Oddziaływanie drgań na kierowcę pojazdu podczas niestandardowej eksploatacji

Transkrypt

1 Stanisław Nader 1 Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Przemysław Ilczuk 2, Jarosław Korzeb 3 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Oddziaływanie drgań na kierowcę pojazdu podczas niestandardowej eksploatacji 1. WSTĘP Drgania mechaniczne, których widmo częstotliwościowe zawiera się w paśmie od 0,1 100 Hz wpływają niekorzystnie na człowieka [2,7,10,14]. W zakresie niższych częstotliwości wymienionego pasma występują częstotliwości rezonansowe narządów i części ciała człowieka. Krótkotrwała ekspozycja na oddziaływanie drgań z tego zakresu powodować może ograniczenie motoryki, pogorszenie widzenia, osłabienie procesów myślowych i postrzegania oraz wywołanie stanu zmęczenia psychicznego i fizycznego [3,6,8]. Źródłami generowania drgań w pojazdach samochodowych są wymuszenia kinematyczne pochodzące od toczenia się kół po nierównej nawierzchni drogi oraz drgania generowane przez jednostkę napędową, czy opływające pojazd strumienie powietrza [1,13]. Wymienione wymuszenia przekazywane są na bryłę nadwozia, a następnie do układu mocowania fotela kierowcy, które powinno zapewniać odpowiedni komfort prowadzenia pojazdu oraz ograniczać dawkę drgań mechanicznych przenoszonych do siedzącego na nim człowieka. Problem drgań mechanicznych występujących w pojazdach jest szeroko dyskutowany w literaturze ze szczególnym uwzględnieniem długotrwałej ekspozycji związanej z wykonywaniem zawodu. Oceniane są zarówno siedziska pojazdów oraz wpływ drgań występujących na powierzchni siedziska na kierowcę. Prezentowane przez autorów badania są zazwyczaj prowadzone podczas standardowej eksploatacji. Problematyka drgań mechanicznych w pojazdach eksploatowanych w warunkach ekstremalnych jest rzadko rozpatrywanym ze względy na stosunkowo trudne do uzyskania warunki badań. Przeprowadzenie eksperymentów wymaga bowiem nie tylko specjalnie wydzielonego toru badawczego, ale również odpowiedniego pojazdu oraz zapewnienia odpowiednich warunków bezpieczeństwa. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań oraz analizę pomiarów wykonanych w pojeździe samochodowym rozpędzanym na specjalnie wydzielonym torze do prędkości przekraczającej 270 km/h. Badany pojazd wykonywał jazdy testowe poprzedzające udział w prowadzonych na torze oficjalnie zorganizowanych wyścigach. Nawet krótkotrwała ekspozycja na drgania wprowadzać może występowanie skutków funkcjonalnych, przekładających się bezpośrednio na bezpieczeństwo, co podczas eksploatacji pojazdu w warunkach ekstremalnych odgrywa bardzo istotną rolę. Podczas eksploatacji pojazdu w takich warunkach, nawet małe zakłócenia pracy organizmu przekładać się mogą na występowanie utraty zdrowia lub nawet życia. W celu oceny zagrożeń i występowania potencjalnych skutków funkcjonalnych dokonano bezinwazyjnie normatywnej oceny drgań występujących na siedzisku kierowcy oraz na nadwoziu pojazdu. Dodatkowo podjęto próbę standardowej oceny siedziska z wykorzystaniem normatywnego współczynnika SEAT. W celu przeprowadzenia rejestracji przyspieszeń drgań oraz późniejszej analizy i oceny otrzymanych wyników zbudowano autorskie aplikacje w środowiskach LabView oraz Matlab. 1 s.nader@mechatronika.net.pl 2 pil@wt.pw.edu.pl 3 korzeb@wt.pw.edu.pl 726

