article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
5(96)/2013
Krzysztof Prażnowski1, Sebastian Brol2, Andrzej Augustynowicz3
WPŁYW NIERÓWNOŚCI DROGI NA OCENĘ NIEWYRÓWNOWAŻENIA
KOŁA
1. Wstęp
Rosnące wymagania dotyczące bezpieczeństwa użytkowników dróg publicznych
zmuszają producentów pojazdów do poszukiwania nowych rozwiązań układów
bezpieczeństwa i komfortu jazdy. Wystąpienie zjawiska niewyrównoważenia koła
ogumionego samochodu, w skrajnych przypadkach skutkuje pogorszeniem komfortu
jazdy i może objawiać się nagłym wzrostem drgań na kole kierowniczym. W mniejszej
skali zjawisko to jest trudne do wykrycia w sposób bezpośredni, dlatego rozwiązaniem
proponowanym przez autorów jest detekcja tego zjawiska poprzez pomiar pośredni
przyspieszeń nadwozia pojazdu. Aktualnie nie stwierdzono w dostępnej literaturze
informacji o zastosowaniu takiego systemu, który informowałby kierowcę o wystąpieniu
stanu niewyrównoważenia koła ogumionego samochodu. Wiadomym jest, że
eksploatacja pojazdu w takim stanie powoduje wzrost zużycia paliwa oraz
niebezpieczeństwo przyspieszonego zużycia układu jezdnego pojazdu. Długotrwała
eksploatacja pojazdu z niewyrównoważonym kołem, może prowadzić również do
uszkodzeń elementów takich układów jak: układ hamulcowy, układ zawieszenia czy
układ napędowy. Obecnie proces diagnostyki wyrównoważenia koła ogumionego jest
wykonywany na stanowisku do wyrównoważenia kół, najczęściej podczas sezonowej
wymiany ogumienia i doraźnie po ewentualnej naprawie. Wymaga to zdemontowania
koła z pojazdu i zamontowaniu na specjalistycznym stanowisku diagnostycznym, co
wiąże się z dodatkowymi kosztami. Wykrycie przez użytkownika pojazdu
niewyrównoważenia opony lub obręczy koła w pozostałym okresie użytkowania jest
bardzo trudne. Powodem tego jest zmienny charakter otoczenia, a w szczególności
nawierzchni drogi, który nie daje kierującemu jednoznacznej podpowiedzi czy
odczuwalne drgania są spowodowane nierównościami drogi, czy też
niewyrównoważeniem koła.
2. Opis problemu
Celem prowadzonych badań jest analiza wpływu zakłóceń na składowe
przyspieszeń nadwozia samochodu osobowego, w warunkach współpracy
niewyrównoważonego koła z nawierzchnią jezdni. W pracy zaprezentowano sposób
pomiaru przyspieszeń oraz metodę analizy zarejestrowanych składowych przyspieszenia
z wykorzystaniem filtracji cyfrowej. Celem tego było wykrycie niewyrównoważenia
koła w czasie testu drogowego. Opracowanie tego rodzaju układu diagnostycznego może
przyczynić się do opracowania systemu wczesnego wykrywania niewyrównoważenia
koła, poprzez obserwację zjawisk towarzyszących ruchowi obrotowemu
niewyrównoważonego koła.
mgr inż. Krzysztof Prażnowski, doktorant Wydziału Mechanicznego Politechniki Opolskiej
dr inż. Sebastian Brol, adiunkt Wydziału Mechanicznego Politechniki Opolskiej
3
dr hab. inż. Andrzej Augustynowicz, prof. PO, Wydział Mechaniczny Politechniki Opolskiej
1
2
99
Niejednorodność budowy opony jest spowodowana odchyłkami grubości
i sztywności od wartości nominalnej, będąca wynikiem niedokładności produkcji.
Ponieważ nierównomierny rozkład masy może wystąpić nie tylko wzdłuż obwodu, ale
także w poprzek koła, rozróżnia się niewyrównoważenie statyczne i dynamiczne (rys. 1).
Wówczas w trakcie toczenia się opony można zaobserwować bicia, które wywołują
okresowe siły lub momenty, zmieniające wartość wraz z prędkością kątową. Te siły lub
momenty działają stale (podczas ruchu). Bicie i niewyrównoważenie koła powodują
drgania nadwozia pojazdu i dla samochodu małej klasy, w przedziale prędkości jazdy
70÷120 km/h, mogą być odczuwalne nawet przez kierującego. Nadto zmiany siły
bocznej w niewyrównoważonych kołach wpływają na zachowanie się pojazdu w ruchu
prostoliniowym. Przy toczącej się na wprost oponie, w warunkach zerowego kąta jej
znoszenia, powstają niepożądane siły boczne [2, 3, 5, 6, 7].
