BADANIE LUZU SWORZNI ZWROTNIC W ASPEKCIE WŁAŚCIWOŚCI TRAKCYJNYCH SAMOCHODU

Transkrypt

1 INSTYTUT MECHATRONIKI NANOTECHNOLOGII I TECHNIKI PRÓŻNIOWEJ mgr inż. Michał Żebrowski-Kozioł BADANIE LUZU SWORZNI ZWROTNIC W ASPEKCIE WŁAŚCIWOŚCI TRAKCYJNYCH SAMOCHODU Autoreferat rozprawy doktorskiej Promotor: prof. dr hab. inż. Wojciech Tarnowski Koszalin 2010

2 Publikacja współfinansowana jest przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa Poddziałanie Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki w ramach projektu Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności w regionie Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego (75%) oraz środków budżetu państwa (25%) w ramach Zintegrowanego Programu Operacyjnego Rozwoju Regionalnego Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w roku 2009 jako projekt badawczy N N pt. Akcelerometryczna metoda badania luzu sworzni zwrotnic w aspekcie właściwości trakcyjnych samochodu. 2

3 1 Cel i zakres pracy Celem pracy jest przedstawienie nowej metody pomiaru luzu w przegubach par kinematycznych zawieszenia przedniego samochodu osobowego przydatnej w samochodowych stacjach diagnostycznych oraz określenie kryteriów dopuszczalności samochodu do ruchu ze względu wartość luzów. Niniejsze opracowanie jest rezultatem rozwiązania następujących zadań: Określenie związku między wartością luzów a własnościami trakcyjnymi samochodu. Opracowanie metody pomiarów wartości bezwzględnej luzów bez demontażu zawieszenia. Określenie dopuszczalnej wartości luzów na podstawie podanych przez producentów samochodów dopuszczalnej wartości odchyłek ustawienia zbieżności kół przednich. Opracowanie modelu matematycznego zawieszenia ujmującego luzy w parach kinematycznych. Zweryfikowano następujące hipotezy pracy: Dla samochodów osobowych na podstawie wyników dynamicznych badań nieinwazyjnych zawieszenia przedniego pojazdu można określić wartość luzu w przegubach kulistych zawieszenia. Jeśli znane jest dopuszczalne odchylenie zbieżności kół przednich samochodu, to wyznaczone w ten sposób wartości bezwzględne luzu w przegubach kulistych pozwolą na jednoznaczne określenie dopuszczalności do ruchu pojazdu ze względu na stan zawieszenia. 1.1 Geneza pracy Na skutek użytkowania samochodów, zużyciu eksploatacyjnemu podlegają wszystkie pracujące zespoły i elementy pojazdu. Zadaniem użytkowników jest ciągłe dbanie o to, aby pojazd zawsze był gotowy do jazdy, oraz aby nie stwarzał zagrożenia użytkownikowi i innym uczestnikom ruchu. Cel ten pomagają osiągnąć okresowe kontrole w stacjach diagnostycznych, oraz własne wrażenia kierowcy, które dostarcza użytkowanie samochodów. Wieloletnia praca zawodowa w stacjach obsługi samochodów, oraz poczynione obserwacje podczas diagnozowania stanu zawieszenia samochodów osobowych pozwoliły autorowi sformułować następujące przesłanki pracy. 1. Ocena stanu jest wynikiem obserwacji prowadzonej przez diagnostę. Powolność wmuszeń oraz mała zmienność wymuszeń nie sprzyjają dokładnej analizie stanu zawieszenia. Brak jednoznacznie sprecyzowanych parametrów dopuszczalności ze względu na wartość luzów powoduje małą wiarygodność prowadzonego badania, jednak ze względu na brak innych metod diagnostycznych, badanie organoleptyczne jest stosowane w samochodowych stacjach diagnostycznych. 2. Ocena stanu układu zawieszenia samochodu jest jednym z podstawowych wyznaczników bezpieczeństwa jazdy i prawidłowej eksploatacji pojazdu. W trakcie badań diagnostycznych dokładnie badany jest między innymi układ hamulcowy, sprawność amortyzatorów i oświetlenie zewnętrzne, natomiast nie dokonuje się pomiarów wartości luzów w elementach zawieszenia samochodu. 3. Współpracujące ze sobą części zawieszenia samochodu podlegają przyspieszonemu zużyciu na skutek działania sił tarcia. W wyniku długotrwałej współpracy oraz w wyniku zewnętrznych oddziaływań w efekcie zużycia powstaje luz, który w trakcie eksploatacji powiększa się. Pomiar stanu wyeksploatowania par kinematycznych pozwala na wczesne wykrycie usterki i podjęcie kroków zmierzających do usunięcia usterki nim dojdzie do awarii całego układu. Obecność luzów w układzie przedniego zawieszenia samochodu pociąga za sobą dwojakie skutki. Jest przyczyną zmiany trajektorii ruchu poprzez obniżenie sterowności pojazdu oraz zmiany zbieżności kół przednich. Niewłaściwa zbieżność prowadzi do wzrostów oporów ruchu, czego efektem jest zwiększone zużycie paliwa i opon. Jedną z metod diagnozy jest pomiar wzajemnego przemieszczenia współpracujących części par kinematycznych zawieszenia. Istnieje wiele metod pomiaru przemieszczeń. Niniejsze opracowanie dotyczy akcelerometrycznego pomiaru luzów. W Zakładzie Napędów i Sterowań Politechniki Koszalińskiej skonfigurowano i zrealizowano stanowisko pomiarowe dla celów badawczych, w celu sprawdzenia przydatności proponowanej metody diagnozowania. Metoda ta może zostać zaaplikowana do pomiaru luzów w wielu innych mechanizmach maszyn. 3

