autoreferat_Zebrowski_Koziol

Transkrypt

INSTYTUT MECHATRONIKI NANOTECHNOLOGII
I TECHNIKI PRÓŻNIOWEJ
mgr inż. Michał Żebrowski-Kozioł
BADANIE LUZU SWORZNI ZWROTNIC
W ASPEKCIE
WŁAŚCIWOŚCI TRAKCYJNYCH
SAMOCHODU
Autoreferat rozprawy doktorskiej
Promotor: prof. dr hab. inż. Wojciech Tarnowski
Koszalin 2010
BADANIE LUZU SWORZNI ZWROTNIC W ASPEKCIE WŁAŚCIWOŚCI TRAKCYJNYCH SAMOCHODU
Publikacja współfinansowana jest przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu
Społecznego i Budżetu Państwa Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki
2007-2013 w ramach projektu „Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności
w regionie”
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego (75%)
oraz środków budżetu państwa (25%) w ramach Zintegrowanego Programu
Operacyjnego Rozwoju Regionalnego
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w roku 2009 jako projekt
badawczy N N509 288635 pt. Akcelerometryczna metoda badania luzu sworzni
zwrotnic w aspekcie właściwości trakcyjnych samochodu.
2
1
Cel i zakres pracy
Celem pracy jest przedstawienie nowej metody pomiaru luzu w przegubach par kinematycznych
zawieszenia przedniego samochodu osobowego przydatnej w samochodowych stacjach diagnostycznych
oraz określenie kryteriów dopuszczalności samochodu do ruchu ze względu wartość luzów.
Niniejsze opracowanie jest rezultatem rozwiązania następujących zadań:
•
•
•
•
Określenie związku między wartością luzów a własnościami trakcyjnymi samochodu.
Opracowanie metody pomiarów wartości bezwzględnej luzów bez demontażu zawieszenia.
Określenie dopuszczalnej wartości luzów na podstawie podanych przez producentów
samochodów dopuszczalnej wartości odchyłek ustawienia zbieżności kół przednich.
Opracowanie modelu matematycznego zawieszenia ujmującego luzy w parach kinematycznych.
Zweryfikowano następujące hipotezy pracy:
•
•
1.1
Dla samochodów osobowych na podstawie wyników dynamicznych badań nieinwazyjnych
zawieszenia przedniego pojazdu można określić wartość luzu w przegubach kulistych
zawieszenia.
Jeśli znane jest dopuszczalne odchylenie zbieżności kół przednich samochodu, to
wyznaczone w ten sposób wartości bezwzględne luzu w przegubach kulistych pozwolą na
jednoznaczne określenie dopuszczalności do ruchu pojazdu ze względu na stan
zawieszenia.
Geneza pracy
Na skutek użytkowania samochodów, zużyciu eksploatacyjnemu podlegają wszystkie pracujące
zespoły i elementy pojazdu. Zadaniem użytkowników jest ciągłe dbanie o to, aby pojazd zawsze był
gotowy do jazdy, oraz aby nie stwarzał zagrożenia użytkownikowi i innym uczestnikom ruchu. Cel ten
pomagają osiągnąć okresowe kontrole w stacjach diagnostycznych, oraz własne wrażenia kierowcy, które
dostarcza użytkowanie samochodów. Wieloletnia praca zawodowa w stacjach obsługi samochodów, oraz
poczynione obserwacje podczas diagnozowania stanu zawieszenia samochodów osobowych pozwoliły
autorowi sformułować następujące przesłanki pracy.
1.
2.
3.
Ocena stanu jest wynikiem obserwacji prowadzonej przez diagnostę. Powolność wmuszeń oraz mała
zmienność wymuszeń nie sprzyjają dokładnej analizie stanu zawieszenia. Brak jednoznacznie
sprecyzowanych parametrów dopuszczalności ze względu na wartość luzów powoduje małą
wiarygodność prowadzonego badania, jednak ze względu na brak innych metod diagnostycznych,
badanie organoleptyczne jest stosowane w samochodowych stacjach diagnostycznych.
Ocena stanu układu zawieszenia samochodu jest jednym z podstawowych wyznaczników
bezpieczeństwa jazdy i prawidłowej eksploatacji pojazdu. W trakcie badań diagnostycznych
dokładnie badany jest między innymi układ hamulcowy, sprawność amortyzatorów i oświetlenie
zewnętrzne, natomiast nie dokonuje się pomiarów wartości luzów w elementach zawieszenia
samochodu.
