Diagnostyka drganiowa w ocenie stanu układu hamulcowego pojazdu

KAŁACZYŃSKI Tomasz 1 ŁUKASIEWICZ Marcin 2 LISS Michał 3 SADOWSKI Andrzej KASZUBA Karol Diagnostyka drganiowa w ocenie stanu układu hamulcowego pojazdu WSTĘP Układ hamulcowy jest jednym z podstawowych układów każdego pojazdu, odpowiedzialnym za bezpieczeństwo jego ruchu. Postęp technologiczny oraz implementacja nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych wymuszają wprowadzane modernizacji układu hamulcowego. W celu sprostania wymaganiom stawianym układom hamulcowym stosuje się nowoczesne materiały zarówno na okładziny oraz tarcze hamulcowe, które charakteryzuje wysoki współczynnik pochłaniania energii cieplnej. Wprowadzono również elektroniczne systemy poprawiające bezpieczeństwo jazdy takie jak: ABS, ASR, ESP oraz BAS. Równie powszechne stało się implementowanie diagnostyki pokładowej, która w sposób bezinwazyjny kontroluje stan układu hamulcowego. Postęp ten spowodował, że pojawiła się potrzeba wdrożenia nowych metod diagnozowania układów hamulcowych. Najpowszechniejszym problemem pojawiającym się w tarczowych układach hamulcowych, znacznie wpływającym na skuteczność hamowania pojazdów, jest zużycie okładzin ciernych klocków hamulcowych. Uszkodzenia układu hamulcowego objawią się najczęściej brakiem wymaganej siły hamowania lub drganiami podczas hamowania. Wykorzystanie do oceny zużycia okładzin, diagnostyki drganiowej jako metody diagnozowania układów hamulcowych wskazuje na możliwość oceny stanu układu hamulcowego. 1 USZKODZENIA SPRZYJAJĄCE POWSTAWANIU DRGAŃ Zarówno klocki hamulcowe, jak i tarcza hamulcowa ulegają uszkodzeniom trybologicznym, mechanicznym, termicznym, chemicznym, a także podlegają procesom starzenia. Rys. 1. Przyczyny uszkodzeń układu hamulcowego [4] 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 86 58, kalaczynskit@utp.edu.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 82 62, mlukas@utp.edu.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz; Tel: + 48 52 340 84 62, michal.liss@utp.edu.pl 5084

Podstawowym źródłem drgań układu hamulcowego są drgania klocka hamulcowego i tarczy hamulcowej podczas hamowania. Na rysunku 1 przedstawiono najczęstsze przyczyny uszkodzeń układu hamulcowego. Jedną z przyczyn takiego stanu może być zbyt duże zużycie okładzin ciernych klocków hamulcowych. Wskutek czego podczas hamowania z częścią roboczą tarczy współpracuje zbyt mała część materiału ciernego lub nawet stalowa podstawa klocka. Nieprawidłowa współpraca tych elementów jest odczuwalna w postaci obniżenia skuteczności hamowania lub także w formie akustycznej jako szumy lub piski dobiegające z okolic kół. Piski dobiegające od hamulca przy kole to akustyczny dowód na drgania elementu hamulca, który pobudza do drgań inne elementy hamulca lub samochodu. Jeśli będą to tzw. drgania rezonansowe, to będą one głośne i odczuwalne jako szczególnie silne (o dużej amplitudzie) [1,2,3,4,5]. Istotę powstawania drgań klocków hamulcowych przedstawiono na rysunku 2 [4]: siła tarcia T, występująca pomiędzy materiałem ciernym klocka hamulcowego a obracającą się tarczą hamulcową odkształca materiał cierny w kierunku A odkształcony materiał cierny jest zaznaczony linią przerywaną, odkształcenie materiału ciernego klocka hamulcowego trwa do momentu, w którym siła sprężystości