Z E SZ Y T Y N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś LĄ SK IEJ Seria: T R A N S P O R T z. 63
2006 N r kol. 1741
Janusz G A R D U L SK I, R afał B U R D Z IK
M ETODY DIAGNOZOW ANIA STANU TECHNICZNEGO AM ORTYZATORÓW ZABUDOW ANYCH W SAMOCHODACH OSOBOW YCH
Streszczen ie. W artykule przedstaw iono n o w ą m etodę diagnozow ania am ortyzatorów sam ochodów osobow ych. Z aproponow ano m etodykę obliczania estym atorów diagnostycznych z przetw orzonych z a p o m o c ą transform at STFT, CW T, W V D sygnałów drganiow ych. W yznaczone m iary stanu technicznego am ortyzatora w ykazały czułość na analizow ane uszkodzenia.
M E T H O D S O F B U IL D IN C A R S H O C K A B S O R B E R S D IA G N O S IS
Summary. T he pap er presents n ew m ethod o f passenger cars shock-absorbers diagnosis.
It w ere proposed technical condition estim ators based on STFT, CW T, W V D analysis o f v ibration signals analytical algorithm . D eterm ined shock-absorber technical condition m easures show sim ulations defects sensitivity.
1. W S T Ę P
J e d n ą z najczęstszych przyczyn technicznych w ypadków sam ochodow ych je st niepraw idłow y stan zaw ieszenia pojazdu. Policyjne statystyki okoliczności pow stania w ypadków z przyczyn technicznych p o k a z u ją najw iększy w zrost procentow ego udziału spow odow any uszkodzeniem układu zaw ieszenia. W roku 1995 było to zaledw ie 5,4%
z o gółu w ypadków spow odow anych złym stanem technicznym pojazdu, a w 1998 roku w skaźnik te n w ynosił ju ż 21,6% [2,3]. W ynika to ze zw iększonego udziału sam ochodów starszych w ruchu drogow ym , ale także niedoskonałości m etod kontrolnych zaw ieszeń.
D iagnostyka sam ochodow a pow in n a um ożliw iać określenie stanu technicznego sam ochodu w celu u stalenia źródeł niedom agań, b ez dem ontażu je g o zespołów i podzespołów . M etody diagnozow ania podzespołów sam ochodow ych u le g ają ciągłej ew olucji zw iązanej z rozw ojem nauki, m etod i narzędzi analiz, rozw ojem m etod identyfikacji itp. Początkow o w diagnostyce pojazdów sam ochodow ych stosow ane były w yłącznie przyrządy m echaniczne, później optyczne, a następnie elektroniczne. Z m iany te w płynęły na rozw ój m etod oceny stanu technicznego i pozyskiw ania sym ptom ów diagnostycznych.
2. M E T O D Y B A D A Ń A M O R T Y Z A T O R Ó W W S T A C JA C H K O N T R O L I P O JA Z D Ó W
B adania am ortyzatorów zabudow anych w p ojeździe przeprow adza się, w ykorzystując:
- m etodę drgań sw obodnych, - m etodę drgań w ym uszonych.
Druga z tych m etod znalazła w ięk sze zastosow anie na Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP).
M etoda ta polega na w ym uszeniu drgań pionow ych badanego koła powyżej częstotliw ości drgań w łasnych elem entów nieresorowanych i resorowanych pojazdu. W pływ tłumienia układu na wartości rejestrowanych amplitud w paśm ie rezonansu um ożliw ia ocenę stopnia tłu m i e n ia Firma BOGE oraz Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (E U SA M A ) w oparciu o m etodę drgań w ym uszonych 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 w zorcow ym i dla danego m odelu samochodu. Stosowanie jako miary dekrementu tłum ienia zasadne jest tylko dla układów liniow ych, 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 m etodzie E U S A M A w ielkościam i m ierzonym i są siły nacisku k o ła je zd n e g o n a płytę stanow iska, następnie w y zn aczan a je s t w artość E U S A M A (W E) w g zależności:
WE .1 00 % (1)
Wr r st
gdzie: W min - zm ierzona m inim alna siła n ac isk u badanego k o ła do p odłoża, Wst — statyczna siła nacisk u badanego k o ła d o po d ło ża (spoczynkow a).
