:

- Tubul interior formează cilindrul de lucru, complet umplut cu lichid de lucru (ulei), în care se deplasează pistonul cu tija, prevăzut cu supape. La baza cilindrului se află supapele de comprimare și de bypass.

- Tubul exterior formează camera de compensare, parțial umplută cu lichid și presurizată cu gaz, în care se deplasează lichidul evacuat din cilindrul de lucru.

Funcționare (Figura 14.4):

- Cursa de comprimare: amortizarea este realizată în principal de supapa de bază, care opune rezistență fluxului de ulei către camera de compensare.

- Cursa de revenire: amortizarea este realizată de supapa pistonului, care reglează curgerea uleiului în jos, iar uleiul poate reveni liber în camera de lucru prin supapa de retur a supapei de bază.

Avantaje: disipă eficient oscilațiile, reduce cavitația, reglaj separat pentru cursa de comprimare și revenire, confort sporit.

Dezavantaje: rigiditate crescută la denivelări succesive, design mai complex, costuri și întreținere mai ridicate.

În cadrul amortizoarelor cu control continuu al amortizării se regăsesc mai multe soluții constructive, care permit adaptarea în timp real a forței de amortizare, sub comanda unității electronice de control.

În cadrul amortizatoarelor cu control continuu al amortizării se utilizează următoarele soluții constructive: amortizoare electro-hidraulice cu supape electromagnetice, amortizoare cu lichid magnetoreologic și amortizoare adaptive integrate în suspensii pneumatice.

Amortizoare electro-hidraulice cu supape electromagnetice

Cea mai răspândită soluție de amortizare adaptivă este amortizatorul electro-hidraulic cu supape electromagnetice, datorită raportului optim între cost, fiabilitate și performanță, fiind utilizat de producători precum Volkswagen, Audi, BMW, Mercedes-Benz și Ford.

Sistemul de reglare adaptivă a suspensiei DCC utilizează amortizoare reglabile comandate de o unitate de control electronic (Figura 14.5), care ajustează continuu forța de amortizare. Reglajul se realizează în funcție de starea drumului, situația de rulare (frânare, accelerare, viraje) și preferințele șoferului,  prin selectarea modurilor Normal, Sport sau Confort. Sistemul este permanent activ, iar modul de rulare selectat se păstrează și după oprirea și repornirea motorului, schimbarea modului este posibilă atât în staționare, cât și în timpul deplasării.

Pentru sistemul de reglare adaptivă a suspensiei DCC (Dynamic Chassis Control) se utilizează amortizoare reglabile de tip telescopic, realizate după principiul amortizoarelor bicamerale cu gaz.

Construcție

- Camera de lucru 1: în această cameră se deplasează pistonul amortizorului.

- Camera de lucru 2: conține o cameră de compensare sub formă de pernă de gaz.
Această cameră este realizată sub forma unui tub-rezervor, fiind doar parțial umplută cu ulei.
Deasupra uleiului se află o pernă de gaz prevăzută cu spirală de antispumare, având rolul de a elimina spuma din uleiul amortizorului, asigurând o funcționare stabilă și constantă a amortizării.

-   Tubul exterior (tubul rezervor) înconjoară camera de lucru 2.

Principiul de funcționare. Datorită supapelor de reținere de pe piston și supapei de compresie, fluxul de ulei se deplasează în faza de compresie și în faza de întindere în direcția indicată în imagine (Figura 14.6).

Uleiul este dirijat printr-un canal inelar către supapa de reglaj, pe care o traversează în același sens atât la comprimare, cât și la revenire. După traversarea supapei de reglaj, uleiul revine în camera de lucru 2. Supapa de reglaj determină presiunea din camera de lucru 2, iar implicit forța de amortizare.

Supapa de reglaj. Supapa de reglaj este o supapă electromagnetică care este montată lateral pe amortizor și primește uleiul din canalul inelar al acestuia.

Reglarea supapei se realizează prin alimentarea electrică a bobinei, cu un curent cuprins între 0,24 A și maximum 2,0 A, ceea ce determină modificări corespunzătoare a volumului de ulei ce circulă prin acesta. În funcție de curentul de alimentare clapeta principală se deplasează și se modifică cantitatea de ulei care poate reveni în amortizor schimbând forța de amortizare.

