Metody diagnozowania stanu technicznego amortyzatorów zabudowanych w samochodach osobowych

Janusz GARDULSKI, Rafał BURDZIK

METODY DIAGNOZOWANIA STANU TECHNICZNEGO AMORTYZATORÓW ZABUDOWANYCH W SAMOCHODACH OSOBOWYCH

Streszczenie. W artykule przedstawiono now ą metodę diagnozowania amortyzatorów samochodów osobowych. Zaproponowano metodykę obliczania estymatorów diagnostycznych z przetworzonych za pom ocą transformat STFT, CWT, WVD sygnałów drganiowych. W yznaczone miary stanu technicznego amortyzatora wykazały czułość na analizowane uszkodzenia.

METHODS OF BUILD IN CAR SHOCK ABSORBERS DIAGNOSIS

S um m ary. The paper presents new method o f passenger cars shock-absorbers diagnosis.

It were proposed technical condition estimators based on STFT, CWT, WVD analysis o f vibration signals analytical algorithm. Determined shock-absorber technical condition measures show simulations defects sensitivity.

1. WSTĘP

Jedną z najczęstszych przyczyn technicznych wypadków samochodowych jest nieprawidłowy stan zawieszenia pojazdu. Policyjne statystyki okoliczności powstania wypadków z przyczyn technicznych pokazują największy wzrost procentowego udziału spowodowany uszkodzeniem układu zawieszenia. W roku 1995 było to zaledwie 5,4%

z ogółu wypadków spowodowanych złym stanem technicznym pojazdu, a w 1998 roku wskaźnik ten wynosił ju ż 21,6% [2,3]. Wynika to ze zwiększonego udziału samochodów starszych w ruchu drogowym, ale także niedoskonałości metod kontrolnych zawieszeń.

Diagnostyka samochodowa powinna umożliwiać określenie stanu technicznego samochodu w celu ustalenia źródeł niedomagań, bez demontażu jego zespołów i podzespołów. Metody diagnozowania podzespołów samochodowych ulegają ciągłej ewolucji związanej z rozwojem nauki, metod i narzędzi analiz, rozwojem metod identyfikacji itp. Początkowo w diagnostyce pojazdów samochodowych stosowane były wyłącznie przyrządy mechaniczne, później optyczne, a następnie elektroniczne. Zmiany te wpłynęły na rozwój metod oceny stanu technicznego i pozyskiwania symptomów diagnostycznych.

2. METODY BADAŃ AM ORTYZATORÓW W STACJACH KONTROLI POJAZDÓW

Badania amortyzatorów zabudowanych w pojeździe przeprowadza się, wykorzystując:

- metodę drgań swobodnych, - metodę drgań wymuszonych.

Druga z tych metod znalazła większe zastosowanie na Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP).

M etoda ta polega na wymuszeniu drgań pionowych badanego koła powyżej częstotliwości drgań w łasnych elementów nieresorowanych i resorowanych pojazdu. W pływ tłumienia układu na wartości rejestrowanych amplitud w paśm ie rezonansu um ożliwia ocenę stopnia

t łu m i e n ia Firma BOGE oraz Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAM A) w oparciu o metodę drgań wymuszonych opracowały własne urządzenia badawcze i metody oceny amortyzatorów.

N a stanowisku firmy BOGE rejestrowane są amplitudy drgań w funkcji czasu, które porównuje się z charakterystykami wzorcowymi dla danego modelu samochodu. Stosowanie jako miary dekrementu tłum ienia zasadne jest tylko dla układów liniowych, co dyskwalifikuje

tę metodę.

Kamee zapisu

N a rys. 1 oznaczono: 1 - silnik, 2 - sprężyna o sztywności większej niż sprężyna resorowa zawieszenia, 3 - ultradźwiękowy przetwornik przemieszczeń, 4 - płyta najazdowa; A - badane koło, B - element resorujący, C - amortyzator, D - oś pojazdu, E - nadwozie pojazdu.

