Rafa Burdzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz. Politechnika l ska, Wydzia Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 213 Rafa Burdzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz Politechnika l ska, Wydzia Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych CZ STOTLIWO CIOWE MIARY DYNAMIKI EKSPOZYCJI DRGA I STANU TECHNICZNEGO AMORTYZATORÓW SAMOCHODOWYCH REJESTROWANE W MIEJSCACH WNIKANIA DRGA DO ORGANIZMU CZ OWIEKA R kopis dostarczono, kwiecie 213 Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada drga pojazdu samochodowego z zabudowanymi amortyzatorami o zidentyfikowanym stanie technicznym. Podczas bada rejestrowano przyspieszenia drga pionowych w wybranych punktach konstrukcyjnych pojazdu, mi dzy innymi na p ycie pod ogowej w miejscach przylegania stóp pasa erów do pod ogi. W ramach analizy wyników wyznaczono miary amplitudowe w wyznaczonych pasmach cz stotliwo ciowych. Porównano warto ci tych miar w zale no ci od stopnia wype nienia amortyzatorów czynnikiem roboczym. Pozwala to na wst pna ocen wp ywu stanu technicznego amortyzatora na poziom i dynamik ekspozycji drga ogólnych na cz owieka. S owa kluczowe: ekspozycja na drgania, widmo drga, t umienie amortyzatorów 1. WPROWADZENIE Efekty oddzia ywania transportu powinny by rozpatrywane, jako po dane i niepo dane oraz zewn trzne i wewn trzne. Po dane efekty transportu zwi zane s z jego funkcj celu, czyli przemieszczaniem oraz zwi kszeniem mobilno ci. Niepo dane za z negatywnym oddzia ywaniem na otoczenie. Podzia na efekty zewn trzne i wewn trzne wynika z oddzia ywania na elementy systemu, które nie uczestnicz w procesie transportowych i te bezpo rednio zwi zane z tym procesem. Efekty oddzia ywania wewn trznego maj charakter sprz enia zwrotnego i wp ywaj na efektywno procesów transportowych. Przyk adem niepo danych efektów oddzia ywania transportu o znaczeniu zewn trznym i wewn trznym s drgania. Jako zjawiska generowane i propagowane do rodowiska mog powodowa uszkodzenia infrastruktury transportowej oraz pozosta ych elementów otoczenia.

2 48 Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz Drgania rozpatrywane, jako zjawiska wewn trzne zmniejszaj efektywno procesów transportowych oraz zmniejszaj bezpiecze stwo i komfort w transporcie. Coraz cz ciej drgania, jako niepo dane procesy resztkowe, wykorzystywane s w monitorowaniu i diagnozowaniu maszyn [1,7,9,13,15]. Mo na wyodr bni wiele uk adów i elementów w poje dzie, których zadaniem jest poch anianie drga lub minimalizacja ich oddzia ywania. Uk ad zawieszenia pojazdu, sk adaj cy si z elementów t umi cych, resoruj cych i prowadz cych, w du ej mierze odpowiedzialny jest za t umienie drga pochodz cych od nierówno ci drogi [2-4]. Elementy gumowe, stanowi ce konstrukcje mocowania takich uk adów, jak silnik, skrzynia biegów czy uk ad wydechowy, tak e w du ej mierze odpowiedzialne s za poch anianie drga generowanych przez te uk ady. Celem ka dego z uk adów i elementów t umi cych jest minimalizacja oddzia ywania drga na pozosta e uk ady i na ludzi znajduj cych si w poje dzie. Drog do propagacji fal drganiowych i oddzia ywania na cz owieka stanowi konstrukcja, rama czy nadwozie pojazdu. Zmiany w strukturze i sk adzie materia u mog wp ywa na jego zdolno ci propagacji fali drganiowej [5,8,12,14]. Przenosz one drgania o charakterze ogólnym na cz owieka, g ównie za po rednictwem ko czyn dolnych oraz rodkowego i dolnego odcinka kr gos upa. 2. ODDZIA YWANIE DRGA NA CZ OWIEKA Bardzo du grup osób nara onych na drgania ogólne s kierowcy, pasa erowie, motorniczy, operatorzy maszyn budowlanych i drogowych. Propagacja drga do organizmu przenoszona jest za po rednictwem siedziska pojazdów przez miednic, plecy i boki oraz p yt pod ogow przez stopy. Najwi ksze zagro enie dla cz owieka stanowi drgania, których cz stotliwo wymuszenia b dzie zbli ona do cz sto ci drga w asnych narz dów wewn trznych cz owieka. Dla cz stotliwo ci drga poni ej 2 Hz cia o cz owieka zachowuje si jak jednolita masa. Pierwsza cz stotliwo rezonansowa dla cz owieka przebywaj cego w pozycji siedz cej wynosi 4 Hz lub 6 Hz. W tabeli poni ej przedstawiono pasma cz stotliwo ci drga w asnych dla poszczególnych organów cia a. Zakresy te maj charakter orientacyjny, gdy istotny wp yw na ich warto ci ma indywidualna budowa cz owieka. Tablica 1 Zakres cz stotliwo ci drga w asnych wybranych organów cia a ludzkiego Lp. Nazwa organu Cz stotliwo [Hz] 3 G owa 4-5, Klatka piersiowa o dek (zale nie od st. nape nienia) Oczy Uk ad r ka-przedrami (zale nie od ust.) Receptory dotyku (Vater-Paciniego cia.) W troba 3 4

