Physical modelling and validation of a mono-tube hydraulic shock absorber

95 Pages·2016·8.52 MB·English

Physical modelling and validation of
a mono-tube hydraulic shock
absorber
J. de Blok
D&C 2016.053
Master’sthesis
Coach(es): dr.ir. I.J.M.Besselinka
H.D.Fischerb
drs. A.Meijsb
Supervisor: prof.dr. H.Nijmeijera
a EindhovenUniversityofTechnology
DepartmentofMechanicalEngineering
Dynamics&Control
b TFXSuspensionTechnology
Weert,TheNetherlands
Eindhoven,September, 2016

Abstract
ShockabsorbermanufacturerTFXSuspensionTechnologywantstopredictandanalyseshock
absorber characteristics with the help of computer models. A mono-tube emulsion damper
that fits a BMW R1200 GS motorcycle is used as a baseline for testing and for the develop-
ment of the physical damper model. The aim is to accurately measure and model damping
characteristics in terms of force as a function of damper excitation and other factors having
aninfluence. Thisisdoneusingthehydraulicallyactuatedshockabsorbertestrig,developed
bytheDynamicsandControlgroupoftheEindhovenUniversityofTechnology.
The simulation model that is developed in this study assumes incompressible flow of
oil through the valves, but assumes compressible oil in each container. Mechanical friction
forcesareassumedtobenegligible. Mostmodelparameters,suchasgeometriesandproper-
tiesoftheoil,followfromdataprovidedbyTFXSuspensionTechnology. Fourflowresistance
coefficientsthatrelateflowofoiltopressurelossesareobtainedfromaleast-squaresparame-
teroptimizationalgorithm. Thisalgorithmminimizestheerrorbetweenmeasurementsand
model results. The flow resistance coefficients are related to viscous and component friction
ofthecorrespondingorifices.
Themodeliscapableofpredictingdampingforceswithin7%accuracyforexcitationfre-
quenciesinexcessof0.5Hz. Frictionforcesdominatedampingforcesbelowthisfrequency,
neglectingmechanicalfrictionthereforeyieldslargerpredictionerrorsbelow0.5Hz.
The user-friendliness of the shockabsorber test rig has been enhanced by implementing
a Graphical User Interface, additionally making it possible to built-in some automatic safety
measures to prevent the operator from injuries. Operation- and safety procedures relating
to rig operation are documented. Furthermore, an approach to reduce high-frequent mea-
surement noise from measurement data is presented and validated by means of a low-pass
Butterworthfilterincombinationwithatime-domainaveragingmethod.
The damper model that has been developed in this study has been compared in a sim-
ulation environment to a linear- and look-up table damper model. A half motorbike model
is derived to predict the vertical dynamic behaviour of the BMW motorcycle. Performance
assessmentcriteriaare: tirecompression,suspensiontravelandISO2631-1sprungaccelera-
tions. Thesimulationresultsshowthatthenewlydevelopedphysicaldampermodeltendsto
show less suspension travel, RMS tire compression and RMS weighted sprung acceleration
incomparisontolinear-andlook-uptabledampermodels. Furthermore,simulationsresults
withthenewdampermodelshowupto13%lessweightedsprungaccelerationsincompari-
son to the conventional look-up table damper model, demonstrating that implementation of
aphysicaldampermodelisessentialwhenpredictingcomfortlevels.
i
Samenvatting
Schokdemperfabrikant TFX Suspension Technology is geïnteresseerd in het voorspellen en
analyserenvanschokdemperkarakteristiekenmetbehulpvancomputermodellen. Eenmono-
tube emulsie demper voor een BMW R1200 GS motorfiets wordt gebruikt als basis voor
het testen en ontwikkelen van een fysisch dempermodel. Het doel van dit onderzoek is om
de dempingskarakteristiek van de schokdemper accuraat te meten en te voorspellen, in ter-
menvandempingskrachtalsfunctievandemperexcitatieenanderefactorendieeeninvloed
hebbenopdedempingskarakteristiek. Hierbijwordtgebruikgemaaktvandehydraulischge-
actueerdeschokdempertestbank,ontwikkelddoordeDynamicsandControlgroupbinnende
TechnischeUniversiteitEindhoven.
Hetsimulatiemodeldatisontwikkeldtijdensditonderzoekveronderstelteenincompress-
ibele oliestroming door de kleppen in de demper, maar veronderstelt compressibele olie in
de kamers. Mechanische wrijving wordt verwaarloosd. De geometrie van de demper en
de specificaties van de olie worden verstrekt door TFX Suspension Technology. Vier stro-
mingsweerstandcoëfficiënten die de drukverliezen aan de stroming van olie relateren zijn
verkregen door het toepassen van een kleinste-kwadraten optimalisatiealgoritme. Dit algo-
ritme minimaliseert de fout tussen voorspellingen en metingen aan de demper. De stro-
mingsweerstandcoëfficiëntenzijnafhankelijkvanviskeuzeencomponentwrijvingenvande
bijbehorendekanalen.
Het simulatiemodel is in staat om dempingskrachten met een nauwkeurigheid van 7%
tevoorspellenvoorexcitatiesboven0.5Hz. Mechanischewrijvinglijktdedempingskrachtte
dominerenvoorexcitatieslagerdan0.5Hz,hetverwaarlozenvanwrijvingresulteerthierdoor
ineenlagerenauwkeurigheidvanhetmodel.
De gebruiksvriendelijkheid van de testbank is verbeterd door implementatie van een
gebruikersinterface. Deze interface maakt het mogelijk om gebruiksveiligheid maatrege-
len te implementeren. Veiligheids- en bedieningsprocedures van de testbank zijn gedocu-
menteerd. Een Butterworth laag-doorlaat filter wordt beschreven om meetruis te reduceren.
Tijdsdomeinmiddeling van de metingen onderdrukt meetruis die niet door het Butterworth
filterwordweggefilterd.
Simulaties met het dempermodel worden vergeleken met een lineair model en look-up
table demper model. Een zogenaamd half motorfiets model is afgeleid om de verticale dy-
namica van een motorfiets te beschrijven. De beoordelingscriteria om de drie modellen te
vergelijken zijn: bandindrukking, verticale acceleratie en veerweg. Simulaties met het fysis-
chedempermodelvoorspellenminderveerweg,bandindrukkingenverticaleacceleratiesten
opzichte van de lineaire en look-up table demper modellen. Verder tonen de simulaties dat
het fysische model een 13% lagere ISO 2631-1 gefilterde verticale acceleratie voorspelt ten
opzichte van het conventioneel gebruikte look-up table demper model. Dit demonstreert dat
deimplementatievanhetfysischedempermodelessentieeliswanneervoorspellingengedaan
wordendiebetrekkinghebbenopcomfortniveaus.
ii
Acknowledgements
I would like to express my sincere gratitude to dr.ir. Igo Besselink who has been my direct
coach during this project. His ever present support and participation is very much appre-
ciated, it helped me to conduct this research and challenged me to get the most out of this
research.
Besides Igo, I would like to thank my supervisor prof.dr. Nijmeijer for his critical view and
inputduringourmeetings. AspecialnoteofthanksgoestoHans-DieterFischeranddrs. Alex
Meijs from TFX Suspension Technology for providing me with their high-quality products
and support where necessary. I would also like to thank dr.ir. Wil Post and ir. Jan Loof
for introducing me to hydraulic systems, dr.ir. Pieter Nuij for his contributions in signal
processinganddr.ir. TomvanderSandeforhiscontributionsinquartercarsimulations. My
recognitionalsogoestodr.ir. ErikvanKemenadeforhelpingmewithfluidmechanics.
Aspecialmentiongoestomyfriends, roommatesandthemembersof TheFamousAESLab
fortheirsupportandpleasantcompany.
Furthermore, I would like to thank Charon for supporting me and keeping me motivated.
Lastbut definitely not least, I would like tothank my parents for theireverlasting support in
allpossibleways. Theirsupporthasmeantalot.
iii
Nomenclature
List of symbols
Symbol Description Unit
a Orificecross-sectionalarea [m2]
A Cross-sectionalarea [m2]
β Bulkmodulus [Pa]
d Dampingconstant [Ns/m]
s
D Diameter [m]
ζ Flowresistancecoefficient [−]
f Darcyfrictionfactor [−]
f Cut-offfrequency [Hz]
co
f Massfraction [−]
m
F Force [N]
g Gravitationalconstantacceleration [m/s2]
h Stepsize [s]
k Suspensionspringstiffness [N/m]
s
k Verticaltirespringstiffness [N/m]
t
κ Polytropiccoefficient [−]
l Suspensionlength [m]
L Length [m]
m Mass [kg]
m Sprungmass [kg]
s
m Unsprungmass [kg]
u
µ Dynamicviscosity [Ns/m2]
N Amountofcycleaverages [−]
avg
p Pressure [Pa]
Q Volumetricflow [m3/s]
ρ Density [kg/m3]
S Stroke [m]
t Time [s]
v¯ Flowvelocity [m/s]
V Volume [m3]
x Damperrodposition [m]
iv
Symbol Description SIUnit
x Roadposition [m]
r
y Shimtipdeflection [m]
z Roadverticaldisplacement [m]
r
z Sprungmassverticaldisplacement [m]
s
z Unsprungmassverticaldisplacement [m]
u
Re Reynoldsnumber [−]
v