2 2. POLIGON BADAWCZY Do badań wykorzystano specjalnie przygotowany i zabezpieczony tor. Organizatorzy imprezy sportowej dokonali wcześniejszego zabezpieczenia toru zarówno od strony organizacji ruchu, dostępu osób nieuprawnionych, ratownictwa wypadkowego i medycznego Charakterystyka toru Rejestracji parametrów dokonywano w trakcie prowadzenia jazd testowych, przez kierowców uprawnionych do wzięcia udziału w zawodach, w okresie bezpośrednio poprzedzającym rozpoczęcie wyścigów samochodowych zorganizowanych na pasie startowym lotniska, kiedy zakres osiąganych przez pojazdy prędkości sięgał 300 km/h. Parametry charakterystyczne toru: lotnisko Biała Podlaska, tor prosty, lokalizacja 52 00'35.2"N, 23 08'44.9"E, długość toru 1609 m, szerokość 60 m, strefa hamowania 800 m, strefa hamowania awaryjnego 731 m, strefa przedstartowa 160 m. Otoczenie toru stanowił teren płaski bez występujących przeszkód wpływających na pogorszenie bezpieczeństwa prowadzonych zawodów. Badania wykonano przy bezwietrznej, bezdeszczowej i słonecznej pogodzie, temperatura powietrza wynosiła około 20 C Przygotowanie pojazdu Obiektem badań był samochód marki Nissan GTR, w którym dokonano modyfikacji standardowych parametrów pojazdu, w celu dostosowania go do potrzeb startu w zawodach. W tym celu w pojeździe zastosowano następujące modyfikacje: modyfikacja układu cyrkulacji powietrza dolotowego, polegająca na zmianie standardowego orurowania układu na zestaw o zwiększonej wydajności, zwiększenie ciśnienia doładowania układu dwóch turbin, modyfikacja oprogramowania komputera sterującego pracą silnika i skrzyni biegów. Zawieszenie pojazdu, siedzisko oraz pozostałe elementy wyposażenia pozostawiono bez zmian. W trakcie wykonywania jazd testowych, podczas wykonywania pomiarów pojazd posiadał moc niewiele większą niż standardową tj. 412 kw (560 KM) przy ok obr/min oraz maksymalny moment obrotowy wynoszący ok. 640 Nm w zakresie prędkości obrotowych obr/min. 3. BADANIA EKSPERYMENTALNE 3.1. Aparatura badawcza Podczas prowadzenia badań wykorzystano aparaturę pomiarową National Instruments złożoną z kart akwizycji danych i akcelerometrów oraz specjalnie przygotowane oprogramowanie rejestrujące parametry drgań, oparte o środowisko LabView. W celu przeprowadzenia rejestracji wykorzystano wymienione w tabeli 1 przetworniki. Tabela. 1. Przetworniki wykorzystane w badaniach Nazwa Szt. Model Liczba osi Zakres częstotliwości Czułość Zakres akcelerometr 2 Dytran 3233A 3 0, Hz mv/g 0, m/s 2 akcelerometr siedziskowy 1 SV ,1 Hz 100 Hz 100 mv/(m/s 2 ) 0,01 50 m/s 2 Źródło: [13]. 727

3 W badaniach eksperymentalnych wykorzystano przenośny sprzęt do akwizycji danych. Rejestrator posiadał zasilanie akumulatorowe pozwalające na wielogodzinną pracę w terenie oraz możliwość podłączenia zasilania 12V. Rejestrator przebiegów czasowych przyspieszeń drgań oraz kartę akwizycji danych przedstawiono na rysunku 1. a) b) Rys. 1. a- Rejestrator, b- karta akwizycji danych. Źródło: opracowanie na podstawie [13] Zastosowano trzy interfejsy Hi-Speed NI USB-9162, z przetwornikiem A/C - kartą NI 9234 IEPE o parametrach: liczba wejść 4, liczba bitów 24, dynamika 102 db, próbkowanie 51.2 khz/kanał, zasilanie ±5V. Rejestrator wyposażony został w środowisko LabView, w którym zbudowano autorskie oprogramowanie pozwalające na współpracę z wejściowymi kartami pomiarowymi National Instruments Montaż czujników Wykorzystano trzy trójosiowe czujniki pomiarowe akcelerometry, z których sygnały pomiarowe doprowadzono do kart wejściowych. Lokalizację czujników i kart pomiarowych przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Lokalizacja czujników, kart pomiarowych oraz rejestratora podczas badań. Źródło: opracowanie własne 728

