Metoda diagnozowania dynamicznych zmian ciśnienia w układzie hamulcowym z systemem abs za pomocą czujników piezoelektrycznych

Streszczenie

W artykule przedstawiono metodĊ diagnozowania działania zaworów układu ha-mulcowego z ABS z zastosowaniem piezokwarcowych czujników odkształceĔ przewodów hamulcowych. Metoda ta polega na pomiarach sygnałów z czujników pie-zokwarcowych montowanych na przewody hamulcowe, a nastĊpnie na analizie tych sygnałów za pomocą opracowanego algorytmu obliczeniowego. Przedstawiono pod-stawy teoretyczne pomiaru i zaleĪnoĞci pomiĊdzy sygnałem napiĊciowym z czujnika piezoelektrycznego, a zmianami ciĞnienia w przewodzie hamulcowym. Zaprezento-wano procedurĊ analizy sygnału napiĊciowego z czujnika piezo. Przedstawiono wyniki cyfrowego całkowania tego sygnału i sposób likwidacji trendu powodującego nachy-lenie funkcji po całkowaniu. W wyniku tych procedur, na podstawie sygnału z czujnika piezo, uzyskano przebiegi adekwatne do przebiegów ciĞnienia w przewodzie hamulco-wym. Opracowana metoda pozwala na diagnostyczną ocenĊ działania zaworów układu ABS bez demontaĪu układu hamulcowego. MoĪe byü równieĪ zastosowana w innych układach hydraulicznych.

Słowa kluczowe: układ ABS, diagnozowanie, czujnik piezoelektryczny 1. Wprowadzenie

Układ hamulcowy z systemem ABS stał siĊ standardem w wyposaĪeniu pojazdów samochodo-wych. Ze wzglĊdów bezpieczeĔstwa podlega on szczególnemu nadzorowi diagnostycznemu. System diagnostyki pokładowej nadzoruje elementy elektryczne i elektroniczne tego układu. Pozwala w szybki sposób – on line wykryü usterki elementów elektrycznych, elektronicznych i ewentualne błĊdy w obliczaniu i przesyle danych. W przypadku parametrów pracy niezgodnych z załoĪonymi w programie sygnalizuje usterkĊ i wyłącza układ z pracy. Elementy mechaniczne i hydrauliczne nie są na bieĪąco kontrolowane w tym systemie. Natomiast sprawdzenie działania układu ABS jako całoĞci wymaga specjalnych stanowisk, na których moĪna rejestrowaü prĊdkoĞci kół samochodu w trakcie hamowania z uruchomionym układem ABS oraz obliczaü i analizowaü poĞlizg kół [1]. Ze wzglĊdu na koszt tego typu stanowisk metoda ta ma stosunkowo wąskie zastoso-wanie. Dla serwisów samochodowych, a takĪe dla stacji kontroli pojazdów wskazane jest opracowanie metody oceny elementów hydraulicznych układu ABS, nie wymagającej tak rozbudo-wanych stanowisk.

W referacie przedstawiono metodĊ diagnozowania, która pozwala oceniü działanie zaworów elektrohydraulicznych układu ABS, bez demontaĪu układu hydraulicznego. Polega ona na pomia-rach pulsacji ciĞnienia za pomocą sygnałów z czujników piezoelektrycznych montowanych na przewody hamulcowe. Czujniki tego typu pozwalają na pomiar dynamicznych, szybkozmiennych przebiegów sił, lub ciĞnieĔ.

2. Zasada pomiaru ciĞnienia

Do pomiaru szybkozmiennych ciĞnieĔ w układzie ABS wykorzystano metodĊ pomiaru i analizy odkształceĔ przewodów hydraulicznych za pomocą czujnika piezoelektrycznego. Czujnik ten obej-muje ĞciĞle metalowy przewód hamulcowy, który odkształca siĊ pod wpływem zmian ciĞnienia (rys. 1). Przewód, odkształcając siĊ promieniowo, oddziaływuje na zaciĞniĊty na nim czujnik siłą, powodując efekt piezoelektryczny proporcjonalny do wartoĞci siły F:

V

Q k F

=

gdzie:

Q – ładunek elektryczny indukowany na elemencie piezo [C], kV – moduł piezoelektryczny [C/N], (dla kwarcu k = 2,3x10-12 C/N), F –siła działająca na czujnik [N]

Siła F zaleĪy od sztywnoĞci zaciĞniĊcia czujnika na przewodzie cc i odkształcenia x tego prze-wodu:

