Innowacyjna metoda diagnostyki układów nośnych pojazdów samochodowych i jej wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego

Transkrypt

1 MICHALAK Radosław 1 PIETRUSZEWSKI Robert 2 Innowacyjna metoda diagnostyki układów nośnych pojazdów samochodowych i jej wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego WSTĘP Obecnie stosowane urządzenia oraz metody diagnostyki układu nośnego do badań uszkodzeń węzłów nie umożliwiają ich obiektywnej oceny stanu technicznego, wykazują jedynie cykliczne przemieszczenia elementów węzłów, a ocena ta odbywa się na zasadzie obserwacji tych przemieszczeń przez diagnostę. W artykule przedstawiono innowacyjne stanowisko do wykrywania niesprawności w układach zawieszenia pojazdów samochodowych. Proponowane stanowisko do badań sztywności poprzecznej układu nośnego pojazdu samochodowego posłużyło do opracowania systemu diagnostycznego do badań stanu technicznego tego układu, a mianowicie wykrywanie niesprawności (luzów) w poszczególnych węzłów układu nośnego. W stosunku do istniejących obecnie metod diagnozowania proponowane stanowisko oraz metoda umożliwia dokonywanie obiektywnych badań stanu technicznego układu nośnego. Prowadzone prace mają na celu zobiektywizowanie wyników badań układów nośnych pod kątem występowania niesprawności, mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo w ruchu drogowym. 1. OBECNIE STOSOWANE URZĄDZENIA DO BADAŃ USZKODZEŃ WĘZŁÓW UKŁADÓW NOŚNYCH POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH Powszechnie stosowaną, organoleptyczną metodą kontroli stanu technicznego (luzów) elementów układu jezdnego i kierowniczego pojazdów samochodowych umożliwia tzw. detektor luzów nazywany potocznie szarpakiem. Badania luzów z wykorzystaniem tego urządzenia są niestety badaniami subiektywnymi, gdyż urządzenie to służy do wymuszenia szarpnięć kołami jezdnymi i nie dokonuje się tu żadnych pomiarów, a jedynie diagnosta obserwujący ruchy elementów zawieszenia ocenia czy luzy w węzłach (przegubach) są dopuszczalne (według niego). To powszechne urządzenie to urządzenie płytowe z napędem elektrycznym, hydraulicznym lub pneumatycznym. Podczas badań koło pojazdu spoczywa na powierzchni szarpaka. Powierzchnia szarpaka umożliwia wykonywanie krótkich przemieszczeń lub obrotów w różnych kierunkach w płaszczyźnie poziomej powodujących poziome ruchy koła i wszystkich elementów z nim związanych. Typowy szarpak przedstawiony jest na rysunku 1. Rys. 1. Typowy detektor luzów szarpak przykładowe wymuszenia i oddziaływanie na układ jezdny i kierowniczy 1 radoslaw.michalak@p.lodz.pl, robert.pietruszewski@p.lodz.pl 2 Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn; Łódź; ul. Żeromskiego 116. Tel: , Fax: , k-111@adm.p.lodz.pl 1085

2 Taka metoda wykrywania uszkodzeń w obecnym stanie techniki budzić może poważne wątpliwości co do skuteczności prowadzonych badań a to ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo w ruchu drogowym. 2. SYMULACJE KOMPUTEROWE INNOWACYJNEGO STANOWISKA DIAGNOSTYCZNEGO Aby zmienić subiektywny sposób oceny stanu technicznego układu zawieszenia (luzów) opracowano innowacyjną metodę diagnostyki. W tym celu powstała koncepcja stanowiska diagnostycznego którego głównym elementem jest wzbudnik drgań o innowacyjnej konstrukcji. Innowacyjność ta polega na zastosowaniu dwóch płyt wibracyjnych, które umożliwiają wymuszenie drgań w kierunku poziomym (poprzecznym do osi podłużnej pojazdu) i pionowym oraz możliwość pomiaru sił reakcji pomiędzy kołem a podłożem w obu kierunkach. Stanowisko diagnostyczne ma możliwość zmian parametrów wymuszających, takich jak: amplituda, częstotliwość oraz charakter drgań. W celu weryfikacji oraz zbadania nowej metody stworzono model komputerowy obiektu badań (pojazd osobowy) oraz stanowiska diagnostycznego (wzbudnik drgań) a następnie przeprowadzono szereg symulacji komputerowych na wirtualnym stanowisku diagnostycznym do badań układów nośnych pojazdów samochodowych. Model symulacyjny urządzenia diagnostycznego wraz z obiektem badań przedstawiono na rysunku 2. Model ten posłużył do przeprowadzenia symulacyjnych badań komputerowych z wykorzystaniem programu Working Model 3D którego okno dialogowe przedstawia rysunek 3. Rys. 2. Model symulacyjny urządzenia diagnostycznego z obiektem badań Working Model 3D Rys. 3. Okno programu Working Model 3D 1086

