Metoda oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów

z. 98 Transport 2013

Andrzej Ggorowski

Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu

METODA OCENY WIELOKRYTERIALNEJ

KONSTRUKCJI SIEDZISK POJAZDÓW

Rkopis dostarczono, maj 2013

Streszczenie: Zastosowanie odpowiedniej konstrukcji siedziska pojazdu jest wa ne zarówno z punktu widzenia komfortu jazdy, bezpieczestwa jak i ochrony zdrowia operatora pojazdu. W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów. Pozwala ona na optymalny wybór siedziska i cise dostosowanie do konstrukcji pojazdu oraz wymaga i oczekiwa u ytkownika. Proponowane narzdzie umo liwia zarówno kompleksow ocen jak i analiz z uwzgldnieniem tylko wybranych kryteriów czy te okrelonych warunków eksploatacyjnych. Przedstawiono zarówno algorytm metody jak i przykad zastosowania praktycznego z uwzgldnieniem gównego priorytetowego kryterium, a mianowicie redukcji drga niekorzystnie oddziaywujcych na operatora pojazdu.

Sowa kluczowe:metoda oceny, siedzisko pojazdu, ukad wibroizolacji

1. WSTP

Z punktu widzenia komfortu jazdy, bezpieczestwa i ochrony zdrowia operatora pojazdu oraz spenienia wymaga prawnych i normatywnych[6, 7, 12, 24] zastosowanie odpowiedniej konstrukcji siedziska w ró nych pojazdach staje si koniecznoci. Jednak e wielo rozwiza w tym zakresie znacznie utrudnia prawidowy i optymalny wybór odpowiedniego ukadu. Wybór ten mo e by dokonywany z punktu widzenia ró nych kryteriów, tak aby jak najlepiej dostosowa siedzisko do okrelonego pojazdu i oczekiwa przyszego u ytkownika oraz okrelonych warunków eksploatacyjnych.

Ró norodno typów pojazdów i maszyn roboczych, gdzie wskazane jest zastosowanie odpowiednich konstrukcji siedziska uzasadnione jest w peni jak juz wspomniano zarówno ze wzgldu na komfort pracy, ochron zdrowia, ale równie w wielu przypadkach na precyzje czynnoci wykonywanych podczas pracy (jak to ma miejsce szczególnie w maszynach roboczych) czy dokadne operowanie urzdzeniami sterowniczymi. Tak wic przy doborze waciwego ukadu nale y uwzgldni równie okrelone warunki eksploatacyjne.

Transport jest obecnie jednym z gównych róde drga mechanicznych oddziaywujcych niekorzystnie zarówno na konstrukcje pojazdu jak i na czowieka. [6, 8, 12, 20]. Dlatego redukcja drga konieczna jest zarówno z punktu widzenia zapewnienia trwaoci i okrelonej ywotnoci poszczególnych elementów konstrukcyjnych pojazdu jak i ograniczenia niekorzystnego wpywu wibracji na organizm czowieka. Aby skutecznie dokonywa redukcji drga konieczne jest zastosowanie odpowiednich rozwiza konstrukcyjnych. Najlepszym rozwizaniem, jak pokazuj badania [5, 8, 15-17], jest zastosowanie konstrukcji wyposa onych w ukady zawiesze.

W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej konstrukcji siedzisk pojazdów ldowych. Przedstawiono zarówno algorytm metody, jak i przykad zastosowania praktycznego z uwzgldnieniem priorytetowego kryterium, jakim jest redukcja drga niekorzystnie oddziaujcych na operatora pojazdu. Gówne zao enia metody opracowano na zlecenie przemysu w ramach prac badawczych prowadzonych przez autora [9, 10].