Rys. 3. Schemat stanowiska do badań amortyzator- rów wg metody E U S A M A
Rys. 4. Graficzna interpretacja współczynnika E U SA M A
Fig. 4. E U S A M A coefficient graphical interpretation
Rys. 1. Schemat urządzenia B O G E Fig. 1. B O G E equipment diagram
6mm
Fig. 3. Diagram o f E U S A M A equipment for shock absorbers testing
Rys. 2. Przykładowy wynik badań amortyzatora na urządzeniu Boge
Fig. 2. B O G E testing results example
M e to d y d ia g n o z o w a n ia s t a n u .. 309
O znaczenia n a rysunku 3: 1- płyta najazdowa, 2 - tensometryczny układ pomiarowy, 3 - układ analizujący, 4 - silnik elektryczny.
W spółczynnik E U S A M A charakteryzuje ogólny system oceny (bardzo dobry, dobry, dopuszczalny, zły — procentow e przedziały). P onadto gdy w skaźnik W E<40% , należy celem identyfikacji dokonać badań am ortyzatorów po w ybudow aniu z pojazdu n a stanow isku indykatorow ym .
R easum ując, przedstaw ione w yżej m etody nie sp ełn iają założenia diagnostyki technicznej, ja k im je s t identyfikacja rodzaju uszkodzenia.
3. N O W A M E T O D A D IA G N O Z O W A N IA A M O R T Y Z A T O R Ó W
G łów nym założeniem badań m ających n a c e lu o pracow anie now ej m etody diagnozow ania stanu technicznego am ortyzatorów b y ła m ożliw ość badań bezdem ontażow ych na u rządzeniach będących w yposażeniem SKP. O pracow ana m etoda w ykorzystuje stanow isku o w y m u szen iu kinem atycznym . R ejestrow anym i w ielkościam i s ą p rzyśpieszenia drgań elem en tó w nieresorow anych i resorow anych, poniew aż s ą źródłem sygnałów o dużej zaw artości inform acji o stanie badanego obiektu.
Rys. 6. Przyspieszenia drgań elementów nieresorowanych
Fig. 6. Non-springing elements vibration acceleration
Rys. 7. Przyspieszenia drgań elementów resorowanych
Fig. 7. Springing elements vibration acceleration O znaczenia n a schem acie w zb udnika 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 w ykorzystano p rzyśpieszenia drgań tłoczyska am ortyzatora w zględem obudow y, w yznaczane ja k o różnica zarejestrow anych przyśpieszeń drgań koła i n ad w o z ia badanego pojazdu. D o dalszej analizy w ybrano sygnał drganiow y zarejestrow any po w yłączeniu nap ęd u w zbudnika. N iestacjonarny charakter w zględnych przyśpieszeń drgań narzuca konieczność stosow ania m etod analiz sygnału, które um o żliw ią obserw ację zm ian sygnału w dziedzinach czasu i częstotliw ości. W ykorzystano do tego celu następujące przekształcenia:
- k ró tk o cz aso w ą transform atę F ouriera (STFT), - c ią g łą transform atę falk o w ą (C W T ),
- transform atę W ignera-V ille’a (W V D ).
W ynikiem tych p rzekształceń s ą rozkłady sygnału w dziedzinach czas-częstotliw ość, które w ykorzystano do w yznaczenia częstotliw ości rezonansow ych m as nieresorow anych i resorow anych. O pracow ano au to m aty czn ą p ro g ra m o w ą pętlę w y szu k u jącą w artości m aksym alne w y znaczonych w spółczynników oraz ich położenie w dziedzinie czasu i częstotliw ości. N astępnie w yznaczano przebiegi uśrednionych w spółczynników Rys. 5. Schemat kinematyczny wzbudnika drgań:
Fig. 5. Kinematic diagram o f vibration inductor
przekształceń w oknach czasow o-częstotliw ościow ych zlokalizow anych rezo n an só w m as resorow anych i nieresorow anych.