Współpracujące ze sobą części zawieszenia samochodu podlegają przyspieszonemu zużyciu na
skutek działania sił tarcia. W wyniku długotrwałej współpracy oraz w wyniku zewnętrznych
oddziaływań w efekcie zużycia powstaje luz, który w trakcie eksploatacji powiększa się. Pomiar
stanu wyeksploatowania par kinematycznych pozwala na wczesne wykrycie usterki i podjęcie
kroków zmierzających do usunięcia usterki nim dojdzie do awarii całego układu.
Obecność luzów w układzie przedniego zawieszenia samochodu pociąga za sobą dwojakie skutki. Jest
przyczyną zmiany trajektorii ruchu poprzez obniżenie sterowności pojazdu oraz zmiany zbieżności kół
przednich. Niewłaściwa zbieżność prowadzi do wzrostów oporów ruchu, czego efektem jest zwiększone
zużycie paliwa i opon.
Jedną z metod diagnozy jest pomiar wzajemnego przemieszczenia współpracujących części par
kinematycznych zawieszenia. Istnieje wiele metod pomiaru przemieszczeń. Niniejsze opracowanie
dotyczy akcelerometrycznego pomiaru luzów.
W Zakładzie Napędów i Sterowań Politechniki Koszalińskiej skonfigurowano i zrealizowano
stanowisko pomiarowe dla celów badawczych, w celu sprawdzenia przydatności proponowanej metody
diagnozowania. Metoda ta może zostać zaaplikowana do pomiaru luzów w wielu innych mechanizmach
maszyn.
3
2
Obiekt badań
Obiektem badań są zawieszenia przednie samochodów osobowych, w szczególności elementy
zawieszeń narażone na eksploatacyjne zużycie.
Zawieszenie, układ kierowniczy, układ hamulcowy oraz powiązane z nimi elementy układu
napędowego wraz z kołami, wchodzą w skład podwozia samochodu, jest podstawowym mechanizmem,
który oddziela nadwozie od drogi. Jego zadaniem jest izolowanie nadwozie od skutków działania sił
powstających podczas pokonywania nierówności, zapewnia płynność ruchu i łagodzi wpływ drgań
pochodzących od nawierzchni na podróżujących samochodem. Ponadto zawieszenie powinno zapewniać
nieprzerwany kontakt kół z jezdnią i utrzymywać stałe (w pewnych granicach) ich położenie względem
niej. Jest to ważne z punktu widzenia kierowalności (zdolność szybkiej i dokładnej odpowiedzi na skręt
kierownicy) oraz stateczności ruchu (zdolność utrzymywania żądanego kierunku jazdy) pojazdu.
W swojej najbardziej podstawowej formie, zawieszenie składa się z dwóch podstawowych
elementów:
•
•
Sprężyny
Tłumika
Zawieszenia pojazdów są różnorakimi kombinacjami kinematycznymi tych dwóch elementów.
W wyniku długotrwałej pracy elementy zawieszeń podlegają zużyciu eksploatacyjnemu.
3
Dotychczasowa metoda badania zawieszeń
Sposób i zakres przeprowadzania badań technicznych pojazdów w Okręgowych Stacjach Kontroli
Pojazdów reguluje rozporządzenie Ministra Infrastruktury. Dokument ten w sposób jednoznaczny określa
tryb i kolejność postępowania diagnosty.
Badanie stanu zawieszenia jest organoleptyczne. Wymuszenie ruchu może być wykonywane ręcznie
(rysunek 3.1) lub przy pomocy szarpaka (rysunek 3.2). Polega ono na tym, że przykłada się siłę lub
moment sił do koła pojazdu i obserwuje zachowanie elementów układu zawieszenia i kierowniczego.
Przy wykorzystaniu szarpaka umieszcza się koła badanego pojazdu na tzw. najazdach poziomych.
Przyłożenie wolnozmiennego wymuszenia siłowego do płyt najazdów powoduje przekazanie siły do
elementów zawieszenia. Zadaniem diagnosty jest obserwacja zachowania zawieszenia i wykrycie
niesprawnych elementów. Na podstawie wyników obserwacji podejmuje się decyzję o dopuszczeniu lub
niedopuszczeniu pojazdu do ruchu ze względu na stan zawieszenia.
