BADANIA DIAGNOSTYCZNE AMORTYZATORÓW

Transkrypt

1 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ BADANIA DIAGNOSTYCZNE AMORTYZATORÓW Janusz GARDULSKI Politechnika lska, Wydzia Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych Katowice ul. Krasiskiego 8, janusz.gardulski@polsl.pl Streszczenie W referacie przedstawiono powszechnie stosowane metody diagnozowania amortyzatorów samochodów osobowych oraz zaproponowano nowe metody oparte na wibroakustycznej analizie sygnaów drganiowych Sowa kluczowe: amortyzatorów samochodowy, diagnostyka. DIAGNOSTIC OF SHOCK ABSORBERS Summary The paper presents generally used methods of passenger car shock-absorbers diagnosis and new methods based on vibroacoustic analysis of vibration signals was proposed. Keywords: car shock absorber, diagnostic. 1. WPROWADZENIE Jednym z podzespoów samochodowych decydujcych o bezpieczestwie, komforcie jazdy, kierowalnoci pojazdu jest jego zawieszenie. Obecnie w samochodach osobowych stosowane s wycznie zawieszenia niezalene skadajce si z: - elementów sprystych, - elementów tumicych, - zespou czników, czcych osie kó lub koa z ram wzgldnie nadwoziem samochodu za pomoc pocze sworzniowych, - opon charakteryzujcych si okrelon sprystoci i tumieniem. Ich czne masy s masami nieresorowanymi pojazdu, które pobudzane s do drga podczas jazdy zwaszcza przez nierównoci drogi. Drgania to po odpowiednim wzmocnieniu przez elementy spryste przenoszone s na masy resorowane, a wic nadwozie i znajdujcych si nim kierowc i pasaerów. Przed konstruktorami zawiesze samochodów osobowych zawsze stoi trudne zadanie odpowiedniego doboru nie tylko rodzaju zawieszenia, ale równie charakterystyk ich elementów sprystych i tumicych. Aktualnie w samochodach osobowych elementy te posiadaj charakterystyki nieliniowe. W samochodach osobowych klas rednich i niszych powszechnie elementami sprystymi s stalowe spryny rubowe, charakteryzujce si prostot konstrukcyjn, atwoci ksztatowania, ma mas i nisk cen. Ich nieliniow charakterystyk sztywnoci uzyskuje si poprzez zmian skoku, rednicy zewntrznej, wzgldnie rednicy drutu. Elementami tumicymi drgania w samochodach osobowych s amortyzatory teleskopowe Dobór ich charakterystyki tumienia jest trudny. Mog one mie charakterystyk sportow tzw. tward, lub komfortow (mikk) Najczciej w samochodach osobowych konstruktorzy dobierajc typ amortyzatora przyjmuj rozwizanie kompromisowe. Charakterystyki stosowanych amortyzatorów s nieliniowe, niesymetryczne najczciej progresywne lub progresywno degresywne. Naley przy tym pamita, e na tumienie drga, poza amortyzatorami maj wpyw opony, spryny, przeguby kuliste, tuleje metalowo gumowe i stabilizatory. W wikszoci przypadków o wartoci tumienia decyduj jednak amortyzatory. Charakterystyki elementów sprystych i tumicych w trakcie eksploatacji ulegaj zmianie. W zawieszeniu pojawiaj si nowe nieliniowoci (luzy) wpywajce na bezpieczestwo jazdy. Efektem niesprawnoci amortyzatorów s: - due amplitudy przyspiesze drga nadwozia, - powikszone przechyy poprzeczne i podune samochodu decydujce o komforcie jazdy i stabilnoci ruchu pojazdu, - odrywanie si kó od nawierzchni podczas jazdy i hamowania, - wyduenie drogi hamowania. Ponadto wystpujce podczas jazdy w zawieszeniu nadmierne siy dynamiczne powoduj szybsze, zmczeniowe zuycie elementów pojazdu oraz niszczenie nawierzchni drogi. Niezbdne s zatem badania okresowe zawiesze celem których jest identyfikacji ich stanu technicznego. Badania diagnostyczne zawiesze poza pomiarami geometrii, podzieli mona na dwie grupy obejmujce: - identyfikacj luzów w poczeniach sworzniowych, - ocen stanu technicznego amortyzatorów.