2. KRYTERIA OCENY

Dokonujc kompleksowej oceny konstrukcji siedziska mo na wyró ni szereg kryteriów i wymaga, których spenienie zapewni odpowiednie zachowanie si ukadu siedziska w okrelonych warunkach eksploatacyjnych, a tym samym spenione zostan okrelone funkcji celu ukadu. Analiza przepisów, norm[7, 11, 13, 19-23] oraz bada dotyczce ukadów siedzisk i ich zawiesze[5, 8, 16, 26], jak równie ró norodnych konstrukcji pojazdów z uwzgldnieniem kabin operatorów[3] pozwolia okreli po dane parametry i funkcje tego typu ukadów. Dokonujc ogólnego podziau mo na wyszczególni sze gównych kryteriów (oraz szereg wymaga z nimi zwizanych) charakteryzujcych konstrukcje siedziska z ukadem zawiesze. Wród nich mo emy wyró ni:

ƒ skuteczno wibroizolacji(w tym m.in. zakres redukcji drga, sterowanie, dynamika),

ƒ niezawodno techniczna(niezawodno dziaania, wytrzymao i trwao, bezpieczestwo),

ƒ produkcyjne (stopie zo enia konstrukcji, technologia, wykonanie, monta ), ƒ obsuga i serwis (wymiana, samodzielny monta , atwo sterowania), ƒ ergonomia(regulacja, spenienie norm, dostosowanie konstrukcji, wymiary),

ƒ uniwersalno i elastyczno(monta w ró nych i pojazdach, ró ne konfiguracje, wielowariantowo, zapotrzebowanie odbiorcy, wymagania rynkowe),

ƒ ekonomiczne(nakady, koszty produkcji, cena sprzeda y, koszty eksploatacyjne).

Wymagania zwizane z kryteriami wibroizolacji, niezawodnoci technicznej i ergonomii powinny zosta uznane za obligatoryjne(O), pozostae za za po dane(P). Dokadna i caociowa analiza tych parametrów mo e znacznie pomóc na etapie koncepcyjnym budowy nowego ukadu siedziska z zawieszeniem, jak równie w procesie zakupu czy modernizacji.

3. METODA OCENY WIELOKRYTERIALNEJ

W literaturze szeroko stosowane s metody oceny obiektów technicznych z punktu widzenia okrelonego kryterium np. niezawodnoci konstrukcji [14, 18,], jej technologicznoci [25] czy te wytrzymaoci [1, 28]. W tych przypadkach poprzez zdefiniowanie wska ników ilociowych okrela si u yteczno i przydatno ukadu czy obiektu technicznego w okrelonym obszarze zastosowa i w konkretnych warunkach eksploatacyjnych. Przykadowo obliczenia niezawodnoci konstrukcji (i jej oceny) wymagaj m.in. dokonania analizy mechanicznych charakterystyk. To z kolei pociga za sob konieczno dysponowania danymi z pomiarów w okrelonych warunkach eksploatacyjnych przy znanym rozkadzie obci e. Czste trudnoci w uzyskaniu okrelonych dokadnych zbiorów pomiarowych powoduje, e ocena mo e by tylko przybli ona(zwaszcza w przypadku obiektów nieliniowych).

M

M

e

e

t

t

o

o

d

d

a

a

o

o

c

c

e

e

n

n

y

y

w

w

i

i

e

e

l

l

o

o

k

k

r

r

y

y

t

t

e

e

r

r

i

i

a

a

l

l

n

n

e

e

j

j

Analiza moliwych

wariantów rozwiza

Ocena w procesie

zakupu

E

E

t

t

a

a

p

p

m

m

o

o

d

d

e

e

r

r

n

n

i

i

z

z

a

a

c

c

j

j

i

i

Wybór podanej

konstrukcji sporód

rozwiza

oferowanych na

rynku

Etap inwestycji

E

Et

ta

ap

p

k

ko

on

nc

ce

ep

p

cy

c

yj

jn

ny

y

p

pr

ro

oj

je

ek

kt

to

ow

w

an

a

n

ia

i

a

Rys. 1. Zastosowanie proponowanej metody

Kompleksowa ocena konstrukcji pozwala szeroko spojrze na dany ukad i okreli przydatno w caej dziedzinie parametrów i zastosowa. Wymaga ona jednak

uwzgldnienia szeregu wymaga i kryteriów których jednoczesne spenienie jest czsto trudne do zrealizowania. Dla potrzeb projektowania efektywnych ukadów siedzisk(z ukadami zawiesze) czy te optymalnego wyboru z rozwiza ju istniejcych zaproponowano metod oceny wielokryterialnej. Metoda nie wyklucza szczegóowej analizy z punktu widzenia wybranego kryterium np. obliczenia niezawodnoci konstrukcji, któr mo na dokona w dalszym etapach oceny. Zastosowanie metody przedstawiono na rys. 1.