3 Cz stotliwo ciowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu Kr gos up 8 13 Miednica Ko czyny górne 3 15 Ko czyny dolne 5 c.d. Tablicy 1 Konsekwencj oddzia ywania drga na cz owieka s ró nego rodzaju niekorzystne zmiany w organizmie b d ce nast pstwem ekspozycji na drgania [6,11]. Zakres i proces post powania tych zmian zale w du ej mierze od miejsca ich wnikania do organizmu. Reakcje organizmu cz owieka na drgania dzieli si na: - reakcje subiektywne RS, - reakcje psychosomatyczne RPS, - reakcje, zaburzenia czynno ciowe ustroju RC. 3. ANALIZA WYBRANYCH MIAR CZ STOTLIWO CIOWYCH W celu analizy sk adowych cz stotliwo ciowych sygna ów drganiowych przeprowadzono badania pojazdów pobudzanych do drga za pomoc wzbudnika sterowanego przemiennikiem cz stotliwo ci. Umo liwi o to pobudzenie uk adu do drga w wybranym pa mie stabilizowanych cz stotliwo ci oraz po wy czeniu stanowiska analiz t umionych drga swobodnych. Jako g ówny czynnik stanu technicznego elementu t umi cego drgania przyj to stopie wype nienia p ynem amotyzatorowym cylindra amortyzatora. Proces nape niania amortyzatora czynnikiem roboczym przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Proces nape niania amortyzatora czynnikiem roboczym

4 5 Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz Pierwszy etap analizy wyników zak ada ocen dynamiki zjawisk drganiowych pojazdu w miejscach konstrukcyjnych wnikania drga do organizmu cz owieka. W artykule przedstawiono wyniki analizy drga o charakterze ogólnym rejestrowane na panelu pod ogowym w miejscach przy o enia stóp pasa erów. Do transformacji sygna u zastosowano FFT (Fast Fourier Transform), które umo liwia wyznaczenie widm fourierowskich sygna ów. Przyk adowe widma zarejestrowanych sygna ów przedstawiono na rysunku poni ej. Rys. 2. Widma zarejestrowanych sygna ów drga

5 Cz stotliwo ciowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu Tak zaprezentowany rozk ad sygna u umo liwia analiz dominuj cych sk adowych dynamicznych w uk adzie. Umo liwi to wyszukiwanie cz stotliwo ci rezonansowych i cz stotliwo ci wymuszenia. Przeprowadzono szczegó ow analiz cz stotliwo ciow sygna ów, która polega a na wst pnej selekcji pasm cz stotliwo ci charakterystycznych (z dominuj cymi warto ciami amplitud widma sygna u) dla poszczególnych punktów mocowania czujników. Wyselekcjonowano nast puj ce pasma analizy drga p yty pod ogowej pojazdu: - 2 [Hz] do 4,5 [Hz] - 5 [Hz] do 7 [Hz] - 12 [Hz] do 17 [Hz] - 21 [Hz] do 22 [Hz] - 33 [Hz] do 38 [Hz] - 62 [Hz] do 66 [Hz] - 85 [Hz] do 88 [Hz] - 15 [Hz] do 11 [Hz] - 15 [Hz] do 155 [Hz] - 19 [Hz] do 196 [Hz] Pasma analizy cz stotliwo ciowej sygna ów drga p yty pod ogowej samochodu przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Pasma analizy zarejestrowanych sygna ów drga p yty pod ogowej pojazdu Nast pnie zestawiono maksymalne warto ci amplitud widm sygna ów w wyselekcjonowanych pasmach cz stotliwo ciowych dla badanych warto ci parametrów stanu technicznego amortyzatora. Uzyskane wyniki analizy przedstawiono w formie graficznej za pomoc wykresów s upkowych na rysunkach 4 i 5.

