Seria: T R A N SPO R T z. 48 N r kol. 1604
Janusz G A R D U LSK I, Jan W A R C Z E K
d i a g n o s t y k a a m o r t y z a t o r ó w z a b u d o w a n y c h
w POJEŹDZIE OPARTA NA ANALIZIE EFEKTÓW NIELINIOWYCH
Streszczenie. W referacie przedstaw iono w yniki badań eksperym entalnych, których celem było ustalenie p rzydatności zaaw ansow anych m etod badaw czych w diagnostyce eksploatacyjnej zaw ieszeń. Z aproponow ana m etoda diagnostyczna b azu je na analizie efektów nieliniowych jak o źródle inform acji o stanie technicznym zaw ieszenia sam ochodu.
THE DIAGNOSTIC OF IN VEHICLE INSTALLED SHOCK-ABSORBERS BASED ON ANALYSIS OF NON-LINEAR EFFECTS
Sum m ary. The p ap er presen ts results experim ental investigations, w hich the aim w as settlement o f usefulness o f advanced investigative m ethods in exploational diagnostics. The proposed diagnostic m ethod based at on analysis o f non-linear effects as source o f state information technical suspensions o f car.
1. W PR OW A DZEN IE
Zaw ieszenia w spółczesnych p ojazdów sam ochodow ych to złożone układy m echaniczne zaw ierające elem enty sprężyste i tłum iące o nieliniow ych charakterystykach [1]. W czasie życia 0 w w yniku od d ziały w an ia w ielu czynników eksploatacyjnych charakterystyki elem entów zaw ieszeń u leg ają zm ianom [2], które w pływ ają n a d ynam ikę zaw ieszenia, a w konsekwencji p o w o d u ją obniżenie zarów no bezpieczeństw a, ja k i kom fortu jazdy.
Rozwiązanie problem u d iagnozow ania układu zaw ieszenia w iąże się z koniecznością w ykonania analizy dynam icznej nieliniow ego układu m echanicznego.
O becnie stosow ane m etody diagnozow ania stanu technicznego zaw ieszeń sam ochodowych b azu ją na ocenie orientacyjnych w skaźników , których w artości obciążone są dużym błędem w ynikającym z po m in ięcia w pływ u w ielu czynników eksploatacyjnych.
Uzyskane w yniki w dalszej kolejności poddaw ane są subiektyw nej o cenie diagnosty [3].
2. M ETO D Y K A B A D A Ń
W ram ach p racy p rzeprow adzono szereg eksperym entów czy n n y ch na zaw ieszeniu sam ochodu osobow ego, w którym w prow adzone zostały zaprogram ow ane niespraw ności.
Celem badań było ustalenie przydatności zaaw ansow anych m eto d analiz sygnałów w diagnostyce eksploatacyjnej zaw ieszeń. O biektem badań było zaw ieszenie niezależne sam ochodu F iat Seicento (rys. 1).
30 J. G ardulski, J. W arczek
Rys. 1. Z aw ieszenie ty p u M cP herson sam ochodu F iat Seicento [13]: 1 - w ahacz poprzeczny w k ształcie litery „L ” , 2 - am ortyzator teleskopow y, 3 - sprężyna śrubow a stożkow a, 4 - talerz oporow y sprężyny, 5 - gniazdo kolum ny zaw ieszenia
Fig. 1. Suspension o f type M cP herson the car the Fiat Seicento [13]: 1 - the transverse rocker in shape o f letter "L ” , 2 - shock-absorber, 3 - helical conical spring, 4 - resistory plate o f spring, 5 - nest o f line astern o f suspension
G łów nym elem entem odpow iedzialnym za m inim alizację drgań przenoszonych na ludzi i ładunki w pojazdach sam ochodow ych są obecnie hydrauliczne am ortyzatory teleskopow e. S ą to tłum iące elem enty zaw ieszeń o nieliniow ym sposobie przetw arzania energii drgań m echanicznych na ciepło. Z asada pracy am ortyzatora opiera się na przetłaczaniu cieczy w obiegu zam kniętym p rzez kalibrow ane otw ory. W m om encie przek ro czen ia założonej wartości siły tłu m ien ia n astęp u je otw arcie zaw orów korekcyjnych pow odujące zm ianę charakterystyki.