4 3.3. Wybrane wyniki badań Rejestrowano przebiegi przyspieszeń drgań w trzech kierunkach zgodnych z kartezjańskim układem współrzędnych: kierunek wzdłużny - zgodny z torem ruchu pojazdu (x), poprzeczny (y), pionowy (z). Przykładowe przebiegi czasowe zarejestrowane na siedzisku pojazdu przedstawiono na rysunkach 3-5. v 0 =0 [km/h] v k =270 [km/h] Rys. 3 Przebieg czasowy przyspieszeń drgań zarejestrowanych na siedzisku w kierunku x. v 0 =0 [km/h] v k =270 [km/h] Rys. 4 Przebieg czasowy przyspieszeń drgań zarejestrowanych na siedzisku w kierunku y. v 0 =0 [km/h] v k =270 [km/h] Rys. 5 Przebieg czasowy przyspieszeń drgań zarejestrowanych na siedzisku w kierunku z. 729

5 4. OCENA OTRZYMANYCH WYNIKÓW Analizowano otrzymane wyniki wartości skutecznej RMS (przyspieszenia drgań [m/s 2 ]), ważone w przedziałach częstotliwości, z wykorzystaniem filtrów korekcyjnych (Wd, Wk) [4, 11]. a w, rms T 1 2 = w( t) dt (1) T 0 a Ponadto dla każdego kierunku oddziaływania drgań, dokonano obliczeń energetycznej dawki drgań [m/s 1,75 ] (ang. vibration dose value) wyznaczonej na podstawie zależności 2 [3]. T 4 VDV 4 aw( t) dt 0 = (2) W celu oceny jakości siedziska posłużono się zależnością na współczynnik SEAT (Seat Effective Amplitude Transmissibility) [5,9,12]. Badania właściwości siedzisk wykonywane są przez eksperymentalne wyznaczenie wartości r.m.s. przyspieszeń zgodnie z (1), mierzonych na siedzisku oraz przyspieszeń na podłodze. Realizację obliczeń tego współczynnika można zrealizować dla dwóch wybranych gęstości widmowych przyspieszeń: SEAT % G W 2 ( ) ( ) ss i G ( f ) ( f ) df ff W i = f f df = VDV VDV seat floor (3) gdzie: G ss (f) gęstość widmowa mocy przyspieszeń siedziska, G ff (f) gęstość widmowa mocy przyspieszeń podłogi, VDV seat energetyczna dawka drgań na siedzisku, VDV floor energetyczna dawka drgań na podłodze pojazdu, W i (f) krzywe wagowe zgodnie z ISO 2631 Wb i Wk. Otrzymane wartości poddano dalszej obróbce i analizie zarówno w funkcji czasu jazdy, jak i szacowanej prędkości jazdy dla kolejnych próbek zarejestrowanego sygnału Metoda oceny Klasyczna metoda analizy sygnału w przedziale czasu skupia się na podaniu informacji amplitudowoczęstotliwościowej. Podstawowym narzędziem w analizie jest transformata Fouriera [7]. W pracy dokonano analizy w pasmach tercjowych o częstotliwościach środkowych każdego z pasm fs, co ułatwiło porównywanie otrzymywanych widm częstotliwościowych. Podziału dokonano przez filtrowanie w przedziałach od dolnej (fd) do górnej (fg) częstotliwości kolejnych pasm tercjowych. fd = f g = f f 6 1 s 6 s 2 2 (5) W tym celu wykorzystano zespoły filtrów Butterwortha 6-rzędu (zgodnie z wymogami norm DIN 45651, IEC 1260, ANSI S dla urządzeń pomiarowych klasy 1), z diadyczną zmianą rozmiaru analizowanej próbki sygnału i częstotliwości próbkowania [7]. Schemat realizacji filtrowania w pasmach tercjowych pokazano na rysunku

6 Rys. 6 Praktyczna realizacja filtrowania przyspieszeń w pasmach tercjowych Źródło: [7]. Otrzymane wyniki porównywano z wartościami sugerowanymi przez normy Analiza wyników Wyniki przeprowadzonej analizy dawki drgań VDV przedstawiono na rysunkach ,2 VDV[m/s 1,75 ] 0,15 0,1 0, czas [s] ciało kierunek x ciało kierunek y ciało kierunek z Rys. 7. Wyznaczenie wartości VDV dla ciała kierowcy. Źródło: opracowanie własne 0,2 VDV[m/s 1,75 ] 0,15 0,1 0, czas [s] głowa kierunek x głowa kierunek y głowa kierunek z Rys. 8. Wyznaczenie wartości VDV dla głowy kierowcy. Źródło: opracowanie własne 731