3 W przedstawionym wirtualnym stanowisku diagnostycznym obiekt badań jest modelem komputerowym dostępnego pojazdu (Citroen AX) znajdującego się w laboratorium Katedry Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn PŁ. Model komputerowy pojazdu uwzględniał geometrię, typ zawieszenia oraz jego podstawowe parametry: tłumienie, sprężystość. Podczas prowadzonych symulacji istnieje możliwość zmiany wartości tych parametrów w zależności od aktualnie wymaganego stanu technicznego zawieszenia. Podczas prowadzonych badań w programie Working Model 3D zostały zasymulowane cztery przypadki stanu technicznego zawieszenia oznaczone jako: a) wzorcowe - zawieszenie przednie badanego pojazdu, w którym występuje: amortyzator w stanie technicznym dobrym, nowy wahacz wraz z dwoma tulejami stalowo gumowymi oraz przegubem kulistym, b) z luzem 1mm w prz. kulistym - zawieszenie przednie badanego pojazdu, w którym występuje: amortyzator w stanie technicznym dobrym, nowy wahacz wraz z dwoma tulejami stalowo gumowymi, przegub kulisty z zasymulowanym luzem 1mm, c) z uszkodzonymi tulejami stalowo gumowymi - zawieszenie przednie badanego pojazdu, w którym występuje: amortyzator w stanie technicznym dobrym, nowy wahacz z uszkodzonymi (rozwulkanizowanymi) tulejami stalowo gumowymi, d) z luzem w łożysku kolumny - zawieszenie przednie badanego pojazdu, w którym występuje: amortyzator w stanie technicznym dobrym, nowy wahacz wraz z dwoma tulejami stalowo gumowymi oraz przegubem kulistym, luz w łożysku głównym kolumny MacPhersona, Przedstawione przypadki stanu technicznego zawieszenia analizowane były dla trzech typów wymuszenia (pionowe, poziome, mieszane), różnych amplitud oraz częstotliwości drgań (od 2-22Hz). Podczas symulacji wprowadzano szereg uszkodzeń w układzie zawieszenia [1]. Na rysunku 4 oraz 5 przedstawione są przykłady wprowadzonych konkretnych stanów technicznych zawieszenia. Na rysunku 4 przedstawione są luzy symulujące uszkodzenie tulei stalowo gumowych na połączeniu wahacza z nadwoziem. Luzy te (luz wahacza (1) względem nadwozia (2)) jest luzem poziomym w kierunku osi,, x. 2 1 Rys. 4. Uszkodzenie (luz poprzeczny) w zawieszeniu przednim Working Model 3D Na rysunku 5 przedstawiony jest luz symulujący uszkodzenie przegubu kulistego łączącego wahacz z częścią kolumny Macphersona, która jest jednocześnie piastą koła modelu pojazdu badanego. Luz ten (luz pomiędzy częścią kolumny (3) będącą piastą koła, a wahaczem (1)) jest luzem w kierunku poziomym w kierunku osi,,x. 1087