2 188 DIAGNOSTYKA 2 (38)/2006 Diagnozowanie luzów w poczeniach elementów zawiesze jest stosunkowo proste. Do tego celu stosuje si urzdzenia do wymuszenia szarpni koami jezdnymi. Urzdzenia te skadaj si z dwóch pyt najazdowych przesuwanych hydraulicznie w czterech kierunkach. Badanie organoleptyczne polega na obserwacji sprawdzanych pocze elementów owietlanych silnym strumieniem lampy sterujcej, uwidaczniajcej luzy. Pomiary diagnostyczne amortyzatorów s bardziej zoone. Prawidowa praca zawiesze pojazdów samochodowych wpywa bezporednio na bezpieczestwo ruchu samochodowego oraz stan nawierzchni dróg. W trakcie bada okresowych prowadzonych w Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP) szczególn uwag zwraca si na stan techniczny zawiesze. Amortyzatory, jako elementy odpowiedzialne za prawidowe tumienie drga nadwozia, badane s w SKP metod bezdemontaowa, wg kryteriów ustalonych przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA). Gównym mankamentem tej metody jest brak informacji o rodzaju powstajcego uszkodzenia i stopniu jego zaawansowania w trakcie eksploatowania pojazdu. Najczciej wystpujcymi usterkami amortyzatorów s wycieki pynu i ubytek uszczelnienia toczka. Uszkodzenia te s trudno diagnozowalne pod wzgldem ilociowym Powysze zagadnienia s przedmiotem przeprowadzonych bada. Jako nonik informacji diagnostycznej wykorzystano sygnay wibroakustyczne generowane przez masy pojazdu pobudzone do drga. Istot obu metod jest wymuszanie drga pionowych badanego koa jezdnego powyej czstotliwoci rezonansowej. W trakcie bada koo spoczywa na pycie wczonego wzbudnika drga. Po przekroczeniu czstotliwoci rezonansowej nastpuje wyczenie siy wymuszajcej. Na skutek tumienia drga przez amortyzator, elementy zawieszenia i opony nastpuje obnianie czstotliwoci drga. Wskanikiem stanu technicznego amortyzatora jest amplituda wystpujca przy czstotliwoci rezonansowej zawieszenia. Efektywno tumienia mona okreli na podstawie analizy drga: - w funkcji nacisku koa na podoe (metoda EUSAMA), - w funkcji czasu (metoda Boge) METODA EUSAMA Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA) opracowao metod oceny efektywnoci tumienia. Zasada pomiaru polega na procentowym okreleniu siy przylegania koa do podoa. Ocena skutecznoci tumienia amortyzatora okrela wskanik Eusama opisany zalenoci: Wmin WE 100% W st gdzie: W min zmierzona minimalna sia dynamiczna przylegania opony do podoa, W st statyczna sia przylegania opony do podoa (spoczynkowa). Schemat stanowiska badawczego przedstawia rys METODY DIAGNOZOWANIA AMORTYZATORÓW Z poród metod badawczych stanu technicznego amortyzatorów naley wyróni si badania stanowiskowe. Mona je podzieli na dwie grupy: - badanie amortyzatorów zabudowanych w pojedzie, - badanie amortyzatorów wybudowanych z pojazdu BADANIA AMORTYZATORÓW ZABUDOWANYCH W POJEDZIE Wród metod badawczych amortyzatorów zabudowanych w samochodzie rozróni naley metody: - drga wymuszonych, - drga swobodnych, - pyt najazdowych. Metoda trzecia ze wzgldu na ma dokadno praktycznie nie jest stosowana. Grupa metod drga wymuszonych sprowadza si do testerów wibracyjnych: - o zmiennej amplitudzie drga, - o staej amplitudzie drga. Rys. 1. Schemat ideowy stanowiska badawczego bada amortyzatorów wg metody EUSAMA: 1) pyta najazdowa, 2) ukad pomiarowy, 3) ukad analizujcy, 4) silnik elektryczny z korbowym ukadem wymuszajcym W trakcie badania koo samochodu spoczywa na nieruchomej pycie urzdzenia wymuszajcego. Dokonywany jest wówczas pomiar statyczny (Wst). Dla takiego przypadku warto wspóczynnika WE wynosi 100%. Nastpnie uruchamiany jest ukad wymuszajcy. Pyta osiga drgania amplitudzie 4-8 mm z czstotliwoci okoo 25 Hz. Po wyczeniu ukadu napdowego przy czstotliwoci ok. 16 Hz

3 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ nastpuje pomiar minimalnej siy nacisku dynamicznego Wmin koa jezdnego na pyt. Jeeli podczas badania przy tej czstotliwoci koo oderwie si od pyty, to warto WE wynosi 0%. Ta filozofia pomiaru jest przejrzysta i logiczna. W wyej wymienionej metodzie nie jest potrzebna baza danych. Przykadowy przebieg rejestrowanego sygnau przedstawia rys. 2. Rys 2. Graficzna interpretacja wspóczynnika EUSAMA Wad opisywanej metody bada jest wraliwo na sztywno opony i obcienie statyczne. Sztywno opony zaley midzy innymi od cinienia w ogumieniu. Niskie cinienie podwysza a wysokie obnia warto wspóczynnika EUSAMA. Odwrotnie - due obcienie statyczne podwysza, a niskie obnia warto tego wspóczynnika. Przyjte kryterium oceny jest nastpujce: a) WE= 0-20% - zy stan techniczny amortyzatorów (niedostateczna warto tumienia), b) WE = 21-40% -dopuszczalna warto tumienia amortyzator wymaga sprawdzenia po wybudowaniu na stanowisku indykatorowym, c) WE = 41-60% - dobra warto tumienia, d) WE > 60% - bardzo dobra warto tumienia. Rónice wartoci EUSAMA pomidzy stronami pojazdu wynoszce 20-30% wiadcz o niesprawnoci amortyzatora. Wtpliwoci budz testy skutecznoci tumienia drga zawieszenia osi tylnej lekkich samochodów z przednim napdem. Rozwizanie tego problemu proponuje firma Hoffman dzielc samochody na cztery grupy w zalenoci od masy. Grupa I - Pojazdy klasy wyszej o masie powyej 1400 kg