METODA DIAGNOZOWANIA DYNAMICZNYCH ZMIAN CI NIENIA W UKŁADZIE HAMULCOWYM Z SYSTEMEM ABS ZA POMOC CZUJNIKÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 METODA DIAGNOZOWANIA DYNAMICZNYCH ZMIAN CI NIENIA W UKŁADZIE HAMULCOWYM Z SYSTEMEM ABS ZA POMOC CZUJNIKÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH ANDRZEJ GAJEK, PIOTR STRZ PEK, STANISŁAW WALCZAK Streszczenie W artykule przedstawiono metod diagnozowania działania zaworów układu hamulcowego z ABS z zastosowaniem piezokwarcowych czujników odkształce przewodów hamulcowych. Metoda ta polega na pomiarach sygnałów z czujników piezokwarcowych montowanych na przewody hamulcowe, a nast pnie na analizie tych sygnałów za pomoc opracowanego algorytmu obliczeniowego. Przedstawiono podstawy teoretyczne pomiaru i zale no ci pomi dzy sygnałem napi ciowym z czujnika piezoelektrycznego, a zmianami ci nienia w przewodzie hamulcowym. Zaprezentowano procedur analizy sygnału napi ciowego z czujnika piezo. Przedstawiono wyniki cyfrowego całkowania tego sygnału i sposób likwidacji trendu powoduj cego nachylenie funkcji po całkowaniu. W wyniku tych procedur, na podstawie sygnału z czujnika piezo, uzyskano przebiegi adekwatne do przebiegów ci nienia w przewodzie hamulcowym. Opracowana metoda pozwala na diagnostyczn ocen działania zaworów układu ABS bez demonta u układu hamulcowego. Mo e by równie zastosowana w innych układach hydraulicznych. Słowa kluczowe: układ ABS, diagnozowanie, czujnik piezoelektryczny 1. Wprowadzenie Układ hamulcowy z systemem ABS stał si standardem w wyposa eniu pojazdów samochodowych. Ze wzgl dów bezpiecze stwa podlega on szczególnemu nadzorowi diagnostycznemu. System diagnostyki pokładowej nadzoruje elementy elektryczne i elektroniczne tego układu. Pozwala w szybki sposób on line wykry usterki elementów elektrycznych, elektronicznych i ewentualne bł dy w obliczaniu i przesyle danych. W przypadku parametrów pracy niezgodnych z zało onymi w programie sygnalizuje usterk i wył cza układ z pracy. Elementy mechaniczne i hydrauliczne nie s na bie co kontrolowane w tym systemie. Natomiast sprawdzenie działania układu ABS jako cało ci wymaga specjalnych stanowisk, na których mo na rejestrowa pr dko ci kół samochodu w trakcie hamowania z uruchomionym układem ABS oraz oblicza i analizowa po lizg kół [1]. Ze wzgl du na koszt tego typu stanowisk metoda ta ma stosunkowo w skie zastosowanie. Dla serwisów samochodowych, a tak e dla stacji kontroli pojazdów wskazane jest opracowanie metody oceny elementów hydraulicznych układu ABS, nie wymagaj cej tak rozbudowanych stanowisk.