materiału ciernego klocka stanie się większa niż siła tarcia T, co po-woduje, że materiał cierny klocka nie odkształca się dalej w kierunku A, ale przemieszcza się w kierunku B, powracając do swojego pierwotnego kształtu, przemieszczanie w kierunku B kończy się, gdy siła tarcia T znowu stanie się większa od siły sprężystości rozpoczyna się ponownie odkształcenie w kierunku A, ruchy w kierunkach A i B to drgania materiału ciernego klocka, słyszalne jako piski. Rys. 2. Istota powstawania drgań w hamulcu tarczowym (1 klocek hamulcowy, 2 tarcza hamulcowa) [4] Współpracująca z klockami hamulcowymi tarcza hamulcowa, pod wpływem zmieniającej się siły tarcia, również wpada w drgania. Pomimo faktu, że poszczególne układy są wyposażone w elementy sprężyste, mające za zadanie pochłanianie drgań wywołanych współpracującymi elementami, to jednak drgania pochodzące od uszkodzenia są na tyle duże, że ich przenoszenie się na pozostałe układy jest odczuwalne. Jeżeli przy określonej prędkości podczas hamowania, częstotliwość drgań koła spowodowana pulsacją momentu hamującego zrówna się z częstotliwością drgań własnych układu kierowniczego, to całość układu kierowniczego wraz z kołami wpadnie w drgania rezonansowe o amplitudzie większej od amplitudy drgań wywołanej tylko pulsacją momentu hamującego. Kierowca odczuje drgania rezonansowe jako silne drgania koła kierownicy. Zmiana częstotliwości drgań koła wraz ze zmianą prędkości jazdy sprzyja powstawaniu tzw. drgań rezonansowych. Występują one wtedy, gdy częstotliwość drgań wymuszających będzie zbliżona lub równa częstotliwości drgań własnych któregoś z elementu nadwozia lub układu. Drgania rezonansowe cechują się znaczną amplitudą i można mieć wrażenie, że drgający element czy mechanizm ulegnie 5085

zniszczeniu. Poszczególne fazy generowania drgań przez tarczę hamulcowa przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Kolejne fazy tych drgań prezentują kolejno rysunki od (a) do (d) [4] Drgania powstają podczas współpracy klocka i tarczy hamulcowej. Najlepiej zredukować je u źródła wyposażając klocki w odpowiednie elementy ograniczające ich drgania. Z uwagi na wysokie komplikacje związane z wytłumieniem tych drgań, często pokrywa się tylną część klocka warstwą elastyczną oddzielającą klocek hamulcowy od tłoczka zacisku hamulcowego. Mimo współczesnych rozwiązań konstrukcyjnych, uszkodzone elementy układu hamulcowego w dalszym ciągu generują na tyle wysokie amplitudy drgań by mogły one stanowić zagrożenie ruchu. 2 POMIAR DRGAŃ KLOCKÓW HAMULCOWYCH Ciągła identyfikacja stopnia zużycia klocków hamulcowych umożliwia uniknięcie sytuacji, w których to elementy współpracujące w układzie hamulcowym będą generowały szkodliwe drgania. Badania stanowiskowe przeprowadzono w Zakładzie Pojazdów i Diagnostyki Wydziału Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy. Pomiarów tarczowego układu hamulcowego dokonano na eksploatowanym układzie hamulcowym samochodu marki Daewoo Tico. Na rysunku 4 przedstawiono pojazd biorący udział w badaniu. Dokładne dane techniczne pojazdu oraz układu hamulcowego przedstawiono w tabeli 1 i 2. Rys. 4. Obiekt badań Daewoo Tico na stanowisku badawczym 5086