otrzymuj nastpujce kryteria oceny WE % stan bardzo dobry, WE 50-69% stan dobry, WE 30-49% stan dostateczny, WE 0-29% stan niedostateczny Dopuszczalna rónica przyczepnoci D RP = 25%. Grupa II - Pojazdy o klasie redniej o masie kg WE % stan bardzo dobry, WE 40-59% stan dobry, WE 20-39% stan dostateczny, WE 0-19% stan niedostateczny. D RP = 25%. Grupa III Pojazdy kompaktowe o masie wasnej mniejszej od 899 kg WE % stan bardzo dobry, WE 30-59% stan dobry, WE 20-29% stan dostateczny, WE 0-19% stan niedostateczny. D RP = 20%. Uzyskane w wyniku bada metod EUAMA wskaniki maj charakter orientacyjny. Wprowadzajc banki danych mona uzyska informacje o wartociach odniesienia (np. z badania nowych pojazdów) wzgldnie obserwowa trend zmian w trakcie eksploatacji. Przyjcie w metodzie staej (16 Hz) czstotliwoci rezonansowej ogranicza moliwoci metody. Poszczególne koa mog mie takie same wartoci WE np. 60% ale osigane przy rónej czstotliwoci rezonansowej poszczególnych kó. Takie rónie maj wpyw na bezpieczestwo jazdy. Byo to powodem opracowania zmodyfikowanej metody bada METODA BADA AMORTYZA- TORÓW NA STANOWISKU PYTOWYM O ZMIENNEJ CZSTOTLIWOCI DRGA WYMUSZAJCYCH Metoda bada amortyzatorów w oparciu o zmienn czstotliwo rezonansow wystpuje pod nazw EUSAMA plus. W tym systemie bada wystpuj dwa etapy pomiarowe a) faza wstpna b) pomiar wspóczynnika tumienia Faza wstpna, to rozgrzewanie pynu amortyzatorowego celem uzyskania waciwe jego lepkoci. Proces ten trwa okoo 10 sek. przy wymuszeniu o niskiej czstotliwoci drga. W tym czasie dokonywany jest pomiar cinienia w ogumieniu. Analizowany jest kontakt pyty z opon. Jeeli odchyka cinienia powietrza przekracza 0,05 MPa cinienia nominalnego, to nastpuje przerwanie procesu pomiarowego, sygnalizowanego odpowiednim komunikatem. Po rozgrzaniu rozpoczyna si proces pomiarowy ze zmieniajc si co 1 Hz w sposób malejcy czstotliwoci drga pyty od 30 Hz do 8 Hz. Czstotliwo okrelana jest przez przetworniki optoelektroniczne. Na czas pomiaru przetworniki stabilizuj kad czstotliwo drga. Szczegóowo analizowany jest przedzia 13 do 18 Hz (rezonans masy nieresorowanej) Dla kadego zakresu czstotliwoci zmierzone s siy nacisku na pyty podczas ciskania i rozcigania amortyzatorów. Umoliwia to okrelenie dla kadego typu pojazdu stosunku mas: mr c mn gdzie: m r masa resorowana m n masa nieresorowana Precyzyjnie zmieniana czstotliwo drga pyty stanowiska i uwzgldnienie staej sprystoci ogumienia (cinienia powietrza w oponie) wiadczy o nowoczesnoci tej metody oceny stanu

4 190 DIAGNOSTYKA 2 (38)/2006 zawieszenia (amortyzatorów). Wprowadzenie fazy rozgrzewania amortyzatorów wpywa korzystnie na dokadno pomiarów METODA EUSAMA Z ANALIZ FAZOW Firma Hunter Engineering Company wprowadzia dalsze zmiany w metodzie EUSAMA. Jest ni mierzony kt przesunicia fazowego pomidzy sinusoidalnymi sygnaami przemieszczenia pyty i siy nacisku koa na pyt (rys. 3). Rys. 4. Schemat urzdzenia firmy Boge: 1) silnik elektryczny, 2) spryna, 3) rejestrator, 4) pyta najazdowa, A badane koo, B element resorujcy, C amortyzator, D badana o, E nadwozie. Rys. 3. Przesunicie fazowe pyty i mas nieresorowanych Przemieszczenie masy nieresorowanej jest proporcjonalne do chwilowej siy nacisku wywieranego na pyt najazdow. Dlatego osiga maksimum, gdy kt fazowy jest równy 0. W zakresie pasma czstotliwoci rezonansowej masy resorowanej, gdy brak jest tumienia w zawieszeniu, warto kta fazowego wynosi 180 pomidzy maksymaln amplitud przemieszcze masy nieresorowanej i resorowanej. Warto kta przemieszczenia fazowego jest wielkoci charakteryzujc wielko tumienia. Kiedy zawieszenie samochodu ma odpowiedni warto tumienia (zamontowany jest odpowiedni amortyzator) to minimalny kt przesunicia fazowego pomidzy czstotliwociami rezonansowymi masy resorowanej i nieresorowanej osignie warto powyej METODA BOGE DRGA WYMUSZONYCH W FUNKCJI CZASU Metoda stosowana przez firm Boga polega na zastosowaniu do pobudzania drga stanowiska pytowego, którego ruch wymuszony jest przez ukad korbowy. Schemat wyej wymienionego stanowiska przedstawia rys. 4. Przebieg drga jednego koa rejestrowany jest na poowie okrgej tarczy. Przykadowy wykres przedstawia rys. 5. Miar jakoci amortyzatora jest podwójna amplituda drga rezonansowych (A max ). Warto tej amplitudy porównuje si z amplitud wzorcow amortyzatorów dla danych typów pojazdów. Zastosowanie metody pomiaru dekrementu tumienia jest suszne dla ukadów liniowych. Rys. 5. Przykadowy wynik bada amortyzatora na urzdzeniu Boge 2.2. BADANIA AMORTYZATORÓW METOD DRGA SWOBODNYCH Istota metody polega na analizie ruchu podwozia samochodu osobowego po impulsowym pobudzeniu go do drga. Istnieje wiele metod wymuszenia a mianowicie: - zrzut, - spadek z równi pochyej, - rozprenie cinitego nadwozia. Z poród powyszych metod najszersze zastosowanie znalaza metoda pierwsza. Do tego celu wykorzystuje si najazdowe stanowisko badawcze schematycznie przedstawione na rys. 6. Rys. 6. Schemat stanowiska Opadajce koo uderza o pyt oporow pobudzajc do drga mas nieresorown i resorowan. Zapis amplitudy przemieszcze drga w funkcji czasu rejestrowany jest w formie wykrelnej. Przykadowy wynik rejestracji przedstawia rys. 7.