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, W referacie przedstawiono metod diagnozowania, która pozwala oceni działanie zaworów elektrohydraulicznych układu ABS, bez demonta u układu hydraulicznego. Polega ona na pomiarach pulsacji ci nienia za pomoc sygnałów z czujników piezoelektrycznych montowanych na przewody hamulcowe. Czujniki tego typu pozwalaj na pomiar dynamicznych, szybkozmiennych przebiegów sił, lub ci nie. 2. Zasada pomiaru ci nienia Do pomiaru szybkozmiennych ci nie w układzie ABS wykorzystano metod pomiaru i analizy odkształce przewodów hydraulicznych za pomoc czujnika piezoelektrycznego. Czujnik ten obejmuje ci le metalowy przewód hamulcowy, który odkształca si pod wpływem zmian ci nienia (rys. 1). Przewód, odkształcaj c si promieniowo, oddziaływuje na zaci ni ty na nim czujnik sił, powoduj c efekt piezoelektryczny proporcjonalny do warto ci siły F: Q= kv F (1) gdzie: Q ładunek elektryczny indukowany na elemencie piezo [C], k V moduł piezoelektryczny [C/N], (dla kwarcu k = 2,3x1-12 C/N), F siła działaj ca na czujnik [N] Siła F zale y od sztywno ci zaci ni cia czujnika na przewodzie c c i odkształcenia x tego przewodu: F = c xt () (2) gdzie: c c sztywno zaci ni cia czujnika na przewodzie, x(t) odkształcenie przewodu hydraulicznego, zmienne w czasie Napi cie na zaciskach piezoelementu wynosi: U p c = Q 1 kvf C = C (3) p gdzie: C p pojemno własna piezoelementu Z fizykalnego punktu widzenia odkształcenie przewodu hamulcowego, oddziałuj ce na element piezoelektryczny wywołuje wygenerowanie ładunku elektrycznego zgodnie z zale no ci (1). Jednak pomiar ładunku elektrycznego wymagałby zastosowania specjalnego układu pomiarowego (wzmacniacza ładunku) i stanowiłby problem metrologiczny w samochodzie, gdzie ró ne obwody elektryczne działaj z wykorzystaniem wspólnej masy pojazdu. Szczególne problemy nios ze sob zakłócenia pochodz ce od działania alternatora oraz układu zapłonowego. Stosunkowo łatwo mo na mierzy napi cie na elemencie piezoelektrycznym zgodnie z wzorem (3). Pami ta nale y, e nawet najdoskonalszy woltomierz obci a swoj oporno ci ródło napi cia powoduj c jego rozładowanie. Zjawisko takie przedstawiono na rys. 2, gdzie zarejestrowano proces pojedynczego naci ni cia na d wigni hamulca, powoduj cy impuls ci nienia. Podczas rejestracji napi cia na elemencie piezoelektrycznym wida faz wytwarzania ci nienia (ujemny pik napi ciowy), p

3 34 Andrzej Gajek, Piotr Strz pek, Stanisław Walczak Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ci nienia w układzie hamulcowym z systemem ABS za pomoc czujników piezoelektrycznych spadek napi cia i utrzymanie warto ci zerowej w fazie utrzymania ci nienia oraz pik napi ciowy dodatni w fazie zwalniania nacisku na hamulec. Do rejestracji tego typu przebiegów stosuje si układy ró niczkuj ce, które rejestruj pr dko zmian napi cia na elemencie piezoelektrycznym, które odpowiadaj pr dko ci zmian mierzonej wielko ci, np. ci nienia (rys. 2). Układy te s powszechnie stosowane, współpracuj c z czujnikami piezoelektrycznymi, w obrotomierzach czy urz dzeniach do kontroli k ta pocz tku wtrysku silników z zapłonem samoczynnym. Proponowana przez autorów metodyka pomiarowa nie wymaga konstruowania nowych układów pomiarowych, a tylko odpowiedniego oprogramowanie ju istniej cych urz dze diagnostycznych. Rys. 1. Sposoby mocowania czujnika piezoelektrycznego na przewodzie hamulcowym Rys. 2. Przebieg napi cia mierzony oscyloskopem cyfrowym na elemencie piezoelektrycznym w czasie pojedynczego impulsu ci nienia

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Jak wykazały badania, przy dynamicznych zmianach ci nienia w przewodzie hamulcowym, napi cie indukowane na elemencie piezokwarcowym czujnika obejmuj cego przewód zale y od warto ci i szybko ci zmian siły F(t), a wi c od ci nienia p(t). W stosowanym w badaniach rozwi zaniu układu pomiarowego obwód czujnika piezoelektrycznego jest zwarty do masy pojazdu, a sygnał pomiarowy jest proporcjonalny do szybko ci zmian ci nienia w przewodzie hamulcowym: 1 dp U () t = kv A C dt (4) p gdzie: A parametr uwzgl dniaj cy sztywno przewodu i sztywno zamocowania czujnika Analiza przebiegu ci nienia wymaga wi c wykonania całkowania zarejestrowanego sygnału napi ciowego z czujnika piezokwarcowego: 3. Wyniki bada 3.1. Hamowanie pulsacyjne t Cp p() t = U() t dt+ p Ak (5) v t1 Wykres na rys. 3 przedstawia wynik pomiaru ci nienia w przewodzie hamulcowym, mierzonego czujnikiem tensometrycznym, oraz sygnał napi ciowy z czujnika piezoelektrycznego, przy hamowaniu pulsacyjnym. Wyst puje wyra ny pik sygnału z czujnika piezoelektrycznego w czasie zmiany ci nienia. Wskazuje to na mo liwo zaobserwowania dynamicznych zmian ci nienia w przewodach hamulcowych w czasie hamowania pulsacyjnego, lub podczas działania układu ABS za pomoc czujnika piezoelektrycznego PIEZO p(t) t [s] 12 Rys. 3. Przebiegi ci nienia p(t) w przewodzie hamulcowym i sygnału z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO), mierzone podczas hamowania pulsacyjnego