Badanie polega na ręcznym wymuszeniu przemieszczenia koła. Przykładane są momenty sił a i b
(rysunek 3.1). Operator obserwuje zachowanie koła i na tej podstawie wyciąga wnioski o obecności
luzów.
Rysunek 3.1. Ręczne przyłożenie siły
4
Rysunek 3.2. Szarpak do mechanicznego wymuszenia przemieszczenia kół.
Urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami (zwany również detektorami luzów) mogą być
elektryczne, pneumatyczne bądź hydrauliczne. Wykonują one krótkie przemieszczenia i (lub) obroty w
różnych poziomych kierunkach. W celu zwiększenia obserwowalności urządzenia te wyposażone są
w silne źródła światła. Urządzenia będące aktualnie w sprzedaży mają wysoko zaawansowane układy
sterowania zmiany kierunków działania siły, jednak wyniki badań są nieporównywalne i nieobiektywne.
4
4.1
Wstępne badania rozpoznawcze
Badania statyczne
Badania statyczne przeprowadzono w celu oszacowania wielkości luzów, które mogą pojawiać się
w wyeksploatowanych przegubach kulistych. Do badań wzięto pięć przegubów kulowych pochodzących
z jednego modelu samochodu: Peugeot 307, o dużym stopniu wyeksploatowania, i jeden nowy. Powodem
demontażu były luzy zauważone podczas kontroli w serwisie samochodowym lub nieznośny stukot
dochodzący z zawieszenia, będący powodem niepokoju użytkownika. Pomiaru dokonano w kierunku
poziomym i pionowym.
W wyniku przeprowadzonych badań nie wykryto korelacji pomiędzy wielkością luzu w kierunku
poziomym i pionowym. Bardzo ważnym wnioskiem, jaki wyciągnięto z badań jest wartość luzu, która
może osiągać kilka milimetrów. Luz nowego przegubu ma wartość 0,1 mm.
O ile luz pionowy w ekstremalnych przypadkach może doprowadzić do rozłączenia się pary
kinematycznej, to jego wartość ma mały wpływ na zmianę geometrii zawieszenia przedniego, natomiast
luz poziomy nie zagraża rozdzieleniu przegubu, ale ma duży wpływ na zmianę parametrów
geometrycznych zawieszenia.
4.2
Badania dynamiczne
Badania dynamiczne przeprowadzono w celu sprawdzenia możliwości pomiaru luzu akcelerometrem
oraz dokonania wyboru najlepszego rodzaju wymuszenia dla jego pomiarów.
Zbudowano stanowisko (rysunek 4.1) będące modelem połowy zawieszenia przedniego samochodu
osobowego. W badanym zawieszeniu zamontowano zmodyfikowany do badań przegub kulowy.
Modyfikacja polegała na tym, iż dzięki śrubie możliwa była płynna regulacja wartości luzu. Ustawiono
luz na wartość 1 mm.
Pierwszym etapem było badanie odpowiedzi układu na wymuszenie ruchu impulsem siły. Przyłożono
do opony impuls o energii od 50 do 80 J. Podstawowym wnioskiem, jaki wysunięto na podstawie
wyników badań jest brak korelacji otrzymanego wyniku pomiaru przemieszczenia z wartością luzu. Jest
to spowodowane tym, iż impuls siły przyłożonej do opony nie jest w stanie wywołać ruchu zawieszenia
5
w pełnym zakresie luzu. Aby wywołać pełny ruch należałoby przyłożyć dwa impulsy siły, przeciwnie
skierowane działające w pewnym przesunięciu czasowym.
Kolejnym etapem było badanie ruchu z kinematycznym wymuszeniem harmonicznym ruchu
podstawy, na której stoi koło (rysunek 4.1).
Zastosowano ten sam tor pomiarowy, co przy wymuszeniu impulsem siły. Wymuszający sygnał
harmoniczny uzyskano przy zastosowaniu silnika prądu przemiennego i przemiennika częstotliwości.
Amplituda wymuszenia była zmieniana skokowo od wartości 1 mm do 6 mm ze skokiem 1 mm. Zmianę
amplitudy uzyskano wykorzystując mechanizm mimośrodowy z płynną zmianą wartości mimośrodu. Dla
każdej wartości amplitudy przeprowadzono pomiar w paśmie częstotliwości wymuszeń od 0 do 30 Hz.