Tab. 1. Dane techniczne Daewoo Tico Rok produkcji Przebieg Moc Moment obrotowy Masa własna Dopuszczalna masa całkowita Masa całkowita przypadająca na przednią oś Ciśnienie w ogumieniu 1999 172 500 30 kw (41 KM) 59 N m 640 kg 1015 kg 490 kg 0,18 MPa Tab. 2. Charakterystyka techniczna układu hamulcowego Daewoo Tico Hamulec roboczy hydrauliczny, dwuobwodowy (obwód I hamulce przednie, obwód II hamulce tylne), z podciśnieniowym urządzeniem wspomagającym, o samoczynnej regulacji luzów w hamulcach przednich i tylnych, z sygnalizacją obniżenia poziomu płynu hamulcowego Hamulec awaryjny ręczny, mechaniczny, uruchamiający hamulce tylne, z sygnalizacją włączenia hamulca Hamulce przednie tarczowe, z jednotłoczkowym zaciskiem Hamulce tylne Bębnowe, z pływającymi szczękami i korektorem siły hamowania tylnych kół Skok pedału hamulca Minimalna odległość pedału hamulca od przegrody czołowej Skok jałowy dźwigni hamulca awaryjnego Grubość tarczy hamulcowej - nominalna - minimalna 1 8 mm 75 mm Do 2 ząbków 10 mm 8 mm Grubość okładzin ciernych przedniego hamulca - nominalna - minimalna Grubość okładzin ciernych tylnego hamulca - nominalna - minimalna Średnica bębna hamulcowego - nominalna - maksymalna Średnica cylinderków - przednich - tylnych Średnica tłoczków pompy hamulcowej 9,0 mm 1,0 mm 4,3 mm 1,0 mm 180,0 mm 182,0 mm 48,1 mm 17,46 mm 19,05 mm Do określenia siły hamowania na poszczególnych kołach jednej osi wykorzystano stanowisko rolkowe BHE 5 znajdujące się w Laboratorium Diagnostyki Pojazdów. W celu akwizycji danych generowanych w postaci drgań układu zdecydowano się na zamocowanie czujnika piezoelektrycznego PCB bezpośrednio na klocku hamulcowym za pomocą śruby montażowej. Dane rejestrowano przenośnym urządzeniem LMS SCADAS Recorder. Zebrane w ten sposób informacje ostatecznie poddano dokładnej analizie w oprogramowaniu SIBI. Badania przeprowadzono dla 4 wybranych stanów zużycia klocków hamulcowych. Stany te zostały wybrane ze względu na fakt, iż są to typowe usterki układu hamulcowego, a klocki hamulcowe są najczęściej wymienianym elementem układu hamulcowego. Stan 1: Układ hamulcowy zdatny (wzorcowy) pomiar drgań sprawnego układu hamulcowego. Układ był skontrolowany przed badaniami. Wszystkie elementy działają prawidłowo (brak uszkodzeń). 5087

Rys. 5. Para klocków hamulcowych stanu pierwszego Do jednego z klocków przymocowano piezoelektryczny czujnik drgań. Okładzina obu klocków hamulcowych o grubości 9 mm, przedstawionej na rysunku 5. Stan 2: Układ hamulcowy z jednym uszkodzonym klockiem hamulcowym. Uszkodzenie symulowane jest w postaci skośnego zużycia materiału ciernego. Do uszkodzonego klocka przymocowano czujnik. Układ hamulcowy, który ma zużyty skośnie przynajmniej jeden klocek hamulcowy, kwalifikuje się do naprawy, dlatego też badanie będzie przeprowadzone dla układu tylko z jednym uszkodzonym klockiem hamulcowym. Grubość okładziny ciernej skośnie zużytego klocka wynosi od 4 do 6 mm, zaś grubość okładziny ciernej drugiego klocka hamulcowego wynosi 9 mm. klocki hamulcowe dla drugiego stanu przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Para klocków hamulcowych stanu drugiego Stan 3: Układ hamulcowy z jednym uszkodzonym klockiem, który ma całkowicie zużyty materiał cierny. Do uszkodzonego klocka przymocowano czujnik drgań. Układ hamulcowy, którego przynajmniej jeden klocek hamulcowy ma całkowicie zużyty materiał cierny, kwalifikuje się do naprawy. Dlatego badanie będzie