( )

F c x t

= ⋅

gdzie:

cc– sztywnoĞü zaciĞniĊcia czujnika na przewodzie,

x(t) – odkształcenie przewodu hydraulicznego, zmienne w czasie NapiĊcie na zaciskach piezoelementu wynosi:

1 p v p p Q U k F C C = = (3)

gdzie: Cp – pojemnoĞü własna piezoelementu

Z fizykalnego punktu widzenia odkształcenie przewodu hamulcowego, oddziałujące na element piezoelektryczny wywołuje wygenerowanie ładunku elektrycznego zgodnie z zaleĪnoĞcią (1). Jed-nak pomiar ładunku elektrycznego wymagałby zastosowania specjalnego układu pomiarowego (wzmacniacza ładunku) i stanowiłby problem metrologiczny w samochodzie, gdzie róĪne obwody elektryczne działają z wykorzystaniem wspólnej masy pojazdu. Szczególne problemy niosą ze sobą zakłócenia pochodzące od działania alternatora oraz układu zapłonowego.

Stosunkowo łatwo moĪna mierzyü napiĊcie na elemencie piezoelektrycznym zgodnie z wzorem (3). PamiĊtaü naleĪy, Īe nawet najdoskonalszy woltomierz obciąĪa swoją opornoĞcią Ĩródło napiĊcia powodując jego rozładowanie. Zjawisko takie przedstawiono na rys. 2, gdzie zarejestrowano proces pojedynczego naciĞniĊcia na dĨwigniĊ hamulca, powodujący impuls ciĞnienia. Podczas rejestracji na-piĊcia na elemencie piezoelektrycznym widaü fazĊ wytwarzania ciĞnienia (ujemny pik napiĊciowy),

spadek napiĊcia i utrzymanie wartoĞci zerowej w fazie utrzymania ciĞnienia oraz pik napiĊciowy do-datni w fazie zwalniania nacisku na hamulec. Do rejestracji tego typu przebiegów stosuje siĊ układy róĪniczkujące, które rejestrują prĊdkoĞü zmian napiĊcia na elemencie piezoelektrycznym, które odpo-wiadają prĊdkoĞci zmian mierzonej wielkoĞci, np. ciĞnienia (rys. 2). Układy te są powszechnie stosowane, współpracując z czujnikami piezoelektrycznymi, w obrotomierzach czy urządzeniach do kontroli kąta początku wtrysku silników z zapłonem samoczynnym. Proponowana przez autorów me-todyka pomiarowa nie wymaga konstruowania nowych układów pomiarowych, a tylko odpowiedniego oprogramowanie juĪ istniejących urządzeĔ diagnostycznych.

Rys. 1. Sposoby mocowania czujnika piezoelektrycznego na przewodzie hamulcowym ħródło: opracowanie własne.

Rys. 2. Przebieg napiĊcia mierzony oscyloskopem cyfrowym na elemencie piezoelektrycznym w czasie pojedynczego impulsu ciĞnienia

Jak wykazały badania, przy dynamicznych zmianach ciĞnienia w przewodzie hamulcowym, napiĊcie indukowane na elemencie piezokwarcowym czujnika obejmującego przewód zaleĪy od wartoĞci i szybkoĞci zmian siły F(t), a wiĊc od ciĞnienia p(t). W stosowanym w badaniach rozwią-zaniu układu pomiarowego obwód czujnika piezoelektrycznego jest zwarty do masy pojazdu, a sygnał pomiarowy jest proporcjonalny do szybkoĞci zmian ciĞnienia w przewodzie hamulcowym:

( )

gdzie: A – parametr uwzglĊdniający sztywnoĞü przewodu i sztywnoĞü zamocowania czujnika Analiza przebiegu ciĞnienia wymaga wiĊc wykonania całkowania zarejestrowanego sygnału napiĊciowego z czujnika piezokwarcowego:

( )

( )

C

p t

U t dt p

A k

=

⋅

+

⋅

³

Wykres na rys. 3 przedstawia wynik pomiaru ciĞnienia w przewodzie hamulcowym, mierzo-nego czujnikiem tensometrycznym, oraz sygnał napiĊciowy z czujnika piezoelektryczmierzo-nego, przy hamowaniu pulsacyjnym. WystĊpuje wyraĨny pik sygnału z czujnika piezoelektrycznego w czasie zmiany ciĞnienia. Wskazuje to na moĪliwoĞü zaobserwowania dynamicznych zmian ciĞnienia w przewodach hamulcowych w czasie hamowania pulsacyjnego, lub podczas działania układu ABS za pomocą czujnika piezoelektrycznego.