Podstawow ide metody jest podzia wszystkich kryteriów na obligatoryjne (KO) i po dane (KP) i przyporzdkowanie im odpowiedniej grupy wymaga. Kryteria zawierajce grup wymaga obligatoryjnych (O) nale y uwzgldni w pierwszej kolejnoci projektujc nowy siedzisko z ukadem wibroizolacji.

Kryteria zawierajce grup wymaga po danych (P) s podrzdne w stosunku do wymaga obligatoryjnych, a ich spenienie mo e by uzale nione od aktualnych potrzeb rynkowych i mo liwoci produkcyjnych i ekonomicznych oraz potrzeb i oczekiwa u ytkownika. Taki podzia wymusza przyporzdkowanie kryteriom i wymaganiom po danym mniejszy wag (wi) w stosunku do wymaga obligatoryjnych(priorytetowych).

Przyjto nastpujce zale noci:

- dla wymaga obligatoryjnych (KO)

0, 6w_i d (1) 1

- dla wymaga pozadanych (KP)

6 , 0

0dwi d (2)

Kryteria ustalaj zadania priorytetowe (obowizkowe) przyszej konstrukcji i funkcje które mog by zrealizowane w zale noci od mo liwoci produkcyjnych technicznych i ekonomicznych. Wymaganiom o wikszym znaczeniu powinny zosta nadane wagi o wikszej wartoci. W ten sposób po analizie wszystkich wymaga mo na uzyska ocen jednostkow(Oj) w zakresie danego kryterium. Kolejnym krokiem jest ustalenie sposobu oceny kompleksowej poszczególnych mo liwych rozwiza konstrukcji - np. poprzez przyjcie skali punktowej opisanej zale noci (3):

y

P

x

d

d

Kocowa ocena poszczególnych rozwiza powinna by obliczana zgonie z nastpujcym wzorem:

¦

¦

u

w

P

w

O

)

(

Algorytm metody przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Algorytm proponowanej metody

4. ZASTOSOWANIE METODY DO ANALIZY UKADÓW

AMORTYZOWANYCH SIEDZISK

Obecnie, jak ju wspomniano wczeniej ukady wibroizolacji siedzisk obok zawiesze pojazdów stanowi podstawowe rozwizanie w zakresie redukcji drga oddziaywujcych na operatora. Analiza literatury pokazuje, e skuteczno rozwiza siedzisk i ich ukadów zawiesze mo e by ró na i nie zawsze sprawdza si w okrelonych warunkach pracy operatora pojazdu czy te maszyny [ 5, 8, 16, 26]. Oprócz dobrania waciwej konstrukcji konieczna jest jej optymalizacja w zakresie budowy, parametrów oraz sterowania. Tak wic osignicie po danej w danych warunkach eksploatacyjnych redukcji drga wynika nie tylko z ogranicze danej konstrukcji, ale równie z mo liwoci sterowania jej parametrami. Dokonano przegldu zarówno klasycznych ukadów pasywnych jak adaptacyjnych (semiaktywnych i aktywnych) wyposa onych w systemy sterowania i pozwalajce dostosowywa parametry ukadu do aktualnych warunków eksploatacyjnych

[2, 5, 8, 15-17, 26, 27]. Nale y zaznaczy, e ze wzgldu na znaczne trudnoci w sterowaniu takich ukadów w warunkach rzeczywistych du a cz z nich jest w fazie bada laboratoryjnych. Podstawowe ukady zestawiono w tab. 1.