7 Przyspieszenie drgań, a wrms, [m/s 2 ] ,1 0,01 pomiar kierunek x pomiar kierunek z Odczuwalność, kierunek pionowy Komfort, kierunek pionowy Uciążliwość, kierunek pionowy Szkodliwość, kierunek pionowy pomiar kierunek y Odczuwalność, kierunek poziomy Komfort, kierunek poziomy Uciążliwość, kierunek poziomy Szkodliwość, kierunek poziomy 0,001 1,00 1,25 1,60 2,00 2,50 Rys. 9. Analiza częstotliwościowa przyspieszenia drgań na siedzisku kierowcy. Źródło: opracowanie własne 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 Ocena jakości siedziska samochodu dała wyniki zbliżone do wartości prezentowanych w literaturze, jako typowe dla samochodów osobowych. Wyznaczony w ramach badań współczynnik SEAT wynosił odpowiednio: 78 % dla kierunku pionowego, 87 % dla kierunku poprzecznego, 94 % dla kierunku wzdłużnego. Wartości SEAT dla kierunków poziomych wskazują na słabą skuteczność systemu wibroizolacji w tej płaszczyźnie, natomiast wartość dla kierunku pionowego świadczy o wystarczającym systemie wibroizolacji. 10,00 12,50 16,00 20,00 25,00 Częstotliwość, [Hz] 31,50 40,00 50,00 63,00 80,00 5. WNIOSKI \ W pracy zaprezentowano wyniki analizy typowych wskaźników narażenia na drgania dla kierowcy pojazdu. W trakcie prowadzenia badań czas narażenia kierowcy na drgania był identyczny z czasem pokonania całej trasy i wynosił około 35 s. Policzone dla tak krótkiego czasu dawki drgań nie przekroczyły wartości 0,2 m/s 1,75 zarówno dla samej głowy oraz całego ciała, przy pionowym kierunku oddziaływania drgań, co świadczy o braku zagrożenia drganiami, przy czym dla kierunków poziomych wystąpiły znacznie wyższe wartości. Na uwagę zasługuje fakt ustabilizowania pozycji ciała kierowcy w fotelu, z wykorzystaniem pasów bezpieczeństwa, o czym świadczy zwiększenie dawek energii notowanych na głowie. Standardowa ocena przyspieszeń drgań w pasmach tercjowych wykazała przekroczenie granicy odczuwalności drgań w kierunku pionowym dla wszystkich częstotliwości poniżej 50 Hz, a dla kierunków poziomych dla całego badanego spektrum widma drgań. Wystąpiły również przekroczenia granicy komfortu dla kierunku poziomego wzdłużnego poniżej 3 Hz oraz dla kierunku pionowego w zakresach 2-10 Hz i przy częstotliwości 20 Hz. Największe amplitudy drgań występowały przy częstotliwościach około Hz w kierunku wzdłużnym (x), przy których występują częstotliwości rezonansowe głowy, barków i rąk, jednakże otrzymane wartości sugerują jedynie chwilowe przekroczenia progu uciążliwości drgań. Występowanie tak małych przekroczeń sugeruje dobrą jakość nawierzchni toru. Otrzymane wartości współczynnika jakości siedziska SEAT są typowe dla tej klasy pojazdu z biernym systemem wibroizolacji siedziska. Ich wartości nie wskazują na konieczność stosowania wibroizolacji semiaktywnej lub aktywnej. Ekstremalne wartości przebiegów czasowych wystąpiły dla kierunku x. Był to kierunek zgodny z trajektorią przyspieszenia i ruchu pojazdu, w którym występowały wymuszenia pochodzące zarówno od jednostki napędowej, oporów ruchu, składowych nierówności toru i sił bezwładności. 732