5 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ A 0 A 1 Rys. 7. Wynik rejestracji badania metod zrzutu samochodu Z powyszego wykresu wyznaczona si rednie tumienie drga k bdce stosunkiem drugiej do pierwszej zaobserwowanej amplitudy drga. A1 k A0 Wartoci amplitud pocztkowych powinny by sobie równe. Nie powinny si one róni o wicej ni 7%. pomoc mechanizmu suwakowego. Poruszany jest dolny koniec amortyzatora prowadzony osiowo przez ukad suwakowy. Górny koniec poczony jest z obudow stanowiska poprzez przetwornik siy. Wykonujc badania przy rónych prdkociach obrotowych wau uzyskuje si w efekcie charakterystyki prdkociowe amortyzatora opisane zalenoci: dx dx F( t) k1 k2 dt dt [ N] gdzie: k 1, 2 wspóczynniki okrelajce liniow i nieliniow cz tumienia, dx/dt prdko wzgldna ruchu toka amortyzatora wzgldem cylindra [m/s], i wykadnik potgi charakteryzujcy nieliniowo siy tumienia. i 2.3 BADANIA AMORTYZATORÓW NIE ZABUDOWANYCH W POJEDZIE W badaniach amortyzatorów nie zabudowanych w pojedzie stosuje si stanowiska indykatorowe, na których otrzymuje si wykresy prdkociowe amortyzatorów tzn. zmiany siy tumienia w funkcji prdkoci ruchu toka amortyzatora. Przykad takiego stanowiska, które znajduje si w Laboratorium Podstaw Techniki Pomiarowej Wydziau transportu Politechniki lskiej przedstawia rys. 8. Rys. 9. Przykadowa teoretyczna charakterystyka amortyzatora hydraulicznego Przykadowe wyniki bada indykatorowych uzyskane dla czterech czstotliwoci wymusze przedstawiono na rys. 10, 11. Rys. 10. Wykresy prdkociowe amortyzatora nowego Rys. 8. Widok stanowiska indykatorowego Stanowisko napdzane jest dwubiegowym silnikiem elektrycznym prdu przemiennego. Napd od silnika przenoszony jest przez przekadni pasowo-klinow na zbat skrzyni biegów o dwóch biegach oraz przekadni nawrotn. Ze skrzynki biegów napd przenoszony jest na mimorodowy ukad korbowy o zmiennym ramieniu. Przeniesienie wymuszenia ruchu koca amortyzatora z ukadu korbowego odbywa si za Rys. 11. Wykresy prdkociowe dla amortyzatora z 75% ubytkiem pynu

6 192 DIAGNOSTYKA 2 (38)/2006 Do oceny stanu technicznego amortyzatora wprowadzono nowy parametr diagnostyczny moc tumienia. Uzyskuje si go poprzez cakowanie wykresów indykatorowych. Powszechnie stosowane s amplitudowe wskaniki oceny. Zastosowana metoda diagnozowania oparta na mocy tumienia wykazuje dobre cechy diagnostyczne. 3. METODY BADA AMORTYZATORÓW OPARTE NA WIBROAKUSTYCZNEJ ANALIZIE SYGNAÓW DRGANIOWYCH Stanowiskowe metody bada daj wyniki, które mona traktowa jako przyblione. Oparta na nich ocena stanu technicznego amortyzatora jest dwustanowa (sprawny, niesprawny). Pozbawiona jest cech identyfikacji jego uszkodze. Stao si to podstaw do na opracowywania Laboratorium PTP Wydziau Transportu Politechniki lskiej nowych metod diagnozowania amortyzatorów opartych na analizie sygnaów wibroakustycznych. W zaproponowanych metodach zaoono, e w badaniach zostan wykorzystane istniejce na stanowiskach kontrolnych amortyzatorów wzbudniki pobudzajce do drga masy kó i zawieszenia oraz nadwozie. W procesie pobudzania wymienionych mas przez ukad wymuszajcy mona wyszczególni trzy nastpujce fazy: - rozpdzanie, kiedy nastpuje przyrost czstotliwoci wymusze od 0 do czstotliwoci górnej ( ok. 25 Hz), - wymuszanie ze sta górn czstotliwoci wymusze, - wybieg urzdzenia, podczas którego po wyczeniu nastpuje spadek czstotliwoci do 0. Istota zaproponowanej metody bada jest nastpujca: - w badaniach analizowany jest proces drganiowy zawieszenia podczas wybiegu, kiedy nastpuje przejcie przez rezonans pobudzonych do drga mas nieresorowanych i resorowanych. Analizowane drgania s nieustalonym, niestacjonarnym procesem losowym. - w badaniach amortyzatora wykorzystywane s dwa przetworniki mocowane za pomoc magnesu do dolnego wahacza i gniazda osadczego amortyzatora w nadwoziu. Przetworniki mocowane s osiowo w pobliu miejsc zabudowy amortyzatorów samochodzie ( rys. 13 i 14). Wielkociami mierzonymi s przyspieszenia wzgldne ruchu toka amortyzatora. W trakcie pomiarów koo badanej czci zawieszenia spoczywa na pycie wzbudnika. - po dyskretyzacji rónicowy sygna wibroakustyczny koców amortyzatora poddany jest analizie w rodowisku Matlab przy uyciu komputera klasy PC. Wymienione sygnay niestacjonarne poddawane s niej omówionym analizom dwuwymiarowym, w dziedzinie czasu i