W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że przy amplitudzie mniejszej niż 5 mm wyniki
pomiarów nie są adekwatne do założonych: nie odczytano ustawionej wartości luzu 1 mm, lecz mniejszą,
nawet dwa rzędy wielkości przy amplitudzie 1 mm. Wraz ze wzrostem wartości amplitudy rosła
odczytana wartość luzu. Przy amplitudzie wymuszenia 5 i 6 mm udało się uzyskać wyniki bardzo bliskie
zakładanym, przy częstotliwościach w paśmie 15 do 25 Hz. Zastosowanie niższej częstotliwości
powodowało uzyskanie wartości luzu większej od ustawionej, natomiast przy częstotliwościach powyżej
25 Hz układ wpadał w rezonans powodując duże zniekształcenie odczytanych wartości.
Rysunek 4.1. Stanowisko do badań wstępnych dynamicznych
4.3
Badania wstępne zawieszenia samochodów osobowych
Celem badań wstępnych jest określenie optymalnych parametrów pobudzenia harmonicznego układu
zawieszenia samochodu oraz optymalne rozmieszczenie czujników, łatwe w montażu, zapewniające
niezmienność położenia podczas badania, oraz możliwe w stosowaniu w możliwie dużej ilości pojazdów.
Analiza wyników wstępnych badań rozpoznawczych pozwoliła wysunąć wnioski o możliwości
dokonania pomiaru luzu w przegubach zawieszenia przedniego samochodu przy pomocy
6
akcelerometrów. Aby osiągnąć zamierzony cel, konieczne było określenie dokładności pomiaru
akcelerometrem.
4.3.1
Wybór czujnika pomiarowego, tor pomiarowy
Na podstawie badań rozpoznawczych postawiono wymagania, jakim powinien odpowiadać
czujnik pomiarowy – akcelerometr. Wymagania te spełniał zastosowany czujnik pomiarowy Memsic
MXR7010ML. Jest to tani, dwuosiowy czujnik termiczny o niskim paśmie częstotliwości pomiarowej (do
200 Hz). Zasada jego działania opiera się na wykorzystaniu bezładności ogrzewanego gazu w komorze
pomiarowej czujnika. Różnica temperatur jest mierzona za pomocą termopar połączonych w mostek
elektryczny. Napięcie na wyjściu czujnika jest proporcjonalne do przyspieszenia. Czujniki te umożliwiają
pomiar zarówno wibracji jak i przyspieszenia statycznego (grawitacyjnego). Masa czujnika wynosi
2 gramy.
Dzięki zastosowaniu wysoko zaawansowanej filtracji sygnału pomiarowego osiągnięto następujące
parametry pomiarowe toru pomiarowego (dla stanów quasi – ustalonych):
•
•
•
4.3.2
amplituda drgań od 10 µm do 10 mm
częstotliwość od 0,5 do 200 Hz
względna dokładność 0,23 % zakresu pomiarowego
Sprawdzenie dokładności pomiarów
Sprawdzenia dokładności pomiarów dokonano przy pomocy laserowego czujnika przemieszczeń ILD
1300-20.
Biorąc pod uwagę maksymalną odchyłkę liniowości czujnika laserowego określaną, jako 2 % zakresu
pomiarowego, co przy amplitudzie 10 mm wynosi 0,02 mm stwierdzono, iż dokładność pomiarowa
akcelerometrów w wybranym paśmie częstotliwości wynosi 40µm.
4.3.3
Stanowisko do pomiaru luzu przegubów w zawieszeniach przednich
samochodów osobowych
Zaprojektowano i wykonano wzbudnik drgań zawieszenia. Najważniejsze rozwiązania techniczne:
Płyta o wymiarach 600 x 280 mm oparta na czterech łożyskach wzdłużnych. Napędzana jest za
pomocą silnika prądu przemiennego, sześciobiegunowego o mocy 4 kW. Poprzez przekładnię kątową
moment obrotowy jest przekazywany na mimośród, następnie przy pomocy cięgien przekazywany jest
przeciwsobnie ruch posuwisto-zwrotny do płyt najazdów.
