W rozdziale przedstawiono badania eksperymentalne przeprowadzone z udziałem autora podczas eksploatacji pojazdu w warunkach ekstremalnych, przekraczających znamiona standardowej eksploatacji. Celem badań było poznanie poziomów oddziaływań znaczących bodźców zewnętrznych występujących podczas jazdy oraz ocena ich wpływu na kierującego pojazd. W badaniach uwzględniono oddziaływanie drgań, a wyciągnięte wnioski pozwoliły na potwierdzenie tezy o znaczącym przyroście bodźców wraz z parametrami silnika oraz prędkością[[98],[126]]. Do badań wykorzystano pojazd sportowy o dodatkowo zmodyfikowanych parametrach fabrycznych, w celu uzyskania ponadstandardowych osiągów.
Pojazd eksploatowano na specjalnie przygotowanym torze, a parametry jazdy dostosowano tak, aby osiągnąć maksymalne osiągi. Podczas testów dokonano rejestracji przyspieszeń drgań nadwozia, siedziska pojazdu oraz głowy kierowcy. Drgania występujące na siedzisku poddano normatywnej ocenie. Dodatkowo mając na uwadze narażenie kierowcy na drgania, dokonano oceny siedziska w pojeździe. Do przeprowadzenia obliczeń i analiz wykorzystano język programowania Matlab.
Drgania mechaniczne, których widmo częstotliwościowe zawiera się w paśmie od 0,1÷100 Hz wpływają niekorzystnie na człowieka [[98],[100],[101]]. W zakresie niższych częstotliwości wymienionego pasma występują częstotliwości rezonansowe narządów i części ciała człowieka. Krótkotrwała ekspozycja na oddziaływanie drgań z tego zakresu powodować może ograniczenie motoryki, pogorszenie widzenia, osłabienie procesów myślowych i postrzegania oraz wywołanie stanu zmęczenia psychicznego i fizycznego [[98],[66],[57]]. Są to efekty wpływające na bezpieczeństwo podróżowania w warunkach ekstremalnych. Źródłami generowania drgań w pojazdach samochodowych są wymuszenia pochodzące od toczenia się kół po nierównościach nawierzchni drogowej oraz drgania powodowane pracą silnika, czy opływające pojazd strumienie powietrza podczas jazdy z dużymi prędkościami [[96][98]].
Wymienione oddziaływania przekazywane są na nadwozie pojazdu, a następnie wędrują do fotela kierowcy, który powinien zapewniać odpowiedni komfort prowadzenia pojazdu oraz ograniczać drgania mechaniczne przenoszone do kierowcy. Problem drgań mechanicznych występujących w pojazdach jest szeroko dyskutowany w opracowaniach naukowych, gdzie oceniane są siedziska pojazdów oraz wpływ drgań występujących na powierzchni siedziska na kierowcę, a prezentowane przez autorów badania są zazwyczaj prowadzone podczas standardowej eksploatacji.
Problem drgań mechanicznych w pojazdach eksploatowanych w warunkach niestandardowych jest rzadko rozpatrywanym ze względy na trudności w uzyskaniu odpowiednich warunków badań. Przeprowadzenie eksperymentów wymaga nie tylko specjalnie wydzielonego toru badawczego, ale też odpowiedniego pojazdu oraz zapewnienia odpowiednich warunków bezpieczeństwa.
W dalszej części rozdziału przedstawiono wyniki badań oraz analizę pomiarów wykonanych w pojeździe samochodowym rozpędzanym na specjalnie wydzielonym torze do prędkości przekraczającej 270 km/h. Badany pojazd wykonywał jazdy testowe poprzedzające udział w prowadzonych na torze profesjonalnie przygotowanych i zorganizowanych wyścigach w jeździe na wprost. Należy zauważyć, że krótkotrwała ekspozycja na drgania może powodować występowanie objawów funkcjonalnych, przekładających się na bezpieczeństwo jazdy, co podczas eksploatacji pojazdu w warunkach ekstremalnych odgrywa bardzo istotną rolę. Podczas eksploatacji pojazdu w takich warunkach, nawet małe zakłócenia pracy organizmu przekładać się mogą na występowanie utraty zdrowia lub nawet życia. W celu oceny występujących w pojeździe zagrożeń i występowania potencjalnych skutków funkcjonalnych dokonano bezinwazyjnie normatywnej oceny drgań występujących na siedzisku kierowcy oraz na nadwoziu pojazdu. Dodatkowym elementem była standardowa oceny siedziska z
wykorzystaniem normatywnego współczynnika SEAT [[50],[67]]. W celu przeprowadzenia rejestracji przyspieszeń drgań oraz analizy otrzymanych wyników wykorzystano aplikacje w środowiskach LabView oraz Matlab [[68],[98]].