czstotliwoci. Przykadowy przebieg drga nadwozia przedstawiono na rys. 12 Rys. 12. Przyspieszenia drga nadwozia Rys. 13. Sposób mocowania przetwornika pomiarowego na nadwoziu 1- pojemnociowy przetwornik przyspiesze Rys. 14. Sposób mocowania przetwornika pomiarowego na wahaczu 3.1. KRÓTKOCZASOWA TRANSFORMATA FOURIERA Skuteczn, stosowan powszechnie do dzi metod analizy sygnaów w dziedzinie czasowoczstotliwociowej zaproponowa Gabor (1946 r.). Polega ona na prowadzeniu analizy czstotliwociowej kolejnych fragmentów analizowanego sygnau wycitych z caoci przez tzw. funkcj okna. Podczas analizy okno jest przesuwane w dziedzinie czasu o interwa równy szerokoci okna. Analiza czstotliwoci prowadzona jest dla kolejnych odcinków niezalenie, co umoliwia powizanie poszczególnych skadowych okresowych widma z czasem i okrelenie momentów ich wystpowania. Gabor zaproponowa funkcj okna w postaci gausoidy: g( t) e 1 2 t 2 oraz sformuowa zasad konstruowania rodziny funkcji analizujcych powstaych z funkcji okna przez wprowadzenie przesuni w dziedzinie czasu b i w dziedzinie czstotliwoci :

7 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ w, b ( t) g( t b) e t i Wynikiem analizy czasowo- czstotliwociowej sygnau f(t) s wspóczynniki w postaci: S(, b) x( t) w, b ( t) dt x( t) g( t b) e i t dt Z powyszych zalenoci wynika nastpujcy nadajcy si do praktycznego zastosowania wzór opisujcy funkcj analizujc: W, b e 1 tb 2 d e it gdzie: b przesunicie okna czstoci analizujce d szeroko okna W powyszym wzorze wystpuj trzy wspóczynniki, z których jeden b odpowiada z przesunicie okna (parametr czasowy) drugi za warto czstoci analizujcej wypeniajcej okno (parametr czstotliwociowy) trzeci d niezmienny w caej rodzinie funkcji analizujcych (parametr wyznaczajcy szeroko okna). Metoda zaproponowana przez Gabora zwana take krótkoczasow transformat Fouriera (Short Time Fourier Transform STFT) lub okienkowym przeksztaceniem Fouriera opiera si na staej raz dobranej szerokoci okna analizy, które ogranicza jednoczenie precyzj w dziedzinie czasu i zakres czstotliwoci analizy. Optymalnie prowadzona analiza o dokadnoci ograniczonej jedynie zasad nieoznaczonoci Heisensberga ma miejsce w dolnym zakresie czstotliwoci tj. w przypadku funkcji analizujcych W,b, których okres 1/ jest równy szerokoci d okna gausoidy. Wszystkie wysze czstotliwoci analizowanego sygnau s wykrywane z t sam dokadnoci lecz znacznie mniejsz od moliwej do uzyskania wynikajcej z zasady nieoznaczonoci. Przykadowe wyniki analiz dla amortyzatorów w stanie nowym i 25 % wyciekiem pynu przedstawiono na rys. 15 i 16. Rys. 15. Widmo czasowo-czstotliwociowe przyspiesze wzgldnych uzyskane dla amortyzatora nowego ( 100% objtoci pynu hydraulicznego) Rys. 16. Widmo czasowo-czstotliwociowe przyspiesze wzgldnych uzyskane dla amortyzatora z ubytkiem 25% pynu Objawy pogbiajcej si niesprawnoci amortyzatora w mapach spektralnych uwidaczniaj si w postaci rosncych wartoci amplitud nadrezonansowych czstotliwoci harmonicznych. Ju niewielka zmiana charakterystyki amortyzatora spowodowana ubytkiem pynu hydraulicznego wywouje zmiany stosunku wartoci amplitud nadrezonansowych. Dalszy rozwój uszkodzenia powoduje gwatowny wzrost wartoci amplitud przyspiesze w chwilach przechodzenia ukadu przez czstotliwoci drga wasnych zawieszenia widoczny równie dla czstotliwoci nadrezonansowych. Klasyczne metody diagnozowania stanu technicznego amortyzatora zabudowanego w zawieszeniu wykrywaj dopiero due zmiany jego charakterystyki. Analiza czasowo-czstotliwociowa pozwala uzupeni wiedz diagnostyczn informacjami o stosunkowo wczesnych stadiach rozwoju uszkodzenia amortyzatora TRANSFORMATA FALKOWA Inn metod analizy czasowoczstotliwociowej zaproponowali Morlet i Grossman (1984 r.). Podobnie jak w analizie STFT sformuowano funkcj podstawow, reguy konstrukcji na jej podstawie rodziny funkcji analizujcych oraz wzór opisujcy wynik analizy w dziedzinie t-f (czasowo-czstotliwociowej) w postaci funkcji dwu zmiennych (t i f). Morlet zaproponowa funkcj podstawow: 2 t 2 ( t) e cos(5t) nazwa j falk-matk (fr. ondelette-mere) poniewa suy ona do konstrukcji rodziny falek analizujcych (fr. ondelette analysamite) a,b ; a, b ( t) 1 t b ( ) a a gdzie: b jest przesuniciem czasowym; a>0 jest tzw. wspóczynnik zwaniarozszerzania odpowiada za czstotliwoci i czasowy zakres analizy.