Biorc pod uwag powy sz analiz, skuteczno wibroizolacji bya priorytetow (obligatoryjn) i podstawow cech ocenian w analizowanych ukadach. Kryterium w zakresie efektywnoci wibroizolacji poszczególnych ukadów zawiesze objo nastpujce wymagania obligatoryjne:

ƒ pasmo czstotliwoci drga tumionych – skuteczno tumienia sygnaów o niskich, rednich i wysokich czstotliwociach,

ƒ stopie trudnoci w identyfikacji parametrów urzdzenia dla poszczególnych stanów pracy, ƒ dynamika ukadu w odpowiedzi na wymuszenia harmoniczne i losowe oraz szybkozmienne, ƒ mo liwoci w zakresie obni ania du ych amplitud sygnau,

ƒ spenienie norm w zakresie redukcji drga do poziomu dopuszczalnego, ƒ sterowanie – mo liwo adaptacji do zmiennych warunków wymusze i drga.

Uwzgldniajc szeroki wachlarz rozwiza siedzisk wyposa onych w system zawieszenia dokonano kompleksowej ich oceny. Oprócz cech w zakresie skutecznoci wibroizolacji ocenie poddano szereg innych parametrów analizowanych ukadów, które decyduj o dostosowaniu siedziska do wymaga normatywnych, technicznych, ekonomicznych i rynkowych. Dlatego kolejnymi elementami poddanymi analizie i ocenie byy kryteria niezawodnoci technicznej, produkcyjne(wytwórcze), obsugi, ergonomiczne, uniwersalnoci i ekonomiczne.

Proces budowy ukadu wibroizolacji nale y traktowa bowiem jako caociowy proces konstruowania caego siedziska. W procesie projektowania nowego siedziska nale y wic uwzgldni inne wymogi zawarte w normach m.in. w zakresie ergonomii i bezpieczestwa, wymiarów gabarytowych i rozmieszczenia konstrukcji siedziska w kabinach pojazdów, jego wytrzymaoci oraz palnoci poszczególnych jego elementów. Realizujc powy sz metod wagow w stosunku do konstrukcji zawiesze okrelono gówne kryteria oceny (uwzgldniajc m.in. wyniki analiz przeprowadzonych w

rozdziaach poprzednich), a nastpnie ka demu kryterium przyporzdkowano grup wymaga, jakie powinien

spenia przyszy ukad wibroizolacji operatora pojazdów.

Tabela 1

Zestawienie konstrukcji siedzisk z ukadami wibroizolacji Lp. Rodzaj ukadu Wibroizolacja Oznaczenie

1 elektropneumatyczny aktywna A1 2 elektrohydrauliczny aktywna A2 3 elektromagnetyczny aktywna A3 4 elektromagnetyczny semiaktywna S1 5 hydromechaniczny semiaktywna S2 6 magnetoreologiczny semiaktywna S3

7 Pneumatyczno - _{magnetoreologiczny} semiaktywna S4

8 elektroreologiczny semiaktywna S5

9 hydromechaniczny pasywna P1

Przykadowe wyniki ocen jednostkowych (Oj) dla wybranych kryteriów przedstawiono

na rysunkach 3a, 3b. Wykres 3a przedstawia wyniki oceny jednostkowej dla kryterium skutecznoci wibroizolacji, 3b natomiast przedstawia wyniki dla grupy wymaga z kryterium niezawodnoci. Na rys. 4 przedstawiono kompleksow ocen (OR) uzyskan dla

analizowanych rozwiza - uwzgldniajc wszystkie kryteria obligatoryjne i po dane( i wymagania z nimi zwizane). Uzasadniajc wynik kocowy mo na wskaza szereg zalet ukadu S4 (pneumatyczno – magnetoreologicznego), w tym du y zakres sterowania, odpowiedni dynamik, du  stabilno w poszczególnych stanach pracy, odporno na wysokie i niskie temperatury oraz zanieczyszczenia, mae zapotrzebowanie na energi i niskie koszty eksploatacyjne, stosunkowo mae wymiary i mo liwo zastosowania w ró nych konfiguracjach. Natomiast do gównych wad nale y zaliczy przede wszystkim zo ony proces wytwarzania cieczy magnetoreologicznej o dobrych parametrach i znaczne trudnoci w zastosowaniu efektywnego algorytmu sterowania.