-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 U [V] PIEZO p(t)

Rys. 3. Przebiegi ciĞnienia p(t) w przewodzie hamulcowym i sygnału z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO), mierzone podczas hamowania pulsacyjnego

-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 U [V] PIEZOp(t) dp/dt

Rys. 4 a) Sygnał ciĞnienia (p(t)), sygnał z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) i pochodna ciĞnienia wzglĊdem czasu (dp/dt)

ħródło: opracowanie własne.

-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 U [V] PIEZO p(t) -dp/dt

Rys. 4 b) Sygnał ciĞnienia (p(t)), sygnał z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) i pochodna ciĞnienia wzglĊdem czasu ze zmienionym znakiem (-dp/dt) ħródło: opracowanie własne.

Na rys. 4a przedstawiono wynik cyfrowego róĪniczkowania sygnału ciĞnienia mierzonego czuj-nikiem tensometrycznym. Pochodna ciĞnienia wzglĊdem czasu ze zmienionym znakiem (-dp/dt) jest adekwata do sygnału z czujnika piezoelektrycznego, co pokazano na rys. 4b. Uzyskane wyniki po-twierdziły, Īe metoda pomiaru odkształcenia przewodu hamulcowego za pomocą czujnika piezokwarcowego daje sygnał adekwatny do zmian pochodnej ciĞnienia wzglĊdem czasu.

W dalszej czĊĞci analiz przeprowadzono próby cyfrowego całkowania sygnału z czujnika piezo-elektrycznego, co jest zabiegiem trudniejszym od róĪniczkowania. Pojawia siĊ bowiem trend (rys. 5), którego usuniĊcie wymaga dodatkowych działaĔ. W tym przypadku naleĪy wyznaczyü kąt nachylenia odcinków prostych sygnału po całkowaniu i obróciü sygnał wzglĊdem osi odciĊtych o ten kąt.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 U [V] U1 [Vs] PIEZO p(t) Całka(U(t)dt)

Rys. 5. Wynik cyfrowego całkowania sygnału piezo, bez usuwania trendu ħródło: opracowanie własne.

Po przeskalowaniu zmierzonych sygnałów otrzymujemy przebiegi ciĞnienia mierzone czujni-kiem tensometrycznym wbudowanym w układ hamulcowy (w barach) i czujnikiem piezoelektrycznym montowanym na przewodzie hamulcowym (w V) (rys. 6). Analiza obu sygnałów wskazuje, Īe metoda ta moĪe byü stosowana do jakoĞciowej oceny zmiennych przebiegów ciĞnienia, a wiĊc m.in. do diagnozowania działania zaworów elektrohydraulicznych układu ABS i układów pochodnych. Wyznaczanie wartoĞci ciĞnienia na podstawie wyników całkowania sygnału z czujnika piezoelektrycznego musi uwzglĊdniaü sztywnoĞü przewodu i sztywnoĞü mocowania czujnika. Wymaga to zastosowania czujnika piezoelektrycznego, dostosowanego do Ğrednicy przewodu ha-mulcowego i opracowania uchwytu, umoĪliwiającego jego mocowanie, z tym samym zaciskiem wstĊpnym. -20 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p [bar] U [V] PIEZO p(t) p_PIEZO

Rys. 6. Wyniki pomiaru ciĞnienia w przewodzie hamulcowym oraz wynik analizy cyfrowej sygnału z czujnika piezoelektrycznego przy hamowaniu pulsacyjnym

3.2. Hamowanie z udziałem układu ABS

PowyĪej przedstawione wnioski zweryfikowano doĞwiadczalnie badając moĪliwoĞü oceny działania zaworów układu ABS w rzeczywistych warunkach jego uĪytkowania metodą analizy od-kształceĔ przewodu hamulcowego.

Przebiegi na rys. 7 przedstawiają wyniki pomiaru ciĞnienia p(t) czujnikiem tensometrycznym i sygnału napiĊciowego z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO), przy hamowaniu z działaniem ABS. Sygnał z czujnika piezokwarcowego reprezentuje szybkoĞü zmian ciĞnienia w przewodzie hamulcowym, według zaleĪnoĞci (4). WystĊpują wyraĨne, gwałtowne zmiany napiĊcia sygnału z czujnika piezoelektrycznego w czasie działania zaworów elektrohydraulicznych ABS. Wskazuje to na moĪliwoĞü bezpoĞredniego obserwowania przebiegów gwałtownej zmiany ciĞnienia i działa-nia tych zaworów.