8 194 DIAGNOSTYKA 2 (38)/2006 Po wprowadzeniu dodatkowego parametru skali a do okna lokalizacyjnego w transformacie Gabora powstaa transformata falkowa (Wavelet transform WT). Funkcja analizujca t b nazywana falk a gówn posiada wspóczynnik a który powoduje zmian czasu trwania falki oraz wspóczynnik b który zmienia pooenie falki na osi czasu. Równanie reprezentuje filtracj pasmowoprzepustow sygnaów za pomoc filtrów o rónych pasmach przepuszczania. Transformata falkowa (WT) jest funkcj dwuwymiarow, w której a jest parametrem skali (czstotliwoci) za b - jest parametrem translacji (przesunicia w czasie). a, b R, a 0 Wspóczynniki reprezentujce realizowany sygna w dziedzinie t-f opisuje zaleno: WT 1 t b ( a, b) ( x( t) a, b ) x( t) a, b ( t) dt x( t) ( ) a a Zaleno ta podobnie jak podana przez Gabora zaleno (3) jest równowana splotowi sygnau analizowanego x(t) z falk analizujc a,b (t) lub w przypadku analizy Gabora (STFT) z funkcj analizujc w,b (t). W porównaniu do stosowanych w STFT funkcji okna majcych zawsze mniej lub bardziej przyblion funkcj gaussoidy, funkcja (t) posiada odmienne cechy. Jest ona parzyst funkcj lokalnie oscylujc a poza spójnym przedziaem oscylacji przyjmuje wartoci zerowe. Przebieg funkcji (t) jest podobny do zafalowania, lokalne oscylacje szybko gasn wraz z odlegoci od centrum std nazwa: falka (ang. Wavelet, fr. ondelette). W analizie falkowej inna jest w porównaniu z STFT regua konstruowania rodziny funkcji analizujcych. W analizie STFT (Gabora) szeroko okna jest staa co powoduje wzrost oscylacji w oknie wraz ze wzrostem czstotliwoci. W analizie falkowej ilo oscylacji falki jest staa a zmianie czstotliwoci towarzyszy proporcjonalna zmiana czasowego zasigu falki. Analiza niestacjonarnych wasnoci spektralnych sygnau wymaga posugiwania si oknami, które automatycznie zwikszaj si przy analizie wysokich czstotliwoci i ulegaj automatycznemu rozszerzeniu przy analizie niskich czstotliwoci. dt Rys. 17. Wynik cigego przeksztacenia falkowego dla przyspiesze drga nadwozia dla amortyzatora przedniego samochodu Seicento ze 100% napenieniem Rys. 18. Wynik cigego przeksztacenia falkowego dla przyspiesze drga nadwozia dla amortyzatora przedniego samochodu Seicento z 25% ubytkiem oleju Wartoci WT dla amortyzatorów nowych oraz o niewielkich przebiegach eksploatacyjnych s stae w analizowanym przedziale czas-skala. Zuycie amortyzatora w wyniku duych przebiegów eksploatacyjnych powoduje wzrost wartoci WT w chwilach pracy ukadu z czstotliwoci rezonansow zawieszenia. Takie same efekty uwidaczniaj si w rozkadach falkowych uzyskanych dla amortyzatorów z celowo wprowadzonymi usterkami (ubytek pynu oraz uszkodzenie zaworka ruchu sprania). Starzenie si pynu amortyzatorowego powoduje wzrost wartoci amplitud WT w caym analizowanym pamie TRANSFORMATA WIGNERA-VILLE A (WIGNER-VILLE DISTRIBUTION, WVD) Widmo wzajemne Wignera-Ville a dwóch sygnaów x(t) i y(t) definiowane jest nastpujco: j2f WVDxy ( t, f ) x( t ) y *( t ) e d 2 2

9 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ jeeli x(t) = y(t) powysze przeksztacenie mona zapisa w postaci: j2t WVDxx(, ) x * ( t ) x( t ) e dt 2 2 gdzie: WVD xx (, ) pseudo przeksztacenie Wignera- Ville a x*(t) sygna urojony sprzony z x(t) przesunicie w dziedzinie czasu przesunicie w dziedzinie czstotliwoci Transformata ta pozwala przeksztaci sygna zapisany w postaci przebiegu czasowego na widmo czasowo-czstotliwociowe. Program Matlab posiada zaimplementowan dyskretn wersj tego przeksztacenia, która umoliwia obróbk sygnau zdyskretyzowanego. Poniewa algorytm realizujcy t transformat wykorzystuje dwukrotne przeksztacenie Fouriera warunkiem uniknicia zjawiska aliasingu jest próbkowanie sygnau cigego z co najmniej dwukrotnie wiksz czstotliwoci od kryterium Nyquista. W celu redukcji efektów zwizanych z przeciekiem widma, które utrudniaj interpretacj uzyskanych wyników, wykonuje si operacj filtracji WVD przy pomocy funkcji wagowych. W analizie wykorzystano funkcj wagow Choi-Williams a w postaci: Struktura widmowa sygnaów niestacjonarnych moe by okrelona za pomoc podwójnej transformaty Fouriera niestacjonarnych funkcji korelacji okrelonych za pomoc wartoci oczekiwanych (rednich w zbiorze). Do analiz wykorzystano pseudoprzeksztacenie Wignera-Ville a z oknem filtracyjnym Choi- Williamsa. Analizy przeprowadzono w rodowisku Matlab posiadajcym zaimplementowan dyskretn wersj tego przeksztacenia, z postaci przebiegu czasowego na widmo czasowo-czstotliwociowe. Poniewa algorytm realizujcy t transformat wykorzystuje dwukrotne przeksztacenie Fouriera, w celu uniknicia zjawiska aliasingu konieczne jest próbkowanie sygnau, z co najmniej dwukrotnie wiksz czstotliwoci od kryterium Nyquista. Analizom poddano t czci sygnaów drganiowych, w których parametry wymuszenia byy stae w czasie. Ukad zawieszenia pracowa powyej podstawowych czstotliwoci rezonansowych zwizanych z masami resorowan i nieresorowan. Przykadowy wynik analizy WVD uzyskany dla sprawnego amortyzatora przedstawiono poniej (, ) exp( / ) parametr proporcjonalny do