5 36 Andrzej Gajek, Piotr Strz pek, Stanisław Walczak Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ci nienia w układzie hamulcowym z systemem ABS za pomoc czujników piezoelektrycznych 15 1 PIEZO p(t) dp/dt t [s] 12 Rys. 4 a) Sygnał ci nienia (p(t)), sygnał z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) i pochodna ci nienia wzgl dem czasu (dp/dt) 15 1 PIEZO p(t) -dp/dt t [s] 12 Rys. 4 b) Sygnał ci nienia (p(t)), sygnał z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) i pochodna ci nienia wzgl dem czasu ze zmienionym znakiem (-dp/dt) Na rys. 4a przedstawiono wynik cyfrowego ró niczkowania sygnału ci nienia mierzonego czujnikiem tensometrycznym. Pochodna ci nienia wzgl dem czasu ze zmienionym znakiem (-dp/dt) jest adekwata do sygnału z czujnika piezoelektrycznego, co pokazano na rys. 4b. Uzyskane wyniki potwierdziły, e metoda pomiaru odkształcenia przewodu hamulcowego za pomoc czujnika piezokwarcowego daje sygnał adekwatny do zmian pochodnej ci nienia wzgl dem czasu. W dalszej cz ci analiz przeprowadzono próby cyfrowego całkowania sygnału z czujnika piezoelektrycznego, co jest zabiegiem trudniejszym od ró niczkowania. Pojawia si bowiem trend (rys. 5), którego usuni cie wymaga dodatkowych działa. W tym przypadku nale y wyznaczy k t nachylenia odcinków prostych sygnału po całkowaniu i obróci sygnał wzgl dem osi odci tych o ten k t.

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, U1 [Vs] 5 PIEZO p(t) Całka(U(t)dt) t [s] 12 Rys. 5. Wynik cyfrowego całkowania sygnału piezo, bez usuwania trendu Po przeskalowaniu zmierzonych sygnałów otrzymujemy przebiegi ci nienia mierzone czujnikiem tensometrycznym wbudowanym w układ hamulcowy (w barach) i czujnikiem piezoelektrycznym montowanym na przewodzie hamulcowym (w V) (rys. 6). Analiza obu sygnałów wskazuje, e metoda ta mo e by stosowana do jako ciowej oceny zmiennych przebiegów ci nienia, a wi c m.in. do diagnozowania działania zaworów elektrohydraulicznych układu ABS i układów pochodnych. Wyznaczanie warto ci ci nienia na podstawie wyników całkowania sygnału z czujnika piezoelektrycznego musi uwzgl dnia sztywno przewodu i sztywno mocowania czujnika. Wymaga to zastosowania czujnika piezoelektrycznego, dostosowanego do rednicy przewodu hamulcowego i opracowania uchwytu, umo liwiaj cego jego mocowanie, z tym samym zaciskiem wst pnym. 12 p [bar] 1 PIEZO p(t) p_piezo t [s] 12 Rys. 6. Wyniki pomiaru ci nienia w przewodzie hamulcowym oraz wynik analizy cyfrowej sygnału z czujnika piezoelektrycznego przy hamowaniu pulsacyjnym

7 38 Andrzej Gajek, Piotr Strz pek, Stanisław Walczak Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ci nienia w układzie hamulcowym z systemem ABS za pomoc czujników piezoelektrycznych 3.2. Hamowanie z udziałem układu ABS Powy ej przedstawione wnioski zweryfikowano do wiadczalnie badaj c mo liwo oceny działania zaworów układu ABS w rzeczywistych warunkach jego u ytkowania metod analizy odkształce przewodu hamulcowego. Przebiegi na rys. 7 przedstawiaj wyniki pomiaru ci nienia p(t) czujnikiem tensometrycznym i sygnału napi ciowego z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO), przy hamowaniu z działaniem ABS. Sygnał z czujnika piezokwarcowego reprezentuje szybko zmian ci nienia w przewodzie hamulcowym, według zale no ci (4). Wyst puj wyra ne, gwałtowne zmiany napi cia sygnału z czujnika piezoelektrycznego w czasie działania zaworów elektrohydraulicznych ABS. Wskazuje to na mo liwo bezpo redniego obserwowania przebiegów gwałtownej zmiany ci nienia i działania tych zaworów. Sygnał z czujnika piezoelektrycznego, rejestrowany podczas hamowania w warunkach drogowych jest silnie zakłócony, szczególnie w okresie przed narostem ci nienia i po zako czeniu hamowania (rys. 8). Wynika to zarówno z drga przewodu hamulcowego spowodowanych prac silnika, jak i z zakłóce elektrycznych, np. od działania układu zapłonowego. Z praktycznego punktu widzenia interesuj cym jest przebieg sygnału dopiero po pojawieniu si nadci nienia w przewodzie hamulcowym. Jest to obszar na rys. 8, mi dzy pionowymi liniami obrazuj cymi pocz tek i koniec hamowania. Obszar ten mo na wyznaczy np. analizuj c sygnał z czujnika wiateł hamowania pojazdu. 6 4 p(t) PIEZO t [s] 1 Rys. 7. Przebiegi ci nienia p(t) i sygnału z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) mierzone podczas hamowania z działaj cym układem ABS. Sygnał PIEZO po filtracji