P rzykładow e w yniki n a podstaw ie przek ształcen ia C W T przedstaw iono n a ry sunkach 8 - 1 2 .
Rys. 8. Rozkład współczynników talkowych Fig. 8. CW T distribution
Rys. 9. Rezonans zawieszenia Rys. 10. Rezonans nadwozia Fig. 9. Suspension resonance Fig. 10. M otor-car body resonance
Rys. 11. Uśrednione współczynniki — rezonans Rys. 12. Uśrednione współczynniki rezonans
zawieszenia nadwozia
Fig. 11. Averaging coefficients - suspension resonance Fig. 12. Averaging coefficients - motor-car body resonance
U zyskane w w y n ik u zastosow ania przek ształcen ia sygnału rozkłady uśrednionych w artości w sp ó łczy n n ik ó w transform at czasow o-częstotliw ościow ych po zw o liły na w yznaczenie estym atorów diagnostycznych, o k reślających stan techniczny am ortyzatorów . M etodę po stęp o w an ia p rzedstaw iono w postaci algorytm icznej n a rysunku 13.
M e to d y d ia g n o z o w a n ia s ta n u .. 311
Rys. 13. Algorytm obliczeniowy estymatorów stanu technicznego amortyzatora na podstawie analizy wielowymiarowej sygnałów przyśpieszeń drgań pojazdu
Fig. 13. Technical condition estimators based on multidimensional analysis o f vibration acceleration signals analytical algorithm
W referacie przedstaw iono rozkłady w artości estym atorów P sr i E max w yznaczanych ze wzorów :
T
J
srKJ
P = —s r gdzie:
Po
wsr(i) - rozkład czasow y uśrednionych w artości w spółczynników transform aty w paśm ie częstotliw ości rezonansow ych zaw ieszenia,
T - analizow any czas p rzejścia układu p rzez częstotliw ości rezonansow e zaw ieszenia, t - czas próbkow ania,
Po - p o le je d n o stk o w e (Po= l m 2).
£ m a * = W z m „ + ^ m a x (3)
gdzie:
^ z max ' m ak sy m aln a w artość średnich w spółczynników transform aty w paśm ie rezonansu zaw ieszen ia (koła),
Wnm!a - m ak sy m aln a w artość średnich w spółczynników transform aty w p aśm ie rezonansu nadw ozia.
W trak cie czynnego eksperym entu diagnostycznego badano zaw ieszenia z zabudow anym i am ortyzatoram i o zidentyfikow anym stanie technicznym . W prow adzano uszkodzenia, zm ieniając ilość oleju am ortyzatorow ego i w y cinając p ro ce n to w ą część z p o w ierzchni roboczej uszczeln ien ia tłoka.
W yniki w p ostaci graficznej p rze d staw ia ją w arto ści w y b ran y ch estym atorów stanu technicznego am o rty zato ra d la an alizow anych uszk o d zeń określonych lic z b ą oleju am ortyzatorow ego i u sz cz eln ie n ia tłoka, w yznaczone n a p odstaw ie p rzekształceń sygnału d iagnostycznego z a p o m o c ą STFT, C W T i W V D .
