Rafa Burdzik, Piotr Folga, Bogusaw azarz
Politechnika lska, Wydzia Transportu, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych
CZSTOTLIWOCIOWE MIARY DYNAMIKI
EKSPOZYCJI DRGA I STANU TECHNICZNEGO
AMORTYZATORÓW SAMOCHODOWYCH
REJESTROWANE W MIEJSCACH WNIKANIA
DRGA DO ORGANIZMU CZOWIEKA
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada drga pojazdu samochodowego
z zabudowanymi amortyzatorami o zidentyfikowanym stanie technicznym. Podczas bada rejestrowano przyspieszenia drga pionowych w wybranych punktach konstrukcyjnych pojazdu, midzy innymi na pycie podogowej w miejscach przylegania stóp pasa erów do podogi. W ramach analizy wyników wyznaczono miary amplitudowe w wyznaczonych pasmach czstotliwociowych. Porównano wartoci tych miar w zale noci od stopnia wypenienia amortyzatorów czynnikiem roboczym. Pozwala to na wstpna ocen wpywu stanu technicznego amortyzatora na poziom i dynamik ekspozycji drga ogólnych na czowieka.
Sowa kluczowe: ekspozycja na drgania, widmo drga, tumienie amortyzatorów
1. WPROWADZENIE
Efekty oddziaywania transportu powinny by rozpatrywane, jako po dane i niepo dane oraz zewntrzne i wewntrzne. Po dane efekty transportu zwizane s z jego funkcj celu, czyli przemieszczaniem oraz zwikszeniem mobilnoci. Niepo dane za z negatywnym oddziaywaniem na otoczenie. Podzia na efekty zewntrzne i wewntrzne wynika z oddziaywania na elementy „systemu”, które nie uczestnicz w procesie transportowych i te bezporednio zwizane z tym procesem. Efekty oddziaywania wewntrznego maj charakter sprz enia zwrotnego i wpywaj na efektywno procesów transportowych. Przykadem niepo danych efektów oddziaywania transportu o znaczeniu zewntrznym i wewntrznym s drgania. Jako zjawiska generowane i propagowane do rodowiska mog powodowa uszkodzenia infrastruktury transportowej oraz pozostaych elementów otoczenia.
Drgania rozpatrywane, jako zjawiska wewntrzne zmniejszaj efektywno procesów transportowych oraz zmniejszaj bezpieczestwo i komfort w transporcie. Coraz czciej drgania, jako niepo dane procesy resztkowe, wykorzystywane s w monitorowaniu i diagnozowaniu maszyn [1,7,9,10,13,15]. Mo na wyodrbni wiele ukadów i elementów w poje dzie, których zadaniem jest pochanianie drga lub minimalizacja ich oddziaywania. Ukad zawieszenia pojazdu, skadajcy si z elementów tumicych, resorujcych i prowadzcych, w du ej mierze odpowiedzialny jest za tumienie drga pochodzcych od nierównoci drogi [2-4]. Elementy gumowe, stanowice konstrukcje mocowania takich ukadów, jak silnik, skrzynia biegów czy ukad wydechowy, tak e w du ej mierze odpowiedzialne s za pochanianie drga generowanych przez te ukady. Celem ka dego z ukadów i elementów tumicych jest minimalizacja oddziaywania drga na pozostae ukady i na ludzi znajdujcych si w poje dzie. Drog do propagacji fal drganiowych i oddziaywania na czowieka stanowi konstrukcja, rama czy nadwozie pojazdu. Zmiany w strukturze i skadzie materiau mog wpywa na jego zdolnoci propagacji fali drganiowej [5,8,12,14]. Przenosz one drgania o charakterze ogólnym na czowieka, gównie za porednictwem koczyn dolnych oraz rodkowego i dolnego odcinka krgosupa.
2. ODDZIAYWANIE DRGA NA CZOWIEKA
Bardzo du grup osób nara onych na drgania ogólne s kierowcy, pasa erowie, motorniczy, operatorzy maszyn budowlanych i drogowych. Propagacja drga do organizmu przenoszona jest za porednictwem siedziska pojazdów przez miednic, plecy i boki oraz pyt podogow przez stopy. Najwiksze zagro enie dla czowieka stanowi drgania, których czstotliwo wymuszenia bdzie zbli ona do czstoci drga wasnych narzdów wewntrznych czowieka. Dla czstotliwoci drga poni ej 2 Hz ciao czowieka zachowuje si jak jednolita masa. Pierwsza czstotliwo rezonansowa dla czowieka przebywajcego w pozycji siedzcej wynosi 4 Hz lub 6 Hz. W tabeli poni ej przedstawiono pasma czstotliwoci drga wasnych dla poszczególnych organów ciaa. Zakresy te maj charakter orientacyjny, gdy istotny wpyw na ich wartoci ma indywidualna budowa czowieka.