a)

Skuteczno wibroizolacji (KO)

0

2

4

6

8

10

A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 S5 P1 P2

Oj

Niezawodno techniczna (KO)

0

2

4

6

8

10

A1 A2 A3 S1 S2 S3 S4 S5 P1 P2

Oj

Rys. 3. Przykadowe oceny jednostkowe konstrukcji siedzisk pojazdów z uwzgldnieniem wybranych kryteriów o: a) kryterium skutecznoci wibroizolacji, b) kryterium niezawodnoci

Ocena kocowa

Rys. 4. Ocena kocowa analizowanych rozwiza amortyzowanych siedzisk pojazdów

5. PODSUMOWANIE

W artykule zaprezentowano metod oceny wielokryterialnej dla celów wyboru optymalnej struktury siedziska pojazdu przy uwzgldnieniu ró nych kryteriów i wymaga konstrukcyjnych. Znaczna ilo wymaga normatywnych, jak i oczekiwa co do przyszych funkcji siedziska (zapewnienie komfortu pracy, bezpieczestwa, ochrony zdrowia) wymusza okrelenie wa noci poszczególnych kryteriów, dlatego metod oparto na ocenie wagowej. Pozwolio to stworzy narzdzie kompleksowej oceny z mo liwoci wyboru tylko okrelonych kryteriów oraz elastyczn modyfikacj ich wag. Praktyczne zastosowanie metody pokazano na przykadzie oceny i wyboru siedziska pojazdu przy uwzgldnieniu wibroizolacji, jako kryterium priorytetowego.

Obecnie konstrukcje pojazdów musz uwzgldnia ochron ludzi(operatorów maszyn roboczych i pojazdów) przed drganiami[6, 24]. Aby móc zastosowa skuteczne rozwizanie w tym zakresie nale y uwzgldni przy wyborze szereg kryteriów dotyczcych warunków eksploatacyjnych pojazdu oraz warunków pracy operatora. Z kolei, aby zapewni odpowiedni dokadno oceny nale y w modelu uwzgldni jak najwicej parametrów wpywajcych na kocow jej warto. Dalsze badania autora bd dotyczy metod ocen szczegóowych z uwzgldnieniem wybranych kryteriów.

Bibliografia

1. Bezowski A., Metoda oceny wytrzymaoci dugotrwaej kompozytów polimerowych, Kompozyty (Composites) 1(2001)1 s 38-41.

2. Beater P.: Pneumatic Drives, System Design, Modelling and Control, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2007.

4. Choi SB, Choi YT, Chang EG, Han SJ. Control characteristics of a continuously variable ER damper. Mechatronics 1998;8:143-161.

5. Choi SB , H.K. Lee, E.G. Chang. Field test results of a semi-active ER suspension system associated with skyhook controller. Mechatronics 11/ (2001), pp. 345-353.

6. Dyrektywa 2002/44/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 25 czerwca 2002 r. w sprawie minimalnych wymaga w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczestwa dotyczcych nara enia pracowników na ryzyko spowodowane czynnikami fizycznymi (wibracji) (szesnasta dyrektywa szczegóowa w rozumieniu art. 16 ust. 1 dyrektywy 89/391/EWG).

7. Dyrektywa 2005/39/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 7 wrzenia 2005 r. zmieniajca dyrektyw Rady 74/408/EWG w sprawie pojazdów silnikowych w odniesieniu do siedze, ich punktów mocowania i zagówków.

8. Fuller, C.R., S.J. Elliott, and P.A. Nelson. Active control of vibration. 1996, London: Academic Press. 9. Ggorowski A.: Ustalenie metod badawczych dajcych podstaw dla przeprowadzenia weryfikacji

odpowiednich rozwiza mo liwych do zastosowania w budowie siedzenia operatora maszyn roboczych. Projekt badawczy nr 01 05/10/2010 Przedsibiorstwa Innowacyjno -Wdro eniowego, Grzegorz Janiewicz Wichrowe Wzgórze 10/62, 61-674 Pozna, 2010.