amplitudy przecieku widma Wykorzystane w pracy przeksztacenie mona zapisa w sposób: 2 j2ft WVD( f, ) x * ( t ) x( t ) e e dt 2 2 Istotnym problemem zwizanym z w/w analizami jest forma przedstawienia wyników bada. Istnieje wiele sposobów, wród których ma szczególn uwag zasuguj: - wykresy warstwicowe - wykresy profilowe Wykresy warstwicowe s wykresami paskimi w ukadzie wspórzdnych czas-czstotliwo, na które nanoszone s linie gstoci mocy. Stae wartoci gstoci mocy s reprezentowane przez linie zamknite (warstwice). Wykresy profilowe s rysunkami pseudoprzestrzennymi. Z jednej strony uatwiaj one obserwacj rozkadu gstoci widmowej mocy w funkcji czasu i czstotliwoci. Jednake plasterkowy system wizualizacji moe spowodowa opuszczenie istotnych wyników, a ponadto na wykresach cz wyników zostaje ukryta przez poprzedzajce je profile. Rozwizaniem tego problemu jest wykonanie wykresów zmian mocy w funkcji czasu dla kadej czstotliwoci oddzielnie. Rys. 19. Widmo WVD przyspiesze drga nadwozia 100% pynu amortyzatorowego Rys. 20. Widmo WVD przyspiesze drga nadwozia amortyzator z 75% objtoci nominalnej pynu amortyzatorowego

10 196 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ PROPONOWANA WIBROAKUSTYCZNA METODA DIAGNOZOWANIA AMORTYZATORÓW SAMOCHODÓW OSOBOWYCH ZABUDOWANYCH W POJEDZIE Z omówionych 3 metod analiz niestacjonarnych sygnaów losowych, najkorzystniejsza w badaniach diagnostycznych amortyzatorów okazaa si transformata falkowa. Umoliwia ona poprzez dobór odpowiedniego zakresu skali obserwacj cech czasowoczstotliwociowych w wskim pamie czstotliwoci. Ta waciwo przeksztacenia falkowego przy analizie dugich szeregów czasowych umoliwia znaczne skrócenie czasu oblicze 4.1. PROCEDURA ANALIZY W celu zwikszenia rozdzielczoci czstotliwociowej, sygna poddany jest ponownemu próbkowaniu do czstotliwoci 2 [khz] przy wykorzystaniu funkcji sklejanych. Pasmo czstotliwoci rezonansowych zawieszenia analizowane jest w zakresie skali 80 do 200 z krokiem co 10 przy wykorzystaniu falki Morleta, której pasmo wynosi: 1,701 [Hz] natomiast czsto rodkowa [1/s]. Czstotliwoci rezonansowe nadwozia badane s dla zakresu skali 100 do 300 z krokiem 8 falk z rodziny symlet przy czstotliwoci próbkowania wynoszcej 0,5 [khz]. W badaniach stosuje si falk sym8 (pasmo [Hz] a czstotliwo [1/s]). Samochód pobudzany by w badaniach wzbudnikiem harmonicznym ZASTOSOWANY ESTYMATOR DIAGNOSTYCZN Otrzymywany w wyniku analizy falkowej rozkady czasowo-czstotliwociowy s w powszechnie stosowanej postaci mao przydatne w diagnostyce amortyzatorów. Dlatego poszukiwano takich estymatorów, które umoliwiaj jednoznaczn identyfikacje rodzaju uszkodzenia. Analiza znanych, powszechnie stosowanych estymatorów nie wykazaa oczekiwanych rezultatów. Efektem tych przemyle byo wyznaczenie nowych estymatorów, które mog by zastosowane w diagnostyce amortyzatorów. Najkorzystniejsze cechy parametrów diagnostycznych posiadaj wspóczynniki: WT zaw, WT nad, wyznaczane odpowiednio dla czstotliwoci rezonansowych mas nieresorowanych i resorowanych. Warto estymatora WT zaw w przypadku czstotliwoci rezonansowej zawieszenia zdefiniowana bya nastpujco: WT max WT WT min zaw 2, gdzie: WT - maksymalna warto WT w strefie max rezonansowej, WT - minimalna warto WT w strefie min rezonansowej. Uzyskane wyniki urednione dla amortyzatorów nowych oraz z wyciekiem pynu i uszkodzeniami uszczelnienia toczka przedstawiono przykadowo na rys. 21 Rys. 21. Przykadowy rozkad wartoci wspóczynnika falkowego WT zaw dla czstotliwoci rezonansowej mas nieresorowanych zawieszenia Maksymalne wartoci wspóczynnika WT zaw wystpuj dla nowego amortyzatora, malej one wraz z powikszajcym si ubytkiem uszczelnienia toczka. Dynamika tych zmian jest zachowana dla wszystkich badanych stanów napenienia amortyzatorów. Ponadto wraz z powikszajcym si wyciekiem pynu przy okrelonym ubytku uszczelnienia toczka nastpuje spadek wartoci analizowanego wspóczynnika. Na rys. 22 przedstawiono wartoci wspóczynników WT nad w strefie rezonansu nadwozia. Rys. 22. Wartoci wspóczynników falkowych WT nad przy rezonansie nadwozia Analiza wartoci w/w wspóczynnika w pamie czstotliwoci rezonansowej nadwozia pozwala na stwierdzenie, i wraz z pogorszeniem si stanu technicznego amortyzatora nastpuje obserwowalny wzrost wartoci WT nad w czasie, gdy dziaa wymuszenie stanowiska oraz krótko po jego wyczeniu. Po zmniejszeniu si czstotliwoci drga w chwilach przechodzenia ukadu przez