Sygnał z czujnika piezoelektrycznego, rejestrowany podczas hamowania w warunkach drogo-wych jest silnie zakłócony, szczególnie w okresie przed narostem ciĞnienia i po zakoĔczeniu hamowania (rys. 8). Wynika to zarówno z drgaĔ przewodu hamulcowego spowodowanych pracą silnika, jak i z zakłóceĔ elektrycznych, np. od działania układu zapłonowego. Z praktycznego punktu widzenia interesującym jest przebieg sygnału dopiero po pojawieniu siĊ nadciĞnienia w przewodzie hamulcowym. Jest to obszar na rys. 8, miĊdzy pionowymi liniami obrazującymi początek i koniec hamowania. Obszar ten moĪna wyznaczyü np. analizując sygnał z czujnika Ğwiateł hamowania pojazdu. -6 -4 -2 0 2 4 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t [s] 10 U [V] p(t) PIEZO

Rys. 7. Przebiegi ciĞnienia p(t) i sygnału z czujnika piezoelektrycznego (PIEZO) mierzone podczas hamowania z działającym układem ABS. Sygnał PIEZO po filtracji

-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 U [V]

Rys. 8. Sygnał z czujnika piezokwarcowego zarejestrowany podczas hamowania pojazdu ħródło: opracowanie własne.

PoniewaĪ wartoĞü Ğrednia sygnału z czujnika piezoelektrycznego przed i po hamowaniu nie jest taka sama, wyznaczenie odpowiedniego przebiegu ciĞnienia tylko poprzez całkowanie sygnału z czujnika piezoelektrycznego nie jest moĪliwe (rys. 9). Aby przebieg funkcji uzyskanej po całko-waniu sygnału z czujnika piezoelektrycznego odpowiadał rzeczywistemu przebiegowi ciĞnienia w przewodzie, podzielono ją na trzy odcinki, zgodnie ze stanami pracy układu hamulcowego:

-0,3 -0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p_c [Vs] p1(t)

Rys. 9. Całka sygnału z czujnika piezoelektrycznego przy hamowaniu z uruchomionym układem ABS

ħródło: opracowanie własne.

− przebieg przed narostem ciĞnienia, przed hamowaniem, − przebieg podczas hamowania,

− przebieg po zaniku nadciĞnienia, po hamowaniu,

NastĊpnie dla pierwszego odcinka przebiegu całki sygnału wyznaczono aproksymacjĊ liniową przebiegu p1(t) i tą funkcjĊ potraktowano jako poziom odniesienia dla całego sygnału (rys. 9).

Od wartoĞci całki odjĊto wartoĞci funkcji p1(t) wyznaczonej dla pierwszego odcinka. Przebieg

sy-gnału po tej modyfikacji przedstawiono na rys. 10.

Kolejnym krokiem było wykorzystanie wiadomoĞci, Īe nadciĞnienie w układzie hamulcowym po zakoĔczeniu hamowania powinno osiągnąü wartoĞü z przed hamowania. W tym celu wyznaczono przebieg funkcji liniowej p2(t) (rys. 10), przechodzącej przez punkty początku i koĔca hamownia i od

wartoĞci sygnału po pierwszej modyfikacji, w drugim i trzecim przedziale odjĊto wartoĞü wyznaczonej funkcji liniowej p2(t). Przebieg sygnału po drugiej modyfikacji przedstawiono na rys. 11.

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p_c [Vs] p2(t)

Rys. 10. Funkcja uzyskana po pierwszej modyfikacji całki sygnału z czujnika piezoelektrycznego ħródło: opracowanie własne.

-0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p_c [Vs]

Rys. 11. Funkcja uzyskana po drugiej modyfikacji całki sygnału z czujnika piezoelektrycznego ħródło: opracowanie własne.

W nastĊpnym kroku wyzerowano wartoĞci sygnału po drugiej modyfikacji w pierwszym i trze-cim przedziale, a wartoĞci tak uzyskanego sygnału pomnoĪono przez wczeĞniej wyznaczony współczynnik skali. Na rys. 12 przedstawiono porównanie przebiegu sygnału z czujnika piezoelek-trycznego uzyskanego poprzez całkowanie i modyfikacjĊ z sygnałem z tensomepiezoelek-trycznego czujnika ciĞnienia. Przebiegi są adekwatne i pozwalają oceniü poszczególne fazy działania układu ABS.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p_c [Vs] p [V] p [V] p_piezo [Vs]

Rys. 12. Porównanie przebiegu ciĞnienia uzyskanego po modyfikacji sygnału z czujnika piezoelektrycznego z sygnałem z tensometrycznego z czujnika ciĞnienia ħródło: opracowanie własne.