Rys. 1. Różne formy niewyrównoważenia koła.
Wymienione procesy drganiowe nasilają się wraz ze zwiększaniem się prędkości
jazdy. W samochodach osobowych, przy prędkości jazdy 70÷120 km/h prędkość kątowa
kół wynosi 50÷70 rad/s, czyli odpowiada częstotliwości 8÷11 Hz. Wówczas cykliczność
oddziaływania siły odśrodkowej lub momentu niewyrównoważenia kół odpowiada
częstości drgań własnych kół jezdnych na zawieszeniu. Zatem w tym przedziale
prędkości jazdy może wystąpić zgodność częstości drgań własnych kół z cyklicznym
oddziaływaniem sił od niewyrównoważenia, czyli proces rezonansowego wzmocnienia
drgań.
W zależności od rodzaju niewyrównoważenia koła powstają siły lub momenty jak to
pokazano na rysunku 2a. Zależność między prędkością samochodu, a prędkością
obrotową koła napędowego i promieniem dynamicznym opisuje równanie (1):
v = ωkrd
gdzie:
v – prędkość pojazdu, m/s.,
rd – promień dynamiczny koła,
ωk – prędkość kątowa koła rad/s.
100
(1)
Wartość siły wymuszającej wywołanej niewyrównoważeniem opisuje zależność (2):
Fn = mnrnωk2
(2)
gdzie:
Fn – siła wymuszająca,
mn – masa niewyrównoważona,
ωk – prędkość kątowa koła rad/sek.
(8 pt)
Rys. 2. (a) Siły wywołane niewyrównoważeniem koła, (b) Siła wymuszająca
oddziałująca na koło w ruchu obrotowym wg równania (1)
Proponowana metoda identyfikacji niewyrównoważenia koła samochodu
osobowego wykonywana jest w trakcie próby drogowej i opiera się na analizie drgań
nadwozia poruszającego się pojazdu.
3. Aparatura pomiarowa
Jako układ pomiarowy wykorzystano elementy platformy pomiarowej PAAF
według schematu przedstawionego na rysunku 3. Układ ten składa się z czujnika 3DMGX3-25 do pomiaru przyspieszenia, którego zakres pomiarowy wynosi ±50 m/s 2,
a rozdzielczość jest równa 0.05 m/s2, głowicy do bezdotykowego pomiaru prędkości
nadwozia L-350 AQUA (zakres pomiaru: 0.3- 250 km/h) podłączonej do karty
pomiarowej NI USB 6212, interfejsu SYS-TEC do komunikacji z magistralą CAN.
Czujnik pomiaru przyspieszenia zamontowano wewnątrz kabiny pojazdu na przedniej
szybie [8].
Do badań drogowych wykorzystano samochód osobowy marki Fiat Punto
z silnikiem ZI o pojemności 1,2 dm3, 16V i automatyczną skrzynią biegów CVT.
Eksperymenty przeprowadzono na drogach z nawierzchnią bitumiczną. Ciśnienie
w ogumieniu wynosiło 0,2 MPa dla każdego z kół. Masa pojazdu w trakcie testów
wynosiła 1160 kg (masa własna pojazdu 990 kg plus dwie osoby 170 kg).
Samochód wykorzystany w testach drogowych posiada zawieszenie przednie
niezależne, typu MacPherson, z pojedynczym wahaczem poprzecznym oraz
teleskopowym amortyzatorem traktowanym jako kolumna prowadząca ze sprężyną
śrubową, która jest elementem sprężystym. W celu zmniejszenia oddziaływania na
nadwozie drgań wynikających z toczenia się opon oraz oddziaływania nierówności drogi
o małych długościach fali, oprócz pionowej podatności zawieszenia jest wymagana jego
elastyczność w kierunku wzdłużnym, którą zapewnia element tłumiący w postaci tulei
101
stalowo-gumowej. Zawieszenie z kolumnami prowadzącymi wykazuje większą
wrażliwość na niewyrównoważenie, błędy kształtu opony niż inne konstrukcje np.
zawieszenie wielowahaczowe [3, 4].
Rys. 3. Diagram blokowy układu pomiarowego
Na podstawie analizy kinematyki przedniego zawieszenia badanego pojazdu
przedniego przyjęto założenie, że nierówności nawierzchni drogi będą powodowały
wzrost drgań nietłumionych w kierunku wzdłużnym (oś x). Siła wymuszająca
pochodząca od niewyrównoważenia statycznego koła powoduje przyspieszenie, które
można mierzyć na nadwoziu oraz wzrost amplitudy przyspieszeń drgań nadwozia
w kierunku wzdłużnym oraz pionowym. W kierunku pionowym (oś z) przyspieszenie
jest znacznie tłumione przez elementy sprężysto-tłumiące zawieszenia przedniego,
natomiast w kierunku wzdłużnym sztywność zawieszenia jest większa.