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, t [s] 12 Rys. 8. Sygnał z czujnika piezokwarcowego zarejestrowany podczas hamowania pojazdu Poniewa warto rednia sygnału z czujnika piezoelektrycznego przed i po hamowaniu nie jest taka sama, wyznaczenie odpowiedniego przebiegu ci nienia tylko poprzez całkowanie sygnału z czujnika piezoelektrycznego nie jest mo liwe (rys. 9). Aby przebieg funkcji uzyskanej po całkowaniu sygnału z czujnika piezoelektrycznego odpowiadał rzeczywistemu przebiegowi ci nienia w przewodzie, podzielono j na trzy odcinki, zgodnie ze stanami pracy układu hamulcowego:,15,1,5 -,5 -,1 -,15 p 1(t) -,2 -,25 -, t [s] 12 Rys. 9. Całka sygnału z czujnika piezoelektrycznego przy hamowaniu z uruchomionym układem ABS przebieg przed narostem ci nienia, przed hamowaniem, przebieg podczas hamowania, przebieg po zaniku nadci nienia, po hamowaniu, Nast pnie dla pierwszego odcinka przebiegu całki sygnału wyznaczono aproksymacj liniow przebiegu p 1(t) i t funkcj potraktowano jako poziom odniesienia dla całego sygnału (rys. 9).

9 4 Andrzej Gajek, Piotr Strz pek, Stanisław Walczak Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ci nienia w układzie hamulcowym z systemem ABS za pomoc czujników piezoelektrycznych Od warto ci całki odj to warto ci funkcji p 1(t) wyznaczonej dla pierwszego odcinka. Przebieg sygnału po tej modyfikacji przedstawiono na rys. 1. Kolejnym krokiem było wykorzystanie wiadomo ci, e nadci nienie w układzie hamulcowym po zako czeniu hamowania powinno osi gn warto z przed hamowania. W tym celu wyznaczono przebieg funkcji liniowej p 2(t) (rys. 1), przechodz cej przez punkty pocz tku i ko ca hamownia i od warto ci sygnału po pierwszej modyfikacji, w drugim i trzecim przedziale odj to warto wyznaczonej funkcji liniowej p 2(t). Przebieg sygnału po drugiej modyfikacji przedstawiono na rys ,2 1,8,6,4,2 p 2(t) -, t [s] 12 Rys. 1. Funkcja uzyskana po pierwszej modyfikacji całki sygnału z czujnika piezoelektrycznego,3,2,1 -,1 -,2 -, t [s] 12 Rys. 11. Funkcja uzyskana po drugiej modyfikacji całki sygnału z czujnika piezoelektrycznego W nast pnym kroku wyzerowano warto ci sygnału po drugiej modyfikacji w pierwszym i trzecim przedziale, a warto ci tak uzyskanego sygnału pomno ono przez wcze niej wyznaczony współczynnik skali. Na rys. 12 przedstawiono porównanie przebiegu sygnału z czujnika piezoelektrycznego uzyskanego poprzez całkowanie i modyfikacj z sygnałem z tensometrycznego czujnika ci nienia. Przebiegi s adekwatne i pozwalaj oceni poszczególne fazy działania układu ABS.