4 Wy=śrFy/Fz 3 1 Rys. 5. Uszkodzenie (luz poprzeczny) w zawieszeniu przednim Working Model 3D Do opracowania wyników z badań symulacyjnych oraz rzeczywistych użyto wskaźnika oszacowanego z średniej w cyklu wartości siły bocznej na platformie śrf y. : śrfy (1) W y F z0 gdzie: Wy - wskaźnik sztywności poprzecznej zawieszenia, F z0 - statyczne obciążenie pionowe danej osi pojazdu, śrf y - średnia w cyklu wartość siły bocznej na platformie wibracyjnej wyznaczona z zależności: śrfy abs śrf y (2) Na rysunku 6 przedstawione są charakterystyki wskaźnika sztywności poprzecznej zawieszenia dla różnych symulowanych stanów technicznych układu zawieszenia, otrzymane z badań symulacyjnych innowacyjnego stanowiska diagnostycznego. 0,18 Przebieg wskażnika sztywności (symulacja komputerowa) 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 zaw. z uszkodzonymi tulejami stalowo gumowymi zaw. wzorcowe zaw. wzorcowe z luzem 1mm w łożysku kolumny zaw. z luzem 1mm w prz.kulistym częstotliwość [Hz] Rys. 6. Przebieg charakterystyk wskaźnika sztywności poprzecznej zawieszenia (W y = śrf y /F z0 ) dla różnych przypadków uszkodzeń w zawieszeniu przy wymuszeniu poprzecznopionowym 3. INNOWACYJNE STANOWISKO DIAGNOSTYCZNE STAN RZECZYWISTY Przeprowadzone badania symulacyjne potwierdziły zasadność kontynuowania prac nad zaproponowaną metodą diagnostyczną. W związku z powyższym w Katedrze Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn zostało wykonane stanowisko diagnostyczne rzeczywiste [3] do badań układów zawieszeń w pojazdach samochodowych którego schemat przedstawia rysunek 7-9: 1088

5 Rys. 7. Schemat stanowiska diagnostycznego- platformy wibracyjnej gdzie: 1- silnik elektryczny o regulowanej prędkości obrotowej za pomocą falownika, 2- czujnik laserowy do pomiaru chwilowych przemieszczeń platformy, 3- czujnik siły do pomiaru chwilowych sił poprzecznych, 4- czujnik siły do pomiaru chwilowych sił,,pionowych, 5- koło jezdne pojazdu badanego, 6- platforma ruchoma górna, Rys. 8. Schemat kinematyczny stanowiska diagnostycznego- platformy wibracyjnej gdzie: 1- Fy siła pozioma poprzeczna, 2- Fzo siła pionowa (statyczne obciążenie pionowe danej osi pojazdu), 3- F siła mierzona przez czujnik (4), 4- F zo,f y siły reakcji. 1089

6 Wy=śrFy/Fz Rys. 9. Rzeczywiste stanowisko diagnostyczne z nową platformą wibracyjną Podczas badań częstość drgań jest zmienna w czasie w granicach od 2 do 22 Hz. Rodzaj wymuszenia (do wyboru I, II, III, IV, V, rysunek 7-8) oraz amplituda ma określoną ustaloną odpowiednio dobraną wartość. Wymuszony ruch poprzeczny koła jezdnego wywołuje stany naprężeń w układzie zawieszenia i generuje siły reakcji oraz siły tarcia na platformie. Siła tarcia na platformie, przebieg jej wartości w cyklu, zależy od sztywności poprzecznej zawieszenia, od występowania ewentualnych niesprawności (luzów, uszkodzeń przegubów elastycznych np. tulei gumowo metalowych), od sztywności nadwozia, od sztywności bocznej ogumienia. System pomiarowy umożliwia pomiar siły tarcia występującej na platformie ruchomej górnej (czujnik (3)), a także przemieszczenia platformy ruchomej górnej (czujnik (2)) w czasie cyklu. Analiza tych sygnałów umożliwia dokonanie oceny sztywności poprzecznej zawieszenia pojazdu. Możliwy jest również pomiar siły,,pionowej za pomocą czujnika siły (4), oczywiście biorąc pod uwagę kąt,,α (rysunek 3) pod jakim znajduje się ten czujnik. W przypadku wystąpienia nadmiernych luzów oraz innych niesprawności układu zawieszenia, charakterystyka sztywności odbiega od charakterystyki wzorcowej dla danego sprawnie technicznego układu zawieszenia. Podczas badań stanowiskowych zostały przebadane różne stany techniczne układu zawieszenia dla różnych częstotliwości i czterech typów wymuszeń [2]. Na rysunku 10 przedstawione są charakterystyki wskaźnika sztywności poprzecznej zawieszenia dla różnych symulowanych stanów technicznych układu zawieszenia, otrzymane z badań stanowiskowych innowacyjnego stanowiska diagnostycznego. 0,18 Przebieg wskaźnika sztywności (stanowisko rzeczywiste) 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 zaw. wzorcowe zaw z luzem 1mm w łożysku kolumny 0,02 0 zaw. z uszkodzonymi tulejami stalowo gumowymi zaw. z luzem 1mm w prz. kulistym częstotliwość [Hz] Rys. 10. Przebieg charakterystyk wskaźnika sztywności poprzecznej zawieszenia (W y = śrf y /F z0 ) dla różnych przypadków uszkodzeń w zawieszeniu przy wymuszeniu poprzecznopionowym 1090