3.1. Scenariusz badań
Do badań wykorzystano specjalnie przygotowany i zabezpieczony tor, którym był pas startowy lotniska. Impreza miała charakter sportowy, a jej organizatorzy dokonali zabezpieczenia toru zarówno od strony organizacji ruchu, dostępu osób nieuprawnionych, ratownictwa wypadkowego i medycznego.
Rejestracji parametrów dokonywano w trakcie prowadzenia jazd testowych, przez kierowców uprawnionych do wzięcia udziału w zawodach. Jazdy pomiarowe odbywały się w okresie bezpośrednio poprzedzającym rozpoczęcie wyścigów samochodowych zorganizowanych na pasie startowym lotniska, a zakres osiąganych przez pojazdy prędkości sięgał 300 km/h. Parametry charakterystyczne toru:
lotnisko Biała Podlaska, tor prosty,
lokalizacja 52°00'35.2"N, 23°08'44.9"E,
długość toru 1609 m,
szerokość 60 m,
strefa hamowania 800 m,
strefa hamowania awaryjnego 731 m,
strefa przedstartowa 160 m.
Otoczenie toru stanowił teren płaski bez występujących przeszkód wpływających na pogorszenie bezpieczeństwa prowadzonych zawodów. Badania eksploatacyjne wykonano przy bezwietrznej, bezdeszczowej i słonecznej pogodzie, a temperatura powietrza wynosiła około 20°C.
Obiektem badań był samochód marki Nissan GTR, w którym dokonano modyfikacji standardowych parametrów pojazdu, w celu dostosowania go do potrzeb startu w zawodach. W tym celu w pojeździe zastosowano następujące modyfikacje:
modyfikacja układu cyrkulacji powietrza dolotowego, polegająca na zmianie standardowego „orurowania” układu na zestaw o zwiększonej wydajności,
zwiększenie ciśnienia doładowania układu dwóch turbin,
modyfikacja oprogramowania komputera sterującego pracą silnika i skrzyni biegów.
Zawieszenie pojazdu, siedzisko oraz pozostałe elementy wyposażenia pozostawiono bez zmian. W trakcie wykonywania jazd testowych, podczas wykonywania pomiarów pojazd posiadał moc niewiele większą niż standardową tj. 412 kW (560 KM) przy ok. 6400 obr/min oraz maksymalny moment obrotowy wynoszący ok. 640 Nm w zakresie prędkości obrotowych 3300-5800 obr/min.
3.2. Aparatura badawcza i montaż czujników
Podczas prowadzenia badań wykorzystano aparaturę pomiarową National Instruments złożoną z kart akwizycji danych i akcelerometrów oraz specjalnie przygotowane oprogramowanie rejestrujące parametry drgań, oparte o środowisko LabView. W celu przeprowadzenia rejestracji wykorzystano wymienione w tabeli 1 przetworniki.
Tab. 1 Przetworniki wykorzystane w badaniach [97]
Nazwa S
częstotliwości Czułość Zakres
akcelerometr 2 D W badaniach eksperymentalnych wykorzystano przenośny sprzęt do akwizycji danych.
Rejestrator przebiegów czasowych przyspieszeń drgań oraz kartę akwizycji danych przedstawiono na rysunku 1.
a) b)
Rys. 8 Przyrządy pomiarowe. a- Rejestrator, b- karta akwizycji danych [97]
Zastosowano trzy interfejsy Hi-Speed NI USB-9162, z przetwornikiem A/C - kartą NI 9234 IEPE o parametrach:
liczba wejść 4,
liczba bitów 24,
dynamika 102 dB,
próbkowanie 51.2 kHz/kanał,
zasilanie ±5V.
Rejestrator wyposażony został w oprogramowanie LabView, pozwalające na współpracę z wejściowymi kartami pomiarowymi firmy National Instruments.
W pomiarach wykorzystano trzy trójosiowe czujniki pomiarowe – akcelerometry , z których sygnały doprowadzono do wejść kart NI 9234. Lokalizację czujników przedstawiono na rys. 6.