przeprowadzone dla układu tylko z jednym uszkodzonym klockiem hamulcowym. Grubość okładziny ciernej całkowicie zużytego klocka hamulcowego wynosiła 0 mm, zaś grubość okładziny ciernej drugiego klocka hamulcowego wynosi 9 mm. Stan 4: Układ hamulcowy z dwoma uszkodzonymi klockami. Od strony wewnętrznej (od strony tłoczka) zamontowano klocek ze skośnym zużyciem materiału ciernego, a od strony zewnętrznej (od strony koła), klocek z prawie całkowicie zużytym materiałem ciernym. Grubość okładziny ciernej całkowicie zużytego klocka hamulcowego wynosiła 0 mm, zaś grubość okładziny ciernej klocka hamulcowego skośnie zużytego wynosi od 4 do 6 mm. Na rysunku 7 przedstawiono sposób i miejsce mocowania piezoelektrycznego czujnika drgań na klocku hamulcowym. Rys. 7. Klocek hamulcowy z czujnikiem przyspieszeń drgań Klocek hamulcowy z czujnikiem drgań został zamocowany w mechanizmie hamulca tarczowego. Kompletny układ hamulcowy z zamocowanym czujnikiem drgań przedstawiono na rysunku 8. 5088

Rys. 8. Kompletny mechanizm hamulcowy tarczowy z zamontowanym czujnikiem drgań Pomiar drgań odbywał się podczas łagodnego hamowania o sile hamującej ok. 0,8 kn. Zakres częstotliwości ustalono na 800 Hz, natomiast próbkowanie sygnału na 1600 Hz. Do analizy rejestrowano zarówno przebiegi czasowe jaki i widma amplitudowe. 3 WYNIKI BADAŃ Wyniki badań przedstawiono w postaci przebiegów czasowych oraz przebiegów częstotliwościowych dla czterech różnych stanów układu hamulcowego. Rysunki od 9 12 przedstawiają wykresy dla poszczególnych stanów. Stan 1 (wzorcowy): Rys. 9. Wykres przebiegu czasowego oraz przebiegu częstotliwościowego dla stanu pierwszego Stan 2: Rys. 10. Wykres przebiegu czasowego oraz przebiegu częstotliwościowego dla stanu drugiego 5089

Stan 3: Rys. 11. Wykres przebiegu czasowego oraz przebiegu częstotliwościowego dla stanu trzeciego Stan 4: Rys. 12. Wykres przebiegu czasowego oraz przebiegu częstotliwościowego dla stanu czwartego 4 ANALIZA WYNIKÓW Z uwagi na bardzo duże podobieństwo uzyskanych dla różnych stanów widm amplitudowych zdecydowano się na dokładniejszą analizę otrzymanych przebiegów czasowych w programie SIBI. Program SIBI (System Informatyczny Badań Identyfikacyjnych) umożliwia uzyskanie miar sygnału drganiowego. W pierwszej kolejności zdefiniowano, wyznaczono oraz utworzono macierze wielu miar procesów drganiowych w module Symptomy. Rezultatem tego działania jest wygenerowanie macierzy wartości wybranych miar własnych zgodnie z tabelą 3. Tab. 3. Macierz miar własnych dla poszczególnych stanów Średnia (czas) (częstotliwość) (moc) Pick max. Pick min. Kurtoza Asymetria Odchylenie standardowe kształtu szczytu impulsowości wygładzenia Częstotliwość Rice Rozkład prawdopod obieństwa Stan 1. 0,146 0,181 0,272 0,017 0,760 0,570 2,926 0,116 0,181 1,247 4,190 5,223 6,179 66,856 0,978 0,436 Stan 2. 0,118 0,147 0,253 0,024 0,600 0,490 2,928 0,035 0,147 1,247 4,072 5,077 6,003 68,300 0,979 0,465 Stan 3. 0,131 0,163 0,290 0,022 0,620 0,620 2,796 0,030 0,163 1,239 3,815 4,728 5,573 66,144 0,980 0,465 Stan 4. 0,122 0,152 0,242 0,011 0,540 0,540 2,802 0,012 0,152 1,242 3,550 4,409 5,216 65,965 0,979 0,463 Prawdopodo bieństwo gęstości Wykorzystując metodę OPTIMUM uszeregowano symptomy opisujące badany obiekt pod względem wrażliwości informacji otrzymanej z poszczególnych symptomów. Metoda ta porządkuje informacje według wrażliwości zgodnie z zasadą punktu idealnego. Na rysunku 13 przedstawiono wybrany diagram wygenerowany przez moduł OPTIMUM z uszeregowanymi miarami od najdalej do najbliżej położonego punktu idealnego. 5090