4 2 Obiekt badań Obiektem badań są zawieszenia przednie samochodów osobowych, w szczególności elementy zawieszeń narażone na eksploatacyjne zużycie. Zawieszenie, układ kierowniczy, układ hamulcowy oraz powiązane z nimi elementy układu napędowego wraz z kołami, wchodzą w skład podwozia samochodu, jest podstawowym mechanizmem, który oddziela nadwozie od drogi. Jego zadaniem jest izolowanie nadwozie od skutków działania sił powstających podczas pokonywania nierówności, zapewnia płynność ruchu i łagodzi wpływ drgań pochodzących od nawierzchni na podróżujących samochodem. Ponadto zawieszenie powinno zapewniać nieprzerwany kontakt kół z jezdnią i utrzymywać stałe (w pewnych granicach) ich położenie względem niej. Jest to ważne z punktu widzenia kierowalności (zdolność szybkiej i dokładnej odpowiedzi na skręt kierownicy) oraz stateczności ruchu (zdolność utrzymywania żądanego kierunku jazdy) pojazdu. W swojej najbardziej podstawowej formie, zawieszenie składa się z dwóch podstawowych elementów: Sprężyny Tłumika Zawieszenia pojazdów są różnorakimi kombinacjami kinematycznymi tych dwóch elementów. W wyniku długotrwałej pracy elementy zawieszeń podlegają zużyciu eksploatacyjnemu. 3 Dotychczasowa metoda badania zawieszeń Sposób i zakres przeprowadzania badań technicznych pojazdów w Okręgowych Stacjach Kontroli Pojazdów reguluje rozporządzenie Ministra Infrastruktury. Dokument ten w sposób jednoznaczny określa tryb i kolejność postępowania diagnosty. Badanie stanu zawieszenia jest organoleptyczne. Wymuszenie ruchu może być wykonywane ręcznie (rysunek 3.1) lub przy pomocy szarpaka (rysunek 3.2). Polega ono na tym, że przykłada się siłę lub moment sił do koła pojazdu i obserwuje zachowanie elementów układu zawieszenia i kierowniczego. Przy wykorzystaniu szarpaka umieszcza się koła badanego pojazdu na tzw. najazdach poziomych. Przyłożenie wolnozmiennego wymuszenia siłowego do płyt najazdów powoduje przekazanie siły do elementów zawieszenia. Zadaniem diagnosty jest obserwacja zachowania zawieszenia i wykrycie niesprawnych elementów. Na podstawie wyników obserwacji podejmuje się decyzję o dopuszczeniu lub niedopuszczeniu pojazdu do ruchu ze względu na stan zawieszenia. Badanie polega na ręcznym wymuszeniu przemieszczenia koła. Przykładane są momenty sił a i b (rysunek 3.1). Operator obserwuje zachowanie koła i na tej podstawie wyciąga wnioski o obecności luzów. Rysunek 3.1. Ręczne przyłożenie siły 4

5 Rysunek 3.2. Szarpak do mechanicznego wymuszenia przemieszczenia kół. Urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami (zwany również detektorami luzów) mogą być elektryczne, pneumatyczne bądź hydrauliczne. Wykonują one krótkie przemieszczenia i (lub) obroty w różnych poziomych kierunkach. W celu zwiększenia obserwowalności urządzenia te wyposażone są w silne źródła światła. Urządzenia będące aktualnie w sprzedaży mają wysoko zaawansowane układy sterowania zmiany kierunków działania siły, jednak wyniki badań są nieporównywalne i nieobiektywne. 4 Wstępne badania rozpoznawcze 4.1 Badania statyczne Badania statyczne przeprowadzono w celu oszacowania wielkości luzów, które mogą pojawiać się w wyeksploatowanych przegubach kulistych. Do badań wzięto pięć przegubów kulowych pochodzących z jednego modelu samochodu: Peugeot 307, o dużym stopniu wyeksploatowania, i jeden nowy. Powodem demontażu były luzy zauważone podczas kontroli w serwisie samochodowym lub nieznośny stukot dochodzący z zawieszenia, będący powodem niepokoju użytkownika. Pomiaru dokonano w kierunku poziomym i pionowym. W wyniku przeprowadzonych badań nie wykryto korelacji pomiędzy wielkością luzu w kierunku poziomym i pionowym. Bardzo ważnym wnioskiem, jaki wyciągnięto z badań jest wartość luzu, która może osiągać kilka milimetrów. Luz nowego przegubu ma wartość 0,1 mm. O ile luz pionowy w ekstremalnych przypadkach może doprowadzić do rozłączenia się pary kinematycznej, to jego wartość ma mały wpływ na zmianę geometrii zawieszenia przedniego, natomiast luz poziomy nie zagraża rozdzieleniu przegubu, ale ma duży wpływ na zmianę parametrów geometrycznych zawieszenia. 4.2 Badania dynamiczne Badania dynamiczne przeprowadzono w celu sprawdzenia możliwości pomiaru luzu akcelerometrem oraz dokonania wyboru najlepszego rodzaju wymuszenia dla jego pomiarów. Zbudowano stanowisko (rysunek 4.1) będące modelem połowy zawieszenia przedniego samochodu osobowego. W badanym zawieszeniu zamontowano zmodyfikowany do badań przegub kulowy. Modyfikacja polegała na tym, iż dzięki śrubie możliwa była płynna regulacja wartości luzu. Ustawiono luz na wartość 1 mm. Pierwszym etapem było badanie odpowiedzi układu na wymuszenie ruchu impulsem siły. Przyłożono do opony impuls o energii od 50 do 80 J. Podstawowym wnioskiem, jaki wysunięto na podstawie wyników badań jest brak korelacji otrzymanego wyniku pomiaru przemieszczenia z wartością luzu. Jest to spowodowane tym, iż impuls siły przyłożonej do opony nie jest w stanie wywołać ruchu zawieszenia 5