4.3.4
Pomiar wstępny
Wstępne pomiary realizowano na zbudowanym urządzeniu z użyciem specjalnie do tego celu
zmodyfikowanym zawieszeniem samochodu osobowego Opel Vectra. Modyfikacja polegała na
zamontowaniu przegubu kulowego zwrotnicy o znanym luzie a pozostałe elementy zawieszenia
(przeguby układu kierowniczego i silentbloki zawieszenia) były pozbawione luzów. Czujniki
rozmieszczono w kilku punktach obręczy koła (rysunek 4.3) oraz na zwieszeniu (rysunek 4.4): na
wahaczu, na zwrotnicy i ramie nadwozia samonośnego. Dodatkowo umieszczono czujnik na pokrywie
silnika w celu wykrycia drgań samochodu wywołanego wymuszeniem harmonicznym kół jezdnych.
7
Rysunek 4.2. Stanowisko do pomiaru luzów bezpośrednio po montażu
Rysunek 4.3. Zdjęcie rozmieszczenia czujników na obręczy
Rozmieszczenie czujników na obręczy koła nie przekracza średnicy tarczy zwrotnicy, ze względu na
odkształcalność felgi.
8
Rysunek 4.4. Zdjęcie rozmieszczenia czujników na elementach zawieszenia
4.3.5 Wnioski z badań wstępnych
Badania wstępne pozwoliły wyciągnąć szereg wniosków.
•
•
•
•
•
•
5
5.1
Założenia dotyczące konstrukcji wzbudnika drgań zawieszenia okazały się słuszne:
o wzbudnik nie generuje drgań podłoża;
o wzbudnik nie generuje drgań nadwozia;
o rozstaw najazdów umożliwia badanie samochodów osobowych i małych
ciężarowych typu Pick-up;
o zastosowanie łożysk wzdłużnych i prowadnic łożyskowych pozwala na badanie
pojazdów o nacisku do 10000N, nie powodując dużych oporów ruchu;
amplituda pobudzenia 10 mm jest wystarczająca do badań samochodów osobowych;
zastosowany przedział częstotliwości pobudzenia nie powoduje powstania zjawiska
rezonansu;
pomimo przeprowadzonych badań z różnymi kombinacjami rozmieszczenia, nie udało się
znaleźć optymalnego rozmieszczenia na obręczy koła, reprezentatywnego dla badanego
luzu;
stwierdzono podczas badań, że czujniki na feldze mogą dać pogląd na stan zawieszenia, lecz
nie dają dokładnego pomiaru;
rozmieszczenie czujników na elementach zawieszenia (wahacz, zwrotnica i rama) daje
możliwość dokładnego pomiaru luzu przegubu kulistego zawieszenia.
Model pojazdu
Model fizyczny
Cel modelowania
Celem naukowym modelowania ruchu samochodu jest umożliwienie numerycznego badania
wpływu luzu przegubu kulowego zwrotnicy przedniej na właściwości trakcyjne auta.
Zakres modelowania
Model matematyczny samochodu ujmuje ruch pojazdu dwuosiowego po nieodkształcalnej
powierzchni. Wielkościami wejściowymi do modelu są przemieszczenie listwy kierowniczej i moment
napędowy kół. Ze względu na badanie wpływu luzów zawieszenia przedniego, jest ono przedmiotem
szczególnego zainteresowania autora. Zawieszenie tylne jest w dużym stopniu uproszczone. Duży nacisk
9
w modelowaniu położono na luzy w zawieszeniu przednim, które modelowano, jako połączenie
o właściwościach sprężysto-lepkich.
Zjawiska
Modelowanie obejmuje zjawiska zachodzące podczas płaskiego ruchu samochodu w czasie jazdy,
przy czym uwzględniono zmienne wartości reakcji na podłoże wynikające z dynamiki ruchu pojazdu.
Szczególną uwagę zwrócono na zachowanie się modelowanych przegubów kulistych wynikające ze
zmiennych sił ruchu modelowanego zawieszenia.
Składowe modelu i ich stopnie swobody
Przyjęto model składający się z jedenastu brył sztywnych:
•
•
•
•
nadwozia o środku masy w punkcie C i sześciu stopniach swobody (xc, yc, zc, ψ, υ, τ);
czterech mas nieresorowanych, przy czym każda ma środek masy w początku układu (zk).