11 DIAGNOSTYKA 2 (38)/ czstotliwo rezonansu nadwozia nastpuje zmniejszenie wartoci WT nad. Sum wspóczynników falkowych WT zdefiniowan jako: WT = WT nad + WT zaw przyjto jako nowy estymator diagnostyczny, który jako klasyfikator moe by zastosowany w identyfikacji rodzaju uszkodze eksploatacyjnych amortyzatorów zabudowanych w pojedzie. Dla przykadowych, omawianych wyników bada posta klasyfikatora przedstawia si nastpujco (rys. 23). Rys. 23. Klasyfikator diagnostyczny amortyzatorów oparty na estymatorze WT 4.3. WNIOSKI Analizowany estymator posiada du czuo na zmiany stanu technicznego amortyzatora. Wartoci WT malej wraz z pogarszaniem si jego stanu. Wystpujce zmiany jego wartoci pozwalaj na identyfikacj stopnia uszkodzenia amortyzatora. Posiada wic te cechy diagnostyczne, których brak powszechnie stosowanym metodom diagnozowania amortyzatorów zabudowanych w samochodzie ( np. EUSAMA). Powysza metoda po opracowaniu automatycznych systemów diagnozowania co jest przedmiotem dalej prowadzonych prac moe by wykorzystywana w Stacjach Kontroli Pojazdów przy wykorzystaniu istniejcych wzbudników drga. LITERATURA 1. Batko W., Zióko M.: Zastosowanie teorii falek w diagnostyce technicznej. Problemy inynierii mechanicznej i robotyki. Kraków, Bendat J. S., Piersol A. G.: Metody analizy i pomiaru sygnaów losowych. PWN, Warszawa Biaasiewicz J. T.: Falki i aproksymacje. WNT, Warszawa Bocheski C., Lozia Z., Mikoajczuk J.: Próba obiektywnej oceny metody bada amortyzatorów zamontowanych w pojedzie zalecanej przez zrzeszenie EUSAMA. X Konferencja Diagnostyka Maszyn Roboczych i Pojazdów, Bydgoszcz-Borówno 1999, str Gardulski J., azarz B.: The Influence of the Kinds of Kinematics Forcing, Coming from Uneven Road Surface, on the Acceleration of Motor-Car Vertical Vibrations. INTER-NOISE, Floryda, USA, V. 1, 1999, s Gardulski J., Warczek J.: Analiza dwuwymiarowa przyspiesze drga pojazdu samochodowego w aspekcie diagnostyki ukadu zawieszenia. XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Sympozjum Diagnostyka Maszyn, Wgierska Górka, 2003, str Gardulski J., Warczek J.: Diagnostics of Shock Absorbers Built in a Vehicle Based on Vibration Energy Analysis. Machine Dynamics Problem, 2003, Vol. 27, No Gardulski J., Warczek J.: Diagnostyka amortyzatorów zabudowanych w pojedzie oparta na analizie efektów nieliniowych. Zeszyty Naukowe Politechniki lskiej, z. 48, ser. Transport, Gliwice 2003, str Gardulski J., Warczek J.: Identyfikacja stanu technicznego hydraulicznego amortyzatora teleskopowego na podstawie analizy jego charakterystyki. XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Sympozjum Diagnostyka Maszyn, Wgierska Górka, 2003, str Gardulski J., Warczek J.: Moc tumienia jako parametr diagnostyczny amortyzatorów samochodowych. DIAGNOSTYKA, vol. 29, 2003r. Warszawa, str Gardulski J., Warczek J.: Zastosowanie transformaty falkowej do wyznaczania parametrów diagnostycznych elementów zawiesze samochodowych. III Midzynarodowy Kongres Diagnostyki Technicznej, Pozna Gardulski J., Warczek J.: Wykorzystanie analizy czasowo-czstotliwociowej w diagnostyce zawiesze pojazdów samochodowych. Przegld Mechaniczny nr , str Gardulski J., Warczek J.: Wzgldne przyspieszenia drga jako podstawa diagnostyki elementów zawiesze pojazdów samochodowych. V Krajowa Konferencja Diagnostyka Techniczna Urzdze i Systemów X.2003r. Ustro, str Gardulski J., Warczek J.: Zastosowanie krótkoczasowej transformaty Fouriera w diagnostyce zawiesze pojazdów samochodowych. Zeszyty Naukowe Politechniki lskiej, nr 1562, 2002r, str Gardulski J.: Bezstanowiskowa metoda oceny stanu technicznego zawiesze samochodów osobowych. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom Gardulski J.: Simulation studies of mechanical system with non-linear parameters of the structure for operating construction needs.

12 198 DIAGNOSTYKA 2 (38)/2006 Machine Dynamics Problems. Vol. 23 No 3, 1999 (5). 17. Gardulski J.: Symptom wibroakustyczny jako miara diagnostyczna stanu technicznego amortyzatorów samochodów. Mat. II Midzynarodowego Kongresu Diagnostyki Technicznej DIAGNOSTYKA 2000, Warszawa , s Gardulski J.: The Simulating Researches the Influences of Operational Wear of a Suspension Spring with Nonlinear Characteristics on Motor-car Body Vibrations, INTER-NOISE, Florida USA, V. 1, 1999, s Gardulski J.: Use of Non-Linear Effects in Vibroacoustic Diagnosis. INTROMAC-7. V.B, pp , Sikorski J.: Amortyzatory pojazdów samochodowych budowa, badania, naprawa. WKi, Warszawa Sitek K.: Diagnozowanie samochodów w zakresie bezpieczestwa jazdy. Spóka wydawnicza AS, Pia Staczyk T. L., Strachowski P.: O moliwoci ulepszenia metody badania amortyzatorów wg zalece EUSAMA. II Konferencja Problemy Bezpieczestwa w Pojazdach Samochodowych, Kielce 2000, str Warczek J.: Sygnay drganiowe jako miary diagnostyczne amortyzatorów samochodów osobowych Rozprawa doktorska Politechnika lska Wydzia Transportu, Katowice 2004r. 24. Warczek J.: Variation of energy vibrations in aspect of diagnostics parts of car suspensions. Pernest Contact Pardubice, Slovakia Maszyn i Komitetu Transportu PAN. Prof. nz. dr hab. in. Janusz GARDULSKI jest pracownikiem naukowym Katedry Budowy Pojazdów Samochodowych Wydziau Transportu Politechniki lskiej. Zainteresowania badawcze: diagnostyka wibroakustyczna, dynamika zawiesze pojazdów samochodowych, modelowanie nieliniowych obiektów mechanicznych, minimalizacja haasu i drga w obiektach technicznych. Jest autorem i wspóautorem 3 monografii, ksiek i skryptów, ok. licznych artykuów opublikowanych w czasopismach i materiaach konferencyjnych. Czonek PTPE, PTDT, oraz rónych sekcji Komitetu Budowy Maszyn i Komitetu Transportu PAN.