6 w pełnym zakresie luzu. Aby wywołać pełny ruch należałoby przyłożyć dwa impulsy siły, przeciwnie skierowane działające w pewnym przesunięciu czasowym. Kolejnym etapem było badanie ruchu z kinematycznym wymuszeniem harmonicznym ruchu podstawy, na której stoi koło (rysunek 4.1). Zastosowano ten sam tor pomiarowy, co przy wymuszeniu impulsem siły. Wymuszający sygnał harmoniczny uzyskano przy zastosowaniu silnika prądu przemiennego i przemiennika częstotliwości. Amplituda wymuszenia była zmieniana skokowo od wartości 1 mm do 6 mm ze skokiem 1 mm. Zmianę amplitudy uzyskano wykorzystując mechanizm mimośrodowy z płynną zmianą wartości mimośrodu. Dla każdej wartości amplitudy przeprowadzono pomiar w paśmie częstotliwości wymuszeń od 0 do 30 Hz. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że przy amplitudzie mniejszej niż 5 mm wyniki pomiarów nie są adekwatne do założonych: nie odczytano ustawionej wartości luzu 1 mm, lecz mniejszą, nawet dwa rzędy wielkości przy amplitudzie 1 mm. Wraz ze wzrostem wartości amplitudy rosła odczytana wartość luzu. Przy amplitudzie wymuszenia 5 i 6 mm udało się uzyskać wyniki bardzo bliskie zakładanym, przy częstotliwościach w paśmie 15 do 25 Hz. Zastosowanie niższej częstotliwości powodowało uzyskanie wartości luzu większej od ustawionej, natomiast przy częstotliwościach powyżej 25 Hz układ wpadał w rezonans powodując duże zniekształcenie odczytanych wartości. Rysunek 4.1. Stanowisko do badań wstępnych dynamicznych 4.3 Badania wstępne zawieszenia samochodów osobowych Celem badań wstępnych jest określenie optymalnych parametrów pobudzenia harmonicznego układu zawieszenia samochodu oraz optymalne rozmieszczenie czujników, łatwe w montażu, zapewniające niezmienność położenia podczas badania, oraz możliwe w stosowaniu w możliwie dużej ilości pojazdów. Analiza wyników wstępnych badań rozpoznawczych pozwoliła wysunąć wnioski o możliwości dokonania pomiaru luzu w przegubach zawieszenia przedniego samochodu przy pomocy 6