Zaplanow any eksperym ent czynny polegał na pom iarach drgań nadw ozia sam ochodu, w którego zaw ieszeniu p raco w ał uszkodzony am ortyzator o znanej charakterystyce.
C harakterystyki w adliw ych tłum ików drgań w yznaczono na stanow isku indykatorow ym . Pojazd eksperym entalny poddaw ano działaniu w ym uszenia harm onicznego. M ierzonym param etrem drganiow ym b y ły przyspieszenia, które rejestrow ano z a p o m o cą układów typu AJDXL firm y A nalog Devices®. P rzetw orniki m ocow ano na gnieździe k o lum ny zaw ieszenia w kierunku działania siły tłum ienia (rys. 2). Sygnał z przetw orników po zdyskretyzow aniu poddano dalszej obróbce w ykorzystując środow isko obliczeniow e M atlab.
W ykorzystując zarejestro w an y m ateriał badaw czy szukano m iary diagnostycznej czułej na zm iany stanu technicznego am ortyzatora. U zyskane w yniki p rzy w ykorzystaniu testu chw ilow ej gęstości m o cy zaklasyfikow ano do grupy sygnałów niestacjonarnych [4, 9].
W przew ażającej. w ięk szo ści czasu obserw acji sąsiednie chw ilow e gęstości w idm ow e m ocy analizow anych sygnałów różniły się m iędzy so b ą strukturą częstotliw ościow ą.
W ynikało to z faktu, iż p rzy pobudzaniu zaw ieszenia do drgań, w w yniku oddziaływ ania nieliniow ości elem entów tego układu, generow ane są niestacjonarne sygnały drganiow e [5, 6,7].
Rys. 2. W idok stanow iska laboratoryjnego - strzałka w skazuje m iejsce m ocow ania akcelerom etru
Fig. 2. The view o f laboratory stand - the arrow show s the place o f fixing the accelerom eter
Analiza sygnałów niestacjo n arn y ch w ym aga w ykorzystania zaaw ansow anych m etod badaw czych [8 , 9], D zieje się tak, poniew aż istotne inform acje zaw arte s ą w dziedzinach częstotliwości i czasu. K onieczne staje się w ykorzystanie m etod analiz, które um ożliw iają jednocześnie o bserw ację zm ian rozk ład u energii sygnału drganiow ego n a płaszczyźnie dwuwymiarowej (czasow o-częstotliw ościow ej). Istnieje kilka przekształceń um ożliw iających takie analizy:
- krótkoczasow a transform ata F ouriera (Short Tim e F ourier T ransform , STFT) - transform ata falkow a (W avelet Transform , W T),
- transform ata W ig n era-V ille’a (W igner-V ille D istribution, W V D ).
W pracy do analiz w yko rzy stan o pseudoprzekształcenie W ig n era-V ille’a z oknem filtracyjnym C hoi-W illiam sa [10].
3. M ETODA A N A LIZY
W idm o w zajem ne W ig n era-V ille’a dw óch sygnałów x (t) i y (t) definiow ane je st następująco:
WVDv ( t , f ) = \ x ( t + ^ ) y * ( t - ~ ) e - J2^ d T (1)
jeżeli x(t) = y(t), pow yższe przekształcenie m ożna zapisać w postaci:
j l t r i t
W VD„ (<9, r ) = \ x* (i - T- ) x { t + T- ) e dt (2) gdzie: ¡W D a (9, t)- p seudoprzekształcenie W ignera-V ille’a,
x *(t) - sygnał urojony sp rzężony z x (t), T - przesunięcie w d zied zin ie czasu, 6 - przesunięcie w dziedzinie częstotliw ości.
32 J. G ardulski, J. W arczek
T ransform ata ta pozw ala przekształcić sygnał zapisany w postaci przebiegu czasow ego na w idm o czasow o-częstotliw ościow e. Program M atlab posiada zaim plem entow aną dyskretną w ersję tego p rzekształcenia, k tó ra um ożliw ia obróbkę sygnału zdyskretyzow anego. Poniew aż algorytm realizujący tę transform atę w ykorzystuje dw ukrotne przekształcenie Fouriera, w arunkiem uniknięcia zjaw isk a aliasingu je s t próbkow anie sygnału ciągłego z co najm niej dw ukrotnie w ięk szą często tliw o ścią od kryterium N yąuista.