În modul „Confort”, bobina este alimentată cu un curent redus (≈ 0,24 A), ceea ce determină o preîncărcare mică și o secțiune de trecere a uleiului mai mare, rezultând un debit mai mare de ulei, presiune mai mică și amortizare redusă, pentru o suspensie confortabilă.

În modul „Sport”, bobina este alimentată cu un curent mare (până la 2,0 A), ceea ce determină o preîncărcare maximă și o secțiune de trecere a uleiului redusă, rezultând un debit mai mic de ulei, presiune mai mare și amortizare ridicată, pentru o suspensie rigidă, adecvată manevrelor dinamice și condusului sportiv (Figura 14.7).

În modul „Normal”, bobina este alimentată cu un curent mediu (între 0,24 A și 2,0 A), iar ancora, împreună cu tija și capul împingătorului, este poziționată cu o preîncărcare medie; astfel, uleiul deplasează sertarul principal într-o poziție mediană, permițând un debit mediu de ulei și asigurând o amortizare echilibrată, între „Confort” și „Sprort”

Dacă apare o defecțiune a amortizoarelor, senzorilor sau a unității de comandă, sistemul intră în modul „Fail Safe”, în care amortizoarele nu mai sunt alimentate electric, vehiculul se comportă ca unul cu amortizoare convenționale, iar uleiul este dirijat prin supapa de siguranță, asigurând funcționarea sigură a vehiculului chiar și în caz de defect.

O altă tehnologie a amortizoarelor cu control continuu al amortizării (CDC) o constituie amortizoarele adaptive cu supapă internă, controlată electronic.

Supapa de reglare este amplasată în interiorul amortizatorului, în partea inferioară a tijei pistonului (tijă tubulară). Conectarea electrică a supapei se realizează prin interiorul tijei goale a pistonului, ceea ce permite eliminarea cablurilor externe și crește fiabilitatea sistemului.

În partea inferioară a tijei pistonului se află electromagnetul și supapa comutatoare. Supapa comutatoare este alcătuită dintr-un disc rotativ și două supape: „standard” și „sport” (Figura 14.8).

-   Mod sport: când nu se aplică tensiune pe supapă (curent 0 A), arcul presează discul rotativ pe supapa „standard”. Orificiile superioare sunt blocate, iar uleiul circulă doar prin supapa „sport”.

-   Mod standard: când pe bobină se aplică tensiune (curent 0,5 A), discul rotativ este atras de bobină, învingând rezistența arcului cu aproximativ 0,4 mm. Se deschide astfel jocul inelar superior, iar uleiul trece prin supapa „standard”.

Astfel, prin controlul curentului bobinei se poate comuta între caracteristicile de amortizare sport și standard, modificând traseul și debitul uleiului în amortizor.

Amortizoare cu lichid magnetoreologic

Amortizoarele cu lichid magnetoreologic reprezintă o evoluție a amortizoarelor adaptive cu supapă internă, controlată electronic, deoarece pot adapta permanent rigiditatea amortizatorului în funcție de condițiile de rulare.

Datorită utilizării acestui sistem, unitatea de comandă a sistemului electronic de control al amortizării poate modifica rigiditatea amortizoarelor în funcție de condițiile de rulare, pe baza informațiilor furnizate de senzorii de gardă la sol, iar prin comutarea de pe panoul de bord între modurile sportiv și confort, caracteristicile amortizării pot fi schimbate prin simpla apăsare a unui buton (Figura 14.9).

Funcționarea amortizoarelor se bazează pe efectul magnetoreologic, condiția esențială fiind utilizarea unui lichid special pentru amortizoare. Lichidul magnetoreologic reprezintă un ulei sintetic pe bază de hidrocarburi, în care sunt introduse particule magnetice moi cu diametrul cuprins între 3 și 10 μm. Pentru stabilizare, în compoziție sunt adăugați diverși aditivi.

La acțiunea unui câmp magnetic, proprietățile lichidului magnetoreologic se modifică. Particulele magnetice se aliniază pe direcția liniilor câmpului magnetic, ceea ce determină modificarea rezistenței la curgere a lichidului (Figura 14.10).