7 akcelerometrów. Aby osiągnąć zamierzony cel, konieczne było określenie dokładności pomiaru akcelerometrem Wybór czujnika pomiarowego, tor pomiarowy Na podstawie badań rozpoznawczych postawiono wymagania, jakim powinien odpowiadać czujnik pomiarowy akcelerometr. Wymagania te spełniał zastosowany czujnik pomiarowy Memsic MXR7010ML. Jest to tani, dwuosiowy czujnik termiczny o niskim paśmie częstotliwości pomiarowej (do 200 Hz). Zasada jego działania opiera się na wykorzystaniu bezładności ogrzewanego gazu w komorze pomiarowej czujnika. Różnica temperatur jest mierzona za pomocą termopar połączonych w mostek elektryczny. Napięcie na wyjściu czujnika jest proporcjonalne do przyspieszenia. Czujniki te umożliwiają pomiar zarówno wibracji jak i przyspieszenia statycznego (grawitacyjnego). Masa czujnika wynosi 2 gramy. Dzięki zastosowaniu wysoko zaawansowanej filtracji sygnału pomiarowego osiągnięto następujące parametry pomiarowe toru pomiarowego (dla stanów quasi ustalonych): amplituda drgań od 10 µm do 10 mm częstotliwość od 0,5 do 200 Hz względna dokładność 0,23 % zakresu pomiarowego Sprawdzenie dokładności pomiarów Sprawdzenia dokładności pomiarów dokonano przy pomocy laserowego czujnika przemieszczeń ILD Biorąc pod uwagę maksymalną odchyłkę liniowości czujnika laserowego określaną, jako 2 % zakresu pomiarowego, co przy amplitudzie 10 mm wynosi 0,02 mm stwierdzono, iż dokładność pomiarowa akcelerometrów w wybranym paśmie częstotliwości wynosi 40µm Stanowisko do pomiaru luzu przegubów w zawieszeniach przednich samochodów osobowych Zaprojektowano i wykonano wzbudnik drgań zawieszenia. Najważniejsze rozwiązania techniczne: Płyta o wymiarach 600 x 280 mm oparta na czterech łożyskach wzdłużnych. Napędzana jest za pomocą silnika prądu przemiennego, sześciobiegunowego o mocy 4 kw. Poprzez przekładnię kątową moment obrotowy jest przekazywany na mimośród, następnie przy pomocy cięgien przekazywany jest przeciwsobnie ruch posuwisto-zwrotny do płyt najazdów Pomiar wstępny Wstępne pomiary realizowano na zbudowanym urządzeniu z użyciem specjalnie do tego celu zmodyfikowanym zawieszeniem samochodu osobowego Opel Vectra. Modyfikacja polegała na zamontowaniu przegubu kulowego zwrotnicy o znanym luzie a pozostałe elementy zawieszenia (przeguby układu kierowniczego i silentbloki zawieszenia) były pozbawione luzów. Czujniki rozmieszczono w kilku punktach obręczy koła (rysunek 4.3) oraz na zwieszeniu (rysunek 4.4): na wahaczu, na zwrotnicy i ramie nadwozia samonośnego. Dodatkowo umieszczono czujnik na pokrywie silnika w celu wykrycia drgań samochodu wywołanego wymuszeniem harmonicznym kół jezdnych. 7

8 Rysunek 4.2. Stanowisko do pomiaru luzów bezpośrednio po montażu Rysunek 4.3. Zdjęcie rozmieszczenia czujników na obręczy Rozmieszczenie czujników na obręczy koła nie przekracza średnicy tarczy zwrotnicy, ze względu na odkształcalność felgi. 8

9 Rysunek 4.4. Zdjęcie rozmieszczenia czujników na elementach zawieszenia Wnioski z badań wstępnych Badania wstępne pozwoliły wyciągnąć szereg wniosków. Założenia dotyczące konstrukcji wzbudnika drgań zawieszenia okazały się słuszne: o wzbudnik nie generuje drgań podłoża; o wzbudnik nie generuje drgań nadwozia; o rozstaw najazdów umożliwia badanie samochodów osobowych i małych ciężarowych typu Pick-up; o zastosowanie łożysk wzdłużnych i prowadnic łożyskowych pozwala na badanie pojazdów o nacisku do 10000N, nie powodując dużych oporów ruchu; amplituda pobudzenia 10 mm jest wystarczająca do badań samochodów osobowych; zastosowany przedział częstotliwości pobudzenia nie powoduje powstania zjawiska rezonansu; pomimo przeprowadzonych badań z różnymi kombinacjami rozmieszczenia, nie udało się znaleźć optymalnego rozmieszczenia na obręczy koła, reprezentatywnego dla badanego luzu; stwierdzono podczas badań, że czujniki na feldze mogą dać pogląd na stan zawieszenia, lecz nie dają dokładnego pomiaru; rozmieszczenie czujników na elementach zawieszenia (wahacz, zwrotnica i rama) daje możliwość dokładnego pomiaru luzu przegubu kulistego zawieszenia. 5 Model pojazdu 5.1 Model fizyczny Cel modelowania Celem naukowym modelowania ruchu samochodu jest umożliwienie numerycznego badania wpływu luzu przegubu kulowego zwrotnicy przedniej na właściwości trakcyjne auta. Zakres modelowania Model matematyczny samochodu ujmuje ruch pojazdu dwuosiowego po nieodkształcalnej powierzchni. Wielkościami wejściowymi do modelu są przemieszczenie listwy kierowniczej i moment napędowy kół. Ze względu na badanie wpływu luzów zawieszenia przedniego, jest ono przedmiotem szczególnego zainteresowania autora. Zawieszenie tylne jest w dużym stopniu uproszczone. Duży nacisk 9