W metodzie EUSAM A wielkościami mierzonymi są siły nacisku koła jezdnego na płytę stanowiska, następnie wyznaczana je st wartość EUSAM A (WE) wg zależności:

WE .100% (1)

Wrr st

gdzie: Wmin - zmierzona minimalna siła nacisku badanego koła do podłoża, Wst — statyczna siła nacisku badanego koła do podłoża (spoczynkowa).

Rys. 3. Schem at stanow iska do badań amortyzator- rów w g m etody EU SA M A

Rys. 4 . Graficzna interpretacja w spółczynnika E U SA M A

Fig. 4 . EU SA M A coefficient graphical interpretation

Rys. 1. Schem at urządzenia BO G E Fig. 1. BO G E equipment diagram

6mm

Fig. 3. Diagram o f E U SA M A equipment for shock absorbers testing

Rys. 2. Przykładowy w ynik badań amortyzatora na urządzeniu B oge

Fig. 2. BO G E testing results exam ple

Oznaczenia na rysunku 3: 1- płyta najazdowa, 2 - tensometryczny układ pomiarowy, 3 - układ analizujący, 4 - silnik elektryczny.

W spółczynnik EUSAM A charakteryzuje ogólny system oceny (bardzo dobry, dobry, dopuszczalny, zły — procentowe przedziały). Ponadto gdy wskaźnik WE<40%, należy celem identyfikacji dokonać badań amortyzatorów po wybudowaniu z pojazdu na stanowisku indykatorowym.

Reasumując, przedstawione wyżej metody nie spełniają założenia diagnostyki technicznej, jakim je st identyfikacja rodzaju uszkodzenia.

3. NOW A M ETODA DIAGNOZOW ANIA AM ORTYZATORÓW

Głównym założeniem badań mających na celu opracowanie nowej metody diagnozowania stanu technicznego amortyzatorów była możliwość badań bezdemontażowych na urządzeniach będących wyposażeniem SKP. Opracowana metoda wykorzystuje stanowisku o wym uszeniu kinematycznym. Rejestrowanymi wielkościami są przyśpieszenia drgań elementów nieresorowanych i resorowanych, ponieważ są źródłem sygnałów o dużej zawartości informacji o stanie badanego obiektu.

Rys. 6. Przyspieszenia drgań elem entów nieresorowanych

Fig. 6. Non-springing elem ents vibration acceleration

Rys. 7. Przyspieszenia drgań elem entów resorowanych

Fig. 7. Springing elem ents vibration acceleration

Oznaczenia na schemacie wzbudnika drgań: 1 - silnik napędowy, 2 - masa wirująca, 3 - układ korbowy, 4 - płyta najazdowa, 5 - sprężyny dociskowe, 6 - pionowe kolumny prowadzące, 7 - prowadnice suwakowe.

Jako sygnały diagnostyczne wykorzystano przyśpieszenia drgań tłoczyska amortyzatora względem obudowy, wyznaczane jako różnica zarejestrowanych przyśpieszeń drgań koła i nadw ozia badanego pojazdu. Do dalszej analizy wybrano sygnał drganiowy zarejestrowany po wyłączeniu napędu wzbudnika. Niestacjonarny charakter względnych przyśpieszeń drgań narzuca konieczność stosowania metod analiz sygnału, które umożliwią obserwację zmian sygnału w dziedzinach czasu i częstotliwości. Wykorzystano do tego celu następujące przekształcenia:

- krótkoczasową transformatę Fouriera (STFT), - ciągłą transformatę falkow ą(CW T),

- transformatę W ignera-Ville’a (WVD).

Wynikiem tych przekształceń są rozkłady sygnału w dziedzinach czas-częstotliwość, które wykorzystano do wyznaczenia częstotliwości rezonansowych mas nieresorowanych i resorowanych. Opracowano autom atyczną program ow ą pętlę wyszukującą wartości maksymalne wyznaczonych współczynników oraz ich położenie w dziedzinie czasu i częstotliwości. Następnie wyznaczano przebiegi uśrednionych współczynników

Rys. 5. Schem at kinem atyczny wzbudnika drgań:

Fig. 5. Kinematic diagram o f vibration inductor

przekształceń w oknach czasowo-częstotliwościowych zlokalizowanych rezonansów mas resorowanych i nieresorowanych.