-       Fără comandă electrică a bobinei magnetice, particulele magnetice sunt distribuite aliator în uleiul amortizorului. La deplasarea pistonului, particulele sunt antrenate împreună cu uleiul prin canale, iar rezistența la curgere este redusă, rezultând o amortizare mică (comportament confortabil).

-       Cu comandă electrică a bobinei magnetice, particulele magnetice se aliniază de-a lungul liniilor câmpului magnetic, formând lanțuri longitudinale orientate transversal față de canalele pistonului. Pentru a „rupe” aceste lanțuri este necesar un efort suplimentar, astfel încât rezistența opusă deplasării pistonului crește proporțional cu intensitatea curentului și a câmpului magnetic, rezultând o amortizare ridicată.

Prin acest mecanism se obține o adaptare continuă și rapidă a rigidității amortizorului.

Amortizoare adaptive integrate în suspensii pneumatice

Printre primele sisteme de suspensie pneumatică utilizate la autovehicule au fost cele echipate cu amortizoare de tip PDC (Pneumatic Damping Control – reglarea pneumatică a amortizării). Forța de amortizare este variabilă și depinde de presiunea din perna pneumatică.

Garda la sol în zona fiecărei roți este determinată cu ajutorul a patru senzori de reglare a gărzii la sol, care transmit informații către unitatea de comandă a suspensiei.

Elementul elastic pneumatic al amortizoarelor este prevăzut cu o supapă de închidere proprie, ceea ce permite reglarea individuală a amortizoarelor (Figura 14.11).

Construcția și principiul de funcționare al amortizorului cu supapă PDC

Supapa PDC modifică rezistența hidraulică între camerele de lucru 1 și 2 (Figura 14.12).

Camera de lucru 1 este conectată la supapa PDC prin intermediul unor orificii.

- La presiuni scăzute în elementul elastic pneumatic (în cazul unui vehicul gol sau cu sarcină parțială redusă), supapa PDC creează o rezistență hidraulică mică, permițând ca o parte din ulei să fie direcționată pe lângă supapa de amortizare, ceea ce duce la scăderea forței de amortizare.

- Rezistența hidraulică a supapei PDC depinde direct de presiunea din elementul elastic pneumatic.

1.   Retur – presiune scăzută. Pistonul se ridică, o parte din ulei trece prin supapa pistonului, iar cealaltă prin supapa PDC. Forța de amortizare este mică.

2.   Retur – presiune ridicată. Supapa PDC se închide, iar uleiul trece prin supapa pistonului. Forța de amortizare este mare.

3.   Compresie – presiune scăzută. Pistonul coboară, uleiul trece prin supapa de bază și parțial prin supapa PDC. Forța de amortizare este mică.

4.   Compresie – presiune ridicată. Supapa PDC oprește fluxul prin ea, iar uleiul trece prin supapa de bază. Forța de amortizare este mare.

În suspensiile pneumatice amortizoarele cu supapă PDC au fost treptat înlocuite cu amortizoarele cu control continuu al amortizării (CDC) (Figura 14.13) deoarece oferă reglare continuă, rapidă și precisă a rigidității, optimizând simultan confortul și stabilitatea, indiferent de sarcină sau condițiile de drum.

Amortizorul și perna pneumatică sunt integrate într-o singură unitate constructivă (Figura 14.14). Amortizorul este prevăzut cu supape electromagnetice montate în exteriorul corpului amortizorului, care permit reglarea continuă a forței de amortizare (CDC – Continuous Damping Control).

În absența alimentării electrice, pistonul și supapa sunt menținute de arcuri în poziția mediană, asigurând un nivel de amortizare mediu.

La aplicarea curentului electric asupra bobinei electromagnetului, poziția ancorei se modifică, ceea ce determină variația secțiunii de curgere a uleiului:

-   curent redus (≈ 600 mA) → secțiune de trecere mare → amortizare moale;

-   curent ridicat (1000–2000 mA) → secțiune de trecere mică → amortizare tare.

Prin această reglare continuă, sistemul adaptează în timp real rigiditatea suspensiei în funcție de starea drumului și stilul de conducere, realizând un compromis optim între confortul la rulare și stabilitatea dinamică a vehiculului.