4. Badania eksperymentalne
W oparciu o analizę teoretyczną zjawiska drgań nadwozia pojazdu wywołaną siłą
działającą na koło ogumione samochodu zaprojektowano model symulacyjny jednej
czwartej samochodu oraz wykonano badania stanowiskowe mające na celu określenie
funkcji wzmocnienia [1, 2]. Wyniki uzyskane w przyjętym modelu symulacyjnym są
przybliżone ze względu na nieliniową charakterystykę zawieszenia pojazdu
(amortyzatorów). Mimo to przebieg analizowanych parametrów jest zbliżony do tych,
które uzyskano metodą stanowiskową.
Kolejnym etapem badań było przeprowadzenie jazd testowych przy stałych
prędkościach w przedziale 40÷120 km/h oraz dla rozpędzania od 40 km/h do 90 km/h.
Badania przebiegały w dwóch etapach. W pierwszym rejestrowano sygnały składowych
przyspieszeń nadwozia samochodu testowego, w którym wszystkie jego koła były
prawidłowo wyrównoważone (niewyrównoważenie statyczne i dynamiczne mniejsze niż
0,005 kg). W drugim etapie zadano na przednim prawym kole niewyrównoważenie
w postaci obciążnika o masie 0,14 kg, zamocowanego na obręczy.
102
Wykrycie niewyrównoważenia koła w trakcie testu drogowego jest możliwe pod
warunkiem, że wartość współczynnika SNR (Signal to noise ratio) (stosunek sygnału do
szumu) amplitudy wywołanej niewyrównoważeniem koła jest większa od amplitudy
szumu w zakresie analizowanych częstotliwości 7÷15 Hz. W celu określenia wpływu
rodzaju nawierzchni drogi na wartość amplitudy przyspieszenia nadwozia badanego
pojazdu wykonano testy na wybranych odcinkach drogi o nawierzchni bitumicznej.
Badania wykonano dla wybranych zakresów prędkości pojazdu 50 km/h, 70 km/h,
90 km/h. Wybrane odcinki drogi określono jako:
1. Droga (A) bez widocznych uszkodzeń nawierzchni.
2. Droga (B) z widocznymi ubytkami nawierzchni bitumicznej.
3. Droga (C) z widocznymi ubytkami nawierzchni bitumicznej, poprzecznymi
pęknięciami oraz zdeformowaną poprzecznie nawierzchnią (fałdy).
5. Analiza wyników uzyskanych w badania eksperymentalnych
Analiza wyników wykazała, że podczas ruchu na nadwozie pojazdu działały
zakłócenia pochodzące od nierówności nawierzchni drogi, których gęstość widmowa
w układzie podwójnie logarytmicznym ma przebieg zbliżony do liniowego (rys. 4)
w zakresie częstotliwości większych od 10 Hz, a więc jest wykładniczo malejąca od
f = 10Hz. Amplituda przyspieszeń przenoszona na nadwozie na odcinku testowym nie
była większa niż a = 0,38 m/s2 i zaobserwowano ją w paśmie od 5 do 20 Hz. Zatem
zakłócenia wywołane nierównościami drogi powinny być mniejsze niż amplituda
sygnału wymuszenia.
Oddziaływanie niewyrównoważonego koła na nadwozie zależy głównie od
prędkości jazdy i przebiegu funkcji wzmocnienia zawieszenia. Przy czym ze względu na
kwadratowy wzrost wartości siły wymuszającej przy jednoczesnym wykładniczym
i asymptotycznym zmniejszaniu się wzmocnienia w funkcji częstotliwości obserwowane
jest, choć nie zawsze, zwiększanie amplitudy drgań wraz ze wzrostem prędkości
pojazdu.
Rys. 4. Gęstość widmowa (PSD) składowej przyspieszenia nadwozia (oś z)
dla odcinka drogi testowej typu (A) i (B)
103
Przemieszczanie koła samochodu po nierównościach nawierzchni drogi (B) oraz (C)
powoduje wielokrotny wzrost amplitudy drgań nadwozia w stosunku do drogi (A). Siła
ta jest częściowo tłumiona przez oponę. Ubytki nawierzchni powodują wzrost amplitudy
przyspieszenia nadwozia w kierunku osi wzdłużnej (oś x). w zakresach częstotliwości
nie zgodnych z prędkością chwilową pojazdu, co jest widoczne na rys. 5.