Tablica 1
Zakres cz stotliwoci drga wasnych wybranych organów ciaa ludzkiego
Lp. Nazwa organu Cz stotliwo [Hz]
3 Gowa 4 - 5 , 17 – 25
4 Klatka piersiowa 5 – 9
5 odek (zale nie od st. napenienia) 2 – 7
6 Oczy 20 – 25
7 Ukad rka-przedrami (zale nie od ust.) 10 – 30
8 Receptory dotyku (Vater-Paciniego cia.) 200 – 300
c.d. Tablicy 1
12 Krgosup 8
13 Miednica 5 – 9
14 Koczyny górne 3
15 Koczyny dolne 5
Konsekwencj oddziaywania drga na czowieka s ró nego rodzaju niekorzystne zmiany w organizmie bdce nastpstwem ekspozycji na drgania [6,11]. Zakres i proces postpowania tych zmian zale w du ej mierze od miejsca ich wnikania do organizmu.
Reakcje organizmu czowieka na drgania dzieli si na: - reakcje subiektywne RS,
- reakcje psychosomatyczne RPS,
- reakcje, zaburzenia czynnociowe ustroju RC.
3. ANALIZA WYBRANYCH MIAR
CZSTOTLIWOCIOWYCH
W celu analizy skadowych czstotliwociowych sygnaów drganiowych przeprowadzono badania pojazdów pobudzanych do drga za pomoc wzbudnika sterowanego przemiennikiem czstotliwoci. Umo liwio to pobudzenie ukadu do drga w wybranym pamie stabilizowanych czstotliwoci oraz po wyczeniu stanowiska analiz tumionych drga swobodnych.
Jako gówny czynnik stanu technicznego elementu tumicego drgania przyjto stopie wypenienia pynem amotyzatorowym cylindra amortyzatora. Proces napeniania amortyzatora czynnikiem roboczym przedstawiono na rysunku 1.
Pierwszy etap analizy wyników zakada ocen dynamiki zjawisk drganiowych pojazdu w miejscach konstrukcyjnych wnikania drga do organizmu czowieka. W artykule przedstawiono wyniki analizy drga o charakterze ogólnym rejestrowane na panelu podogowym w miejscach przyo enia stóp pasa erów. Do transformacji sygnau zastosowano FFT (Fast Fourier Transform), które umo liwia wyznaczenie widm fourierowskich sygnaów. Przykadowe widma zarejestrowanych sygnaów przedstawiono na rysunku poni ej.
Tak zaprezentowany rozkad sygnau umo liwia analiz dominujcych skadowych dynamicznych w ukadzie. Umo liwi to wyszukiwanie czstotliwoci rezonansowych i czstotliwoci wymuszenia. Przeprowadzono szczegóow analiz czstotliwociow sygnaów, która polegaa na wstpnej selekcji pasm czstotliwoci charakterystycznych (z dominujcymi wartociami amplitud widma sygnau) dla poszczególnych punktów mocowania czujników. Wyselekcjonowano nastpujce pasma analizy drga pyty podogowej pojazdu: - 2 [Hz] do 4,5 [Hz] - 5 [Hz] do 7 [Hz] - 12 [Hz] do 17 [Hz] - 21 [Hz] do 22 [Hz] - 33 [Hz] do 38 [Hz] - 62 [Hz] do 66 [Hz] - 85 [Hz] do 88 [Hz] - 105 [Hz] do 110 [Hz] - 150 [Hz] do 155 [Hz] - 190 [Hz] do 196 [Hz]
Pasma analizy czstotliwociowej sygnaów drga pyty podogowej samochodu przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Pasma analizy zarejestrowanych sygnaów drga pyty podogowej pojazdu
Nastpnie zestawiono maksymalne wartoci amplitud widm sygnaów w wyselekcjonowanych pasmach czstotliwociowych dla badanych wartoci parametrów stanu technicznego amortyzatora. Uzyskane wyniki analizy przedstawiono w formie graficznej za pomoc wykresów supkowych na rysunkach 4 i 5.
a) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 2,84 6,32 12,3 21,55 34,14 64,67 86,2 107,7 150,8 194 czstotliwo [Hz] p rz y s p ie s z e n ie [ m /s 2 ] b) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 2,2 6,11 12,23 21,57 34,35 64,69 86,24 107,8 150,8 194 czstotliwo [Hz] p rz y s p ie s z e n ie [ m /s 2 ] c) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 2,2 6,6 12,27 21,55 33,9 64,69 86,15 107,8 150,9 194 czstotliwo [Hz] p rz y sp ie sz en ie [ m /s 2] d) 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 2,15 6,32 12,23 21,55 34,24 64,65 86,24 107,7 150,9 194 czstotliwo [Hz] p rz ysp ie s z en ie [ m /s 2 ]
Rys. 4. Rozkad maksymalnych amplitud widm sygnaów drganiowych pyty podogowej samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych czstotliwoci charakterystycznych (amortyzator wypeniony czynnikiem roboczym w 50%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy, b) miejsce trzymania stóp pasa era przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z lewej strony, d) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z prawej strony
a) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 4,1 6,57 13,02 21,53 37,75 64,62 86,16 107,7 150,8 193,9 czstotliwo [Hz] p rz ysp ie s z en ie [ m /s2] b) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 3,54 6,11 12,37 21,53 36,26 64,62 86,2 107,7 150,8 194 czstotliwo [Hz] pr z y sp iesz en ie [ m /s 2 ] c) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 4,1 6,574 14,16 21,53 37,11 64,62 86,11 107,7 150,8 193,9 czstotliwo [Hz] p rz y sp ie sz e n ie [ m /s2] d) 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 4,39 6,32 12,37 21,55 34,33 64,52 86,11 107,7 150,8 193,9 czstotliwo [Hz] p rz y s p ie s z e n ie [ m /s 2 ]
Rys. 5. Rozkad maksymalnych amplitud widm sygnaów drganiowych pyty podogowej samochodu marki Fiat Punto dla wyselekcjonowanych czstotliwoci charakterystycznych (amortyzator wypeniony czynnikiem roboczym w 100%); a) miejsce trzymania stóp kierowcy, b) miejsce trzymania stóp pasa era przedniego, c) miejsce trzymania stóp pasa era tylnego z lewej
4. PODSUMOWANIE
Oddziaywanie drga na czowieka w transporcie jest zagadnieniem bardzo istotnym. Nage lub nasilajce si zjawiska drganiowych o charakterze miejscowym mog mie wpyw na bezpieczestwo. Czowiek jako operator rodka transportu poddany drganiom o charakterze miejscowym mo e straci kontrol nad sterowaniem. Bardzo istotne s tak e drgania o charakterze ogólnym, które maj znaczcy wpyw na poczucie dyskomfortu.
W artykule przedstawiono wyniki analiz czstotliwociowych miar drganiowych rejestrowanych na pycie podogowej pojazdu w funkcji stanu technicznego elementów tumicych drgania w pojazdach samochodowych. Najwiksz wra liwo diagnostyczn wykaza symptom stanu technicznego amortyzatora w postaci wartoci maksymalnej amplitudy drga w pamie 12-17 [Hz]. Jest to pasmo czstotliwoci rezonansowej mas nieresorowanych. W przedstawionych wynikach bada samochodu Fiat Punto czstotliwo ta wynosi okoo 12,5 Hz. Spadek iloci pynu amortyzatorowego powoduje zmniejszenie skutecznoci tumienia i wzrost amplitudy w pamie rezonansu mas nieresorowanych. Jest to bardzo niebezpieczne zjawisko poniewa wpywa bezporedni na bezpieczestwo pojazdu i w skrajnych przypadkach mo e powodowa utrat przyczepnoci koa do nawierzchni drogi. Ciekawe zjawisko zaobserwowano dla czstotliwoci okoo 65 Hz, która mo na rozpatrywa jako 5-t harmoniczn rezonansu mas nieresorowanych. W tym przypadku zaobserwowano przeciwn zale no w postaci spadku wartoci amplitud maksymalnych wraz ze spadkiem iloci pynu amortyzatorowego. Dodatkowo na podstawie analizy porównawczej rozkadu drga z przodu i tyu pyty podogowej stwierdzono, e dominujce skadowe czstotliwociowe, bdce nonikiem najwikszej energii drganiowej, w punktach wnikania drga do pasa erów siedzcych z tyu zawieraj si w pamie 62-66 Hz, podczas bada amortyzatorów wypenionych w 100% czynnikiem roboczym. Mo na zatem przyj, e prawidowy stan techniczny amortyzatora, poza skutecznoci tumienia, wpywa na przesunicie dynamiki drga ukadu poza pasma czstotliwoci niebezpiecznych dla bezpieczestwa, czyli rezonansu mas nieresorowanych.