Pentru atingerea celor mai înalte performanțe în ceea ce privește confortul și dinamica vehiculului, componentele principale ale sistemului au fost reproiectate integral. Cel mai important element de noutate îl reprezintă integrarea senzorului de accelerație al caroseriei în unitatea de control a sistemului electronic de senzori (Figura 14.15). Unitatea de comandă a sistemului de reglare a gărzii la sol este conectată la magistrala de date a vehiculului, asigurând un schimb rapid și fiabil de informații cu celelalte sisteme electronice.

Atât suspensia față, cât și cea spate sunt echipate cu amortizoare bitubulare cu control continuu al amortizării (CDC) și cu elemente elastice pneumatice, integrate într-o singură unitate constructivă. Amortizorul bitubular, umplut cu gaz, de tip CDC este prevăzut cu o supapă electromagnetică integrată în piston, care permite modificarea caracteristicii de rezistență la amortizare (Figura 14.16).

Prin variația curentului electric care traversează bobina supapei electromagnetice, se modifică secțiunea de curgere a uleiului și, implicit, forța de amortizare, ajustarea realizându-se în câteva milisecunde, în funcție de necesitățile momentane de rulare.

Determinarea valorii optime a forței de amortizare pentru condițiile curente de deplasare ale vehiculului se realizează pe baza semnalelor furnizate de senzorii de accelerație ai roților, montați pe fiecare amortizor, precum și de senzorii de accelerație ai caroseriei.

Datorită vitezei ridicate de recunoaștere și reglare a proceselor de amortizare, atât în faza de comprimare, cât și în faza de revenire, caracteristica de rezistență a amortizorului este adaptată strict stării dinamice instantanee a vehiculului.

Relațiile multiparametrice dintre forța de amortizare și condițiile de deplasare ale vehiculului sunt memorate în unitatea de control a nivelului caroseriei, permițând o reglare precisă și adaptivă a suspensiei.

14.3           Diagnosticarea tehnică și mentenanța amortizatorului cu control continuu al amortizării (CDC)

Amortizatorul cu control continuu al amortizării (CDC – Continuous Damping Control) este un amortizator adaptiv, comandat electronic, care își modifică permanent caracteristicile de amortizare în funcție de condițiile de rulare, starea drumului și stilul de conducere.

Sistemul CDC este integrat într-un sistem mecatronic, format din componente mecanice, hidraulice și electronice, ceea ce impune proceduri specifice de diagnosticare și mentenanță.

Cele mai întâlnite defecțiuni sunt:

- defectarea supapei electromagnetice de reglare;

- întreruperea sau scurtcircuitul cablajului electric;

- pierderea proprietăților uleiului hidraulic;

- uzura garniturilor de etanșare;

- defectarea senzorilor care furnizează date sistemului CDC.

Metode de diagnosticare

a) Diagnosticarea vizuală

Se verifică:

-   scurgeri de ulei hidraulic pe corpul amortizatorului;

-   deteriorări mecanice ale tijei pistonului;

-   integritatea cablajului electric și a conectorilor;

-   starea elementelor de prindere și a bucșelor elastice.

b) Diagnosticarea electronică

Se realizează cu ajutorul testerului de diagnoză:

-       citirea codurilor de eroare stocate în ECU;

-       verificarea parametrilor în timp real (curentul supapei, tensiunea de alimentare);

-       testarea funcționării supapei CDC prin comenzi active;

-       verificarea continuității circuitului electric al amortizatorului.

c) Diagnosticarea funcțională

-       evaluarea comportamentului vehiculului la rulare (stabilitate, confort);

-       verificarea reacției suspensiei la schimbări rapide de sarcină;

-       compararea răspunsului amortizatorului stânga–dreapta și față–spate.

Mentenanța amortizatorului CDC

a) Operații de mentenanță preventivă

-       verificarea periodică a stării amortizatoarelor;

-       controlul cablajului electric și al conectorilor;

-       respectarea intervalelor de inspecție recomandate de producător;

-       menținerea curățeniei în zona amortizatorului și a conectorilor.

b) Mentenanța corectivă

-       înlocuirea amortizatorului defect (în majoritatea cazurilor, amortizatoarele CDC nu sunt reparabile);

-       ștergerea codurilor de eroare după remediere;

-       efectuarea procedurilor de calibrare sau adaptare cu testerul de diagnoză;

-       verificarea finală a funcționării sistemului.