10 w modelowaniu położono na luzy w zawieszeniu przednim, które modelowano, jako połączenie o właściwościach sprężysto-lepkich. Zjawiska Modelowanie obejmuje zjawiska zachodzące podczas płaskiego ruchu samochodu w czasie jazdy, przy czym uwzględniono zmienne wartości reakcji na podłoże wynikające z dynamiki ruchu pojazdu. Szczególną uwagę zwrócono na zachowanie się modelowanych przegubów kulistych wynikające ze zmiennych sił ruchu modelowanego zawieszenia. Składowe modelu i ich stopnie swobody Przyjęto model składający się z jedenastu brył sztywnych: nadwozia o środku masy w punkcie C i sześciu stopniach swobody (x c, y c, z c, ψ, υ, τ); czterech mas nieresorowanych, przy czym każda ma środek masy w początku układu (zk). Zawieszenia przednie mają cztery stopnie swobody w ruchu względem nadwozia: ruch resorowania (z zk ), ruch skrętu koła (δ), ruch w kierunku poprzecznym (y zk ) i ruch w kierunku wzdłużnym (x zk ); ruchy y zk i x zk wynikają z modelowania luzów. Zawieszenia tylne mają jeden stopień swobody: ruch resorowania z zk ; czterech kół jezdnych wykonujących ruch obrotowy. Każde ma środek masy w początku układu współrzędnych zk i jeden stopień swobody obrót wokół własnej osi; dwóch wahaczy przednich o trzech stopniach swobody, wykonujących następujące ruchy względem nadwozia: przesunięcie wzdłuż osi lokalnych x w, y w i obrót wokół lokalnej osi pionowej z w. Założenia Ruch podstawowy opisano stosując współrzędne kartezjańskie położenia (pozycji i orientacji) bryły nadwozia i ich pochodne względem czasu. Pojazd traktowany jest jako zbiór brył sztywnych połączonych elementami sprężystymi i sprężysto-tłumiącymi. Wzajemny ruch brył ograniczony jest więzami o charakterze podatnym (elementy zawieszenia i skrętu kół kierowanych) lub jednostronnym. Przemieszczenia mas nieresorowanych (koła i zawieszenie) określają zmiany orientacji przestrzennej zawieszeń i kół, położenia środków kół oraz przemieszczenia styku kół z jezdnią, występujących podczas przechyłu wzdłużnego i poprzecznego nadwozia. Założono, że nawierzchnia jest nieodkształcalna, istnieje możliwość wprowadzenia zakłóceń takich jak najazd na studzienkę kanalizacyjną lub karb. Dla pojazdu przyjęto następujące wymuszenia: siłowe: momenty napędowe lub hamujące wywołujące ruch pojazdu; kinematyczne: przemieszczenie listwy układu kierowniczego wywołujące skręt kół przednich. Uproszczenia Podczas modelowania przyjęto szereg założeń upraszczających model: luz przegubu kulistego zamodelowano jako połączenie sprężysto tłumiące ze zmiennym współczynnikiem sprężystości zależnym od wzajemnego położenia elementów przegubu, i tłumienia zależnego od prędkości względnej elementów przegubu; pominięto tarcie suche i spoczynkowe w przegubie kulowym zwrotnicy; tłumienie smaru w przegubie kulowym zawieszenia uproszczono do wyciskania smaru z przestrzeni między wkładką a gniazdem; łączniki zawieszenia (silentbloki zamodelowano jako połączenie sprężyste (pominięto tłumienie); pominięto histerezę w elementach zawieszenia wynikającą z działania sił tarcia; amortyzatory zamodelowano jako tłumiki ze stałym współczynnikiem tłumienia; sprężyny zawieszenia zamodelowano jako elementy idealnie sprężyste ze stałym współczynnikiem sprężystości; przyjęto pionowe ustawienie kół, nie brano pod uwagę możliwości zmiany ustawienia kół spowodowanych ruchami zawieszenia i nadwozia; 10

11 zmiana momentu napędowego ma wpływ tylko na prędkość obrotową kół jezdnych, pominięto wpływ na wzrost sił pionowych; moment napędowy zamodelowano jako dwustanowy, działający przy spadku prędkości środka ciężkości poniżej ustalonej wartości; przyjęto, że środek ciężkości porusza się ze stałą zadaną prędkością liniową; podczas analizy sił napędowych samochodu pominięto tłumienie opon; nie modelowano górnego połączenia kolumny zawieszenia z nadwoziem, przyjęto, że jest to idealne połączenie przegubowe; przyjęto stały środek obrotu wahaczy przednich; pominięto wpływ zmiany kąta skrętu kół na zmianę kątów pochylenia i wyprzedzenia zwrotnicy wynikających z pracy zawieszenia; przyjęto zerowy promień zataczania kół; pominięto stabilizator przechyłów nadwozia; pominięto wpływ ruchów pionowych zawieszenia kół na zmiany sił wzdłużnych i poprzecznych kół; zawieszenie tylne zamodelowano jako pionowe (takie nie istnieje), pominięto w związku z tym wszelkie oddziaływania sił wzdłużnych i poprzecznych, pozostawiając jedynie opór toczenia; pominięto wpływ bocznego wiatru; 5.2 Model matematyczny samochodu Ruch bryły nadwozia względem punktu C opisano kątami Eulera (rysunek 5.1). Do opisu ruchu pojazdu wprowadzono układy współrzędnych lokalnych. Układy o indeksach zk1 i zk2 (rysunek 5.2) opisują ruch koła przedniego. Układy o indeksie w1 i w2 opisują ruch wahaczy przednich. Układ współrzędnych lokalnych o indeksie c przypisano do układu pojazdu. Układy współrzędnych o indeksie zk związano z osią obrotu koła napędowego. Łączny ruch samochodu odbywa się w układzie współrzędnych globalnych x, y, z. Kropki nad współrzędnymi oznaczają prędkości i przyspieszenia liniowe elementów wskazanych w indeksie dolnym. Rysunek 5.1 Kąty Eulera dla ruchu kulistego samochodu 11