Bibliografia
1. Burdzik R.: Monitoring system of vibration propagation in vehicles and method of analysing vibration modes. J. Mikulski (Ed.): TST 2012, CCIS 329, Springer, Heidelberg, 2012, s. 406-413.
2. Burdzik R., Gardulski J.: Metodyka wyznaczania diagnostycznych miar stanu technicznego amortyzatorów samochodowych. Diagnostyka 4(40), 2006, s. 127-132.
3. Burdzik R., Konieczny ., azarz B.: Influence of damping characteristics changes on vehicles vibration research. 19th International Congress on Sound and Vibration (ICSV19), Conference proceedings, 2012, s. 657.
4. Burdzik R., Gardulski J.: Frequency analysis decimation vibration signals of passenger car’s suspensions, Transport Problems vol. 2 issue 1, 2007, s. 23-29.
5. Dobrzaski L.A., Bonek M., Hajduczek E., Klimpel A., Lisiecki A.: Application of high power diode laser (hpdl) for alloying of X40CRMOV5-1 steel surface layer by tungsten carbides. Journal of Materials Processing Technology 155/156, 2004, s. 1956-1963.
6. Engel Z.W., Kowalski P.: Investigation of the influence of simultaneous vibroacoustic exposures on the operator. Journal of the Theoretical and Applied Mechanics 46(4), 2008, s. 799–811.
7. Figlus T., Wilk A., Madej H., azarz B.: Investigation of gearbox vibroactivity with the use of vibration and acoustic pressure start-up characteristics. Archive of Mechanical Engineering 58 (2), 2011, s. 209-221.
8. Folga P., Siwiec G.: Numerical analysis of selected materials for flexsplines. Archives of Metallurgy and Materials 57 (1), 2012, s. 185-191.
9. azarz B., Wojnar G., Czech P.: Wykrywanie wczesnych faz uszkodze kó zbatych w warunkach eksploatacyjnych. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2011 nr 1, s. 68-77. 10. Michalski R, Wierzbicki S.: An analysis of degradation of vehicles in operation. Eksploatacja i
Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 1(37), 2008, s. 30-32.
11. Nader M.: Influence of mechanical vibrationon the human body in the means of transport and its modeling. Archives of Transport vol. 12, iss. 2, 2000, s. 33-53.
12. Przyucki R., Smalcerz A.: Induction heating of gears - pulsing dual-frequency concept. Metalurgija 52(2), 2013, s. 235-238.
13. Radkowski S., Szczurowski K.: Use of vibroacoustic signals for diagnosis of pre-stressed structures, Eksploatacja i Niezawodno – Maintenance and Reliability vol. 14 No. 1, 2012, s. 84-91.
14. Wgrzyn T., Wieszaa R.: Significant alloy elements in welded steel structures of car body. Archives of Materials and Metallurgy vol. 57 iss. 1, 2012, s. 45-52.
15. Uhl T., Chudzikiewicz A., Karpiski J.: Dynamic problems in rail vehicle design. Archives of Transport vol. 12, iss. 1, 2000, s. 57-71.
FREQUENCY BASED ESTIMATORS OF VIBRATION EXPOSURE DYNAMICS AND SHOCK ABSORBER TECHNICAL STATE MEASURED IN PLACES
OF PENETRATION OF VEHICLE VIBRATION TO HUMAN BODY
Summary: The paper presents the results of research on vehicle vibration with built-in shock absorbers
identified technical state. The vertical vibration acceleration were measured at selected points of the vehicle construction, including on the floor in the foot passengers adhere to the floor. The amplitude measures were calculated in chosen frequency bands. The comparison of these measures, depending on the percent of filling of working fluid of shock absorber were presented. This allows for the pre-evaluation of the influence of the technical state of shock absorber on the level and dynamics of whole-body vibration exposure on humans.