10. Ggorowski A.: Budowa teoretycznego modelu optymalnego rozwizania technicznego ukadu wibroizolacji gwarantujcego spenienie norm , w tym ; konstrukcyjnych , technicznych , technologicznych i u ytkowych (dla ukadu amortyzujcego do foteli operatorów maszyn roboczych i pojazdów). Projekt badawczy nr 01 05/10/2010 Przedsibiorstwa Innowacyjno -Wdro eniowego, Grzegorz Janiewicz Wichrowe Wzgórze 10/62, 61-674 Pozna, 2010/2011.

11. ISO 10326-1 1992 Mechanical vibration -- Laboratory method for evaluating vehicle seat vibration -- Part 1: Basic requirements.

12. ISO 2631-1:1997: Mechanical Vibration and Shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration, Part 1, General Requirements, International Standards Office, Switzerland, Geneva, 1997 13. ISO 7096 Earth-moving machinery – Laboratory evaluation of operator seat vibration, 2000.

14. Jinhua MI, Yanfeng LI, Huang H-Z, LIU. Y, Zhang X-L.: Reliability analysis of multi-state system with common cause failure based on bayesian networks. Eksploatacja i niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2013; 15 (2): 169–175.

15. Lai C. Y, Liao W H.: Vibration Control of a Suspension System via a Magnetorheological Fluid Damper. Journal of Vibration and Control, Sage Publications 2002/ 8: 527-547,.

16. Lang F.G., Kirk T.G., McCormac A., Wilson, R.J., Wilson, J.N., “An electrohydraulic seat suspension system for off-highway vehicles”, College of Engineering, University of Saskatchewan, 1988.

17. Mead, D.J., Passive vibration control. 1999. London: John Wiley & Sons Ltd.

18. Niewczas A.: A method of speed-up reliability evaluation of the internal combustion engine, Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 1(4)/2000, 16-23.

19. PN-ISO 11112:1998 Maszyny do robót ziemnych. Siedzisko operatora. Wymiary i wymagania

20. PN-EN 14253:2008 Drgania mechaniczne -- Pomiar i obliczanie zawodowej ekspozycji na drgania o ogólnym dziaaniu na organizm czowieka dla potrzeb ochrony zdrowia -- Wytyczne praktyczne. 21. PN-ISO 4253:1996 Cigniki rolnicze -- Usytuowanie siedziska operatora – Wymiary.

22. PN-ISO 5353:1998 Maszyny do robót ziemnych, cigniki i maszyny rolnicze i lene -- Punkt bazowy siedziska.

23. PN-EN 30326-1 2000 Drgania mechaniczne. Laboratoryjna metoda oceny drga siedziska w poje dzie. Wymagania podstawowe.

24. Rozporzdzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 5 sierpnia 2005 r. w sprawie bezpieczestwa i higieny pracy przy pracach zwizanych z nara eniem na haas lub drgania mechaniczne. DzU nr 157, poz. 318.

25. Skarbiski M., Skarbiski J., Technologiczno konstrukcji maszyn. WNT, Warszawa. 1987.

26. Song, X. , Ahmadian, M.: Study of Semiactive Adaptive Control Algorithms with Magneto-Rheological Seat Suspension. In: 2004 SAE World Congress, Detroit, Michigan, March 8–11, 2004 SAE International 2004-01-1648, 2004.

28. Tomaszek H, Jasztal M, Zieja M. A simplified method to assess fatigue life of selected structural components of an aircraft for a variable load spectrum. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2011; 4: 29-34.

A METHOD FOR MULTI-CRITERIA EVALUATION OF VEHICLE SEAT STRUCTURE

Summary: Using an appropriate vehicle seat structure is important both in terms of comfort, safety and

health protection to the vehicle operator. This paper presents a method for multi-criteria evaluation of vehicle seat structure. It allows for the optimal choice of seat and closely align to the vehicle structure and the requirements and expectations of the user. The proposed tool provides both a comprehensive assessment of how and analysis, taking into account only the selected criteria or specific operating conditions. Presents both the algorithm and the method of practical application examples including the main priority criterion, namely the vibration reduction which adversely affect the vehicle operator.