12 Rysunek 5.2 Układy współrzędnych lokalnych Oddziaływanie jezdni na koło Toczenie się koła ogumionego odkształcanego wielokierunkowo jest procesem bardzo złożonym. Reakcje jezdni na koło zależą od wielkości odkształceń ogumienia i od prędkości elementów koła znajdujących się we współpracy i poza nim. W modelu matematycznym wykorzystano model koła ogumionego opracowany przez Dugoffa i innych. Zawieszenie samochodu Zamodelowano zawieszenie samochodu o zerowym promieniu zataczania, z pojedynczym trójkątnym wahaczem zawieszenia. Zawieszenie posiada 16 stopni swobody. Mocowanie wahaczy (silentbloki) do nadwozia modelowano jako połączenie sprężyste. Przeguby kulowe zwrotnicy zamodelowano jako połączenie o własnościach sprężysto-lepkich o zmiennym współczynniku sprężystości (luz połączenia). Napęd pojazdu realizowany jest na przednią oś. 5.3 Model komputerowy Na podstawie wyprowadzonych równań utworzono model komputerowy ruchu samochodu w programie Matlab Simulink. Parametrami wejściowymi do modelu jest przemieszczenie listwy kierowniczej y lk i średnia prędkość środka ciężkości v c. 6 Badania laboratoryjne całego układu Badania przeprowadzono w celu weryfikacji modelu matematycznego luzu przegubu kulistego oraz w celu sprawdzenia metody pomiarowej. Wątpliwe pomiarowo przypadki weryfikowano w Okręgowej Stacji Diagnostycznej w Sianowie koło Koszalina. 6.1 Sprawdzenie metody pomiarowej Do badania wzięto 20 samochodów. Łącznie przebadano 40 przegubów kulowych zamontowanych w samochodach różnych marek o różnym stopniu wyeksploatowania zawieszenia i o różnym przebiegu. Jedyną wspólną cechą badanych samochodów było to, że wszystkie miały ważne badania techniczne. Przy okazji badań wypytywano właścicieli o historię napraw zawieszenia samochodów. Poniżej przedstawiono kilka charakterystycznych wyników badań. Czujniki pomiarowe 12

13 rozmieszczano tak, jak wskazano na rysunku 4.4. Luzem przegubu jest różnica między maksymalnym i minimalnym wychyleniem amplitudy przemieszczenia względnego. Rysunek 6.1 Wyniki badania luzu przegubu zwrotnicy Na rysunku 6.1 pokazano wyniki pomiarów trzech przegubów kulowych. Bezpośrednio po badaniu udano się Peugeotem 406 do OSKP. Podczas badania diagnosta nie stwierdził żadnego luzu w zawieszeniu przednim, mimo tego, że zmierzona wartość luzu wynosi 0,35 mm, i była widoczna podczas wymuszenia drgań zawieszenia. Podczas badania zawieszenia zauważono w jednym przypadku zwiększone przemieszczenie wahacza (rysunek 6.2). Również tym samochodem pojechano do OSKP. Badania prowadzone przez diagnostę nie wykazały żadnych uchybień w zawieszeniu, lecz podczas jazdy próbnej auto wykazywało tzw. myszkowanie, tzn. nie trzymało toru jazdy. 0,4 0,3 Przemieszczenie wahacza przemieszczenie [mm] 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4 0 0,05 0,1 0,15 0,2 czas [s] Ford Escort Peugeot 206 VW polo Rysunek 6.2. Wyniki badania silentbloków wahacza 13

14 6.2 Weryfikacja modelu matematycznego samochodu W celu weryfikacji poprawności modelu dokonano porównania symulacji modelu z wynikami pomiaru luzu dokonanymi na stanowisku laboratoryjnym. Symulację przeprowadzono dla luzu o wartości 0,14 mm, 0,56 mm i 0,8 mm. Są to dane uzyskane w badaniach samochodów. Mały rozrzut luzów spowodowany był tym, że wszystkie badane samochody posiadały ważne badania techniczne, mimo relatywnie dużych wartości luzu sworzni zwrotnic. Wprowadzono harmoniczne siłowe wymuszenie ruchu, o częstotliwości 15 Hz i amplitudzie 1500N. Wyniki pokazano na rysunku 6.3. Wszystkie pozostałe parametry modelu pozostawiono bez zmian. x symulacja pomiar 2 przemieszczenie, m czas, s Rysunek 6.3. Porównanie wyników symulacji i pomiarów dla wartości luzu 0,8mm Wyniki uzyskane w procesie symulacji pozwalają na wyciągnięcie wniosku, iż model samochodu jest poprawny, aczkolwiek dla małych wartości luzu występują różnice spowodowane mało dokładnym doborem modelu tłumienia przegubu. Biorąc pod uwagę różnicę wartości zadanej oraz wyniku symulacji można uznać model za poprawny. Model przegubu kulowego jest wrażliwy na współczynnik tłumienia. Zmniejszenie współczynnika o 10% powoduje szarpanie podczas zbliżania się do granic luzu. Zwiększenie o 10% powoduje brak przemieszczenia w całym zakresie luzu, czego efektem jest zafałszowanie wyników badań poprzez brak przemieszczenia główki przegubu w całym zakresie luzu. Na rysunku 6.4 pokazano zmiany luzu podczas zmiany kierunku ruchu pojazdu we współrzędnych pojazdu. 14