Zawieszenia przednie mają cztery stopnie swobody w ruchu względem nadwozia: ruch
resorowania (zzk), ruch skrętu koła (δ), ruch w kierunku poprzecznym (yzk) i ruch w
kierunku wzdłużnym (xzk); ruchy yzk i xzk wynikają z modelowania luzów. Zawieszenia
tylne mają jeden stopień swobody: ruch resorowania zzk;
czterech kół jezdnych wykonujących ruch obrotowy. Każde ma środek masy w początku
układu współrzędnych zk i jeden stopień swobody – obrót wokół własnej osi;
dwóch wahaczy przednich o trzech stopniach swobody, wykonujących następujące ruchy
względem nadwozia: przesunięcie wzdłuż osi lokalnych xw, yw i obrót wokół lokalnej osi
pionowej zw.
Założenia
Ruch podstawowy opisano stosując współrzędne kartezjańskie położenia (pozycji i orientacji) bryły
nadwozia i ich pochodne względem czasu. Pojazd traktowany jest jako zbiór brył sztywnych połączonych
elementami sprężystymi i sprężysto-tłumiącymi. Wzajemny ruch brył ograniczony jest więzami o
charakterze podatnym (elementy zawieszenia i skrętu kół kierowanych) lub jednostronnym.
Przemieszczenia mas nieresorowanych (koła i zawieszenie) określają zmiany orientacji przestrzennej
zawieszeń i kół, położenia środków kół oraz przemieszczenia styku kół z jezdnią, występujących podczas
przechyłu wzdłużnego i poprzecznego nadwozia.
Założono, że nawierzchnia jest nieodkształcalna, istnieje możliwość wprowadzenia zakłóceń takich
jak najazd na studzienkę kanalizacyjną lub karb.
Dla pojazdu przyjęto następujące wymuszenia:
– siłowe: momenty napędowe lub hamujące wywołujące ruch pojazdu;
– kinematyczne: przemieszczenie listwy układu kierowniczego wywołujące skręt kół przednich.
Uproszczenia
Podczas modelowania przyjęto szereg założeń upraszczających model:
•
•
•
•
•
•
•
•
luz przegubu kulistego zamodelowano jako połączenie sprężysto tłumiące ze zmiennym
współczynnikiem sprężystości zależnym od wzajemnego położenia elementów przegubu,
i tłumienia zależnego od prędkości względnej elementów przegubu;
pominięto tarcie suche i spoczynkowe w przegubie kulowym zwrotnicy;
tłumienie smaru w przegubie kulowym zawieszenia uproszczono do wyciskania smaru
z przestrzeni między wkładką a gniazdem;
łączniki zawieszenia (silentbloki zamodelowano jako połączenie sprężyste (pominięto
tłumienie);
pominięto histerezę w elementach zawieszenia wynikającą z działania sił tarcia;
amortyzatory zamodelowano jako tłumiki ze stałym współczynnikiem tłumienia;
sprężyny zawieszenia zamodelowano jako elementy idealnie sprężyste ze stałym
współczynnikiem sprężystości;
przyjęto pionowe ustawienie kół, nie brano pod uwagę możliwości zmiany ustawienia kół
spowodowanych ruchami zawieszenia i nadwozia;
10
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
5.2
zmiana momentu napędowego ma wpływ tylko na prędkość obrotową kół jezdnych,
pominięto wpływ na wzrost sił pionowych;
moment napędowy zamodelowano jako dwustanowy, działający przy spadku prędkości
środka ciężkości poniżej ustalonej wartości;
przyjęto, że środek ciężkości porusza się ze stałą zadaną prędkością liniową;
podczas analizy sił napędowych samochodu pominięto tłumienie opon;
nie modelowano górnego połączenia kolumny zawieszenia z nadwoziem, przyjęto, że jest to
idealne połączenie przegubowe;
przyjęto stały środek obrotu wahaczy przednich;
pominięto wpływ zmiany kąta skrętu kół na zmianę kątów pochylenia i wyprzedzenia
zwrotnicy wynikających z pracy zawieszenia;
przyjęto zerowy promień zataczania kół;
pominięto stabilizator przechyłów nadwozia;
pominięto wpływ ruchów pionowych zawieszenia kół na zmiany sił wzdłużnych
i poprzecznych kół;
zawieszenie tylne zamodelowano jako pionowe (takie nie istnieje), pominięto w związku
z tym wszelkie oddziaływania sił wzdłużnych i poprzecznych, pozostawiając jedynie opór
toczenia;
pominięto wpływ bocznego wiatru;
Model matematyczny samochodu
Ruch bryły nadwozia względem punktu C opisano kątami Eulera (rysunek 5.1). Do opisu ruchu
pojazdu wprowadzono układy współrzędnych lokalnych. Układy o indeksach zk1 i zk2 (rysunek 5.2)
opisują ruch koła przedniego. Układy o indeksie w1 i w2 opisują ruch wahaczy przednich. Układ
współrzędnych lokalnych o indeksie c przypisano do układu pojazdu. Układy współrzędnych o indeksie
zk związano z osią obrotu koła napędowego. Łączny ruch samochodu odbywa się w układzie
współrzędnych globalnych x, y, z. Kropki nad współrzędnymi oznaczają prędkości i przyspieszenia
liniowe elementów wskazanych w indeksie dolnym.