W celu redukcji efektów zw iązanych z przeciekiem w idm a, które u tru d n iają interpretację uzyskanych w yników , w ykonuje się operację filtracji W V D za p o m o cą funkcji w agow ych.
W pracy w ykorzystano funkcję w ag o w ą C hoi-W illiam sa w postaci:
<f>(6, t ) = e x p (- $ V 1 e r 1 ) (3)
o - param etr p roporcjonalny do am plitudy przecieku w idm a.
W efekcie zastosow any aparat m atem atyczny m ożna zapisać:
-i-i
W V D ( f ,t) = f x * ( t - ^ ) x ( t + ~ ) e J2¥e d l (4)
4. W Y NIKI A N A LIZ
A nalizie poddano tę część zarejestrow anych sygnałów , w której param etry w ym uszenia były stałe w czasie. U kład zaw ieszenia pracow ał pow yżej podstaw ow ych częstotliw ości rezonansow ych zw iązan y ch z m asam i resorow aną i nieresorow aną. P rzykładow y w ynik uzyskany dla spraw nego am ortyzatora przedstaw iono poniżej na rys. 3.
Rys. 3. R ozkład W ig n era-V ille’a przyspieszeń drgań nadw ozia Fig. 3. W ig n er-V ille’a distribution o f vertical accelerations body o f car
Poniew aż usterka am ortyzatora pow oduje zm ianę jeg o charakterystyki, naw et w ów czas gdy zużycie elem entu n ie w p ły w a znacząco na zm ianę energii p rocesu w ibroakustycznego, pow inna się zm ienić postać drgań, a tym sam ym zm ienią się efekty nieliniow e [11], Aby m ożliw e było o bserw ow anie zm ian nieliniow ości procesu, zastosow ano filtrację góm oprzepustow ą. W ten sposób z w idm a czasow o-częstotliw ościow ego usunięto pasm o podstaw ow ych częstotliw ości rezonansow ych. U zyskane w yniki zestaw iono z w yznaczonym i dośw iadczalnie ch arakterystykam i am ortyzatorów . Poniżej przedstaw ione zostały w yniki uzyskane d la u szk o d zeń am ortyzatorów w postaci ubytku cieczy am ortyzatorow ej (rys.4,5,6,7) oraz dla sym ulow anego starzenia się oleju - spadek lepkości (rys. 8 i 9).
Rys. 4. C harakterystyka am o rty zato ra now ego - 100% płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D przyspieszeń drgań nadw ozia
Fig- 4. The characteristics o f new shock-absorber - 100% th e liquid and spectrum W V D o f accelerations o f b o d y o f car
ttE 07 OS prędkość [rrVs]
€00
Rys. 5. C harakterystyka am o rty zato ra z 75% objętości nom inalnej płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D przyspieszeń drgań n adw ozia
Fig. 5. The characteristics o f shock-absorber - 75% the liquid and spectrum W V D o f accelerations o f b o d y o f car
m
Rys. 6 . C harakterystyka am o rty zato ra z 50% objętości nom inalnej płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D przyspieszeń drgań n adw ozia
Fig. 6. The characteristics o f sh ock-absorber - 50% the liquid and spectrum W V D o f accelerations o f b o d y o f car
34 J. G ardulski, J. W arczek
Rys. 7. C harakterystyka am ortyzatora z 25% objętości nom inalnej płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D przyspieszeń drgań nadw ozia
Fig. 7. The characteristics o f shock-absorber - 25% the liquid and spectrum W V D o f accelerations o f b o d y o f car
Rys. 8. C harakterystyka am ortyzatora przy 1:3 nafty do płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D p rzyspieszeń drgań nadw ozia
Fig. 8 . The characteristics o f shock-absorber near 1:3 oil to liquid and spectrum W V D o f accelerations b o d y o f car
ptędkoić [m/ł]
Rys. 9. C harakterystyka am ortyzatora przy 1:2 nafty do płynu am ortyzatorow ego oraz w idm o W V D przyspieszeń drgań nadw ozia
Fig. 9. The characteristics o f shock-absorber near 1:2 oil to liquid and spectrum W V D o f accelerations bo d y o f car
N iew ielka zm iana charakterystyki am ortyzatora w yw ołana ubytkiem oleju pow oduje w zrost efektów nieliniow ych w id o czn y w w idm ie w postaci p rążków nadrezonansow ych - czwarta i piąta harm oniczna. U szkodzenie tego typu je s t niew ykryw alne w czasie pom iarów zawieszeń na stanow iskach p om iarow ych stosow anych obecnie w diagnostyce zaw ieszeń.