15 przemieszczenie zwrotnicy względem nadwozia w osi y pojazdu, m 8 x luz 0 mm luz 0,5 mm luz 1 mm luz 1,5 mm droga w osi x, m Rysunek 6.4. Luz poprzeczny y zk(1) 7 Wartości dopuszczalne luzów Analiza wartości dopuszczalnych luzu Do określenia dopuszczalnej wartości luzu przegubu zwrotnicy posłużono się wartościami granicznymi tzw. zbieżności połówkowej pojazdów. Autor jest świadom tego, iż dla poszczególnych modeli wartości te się różnią, jednak ze względu na podjętą próbę unifikacji tych parametrów, wartości poszczególnych wymiarów i tolerancji są uśrednione. Tolerancja zbieżności w większości analizowanych modeli [Data_08] nie przekracza α =± 0 10 (α = ± rad), stąd tolerancja zbieżności połówkowej α p = ±0 5, co w wartościach bezwzględnych daje α p max = 0 10 (α p max = rad). Długość ramienia zwrotnicy zazwyczaj nie przekracza 150 mm. Jak wiadomo, podczas przyspieszania i hamowania, podczas skrętu, podczas jazdy po nierównościach itp. siły zewnętrzne działające na koło zmieniają kierunek wypadkowego wektora siły w kierunku zwiększenia bądź zmniejszenia zbieżności kół. Zakładając brak luzu w układzie kierowniczym, a luz przegubu kulowego y, dla podanych parametrów zawieszenia (rysunek 7.1): y max = b tg α p max y max = 0,43 mm Luz przegubu kulistego zwrotnicy nie może przekraczać wartości 0,43 mm. Korzystając z modelu komputerowego przeprowadzono symulację jazdy samochodem z zamodelowanym luzem o wartościach od 0 do 1,5 mm. Obserwacji podlegały parametry toru jazdy. Jedynym zakłóceniem, jakie wprowadzono do układu jest stopień zwilgocenia drogi, który zmienia się jednakowo dla każdej symulacji. Na rysunku 7.2 pokazano wyniki symulacji drogi, jaką przebyło auto z zadaną wartością luzu przegubów kulowych zwrotnicy od 0 do 1,5 mm. 15

16 Rysunek 7.1.Schemat zwrotnicy przemieszczenie środka ciężkości ojazdu w osi y, m luz 0 mm luz 0,5 mm luz 1,0 mm luz 1,5 mm przemieszczenie środka ciężkości pojazdu w osi x, m 8 Zakończenie 8.1 Podsumowanie pracy W niniejszej rozprawie przestawiono, jaki jest związek między wartością luzów a właściwościami trakcyjnymi samochodu. Opracowana metoda pomiaru wartości bezwzględnej luzów bez demontażu elementów zawieszenia może być wykorzystana w samochodowych stacjach diagnostycznych do arbitralnej oceny stanu zawieszenia ze względu na luzy w parach kinematycznych. Aktualnie ten proces wykonywany jest organoleptycznie, bez pomiaru i wskazania wartości dopuszczalnych. Zaproponowane w pracy dopuszczalne wartości luzów opracowano na podstawie wartości odchyłek zbieżności kół przednich podanych przez producentów samochodów. Jak pokazano w pracy granica jest umowna i tyko tak należy ją traktować, gdyż właściwości trakcyjne zaczynają pogarszać się od najmniejszych wartości luzu. 16