Rys. 13. Diagram wygenerowany przez moduł OPTIMUM dla stanu drugiego W metodzie OPTIMUM nie otrzymano informacji o udziale poszczególnych symptomów w uszkodzeniach. Dlatego do dalszej analizy użyto metody wielokryterialnej SVD, która uzupełnia metodę OPTIMUM. Analiza wielowymiarowa pozwala na wyróżnienie najlepszych miar, które opisują stan obiektu. Metoda ta pozwala na weryfikację udziału jakościowego i ilościowego każdej miary w zmianie stanu technicznego obiektu. Do przetworzenia danych w SVD wybrano pięć miar z metody OPTIMUM, które są najbliżej punktu idealnego. Rysunek 14 przedstawia graficzną formę wyników przeanalizowanych metodą SVD dla pierwszego stanu. Rys. 14. Udział poszczególnych symptomów dla stanu pierwszego Do analizy statystycznej wykorzystano dane zestawione w tabelach 4 i 5, w których zawarto wszystkie miary analizowane przez SVD. W tabeli 4 wyszczególniono pionowo symptomy oraz poziomo wszystkie stany układu hamulcowego. Znakiem x zaznaczono symptom, który występuje w danym stanie układu hamulcowego. W jednym stanie występuje pięć najlepszych miar wybranych przez OPTIMUM. Ostatni wiersz sumuje występowanie danego symptomu w stanach układu hamulcowego. Tab. 4. Udział pięciu najlepszych miar według metody OPTIMUM dla poszczególnych stanów (moc) Asymetria (częstotliwość) Pick min. Prawdopodo bieństwo gęstości Stan 1. x x x x x Pick max. Odchylenie standardowe Stan 2. x x x x x Stan 3. x x x x x szczytu impulsowości wygładzenia Stan 4. x x x x x Suma występowania miary dla stanów 4 4 3 2 2 1 1 1 1 1 5091

W tabeli 5 przedstawiono udział jakościowy najlepszych miar w zmianie stanu technicznego obiektu. Symptomom nadano oceny według kolejności udziału w uszkodzeniu głównym maszyny. Kryterium oceny analizy korelacji poszczególnych symptomów względem uszkodzenia głównego (5 największa korelacja symptomu względem uszkodzenia głównego, 1 najmniejsza korelacja względem uszkodzenia głównego). Tab. 6. Analiza korelacji poszczególnych symptomów względem uszkodzenia głównego i nadanie im ocen (moc) Asymetria (częstotliwość) Pick min. Prawdopodo bieństwo gęstości Pick max. Odchylenie standardowe szczytu impulsowości wygładzenia Stan 1. 1 4 5 2 3 Stan 2. 2 1 3 5 5 Stan 3. 4 5 4 2 2 Stan 4. 4 5 3 3 3 SUMA PKT. 11 15 12 7 5 2 5 3 3 3 Analiza danych pomiarowych w programie SIBI pozwoliła na weryfikacje najlepszych miar dla badanych stanów układu hamulcowego. Z tabeli 4 można wyodrębnić trzy dominujące miary: (moc), Asymetria i (częstotliwość), które najczęściej wystąpiły w rozpatrywanych stanach układu hamulcowego. W tabeli 5 stworzono kryterium dla korelacji symptomu względem uszkodzenia głównego. Nadano wartości dla kolejności występowania miar. Potwierdza ona, że trzy wymienione powyżej miary są najlepsze do weryfikacji wpływu wybranych uszkodzeń klocków hamulcowych na poziom drgań układu hamulcowego. WNIOSKI Zrealizowane badania z użyciem diagnostyki drganiowej pozwoliły zweryfikować wpływ zużycia klocków hamulcowych na poziom drgań układu hamulcowego. Większą wartość w tym wypadku miały dane