10 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, ,25,2 p_piezo [Vs],15,1, t [s] 12 Rys. 12. Porównanie przebiegu ci nienia uzyskanego po modyfikacji sygnału z czujnika piezoelektrycznego z sygnałem z tensometrycznego z czujnika ci nienia Dodatkowe wyniki całkowania i modyfikacji kilku przebiegów sygnałów z czujnika piezoelektrycznego zamontowanego na przewodzie wysokiego ci nienia, podczas hamowa z uruchomionym układem ABS oraz przebiegi ci nie mierzonych czujnikiem tensometrycznym zamontowanym przed zaciskiem hamulcowym przedstawiono na rys Przekształcony sygnał z czujnika piezoelektrycznego jest łatwy do interpretacji i pozwala na sprawdzenie działania zaworów, a tak e na analiz przebiegów ci nienia w układzie hamulcowym bez demonta u układu hydraulicznego. Prowadz cy badanie po zarejestrowaniu sygnałów z czujnika piezoelektrycznego i z czujnika wiateł hamowania uzyskuje wyznaczone przez program diagnostyczny przebiegi ci nienia przedstawione w formie graficznej. 1 8 p_piezo [Vs] t [s] 12 Rys. 13. Przebieg ci nienia w zacisku hamulca oraz sygnał z czujnika piezoelektrycznego po całkowaniu dla hamowania w warunkach drogowych, z uruchomionym układem ABS

11 42 Andrzej Gajek, Piotr Strz pek, Stanisław Walczak Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ci nienia w układzie hamulcowym z systemem ABS za pomoc czujników piezoelektrycznych 1 8 p_piezo [V*s] t [s] p_piezo [Vs] t [s] 12 Rys. 14. Przebiegi ci nienia w zacisku hamulca oraz sygnał z czujnika piezoelektrycznego po całkowaniu, dla hamowania w warunkach drogowych, z uruchomionym układem ABS 4. Podsumowanie i wnioski Opracowana metoda rejestracji zmian ci nienia w przewodzie hamulcowym za pomoc czujnika piezoelektrycznego mierz cego odkształcenie przewodu, pozwala na bezinwazyjny pomiar ci nienia w układzie hydraulicznym i analiz jego zmian. Transformacja sygnału z czujnika piezoelektrycznego w celu uzyskania przebiegów ci nienia w przewodzie hamulcowym wymaga zastosowania techniki numerycznego całkowania oraz usuwania trendu pojawiaj cego si po całkowaniu sygnału. Współczynniki kierunkowe linii tr du s ró ne w ka dym ze stanów pracy układu hamulcowego. Opracowana metoda bezinwazyjnego diagnozowania układu hydraulicznego pozwala na ocen przebiegu zmiennego ci nienia w przewodzie hamulcowym samochodu i zastosowanie jej w diagnozowaniu działania zaworów elektrohydraulicznych układu ABS i układów pokrewnych. Metoda ta nie wymaga stosowania nowych układów pomiarowych, a jedynie wykorzystanie stosowanych obecnie urz dze diagnostycznych poprzez ich odpowiednie oprogramowanie.

12 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, Bibliografia 1. Gajek A.: Evaluation of ABS operations on drum stand. The Archive of Mechanical Engineering, vol. XLIX, 22, nr Gajek A., Juda Z.: Mechatronika Samochodowa Czujniki, WKŁ, W-wa Piezoelectricity. APC International Ltd Gajek A. wraz zespołem; Monitory Diagnostyczne dla Systemu Diagnostyki Pokładowej Hamulców Samochodów Osobowych. Projekt badawczy nr NN , Politechnika Krakowska, Kraków 21. DIAGNOSTIC METHOD OF THE DYNAMIC PREASURE MEASUREMENT IN THE HYDRAULIC BRAKE SYSTEM WITH ABS USING PIEZOELECTIC SENSORS Summary The paper presents the method of the diagnostic control of the ABS hydraulic valves using the piezoelectric sensors. The sensors are mounted on the hydraulic pipe and measure the force proceeded from the deformation of the pipe. The special algorithm for pressure calculation is presented. The results of the digital integration are shown. This computer algorithm allows to control the ABS valves operation without disassembling the ABS hydraulic system. Keywords: ABS system, piezoelectric transducers, system diagnostics Andrzej Gajek Piotr Strz pek Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Wydział Mechaniczny Politechnika Krakowska al. Jana Pawła II 37 gajeka@mech.pk.edu.pl, piotrs@mech.pk.edu.pl Stanisław Walczak Instytut In ynierii Cieplnej i Procesowej Wydział Mechaniczny Politechnika Krakowska al. Jana Pawła II 37 swalczak@mech.pk.edu.pl Publikacja zrealizowana w ramach tematu nr M-4/84/213/DS z dotacji MNiSzW