Dalszy rozw ój uszkodzenia p ow oduje spadek w artości am plitud nadrezonansow ych poniżej tych uzyskanych dla am ortyzatora spraw nego. Podobnie w przypadku zm iany lepkości płynu am ortyzatorow ego efekty n ieliniow e są w w idm ie m niej w idoczne, przy zachow aniu jednakowej skali porów naw czej. W ykrycie zm iany stanu technicznego am ortyzatora zabudow anego w pojeździe je s t m ożliw e na podstaw ie analizy efektów zw iązanych ze zm ianą nieliniowości tłum ienia.
5 . W NIOSK I K O Ń C O W E
Przedstaw ione w p racy w yniki potw ierdzają przydatność analizy czasow o- częstotliw ościow ej w diagnostyce zaw ieszeń pojazdów sam ochodow ych [12]. W ykorzystanie tego typu analizy u m ożliw ia w ykrycie zm ian charakterystyki am ortyzatora zabudow anego w zawieszeniu. Z aprezentow ane w yniki należy potraktow ać ja k o w stęp do szeroko zakrojonych prac badaw czych, których celem b ęd zie sform ułow anie algorytm ów diagnostycznych do określania stanu technicznego elem entów tłum iących pasyw nych zaw ieszeń sam ochodow ych.
W dalszym ciągu prow adzone są badania eksperym entalne m ające na celu usystem atyzowanie otrzym anych w yników .
L ite ra tu r a
1. Reipell J., B etzler J.: Podw ozia sam ochodów - podstaw y konstrukcji. W K iŁ, W arszaw a 2 0 0 1.
2. Cem pel C.: P o d staw y w ibroakustycznej diagnostyki m aszyn. W N T, W arszaw a 1982.
3. Trzeciak F.: D iag n o sty k a sam ochodów osobowych. W K iŁ, W arszaw a 1992.
4. B eaucham p K. G.: P rzetw arzanie sygnałów m etodam i analogow ym i i cyfrow ym i. W N T, W arszaw a 1978.
5. O siński Z.: T eoria drgań. PW N , W arszaw a 1980.
6 . Hayashi Ch.: D rgania nieliniow e w układach fizycznych. W N T, W arszaw a 1971.
7. M inorsky N.: D rgania nieliniow e. PW N , W arszaw a 1967.
8. Lee Joon-H ynn, K im J., K im Han-Jun: D evelopm ent o f E nhanced W igner-V ille D istribution Function. M echanical System s and Signal Processing, 15(2), 2001, pp. 367- 398.
9. Bendat J. S., Piersol A. G.: M etody analizy i pom iaru sygnałów losow ych. PW N , W arszawa 1967.
10. Swami A., M endel J. M ., N ikias Ch. L.: H igher-O rder Spectral A nalysis T oolbox. U se r’s Guide.
11. D ąbrow ski Z.: U se o f n o n -lin ear effects in com puter aided diagnosis. P roceedings o f ISRO M AC-7, H onolulu, H aw aii 1998.
12. Gardulski J., W arczek J.: A naliza dw uw ym iarow a p rzyspieszeń drgań pojazdu sam ochodow ego w aspekcie diagnostyki układu zaw ieszenia. X X X O gólnopolskie Sym pozjum D iagnostyka M aszyn, W ęgierska G órka 2003, str. 38.
13. D okum entacja techniczna sam ochodu Fiat Seicento.
R ecenzent: Prof. d r hab. inż. Z bigniew D ąbrow ski
36 J. G ardulski, J. W arczek
Abstract
The paper presents diagnostics m ethod based in W igner V ille’a distribution used to diagnostics technical state o f shock absorber built-up in suspension o f car. T he variables are the diagnostic sym ptom s the non-linear related w ith changes o f state o f technical shock- absorber effects. It near use o f advanced m ethods o f analyses' w as it been possible w ith signal to separate diagnostic inform ation. It presented results allow on ascertainm ent that n on
linear effects w as it been po ssib le w as to use in diagnostics o f shock-absorbers
Praca wykonana w ramach BK-222/RT2/2003