Contents
1 Introduction 1
1.1 Projectbackground. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aimandobjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Outlineofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Literaturereview 5
2.1 Shockabsorberdesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Mono-tubeshockabsorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Dual-tubeshockabsorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Shockabsorbertesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Testingfacilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Testresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Shockabsorbermodelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Summaryandconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 TU/ehydraulicshockabsorbertestrig 13
3.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Improvinguser-friendliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Operatingandsafetyprocedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 Measurementnoisereduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4.1 Low-passfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4.2 Timedomaincycleaveraging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 Mono-tubeshockabsorbermodel 23
4.1 Systemdescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Damperforcemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 Flowmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4 Hydraulicpressureloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.1 Pipefrictionpressureloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.2 Componentpressureloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4.3 Totallossalongapipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Bleedflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 Valveflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 Modelparametrizationandaccuracy 37
5.1 Numericalintegrationalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Modelparametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2.1 Valveflowresistancecoefficientestimation . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2.2 Bleedflowresistancecoefficientestimation . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3 Modelpredictivequality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4 Damperoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6 Halfmotorbikeapplication 49
6.1 BMWR1200GSAdventure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Equationsofmotionofthehalfmotorbikemodel . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.1 Roaddisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2.2 Dampermodelsforvehiclesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2.3 Performancemeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2.4 Solutionalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3 Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.1 Stochasticroaddisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3.2 Deterministicroaddisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7 Conclusionsandrecommendations 63
7.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2 Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Bibliography 67
AppendixA Stateequationforliquid-gasmixtures 69
AppendixB Shimstackmodel 73
AppendixC Mono-tubeOrdinaryDifferentialEquation 77
AppendixD Halfmotorbikemodelverification 81
AppendixE Damperdimensions 83