zebrane w postaci przebiegów czasowych, które po dokładnej analizie w programie SIBI przedstawiły najlepsze miary do oceny stanu układu hamulcowego. Tymi miarami są: wartość skuteczna (moc), asymetria i wartość skuteczna (częstotliwość). Na podstawie uzyskanych przebiegów częstotliwościowych można określić zakres częstotliwości pracy badanych stanów układu hamulcowego w danych warunkach, które wynoszą do około 400 Hz. Przeprowadzony eksperyment pozwala na stworzenie systemu diagnostycznego, który na podstawie pomiaru drgań, generowanych w procesie eksploatacji pozwoli na ocenę stanu elementów układu hamulcowego. Ponadto przedstawione metody badań wskazują na potrzebę ich realizacji w aspekcie zwiększania skuteczności kontroli stanu układu hamulcowego. Postęp technologiczny pojazdów samochodowych, wymusza rozwój badań nad nowymi metodami diagnostycznymi układów hamulcowych a przedstawiona powyżej metoda diagnostyczna może stanowić uzupełnienie dziś stosowanych metod. Streszczenie Układ hamulcowy jest jednym z ważniejszych układów pojazdów samochodowych. Często układ ten jest zaliczany do grupy tzw. układów bezpieczeństwa ruchu. Prawidłowe działanie układu hamulcowego sprawia, że pojazd może uniknąć kolizji zderzenia. Układ hamulcowy jest więc układem zapewniającym czynne bezpieczeństwo pojazdu. Skuteczność hamowania pojazdu zależy nie tylko od predyspozycji kierowcy, ale również od stanu technicznego poszczególnych elementów w układzie hamulcowym. Istotnym zatem staje się poszukiwanie nowoczesnych rozwiązań diagnostycznych umożliwiających ocenę zużycia okładzin ciernych klocków hamulcowych w układzie. W pracy podjęto próbę oceny stanu zużycia klocków hamulcowych wykorzystując metody wibroakustyczne. Diagnosis of vibration in the assessment of the vehicle braking system Abstract The braking system of the car is one of the most important parts in any vehicle. Quite often, this system is 5092

included in the group called traffic safety systems. Proper operation of the brake system makes the vehicle can avoid a collision. So the braking system is active safety system ensuring the vehicle. Vehicle braking depends not only on the suitability of the driver, but also the condition of the individual components in the brake system. Therefore, it becomes important exploration of modern diagnostic solutions enabling for example, assessing wear of the friction linings brake pads in the system. In this article we attempt to assess the state of wear of brake pads by means of a vibroacoustic methods. BIBLIOGRAFIA 1. Kałaczyński T., Łukasiewicz M., Żółtowski B.: The study of dynamic state industrial machines, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Uniwersytetu Warszawskiego, 3(89)/2012, Warszawa, 2012 2. Kałaczyński T., Żółtowski M.: Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn, Wydawnictwo Argonex, 44 strony, Bydgoszcz, 2011 3. Łukasiewicz M., Kałaczyński T., Żółtowski B.: Zastosowanie programów komputerowych wspomagających projektowanie silników spalinowych w odniesieniu do minimalizacji skutków oddziaływania na środowisko, "Logistyka" nr 6/2012, ISSN 1231-4578 4. Myszkowski S.: Poradnik serwisowy Hamulce tarczowe, Auto Moto Serwis, Wydawnictwo Instalator Polski, Warszawa, 2001 5. Żółtowski B.: Badania dynamiki maszyn, ATR, Bydgoszcz, 2002. 5093