110 100 90
“ 80 (A
CL
70 60 50
100 95 90 85 80 75 70 65 60
łoić otafu [%]
Rys. 14. Rozkład wartości estymatora P,* (STFT) Fig. 14. Psr estymator distribution (STFT)
2000 1800 1600
“ 1400
CL
1200 1000
800
100 95 90 85 80 75 70 65 60
i l o ś ć o l e j u [%]
Rys. 15. Rozkład wartości estymatora Psr (CWT) Fig. 15. P^ estymator distribution (CWT)
M e to d y d ia g n o z o w a n ia sta n u . 313
180000
160000
140000
^ 1 2 0 0 0 0
“ 100000
» 80000
60000
40000
20000
□ 100% usz. tłoka
■ 9 8 % usz. tłoka
□ 9 6 % usz. tłoka
□ 9 4 % usz. tłoka
i
• : - ■
'
..A::
100 95 90 85 80 75 70
ilość oleju [% ]
Rys. 16. Rozkład wartości estymatora Psr (WVD) Fig. 16. Pa- estymator distribution (WVD)
□ 100% usz. tłoka
■ 98% usz. tłoka
□ 96% usz. tłoka
□ 94% usz. tłoka r i
- ;...: ... ;... i“ ".... -i- I : : : ' ' ’■ El
E y J . - . - i ... i...i-
100 95 85 80 75
i l o ś ć o l e j u [%]
Rys. 17. Rozkład wartości estymatora Emax (STFT) Fig. 17. Emax estymator distribution (STFT)
i l o ś ć o l e j u [% ]
Rys. 18. Rozkład wartości estymatora Emax (CWT) Fig. 18. Enaj estymator distribution (CWT)
280000
230000
_180000
^ 130000
80000
30000
100 95 90 85 80 75 70 65 60
i l o ś ć o l e j u [% ]
Rys. 19. Rozkład wartości estymatora Emax (WYD) Fig. 19. Emax estymator distribution (WVD)
Z w ięk szający się w y cie k oleju am ortyzatorow ego pow oduje w zro st w artości obu estym atorów . Z m ian y ilości p ły n u w am ortyzatorze w zakresie 80 - 100% w artości nom inalnej s ą trudno diagnozow alne, p o n iew aż w zrost w artości estym atorów je s t nieznaczny.
W iększy sto p ień tego u szk o d zen ia p o w oduje dynam iczny w zrost w artości estym atorów , co u łatw ia d iagnozow anie stan u technicznego. W zrost nieszczelności tło k a pow oduje zm niejszenie w artości analizo w an y ch m ia r stanu.
P orów nanie czułości p rzed staw io n y ch estym atorów d iagnostycznych uzyskanych na p odstaw ie p rzekształceń czasow o-częstotliw ościow ych w ykazało, że w ię k sz ą czułość na zm iany stanu techn iczn eg o am o rty zato ra w y kazały m iary w y znaczane po analizach C W T i W V D .
4. P O D S U M O W A N IE
U zy sk an e w y niki an aliz m a tem atycznych p o tw ie rd z ają m ożliw ość zastosow ania przedstaw ionej m etody do diag n o zo w an ia stanu technicznego am ortyzatorów . Z apro p o n o w an a m etoda badań zaw ieszeń bazuje na u rządzeniach dostępnych n a SK P, co m a istotne znaczenie aplikacyjne i nie w y m ag a duży ch n ak ład ó w finansow ych.
P rzed staw io n a m eto d y k a p ozyskiw ania inform acji diagnostycznej w w yniku p rzek ształceń sygnałów d rganiow ych u m o ż liw ia opracow anie au tom atycznych system ów diag n o zo w an ia am ortyzatorów sam ochodów osobow ych. K onieczne je d n a k s ą dalsze badania w tym kierunku.
L iteratu ra
1. G ardulski J., B urdzik R.: M etodyka w y znaczania diagnostycznych m iar stanu technicznego am ortyzatorów sam ochodow ych, V I K rajow a K onferencja D iagnostyka T ech n iczn a U rządzeń I S ystem ów , U stro ń 2006.
2. W ypadki drogowe w Polsce w 1995 r. Komenda Główna Policji. Biuro Ruchu Drogowego.
3. Dane statystyczne wypadków w 1998 r. Biuro Ruchu Drogowego KGP.
4. B atko W ., Z iółko M .: Z astosow anie teorii falek w diagnostyce technicznej. P roblem y inżynierii m echanicznej i robotyki. K ra k ó w 2002.
5. B u rd zik R., G ardulski J., K o nieczny Ł.: N ow e m etody d ia gnozow ania am ortyzatorów , VI K o n feren cja N au k o w a T elem atyka i B ezpieczeństw o T ransportu, K atow ice 2006.
6. Z alew ski A ., C eg ieła R.: M atlab - o b liczenia num eryczne i ich zastosow anie, W N, P oznań 1996.
B W 419 RT2/2006