Dodatkowe wyniki całkowania i modyfikacji kilku przebiegów sygnałów z czujnika piezoelektrycz-nego zamontowapiezoelektrycz-nego na przewodzie wysokiego ciĞnienia, podczas hamowaĔ z uruchomionym układem ABS oraz przebiegi ciĞnieĔ mierzonych czujnikiem tensometrycznym zamontowanym przed zaciskiem hamulcowym przedstawiono na rys. 13–14. Przekształcony sygnał z czujnika piezoelektrycznego jest łatwy do interpretacji i pozwala na sprawdzenie działania zaworów, a takĪe na analizĊ przebiegów ciĞnienia w układzie hamulcowym bez demontaĪu układu hydraulicznego. Prowadzący badanie po zare-jestrowaniu sygnałów z czujnika piezoelektrycznego i z czujnika Ğwiateł hamowania uzyskuje wyznaczone przez program diagnostyczny przebiegi ciĞnienia przedstawione w formie graficznej.

0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p [V] p_c [Vs] p [V] p_piezo [Vs]

Rys. 13. Przebieg ciĞnienia w zacisku hamulca oraz sygnał z czujnika piezoelektrycznego po całkowaniu dla hamowania w warunkach drogowych, z uruchomionym układem ABS ħródło: opracowanie własne.

0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p [V] p_c [Vs] p [V] p_piezo [V*s] 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 t [s] 12 p [V] p_c [Vs] p [V] p_piezo [Vs]

Rys. 14. Przebiegi ciĞnienia w zacisku hamulca oraz sygnał z czujnika piezoelektrycznego po całkowaniu, dla hamowania w warunkach drogowych, z uruchomionym układem ABS ħródło: opracowanie własne.

4. Podsumowanie i wnioski

Opracowana metoda rejestracji zmian ciĞnienia w przewodzie hamulcowym za pomocą czuj-nika piezoelektrycznego mierzącego odkształcenie przewodu, pozwala na bezinwazyjny pomiar ciĞnienia w układzie hydraulicznym i analizĊ jego zmian.

Transformacja sygnału z czujnika piezoelektrycznego w celu uzyskania przebiegów ciĞnienia w przewodzie hamulcowym wymaga zastosowania techniki numerycznego całkowania oraz usuwa-nia trendu pojawiającego siĊ po całkowaniu sygnału. Współczynniki kierunkowe linii trĊdu są róĪne w kaĪdym ze stanów pracy układu hamulcowego.

Opracowana metoda bezinwazyjnego diagnozowania układu hydraulicznego pozwala na ocenĊ przebiegu zmiennego ciĞnienia w przewodzie hamulcowym samochodu i zastosowanie jej w dia-gnozowaniu działania zaworów elektrohydraulicznych układu ABS i układów pokrewnych.

Metoda ta nie wymaga stosowania nowych układów pomiarowych, a jedynie wykorzystanie stosowanych obecnie urządzeĔ diagnostycznych poprzez ich odpowiednie oprogramowanie.

Bibliografia

1. Gajek A.: Evaluation of ABS operations on drum stand. The Archive of Mechanical Engineering, vol. XLIX, 2002, nr 2.

2. Gajek A., Juda Z.: Mechatronika Samochodowa – Czujniki, WKŁ, W-wa 2008. 3. Piezoelectricity. APC International Ltd. www.americanpiezo.com.

4. Gajek A. wraz zespołem; Monitory Diagnostyczne dla Systemu Diagnostyki Pokładowej Hamulców Samochodów Osobowych. Projekt badawczy nr NN 509175833, Politechnika Krakowska, Kraków 2010.

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 algo-rithm 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 StrzĊpek

Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Wydział Mechaniczny

Politechnika Krakowska al. Jana Pawła II 37

e-mail: gajeka@mech.pk.edu.pl, piotrs@mech.pk.edu.pl Stanisław Walczak

Instytut InĪynierii Cieplnej i Procesowej Wydział Mechaniczny

Politechnika Krakowska al. Jana Pawła II 37

e-mail: swalczak@mech.pk.edu.pl