Rys. 5. Amplituda drgań nadwozia dla wybranych rodzajów nawierzchni
Analizując wykresy dla osi wzdłużnej samochodu (oś x), dla wybranych rodzajów
nawierzchni bitumicznej stwierdzono, że amplitudy wywołane znaczną nierównością
drogi dla prędkości 95 km/h, występują w zakresie od 5 Hz do 20 Hz. Widoczny jest
również znaczący wzrost amplitudy (do 0,28 m/s/^2) dla drogi (B) oraz (0,5 m/s2) dla
drogi (C) w stosunku do drogi (A). Dla tejże drogi maksymalna wartość amplitudy w
zakresie częstotliwości do 15 Hz wynosi (0,02 m/s2). Dowodzi to, że stan nawierzchni
drogi ma istotny wpływ na wartość amplitudy przyspieszeń nadwozia Zadane
niewyrównoważenie koła na drodze (A) powoduje wzrost amplitudy o 0,1 m/s2. W celu
określenia wartości granicznej, powyżej której nie można dokonywać pomiaru mającego
na celu wykrycie niewyrównoważenia koła wykorzystano wartość średnią filtrowanego
sygnału przyspieszenia dla osi wzdłużnej (oś x) w wybranym i ruchomym oknie
czasowym.
Uzyskane w ten sposób przebiegi przedstawiono na rys. 6, sporządzonym dla
samochodu Fiat Punto.
Podsumowanie
Zakłócenia pochodzące od nierówności drogi mają istotny wpływ na wynik
pomiaru, którego celem jest wczesne wykrycie niewyrównoważenia koła ogumionego.
Nierówności nawierzchni bitumicznej drogi zmniejszają wartość współczynnika SNR.
Diagnostyka niewyrównoważenia koła ogumionego samochodu jest możliwa, pod
warunkiem że amplituda nierówności drogi jest mniejsza niż amplituda wywołana
niewyrównoważeniem koła. Zakres okna wartości granicznej, po przekroczeniu której
104
proces diagnostyczny niewyrównoważenia koła nie może być realizowany, należy
eksperymentalnie określić dla danego pojazdu.
Rys. 6. Wartość średnia filtrowanego sygnału dla osi wzdłużnej (oś x)
Literatura:
[1]
Prażnowski K.: Wpływ ciśnienia w oponie na charakterystyki częstotliwościowe
układu drgającego koło- nadwozie. Młodzi naukowcy dla polskiej nauki. Nauki
inżynieryjne, T.1. Kraków 2011 CreativTime,
[2]
Mitschke M.: Dynamika samochodu, WKiŁ 1977, Warszawa,
[3]
Reimpell J., Betzler J.: Podwozia samochodów. Podstawy konstrukcji, WKiŁ
2004, Warszawa,
[4]
Gardulski J.: Bezstanowiskowa metoda oceny stanu technicznego zawieszeń
samochodów osobowych. WITiE 2003, Katowice- Radom,
[5]
Prochowski L. Mechanika ruchu, WKiŁ 2005, Warszawa,
[6]
Andrzejewski R., Stabilność ruchu pojazdów kołowych. WNT 1997, Warszawa,
[7]
Mitschke M., Dynamika samochodu, tom 2 Drgania. WKiŁ 1989, Warszawa,
[8]
Mamala J., Brol S., Jantos J.: Estymacja charakterystyk układu napędowego na
podstawie pomiaru przyspieszenia samochodu. Opole: Ofic. Wydaw. PO 2008,
Streszczenie
Artykuł przedstawia układ, którego celem jest wczesne wykrycie
niewyrównoważenia koła ogumionego samochodu. Przedstawiono opis problematyki
związanej z wykrywaniem niewyrównoważenia koła w trakcie badań drogowych.
Opisano sposób pomiaru drgań nadwozia poprzez wykorzystanie akcelerometru, który
zamontowano w kabinie samochodu. Dokonano analizy drgań nadwozia wywołanych
nierównością drogi. Przedstawiono sposób wyznaczenia parametru granicznego, po
przekroczeniu którego nie jest możliwe prowadzenie badań diagnostycznych mających
na celu wczesne wykrycie niewyrównoważenie koła.
Słowa kluczowe: drgania, niewyrównoważenie koła, tłumienie, nierówności drogi.
105
INFLUENCE OF ROAD IRREGULARITIES ON WHEEL UNBALANCE
ASSESSMENT
Abstract
The article shows a system, which is devoted to early detection of wheel unbalance
of tired wheel of car. The description of problematic related to with detection during
movement on road was shown. Method of vibration measurement with use of
accelerometer fixed in car's cabin is presented. Additional analysis of chassis vibrations
caused by road irregularities was performed. The method of factor value determination
for level vibration classification is shown over which the detection of wheel unbalance is
impossible by this method.
Keywords: vibrations, wheel unbalance, absorption, road irregularities.
Stypendia doktoranckie- inwestycja w kadrę naukową województwa opolskiego współfinansowanego przez
Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
106