Rys. 9 Lokalizacja czujników, kart pomiarowych oraz rejestratora podczas badań [97]
3.3. Badania drgań oddziałujących na człowieka
Podczas eksperymentu, który przeprowadzono podczas rzeczywistych jazd samochodem poruszającym się z niestandardowymi prędkościami obserwowano reakcje człowieka na każdym z etapów jazdy. Analizowano przebieg od momentu przed startem, przyspieszanie i hamowanie po osiągnięciu maksymalnej prędkości na linii mety. Poza badaniem zachowania kierowcy, przy współudziale zespołu badawczego z Politechniki Warszawskiej rejestrowano przyspieszenia drgań na podłodze, na powierzchni siedziska oraz na głowie kierowcy w trzech kierunkach:
X - wzdłużnym - identycznym z kierunkiem toru,
Y – poprzecznym do toru,
Z –pionowym.
Przykładowe przebiegi czasowe zarejestrowane na siedzisku pojazdu przedstawiono na rysunkach 3-5.
Rys. 10 Przebieg przyspieszeń drgań w kierunku x, w dziedzinie czasu, który zarejestrowano na powierzchni siedziska kierowcy podczas całego przejazdu toru[97]
Rys. 11 Przebieg przyspieszeń drgań w kierunku y, w dziedzinie czasu, który zarejestrowano na powierzchni siedziska kierowcy podczas całego przejazdu toru[97]
Rys. 12 Przebieg przyspieszeń drgań w kierunku z, w dziedzinie czasu, który zarejestrowano na powierzchni siedziska kierowcy podczas całego przejazdu toru[97]
v0=0 [km/h]
vk=270 [km/h]
v0=0 [km/h]
vk=270 [km/h]
Otrzymane wyniki wartości skutecznej przyspieszenia drgań ważone były w dziedzinie częstotliwości, z wykorzystaniem standardowych filtrów korekcyjnych (Wd, Wk), i całkowane po czasie w przedziałach o długości 1 sekundy, aby w ten sposób otrzymać wartości RMS
Dla każdego kierunku oddziaływania drgań (x, y, z), dokonano obliczeń energetycznej dawki drgań [m/s1,75] wyznaczonej na podstawie zależności 2 [3].
4
Dokonano ponadto celu oceny jakości siedziska, z wykorzystaniem parametru SEAT (Seat Effective Amplitude Transmissibility) [[67],[98]]. Badania właściwości siedzisk wykonywane są przez eksperymentalne wyznaczenie wartości r.m.s. przyspieszeń zgodnie z (1), mierzonych na siedzisku oraz przyspieszeń na podłodze:
a a
WP
SEAT
WS(3) gdzie: aWs - średnia arytmetyczna ważona częstotliwościowo wartość r.m.s.
przyspieszenia siedziska,
aWP - średnia arytmetyczna ważona częstotliwościowo wartość r.m.s.
przyspieszenia podłogi.
Otrzymane wartości poddano dalszej obróbce i analizie zarówno w funkcji czasu jazdy, jak i szacowanej prędkości jazdy dla kolejnych próbek zarejestrowanego sygnału.
3.4. Ocena wpływu drgań na człowieka
Typowe metody analizy sygnału polegają na podaniu informacji o zachowaniu amplitudy w dziedzinie czasu lub częstotliwości. Podczas tych badań wykorzystano analizę sygnału w pasmach tercjowych. Przyjęto na podstawie wytycznych normatywnych częstotliwości środkowe każdego z pasm – fs, co ułatwiło porównywanie otrzymywanych wykresów w dziedzinie częstotliwości. Podziału dokonano przez filtrowanie w przedziałach od dolnej (fd)
W tym celu wykorzystano zespoły filtrów Butterwortha 6-rzędu (zgodnie z wymogami norm DIN 45651, IEC 1260, ANSI S1-11-1986 dla urządzeń pomiarowych klasy 1), a otrzymane wyniki porównywano z wartościami sugerowanymi przez normy[68].
3.5. Analiza wyników eksperymentu
Dalej na rysunkach 10-11, zaprezentowano wyniki przeprowadzonej analizy dla dawki drgań VDV kierowanej do człowieka.