6 52 Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz a),35,3,25,2 5,5 2,84 6,32 12,3 21,55 34,14 64,67 86,2 17,7 15,8 194 b),4,35,3,25,2 5,5 2,2 6,11 12,23 21,57 34,35 64,69 86,24 17,8 15,8 194 c),4,35,3,25,2 5,5 2,2 6,6 12,27 21,55 33,9 64,69 86,15 17,8 15,9 194 d) ,8,6,4,2 2,15 6,32 12,23 21,55 34,24 64,65 86,24 17,7 15,9 194 Rys. 4. Rozk ad maksymalnych amplitud widm sygna ów drganiowych p yty pod ogowej samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych cz stotliwo ci charakterystycznych (amortyzator wype niony czynnikiem roboczym w 5%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy, b) miejsce trzymania stóp pasa era przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z lewej strony, d) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z prawej strony a),35,3,25,2 5,5 4,1 6,57 13,2 21,53 37,75 64,62 86,16 17,7 15,8 193,9 b) przy spieszenie [m /s2],4,35,3,25,2 5,5 3,54 6,11 12,37 21,53 36,26 64,62 86,2 17,7 15,8 194 c),4,35,3,25,2 5,5 4,1 6,574 14,16 21,53 37,11 64,62 86,11 17,7 15,8 193,9 d) ,8,6,4,2 4,39 6,32 12,37 21,55 34,33 64,52 86,11 17,7 15,8 193,9 Rys. 5. Rozk ad maksymalnych amplitud widm sygna ów drganiowych p yty pod ogowej samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych cz stotliwo ci charakterystycznych (amortyzator wype niony czynnikiem roboczym w 1%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy, b) miejsce trzymania stóp pasa era przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z lewej strony, d) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z prawej strony