Przykładowe wyniki na podstawie przekształcenia CW T przedstawiono na rysunkach 8 - 1 2 .

Rys. 8. Rozkład w spółczynników talkowych Fig. 8. CW T distribution

Rys. 9. Rezonans zaw ieszenia Rys. 10. R ezonans nadwozia

Fig. 9. Suspension resonance Fig. 10. Motor-car body resonance

Rys. 11. Uśrednione w spółczynniki — rezonans Rys. 12. Uśrednione w spółczynniki rezonans

zaw ieszenia nadwozia

Fig. 11. A veraging coefficients - suspension resonance Fig. 12. Averaging coefficients - motor-car body resonance

Uzyskane w wyniku zastosowania przekształcenia sygnału rozkłady uśrednionych wartości współczynników transformat czasowo-częstotliwościowych pozw oliły na wyznaczenie estymatorów diagnostycznych, określających stan techniczny amortyzatorów.

M etodę postępowania przedstawiono w postaci algorytmicznej na rysunku 13.

R y s . 13. A lg o r y tm o b lic z e n io w y e sty m a to r ó w stan u te c h n ic z n e g o a m ortyzatora n a p o d sta w ie a n a liz y w ie lo w y m ia r o w e j s y g n a łó w p r z y ś p ie sz e ń drgań p ojazd u

F ig . 13. T e c h n ic a l c o n d itio n e stim a to r s b a sed o n m u ltid im e n s io n a l a n a ly s is o f vib ration a cceler a tio n s ig n a ls a n a ly tic a l a lg o rith m

W referacie przedstawiono rozkłady wartości estymatorów Psr i Emax wyznaczanych ze wzorów:

T

J srKJ P = —_sr gdzie:

Po

wsr(i) - rozkład czasowy uśrednionych wartości współczynników transformaty w paśmie częstotliwości rezonansowych zawieszenia,

T - analizowany czas przejścia układu przez częstotliwości rezonansowe zawieszenia, t - czas próbkowania,

Po - pole jednostkow e (Po= lm 2).

£ ma*

= Wzm„

(3)

gdzie:

^ z max ' m aksym alna wartość średnich współczynników transformaty w paśmie rezonansu zawieszenia (koła),

Wnm!a - m aksymalna wartość średnich współczynników transformaty w paśmie rezonansu nadwozia.

W trakcie czynnego eksperymentu diagnostycznego badano zawieszenia z zabudowanymi amortyzatorami o zidentyfikowanym stanie technicznym. W prowadzano uszkodzenia, zmieniając ilość oleju amortyzatorowego i wycinając procentow ą część z powierzchni roboczej uszczelnienia tłoka.

W yniki w postaci graficznej przedstaw iają wartości wybranych estymatorów stanu technicznego am ortyzatora dla analizowanych uszkodzeń określonych liczbą oleju amortyzatorowego i uszczelnienia tłoka, wyznaczone na podstawie przekształceń sygnału diagnostycznego za pom ocą STFT, CW T i WVD.

110

100

9 0

“ 8 0 CL(A

7 0

6 0

5 0

1 0 0 9 5 9 0 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0

ło ić otafu [% ]

R y s . 14. R o z k ła d w a r to śc i e sty m a to r a P,* (S T F T ) F ig . 14. Psr e sty m a to r d istrib u tio n (S T F T ) 2000

1800 1600

“ 1400 CL

1200 1000

800

100 95 90 85 80 75 70 65 60

ilość oleju [%]

Rys. 15. Rozkład wartości estymatora Psr (CWT)

F ig . 15. P^ es ty m a to r d istrib u tio n (C W T )