Rys. 13 Wyznaczenie wartości VDV dla ciała kierowcy [98]
Rys. 14 Wyznaczenie wartości VDV dla głowy kierowcy [98]
Na rysunku 12 pokazano zestawienie przyspieszenia drgań w pasmach tercjowych, które zgodnie z normą ISO-2631 porównano z wartościami progu odczuwalności drgań przez
człowieka, a następnie zgodnie z normą PN-04100, z wartościami progów komfortu uciążliwości i szkodliwości.
Rys. 15 Analiza częstotliwościowa przyspieszenia drgań na siedzisku kierowcy.[98]
Ocena jakości siedziska samochodu pokazała wyniki zbliżone do wartości prezentowanych w literaturze, jako typowe dla samochodów osobowych. Należy zaznaczyć, że pojazd miał klasyczne siedziska sportowe, dla których wyznaczony współczynnik SEAT wynosił odpowiednio: 78 % dla kierunku pionowego, 87 % dla kierunku poprzecznego, 94 % dla kierunku wzdłużnego. Wartości SEAT dla kierunków poziomych wskazują na słabą skuteczność systemu wibroizolacji w tej płaszczyźnie, natomiast wartość dla kierunku pionowego świadczy o wystarczającym systemie wibroizolacji.
W prezentowanych badaniach przedstawiono wyniki analizy klasycznych wskaźników narażenia na drgania dla kierowcy pojazdu. W trakcie prowadzenia badań czas narażenia kierowcy na drgania był identyczny z czasem pokonania całej trasy i wynosił około 35 s.
Policzone dla tak krótkiego czasu dawki drgań nie przekroczyły wartości 0,2 m/s1,75 zarazem dla samej głowy oraz całego ciała, przy pionowym kierunku oddziaływania drgań, co świadczy o braku zagrożenia zdrowia kierowcy drganiami. Dla kierunków poziomych wystąpiły pokaźnie wyższe wartości. Na szczególną uwagę zasługuje fakt ustabilizowania pozycji ciała kierowcy w fotelu, z wykorzystaniem pasów bezpieczeństwa, o czym świadczy zwiększenie dawek energii notowanych na samej głowie kierowcy. Standardowa ocena przyspieszeń drgań w pasmach tercjowych wykazała przekroczenie granicy odczuwalności drgań w kierunku
0,001 0,01 0,1 1 10
1,00 1,25 1,60 2,00 2,50 3,15 4,00 5,00 6,30 8,00 10,00 12,50 16,00 20,00 25,00 31,50 40,00 50,00 63,00 80,00
Przyspieszenie drgań, awrms, [m/s2]
Częstotliwość, [Hz]
pomiar kierunek x pomiar kierunek y
pomiar kierunek z Odczuwalność, kierunek poziomy Odczuwalność, kierunek pionowy Komfort, kierunek poziomy Komfort, kierunek pionowy Uciążliwość, kierunek poziomy Uciążliwość, kierunek pionowy Szkodliwość, kierunek poziomy Szkodliwość, kierunek pionowy
pionowym dla wszystkich częstotliwości poniżej 50 Hz, a dla kierunków poziomych dla całego badanego spektrum widma drgań. Wystąpiły również przekroczenia granicy komfortu dla kierunku poziomego wzdłużnego poniżej 3 Hz oraz dla kierunku pionowego w zakresach 2-10 Hz i przy częstotliwości 20 Hz. Największe amplitudy drgań występowały przy częstotliwościach około 20-25 Hz w kierunku wzdłużnym (x), przy których występują częstotliwości rezonansowe głowy, barków i rąk, jednakże otrzymane wartości sugerują jedynie chwilowe przekroczenia progu uciążliwości drgań. Występowanie tak małych przekroczeń sugeruje dobrą jakość nawierzchni toru, ale występuje przy nich oddziaływanie krótkotrwałe, które powodować może negatywne skutki funkcjonalne. Otrzymane wartości współczynnika jakości siedziska SEAT są typowe dla tej klasy pojazdu z biernym systemem wibroizolacji siedziska, a ich wartości nie wskazują na konieczność stosowania wibroizolacji semiaktywnej lub aktywnej. Największe wartości przyspieszenia drgań wystąpiły dla kierunku zgodnego z trajektorią ruchu pojazdu. W tym kierunku występowały największe oddziaływania pochodzące od jednostki napędowej (przyspieszenie pojazdu), opory ruchu, składowe nierówności toru i sił bezwładności.