7 WNIOSEK Jedną z wielu przyczyn wypadków drogowych są niesprawności występujące w elementach układu kierowniczego oraz zawieszeń. Niesprawności te mogą ujawnić się w postaci rozszczepienia jednego lub więcej węzłów układów. Efektem powyższego będzie gwałtowna strata panowania nad pojazdem przez kierującego. Jest to zjawisko najbardziej niebezpieczne, którego bezpośrednim efektem jest wystąpienie wypadku drogowego. Niemniej niebezpieczna sytuacja wystąpi w przypadku wystąpienia nadmiernych luzów w węzłach układu kierowniczego lub zawieszenia. Konsekwencją wystąpienia tego typu niesprawności jest zmiana geometrii kół. Efektem tego jest pogorszenie kierowalności i stabilności pojazdów, które z największą siłą ujawnią się w sytuacji ekstremalnej (np.: gwałtowne hamowanie, awaryjna zmiana pasa ruchu) co może również przyczynić się do zaistnienia wypadku drogowego. Z tych też powodów tak ważna jest obiektywna ocena stanu technicznego układu kierowniczego oraz zawieszenia. Zaproponowana metoda diagnostyczna umożliwia dokonywanie obiektywnych badań stanu technicznego tych układów w przeciwieństwie do istniejących obecnie metod diagnozowania. Streszczenie W artykule przedstawiono innowacyjne stanowisko do wykrywania niesprawności w układach zawieszenia pojazdów samochodowych. Proponowane stanowisko do badań sztywności poprzecznej układu nośnego pojazdu samochodowego posłużyło do opracowania systemu diagnostycznego do badań stanu technicznego tego układu, a mianowicie wykrywanie niesprawności (luzów), poszczególnych węzłów układu nośnego. W stosunku do istniejących obecnie metod diagnozowania, proponowane stanowisko oraz metoda umożliwia dokonywanie obiektywnych badań stanu technicznego układu nośnego. Uzyskiwane wyniki badań mają na celu zobiektywizowanie wyników badań układów nośnych pod kątem występowania niesprawności, mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo w ruchu drogowym. Innovative diagnostic method of the bearing systems of vehicles and its impact on road safety Abstract The article presents innovative position for detection of the failures in suspension systems of vehicles. Proposed position to study of the transverse stiffnesses of suspension systems of vehicles was used to develop the diagnostic system for testing the technical state of the system, namely the detection of the failures (looseness), of each node of the bearing system. In relation to the existing diagnostic methods, proposed position and method allow to make an objective study of technical state to the bearing system. Achieved test results are intended to objectification of the results for the bearing systems for the presence of failures, which have a direct impact on road safety. BIBLIOGRAFIA 1. Pawelski Z., Michalak R., Pietruszewski R., Diagnostyczne badania symulacyjne układu nośnego pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji, nr 1, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, str Pawelski Z., Michalak R., Wyniki badań na stanowisku do diagnostyki układu nośnego pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji, nr 3, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, str Pawelski Z., Michalak R., Stanowisko do badań sztywności poprzecznej układu nośnego pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji, nr 3-4, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, str