1 8 0 0 0 0

1 6 0 0 0 0

1 4 0 0 0 0

^120000

“ 100000

» 8 0 0 0 0

6 0 0 0 0

4 0 0 0 0

20000

□ 100% u sz . tłoka

■ 98% u sz . tłoka

□ 96% u sz . tłoka

□ 94% u sz. tłoka

i

• : - ■ '

..A::

1 0 0 9 5 9 0 8 5 8 0 7 5 7 0 ilość oleju [%]

Rys. 16. Rozkład wartości estymatora Psr (WVD) Fig. 16. Pa- estymator distribution (WVD)

□ 100% usz. tłoka

■ 98% usz. tłoka

□ 96% u sz. tłoka

□ 94% u sz. tłoka

r i

- ;... : ... ;...i“".... -i- I : : : ' ' ’■ El

E y J . - . - i ... i... i -

100 95 8 5 80 75

ilość oleju [%]

Rys. 17. Rozkład wartości estymatora Emax (STFT) Fig. 17. Emax estymator distribution (STFT)

ilo ść oleju [%]

Rys. 18. Rozkład wartości estymatora Emax (CWT) Fig. 18. Enaj estymator distribution (CWT)

280000

230000

_ 1 8 0 0 0 0

^ 130000

80000

30000

100 95 90 85 80 75 70 65 60

ilo ś ć oleju [%]

R y s. 19. R o z k ła d w a r to śc i esty m a to r a E max ( W Y D ) F ig . 19. E max e sty m a to r d istrib u tio n (W V D )

Zwiększający się w yciek oleju amortyzatorowego powoduje wzrost wartości obu estymatorów. Zm iany ilości płynu w amortyzatorze w zakresie 80 - 100% wartości nominalnej są trudno diagnozowalne, ponieważ wzrost wartości estymatorów jest nieznaczny.

W iększy stopień tego uszkodzenia powoduje dynamiczny wzrost wartości estymatorów, co ułatwia diagnozowanie stanu technicznego. W zrost nieszczelności tłoka powoduje zmniejszenie wartości analizowanych m iar stanu.

Porównanie czułości przedstawionych estymatorów diagnostycznych uzyskanych na podstawie przekształceń czasowo-częstotliwościowych wykazało, że w iększą czułość na zmiany stanu technicznego am ortyzatora wykazały miary wyznaczane po analizach CWT i WVD.

4. P O D SU M O W A N IE

Uzyskane wyniki analiz m atematycznych potw ierdzają możliwość zastosowania przedstawionej metody do diagnozowania stanu technicznego amortyzatorów.

Zaproponowana m etoda badań zawieszeń bazuje na urządzeniach dostępnych na SKP, co ma istotne znaczenie aplikacyjne i nie wymaga dużych nakładów finansowych.

Przedstawiona m etodyka pozyskiwania informacji diagnostycznej w wyniku przekształceń sygnałów drganiowych um ożliwia opracowanie automatycznych systemów diagnozowania amortyzatorów samochodów osobowych. Konieczne jednak są dalsze badania w tym kierunku.

L ite ra tu ra

1. Gardulski J., Burdzik R.: M etodyka wyznaczania diagnostycznych m iar stanu technicznego amortyzatorów samochodowych, VI Krajowa Konferencja Diagnostyka Techniczna Urządzeń I Systemów, U stroń 2006.

2. Wypadki drogowe w Polsce w 1995 r. Komenda Główna Policji. Biuro Ruchu Drogowego.

3. Dane statystyczne wypadków w 1998 r. Biuro Ruchu Drogowego KGP.

4. Batko W., Ziółko M.: Zastosowanie teorii falek w diagnostyce technicznej. Problemy inżynierii mechanicznej i robotyki. K raków 2002.

5. Burdzik R., Gardulski J., Konieczny Ł.: Nowe metody diagnozowania amortyzatorów, VI Konferencja N aukow a Telematyka i Bezpieczeństwo Transportu, Katowice 2006.

6. Zalewski A., Cegieła R.: Matlab - obliczenia numeryczne i ich zastosowanie, WN, Poznań 1996.

B W 4 1 9 R T 2/2006