17 Opracowano model matematyczny samochodu, ujmujący luzy w parach kinematycznych zawieszenia przedniego. Na podstawie modelu matematycznego utworzono model komputerowy, dzięki któremu możliwa jest symulacja ruchu pojazdu. Wyniki symulacji, jakie uzyskano podczas różnych wartości luzu pozwalają na stwierdzenie, iż głównym powodem niestabilności jazdy samochodem zakłócenia pojawiające się podczas jazdy po drogach. Takimi najczęstszymi zakłóceniami są dziury, koleiny, okresowe zlodzenia nawierzchni itd. Zakłócenia powodują pojawianie się sił przeciwdziałających ruchowi, a te z kolei są przyczyną ruchów przegubowych przestrzeniach luzów, a to z kolei prowadzi do zmian w zamierzonej trajektorii ruchu. Pojedyncze zakłócenia nie są groźne, gdyż kierowca jest w stanie reagować na zmiany, lecz nawarstwienie się i nałożenie na siebie zakłóceń może być przyczyną groźnych sytuacji. Takim przykładem może być na przykład koleina zalana wodą. Może to powodować powstanie niekontrolowanych sił poprzecznych oraz zmniejszenie przyczepności poprzez powstanie poduszki wodnej. Mimo znacznych uproszczeń poczynionych w modelu matematycznym takie symulacje można przeprowadzić, a ich wyniki można uznać za prawdziwe. Do najważniejszych osiągnięć autora należą: opracowanie modelu matematycznego i komputerowego samochodu osobowego, w którym zamodelowano luzy w parach kinematycznych zawieszenia,; opracowanie modelu matematycznego przegubu kulowego zawierającego luzy; przeprowadzenie symulacji komputerowej ruchu pojazdu i oznaczenie wpływu luzów przegubów kulistych na zmianę trajektorii ruchu; opracowanie nowej metody pomiaru luzów w zawieszeniu przednim samochodu, bez demontażu badanych części i przetestowanie jej na rzeczywistych obiektach samochodach osobowych, a w szczególności: o zaprojektowanie i zbudowanie wzbudnika drgań zawieszenia samochodu, nieprzenoszącego zakłóceń do środowiska; o opracowanie taniej i relatywnie dokładnej, akcelerometrycznej metody pomiaru przemieszczeń względnych; o określenie rozmieszczenia akcelerometrów na badanym obiekcie; opracowanie wartości dopuszczalnej luzów; przedstawiona w pracy metoda pomiaru luzów w zawieszeniach samochodów jest metodą nowatorską, dotąd nigdzie niestosowaną. Zarówno urządzenie jak i metoda pomiarowa stały się wnioskiem do Urzędu Patentowego RP o ochronę praw autorskich. 8.2 Wnioski zaproponowana metoda pomiaru luzów jest metodą tanią, dokładną, łatwą do realizacji i nie wymaga demontażu badanych elementów; opracowana metoda pomiarowa została zweryfikowana. Może ona znaleźć zastosowanie w przemysłowych pomiarach zawieszeń pojazdów; pomiar odniesiony do zaproponowanych wartości dopuszczalnych może stanowić wyznacznik dopuszczalności do ruchu samochodu ze względu na stan zawieszenia; tylko luz w kierunkach poziomych ma wpływ na parametry geometryczne zawieszenia samochodu, wymuszenie jak i pomiar luzu odbywa się wyłącznie w płaszczyźnie poziomej; wraz ze wzrostem luzu poziomego wzrasta luz pionowy, jednak nie zaobserwowano stałej zależności pomiędzy nimi; obróbka cyfrowa sygnału nie obniża dokładności pomiarowej dzięki zastosowaniu wysoko zaawansowanej filtracji sygnału pomiarowego; wymuszenie impulsem siły nie daje właściwych wyników pomiarów, przyłożenie zbyt dużej energii do opony może ją zniszczyć; optymalne parametry wymuszenia harmonicznego to częstotliwość 15 Hz, amplituda 10 mm; symulacja przeprowadzona w oparciu o opracowany model matematyczny samochodu daje poprawne wyniki. 17

18 8.3 Kierunki dalszych badań Zamodelowany samochód osobowy posiada szereg uproszczeń. W dalszym etapie pracy można zmniejszyć ilość uproszczeń, szczególnie tych dotyczących pracy zawieszenia. Model przegubu kulowego, mimo że w ocenie autora jest wystarczająco dokładny, do symulacji jest mało dokładny w ocenie tłumienia. Celowym byłoby podjąć badania eksperymentalne w celu szerszego opracowania tematu. W trakcie badań dynamicznych samochodów zauważono, iż jeden z badanych egzemplarzy miał zdecydowanie odbiegające od innych parametry podatności łączników metalowo-gumowych zawieszenia. Wątpliwości autora nie uzyskały akceptacji uprawnionego diagnosty samochodowego, z powodu braku wytycznych dotyczących tych elementów. Jazda próbna wykonana tym samochodem potwierdziła wątpliwości autora w kierunku niewłaściwych parametrów silentbloków (samochód myszkował). Celowym byłoby podjąć badania w kierunku określenia dopuszczalności ugięcia wahacza przedniego. Osiągnięta dokładność pomiarów jest wystarczająco duża dla pomiarów warsztatowych, jednak w celu uzyskania jednoznacznej analizy wskazanym byłoby przeprowadzenie optymalizacji cenowodokładnościowej innych typów czujników. 9 Publikacje własne Żebrowski-Kozioł M.: Modelowanie luzów w elementach zawieszeń samochodów osobowych. Materiały Krajowej Konferencji Naukowej - Doktoranci Dla Gospodarki 2006 w Sarbinowie w dniach Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Koszalin Żebrowski-Kozioł M.: Symulacja luzów par kinematycznych w elementach zawieszeń samochodów osobowych z zastosowaniem programu Simulink. Materiały XX Konferencji Naukowej Problemy rozwoju maszyn roboczych Zakopane 2007 s Żebrowski-Kozioł M. Eksperymentalne badanie luzu sworznia zwrotnicy w aspekcie własności trakcyjnych samochodu. Materiały X Konferencji Naukowo- Technicznej Innowacje w motoryzacji a ochrona środowiska Słupsk 2007, s , Starostwo Powiatowe w Słupsku, Słupsk Żebrowski-Kozioł M.: Diagnozowanie luzów współpracujących części maszyn za pomocą akcelerometrów. Materiały z XXVI Konferencji Naukowej Polioptymalizacja i CAD Mielno 2009, s , Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Koszalin Żebrowski-Kozioł M., Tarnowski W.: Diagnozowanie luzów w połączeniach przegubowych przedniego zawieszenia samochodu. Acta mechanica et automatic v3 nr 2, s Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok Żebrowski-Kozioł M. Pomiar luzów w parach kinematycznych zawieszenia przedniego samochodu osobowego. Logistyka 6/2009, dodatek CD, Instytut Logistyki i magazynowania, Poznań Żebrowski-Kozioł M., Tarnowski W.: Wniosek Patentowy P , UPRP Warszawa