8 Streszczenie W pracy przedstawiono przykład badań eksperymentalnych prowadzonych podczas eksploatacji pojazdu w warunkach ekstremalnych. Do badań wykorzystano pojazd sportowy o dodatkowo zmodyfikowanych parametrach fabrycznych, w celu uzyskania ponadstandardowych osiągów. Pojazd eksploatowano na specjalnie przygotowanym torze, a parametry jazdy dostosowano tak, aby osiągnąć maksymalne osiągi. Podczas testów dokonano rejestracji przyspieszeń drgań nadwozia, siedziska pojazdu oraz głowy kierowcy. Drgania występujące na siedzisku poddano normatywnej ocenie. Dodatkowo mając na uwadze narażenie kierowcy na drgania, dokonano oceny siedziska w pojeździe. Do przeprowadzenia analiz wykorzystano środowisko obliczeniowe Matlab. Słowa kluczowe: drgania, narażenie człowieka, eksploatacja pojazdu w warunkach ekstremalnych Influence of vibrations on the vehicle driver during a non-standard operation Abstract The paper presents an example of experimental researches, performed during operation of the vehicle in extreme conditions. To perform tests a sport vehicle was used, with additionally modified factory parameters in order to achieve non-standard performance. The vehicle was used on a specially prepared track, and driving parameters were adjusted so as to achieve maximum performances. During the tests: the driver s body, vehicle seat surface and driver's head acceleration of vibration were registered. Additionally, whereas estimation the driver exposure, vibration was evaluated on the surface and the lower part of vehicle seat. For the analyzes MATLAB computing environment was used. Key words: vibration, human exposure, non-standard vehicle operation LITERATURA [1] Cempel Cz.: Wibroakustyka stosowana, PWN, Warszawa [2] Engel Z.: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem. Wyd. 2, Wydawnictwo Naukowe PWN S.A., Warszawa 2001, s [3] Griffin M.J.: Handbook of human vibration. London, Academic Press, [4] ISO :1997. Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part 1: General Requirements. [5] Janik A., Książek M.: Porównanie współczynnika jakości SEAT dla standardowych i optymalnych układów wibroizolacji. IX Sympozjum Wpływ wibracji na otoczenie, Janowice-Kraków, 2001 r, str [6] Korzeb J.: Metoda oceny wpływu drgań na kręgosłup lędźwiowy operatora w układzie człowiek-pojazd. Rozprawa doktorska, Warszawa 2003, s [7] Korzeb J: Predykcja wybranych oddziaływań dynamicznych w strefie wpływu infrastruktury transportowej. Prace naukowe Politechniki Warszawskiej, seria Transport, z.90, ISSN , ISBN , OWPW, Warszawa 2013, stron 202. [8] Nader M.: Modelowanie i symulacja oddziaływania drgań na organizm ludzki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2001, s [9] Nader M., Korzeb J.: Badanie własności siedzisk oraz modelowanie i symulacja układu operator-siedzisko pojazdu. Prace Naukowe Politechniki Radomskiej, Zeszyt Transport nr 1(15)/2002, Zakład Poligrafii Instytutu Technologii i Eksploatacji, Radom, 2002, str.415-: 421. [10] Nader M., Korzeb J.: Simulative investigations of the influence of means of transport vibrations on the human body. Acta of Bioengineering and Biomechanics, Vol. 2, Suppl. 1, Proceedings of the 16th School of Biomechanics, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2000, pp [11] PN-N-01354:1991. Drgania. Dopuszczalne wartości przyspieszenia drgań o ogólnym oddziaływaniu na organizm człowieka i metody oceny narażenia. [12] PN-EN : 2000 Drgania mechaniczne. Laboratoryjna metoda oceny drgań siedziska w pojeździe. Wymagania podstawowe. [13] Praca zbiorowa pod kier. J. Korzeb: System oceny wpływu szlaków komunikacyjnych na ludzi przebywających w strefie ich oddziaływania. Projekt badawczy MNiSW nr N N , Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej. Raport końcowy z realizacji projektu badawczego, Warszawa 2012 r. stron 192. [14] Więckowski D: Ocena drgań pionowych samochodu oddziałujących na dzieci posadowione w fotelikach, monografia PIMOT, Warszawa,