7 Cz stotliwo ciowe miary dynamiki ekspozycji drga i stanu PODSUMOWANIE Oddzia ywanie drga na cz owieka w transporcie jest zagadnieniem bardzo istotnym. Nag e lub nasilaj ce si zjawiska drganiowych o charakterze miejscowym mog mie wp yw na bezpiecze stwo. Cz owiek jako operator rodka transportu poddany drganiom o charakterze miejscowym mo e straci kontrol nad sterowaniem. Bardzo istotne s tak e drgania o charakterze ogólnym, które maj znacz cy wp yw na poczucie dyskomfortu. W artykule przedstawiono wyniki analiz cz stotliwo ciowych miar drganiowych rejestrowanych na p ycie pod ogowej pojazdu w funkcji stanu technicznego elementów t umi cych drgania w pojazdach samochodowych. Najwi ksz wra liwo diagnostyczn wykaza symptom stanu technicznego amortyzatora w postaci warto ci maksymalnej amplitudy drga w pa mie [Hz]. Jest to pasmo cz stotliwo ci rezonansowej mas nieresorowanych. W przedstawionych wynikach bada samochodu Fiat Punto cz stotliwo ta wynosi oko o 12,5 Hz. Spadek ilo ci p ynu amortyzatorowego powoduje zmniejszenie skuteczno ci t umienia i wzrost amplitudy w pa mie rezonansu mas nieresorowanych. Jest to bardzo niebezpieczne zjawisko poniewa wp ywa bezpo redni na bezpiecze stwo pojazdu i w skrajnych przypadkach mo e powodowa utrat przyczepno ci ko a do nawierzchni drogi. Ciekawe zjawisko zaobserwowano dla cz stotliwo ci oko o 65 Hz, która mo na rozpatrywa jako 5-t harmoniczn rezonansu mas nieresorowanych. W tym przypadku zaobserwowano przeciwn zale no w postaci spadku warto ci amplitud maksymalnych wraz ze spadkiem ilo ci p ynu amortyzatorowego. Dodatkowo na podstawie analizy porównawczej rozk adu drga z przodu i ty u p yty pod ogowej stwierdzono, e dominuj ce sk adowe cz stotliwo ciowe, b d ce no nikiem najwi kszej energii drganiowej, w punktach wnikania drga do pasa erów siedz cych z ty u zawieraj si w pa mie Hz, podczas bada amortyzatorów wype nionych w 1% czynnikiem roboczym. Mo na zatem przyj, e prawid owy stan techniczny amortyzatora, poza skuteczno ci t umienia, wp ywa na przesuni cie dynamiki drga uk adu poza pasma cz stotliwo ci niebezpiecznych dla bezpiecze stwa, czyli rezonansu mas nieresorowanych. Bibliografia 1. Burdzik R.: Monitoring system of vibration propagation in vehicles and method of analysing vibration modes. J. Mikulski (Ed.): TST 212, CCIS 329, Springer, Heidelberg, 212, s Burdzik R., Gardulski J.: Metodyka wyznaczania diagnostycznych miar stanu technicznego amortyzatorów samochodowych. Diagnostyka 4(4), 26, s Burdzik R., Konieczny., azarz B.: Influence of damping characteristics changes on vehicles vibration research. 19th International Congress on Sound and Vibration (ICSV19), Conference proceedings, 212, s Burdzik R., Gardulski J.: Frequency analysis decimation vibration signals of passenger car s suspensions, Transport Problems vol. 2 issue 1, 27, s Dobrza ski L.A., Bonek M., Hajduczek E., Klimpel A., Lisiecki A.: Application of high power diode laser (hpdl) for alloying of X4CRMOV5-1 steel surface layer by tungsten carbides. Journal of Materials Processing Technology 155/156, 24, s Engel Z.W., Kowalski P.: Investigation of the influence of simultaneous vibroacoustic exposures on the operator. Journal of the Theoretical and Applied Mechanics 46(4), 28, s

8 54 Rafa Brudzik, Piotr Folga, Bogus aw azarz 7. Figlus T., Wilk A., Madej H., azarz B.: Investigation of gearbox vibroactivity with the use of vibration and acoustic pressure start-up characteristics. Archive of Mechanical Engineering 58 (2), 211, s Fol ga P., Siwiec G.: Numerical analysis of selected materials for flexsplines. Archives of Metallurgy and Materials 57 (1), 212, s azarz B., Wojnar G., Czech P.: Wykrywanie wczesnych faz uszkodze kó z batych w warunkach eksploatacyjnych. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 211 nr 1, s Michalski R, Wierzbicki S.: An analysis of degradation of vehicles in operation. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 1(37), 28, s Nader M.: Influence of mechanical vibrationon the human body in the means of transport and its modeling. Archives of Transport vol. 12, iss. 2, 2, s Przy ucki R., Smalcerz A.: Induction heating of gears - pulsing dual-frequency concept. Metalurgija 52(2), 213, s Radkowski S., Szczurowski K.: Use of vibroacoustic signals for diagnosis of pre-stressed structures, Eksploatacja i Niezawodno Maintenance and Reliability vol. 14 No. 1, 212, s W grzyn T., Wiesza a R.: Significant alloy elements in welded steel structures of car body. Archives of Materials and Metallurgy vol. 57 iss. 1, 212, s Uhl T., Chudzikiewicz A., Karpi ski J.: Dynamic problems in rail vehicle design. Archives of Transport vol. 12, iss. 1, 2, s FREQUENCY BASED ESTIMATORS OF VIBRATION EXPOSURE DYNAMICS AND SHOCK ABSORBER TECHNICAL STATE MEASURED IN PLACES OF PENETRATION OF VEHICLE VIBRATION TO HUMAN BODY Summary: The paper presents the results of research on vehicle vibration with built-in shock absorbers identified technical state. The vertical vibration acceleration were measured at selected points of the vehicle construction, including on the floor in the foot passengers adhere to the floor. The amplitude measures were calculated in chosen frequency bands. The comparison of these measures, depending on the percent of filling of working fluid of shock absorber were presented. This allows for the pre-evaluation of the influence of the technical state of shock absorber on the level and dynamics of whole-body vibration exposure on humans. Keywords: whole-body vibration exposure on humans, vibration spectrum, shock absorber