Rysunek 5.1 Kąty Eulera dla ruchu kulistego samochodu
11
Rysunek 5.2 Układy współrzędnych lokalnych
Oddziaływanie jezdni na koło
Toczenie się koła ogumionego odkształcanego wielokierunkowo jest procesem bardzo złożonym.
Reakcje jezdni na koło zależą od wielkości odkształceń ogumienia i od prędkości elementów koła
znajdujących się we współpracy i poza nim. W modelu matematycznym wykorzystano model koła
ogumionego opracowany przez Dugoffa i innych.
Zawieszenie samochodu
Zamodelowano zawieszenie samochodu o zerowym promieniu zataczania, z pojedynczym
trójkątnym wahaczem zawieszenia. Zawieszenie posiada 16 stopni swobody. Mocowanie wahaczy
(silentbloki) do nadwozia modelowano jako połączenie sprężyste. Przeguby kulowe zwrotnicy
zamodelowano jako połączenie o własnościach sprężysto-lepkich o zmiennym współczynniku
sprężystości (luz połączenia). Napęd pojazdu realizowany jest na przednią oś.
5.3
Model komputerowy
Na podstawie wyprowadzonych równań utworzono model komputerowy ruchu samochodu
w programie Matlab – Simulink.
Parametrami wejściowymi do modelu jest przemieszczenie listwy kierowniczej ylk i średnia prędkość
środka ciężkości vc.
6
Badania laboratoryjne całego układu
Badania przeprowadzono w celu weryfikacji modelu matematycznego luzu przegubu kulistego oraz
w celu sprawdzenia metody pomiarowej. Wątpliwe pomiarowo przypadki weryfikowano w Okręgowej
Stacji Diagnostycznej w Sianowie koło Koszalina.
6.1
Sprawdzenie metody pomiarowej
Do badania wzięto 20 samochodów. Łącznie przebadano 40 przegubów kulowych
zamontowanych w samochodach różnych marek o różnym stopniu wyeksploatowania zawieszenia
i o różnym przebiegu. Jedyną wspólną cechą badanych samochodów było to, że wszystkie miały ważne
badania techniczne. Przy okazji badań wypytywano właścicieli o historię napraw zawieszenia
samochodów. Poniżej przedstawiono kilka charakterystycznych wyników badań. Czujniki pomiarowe
12
rozmieszczano tak, jak wskazano na rysunku 4.4. Luzem przegubu jest różnica między maksymalnym
i minimalnym wychyleniem amplitudy przemieszczenia względnego.
Rysunek 6.1 Wyniki badania luzu przegubu zwrotnicy
Na rysunku 6.1 pokazano wyniki pomiarów trzech przegubów kulowych. Bezpośrednio po badaniu
udano się Peugeotem 406 do OSKP. Podczas badania diagnosta nie stwierdził żadnego luzu
w zawieszeniu przednim, mimo tego, że zmierzona wartość luzu wynosi 0,35 mm, i była widoczna
podczas wymuszenia drgań zawieszenia.
Podczas badania zawieszenia zauważono w jednym przypadku zwiększone przemieszczenie wahacza
(rysunek 6.2). Również tym samochodem pojechano do OSKP. Badania prowadzone przez diagnostę nie
wykazały żadnych uchybień w zawieszeniu, lecz podczas jazdy próbnej auto wykazywało tzw.
myszkowanie, tzn. nie trzymało toru jazdy.
Przemieszczenie wahacza
0,4
przemieszczenie [mm]
0,3
0,2
0,1
0
-0,1 0
0,05
0,1
-0,2
0,15
0,2
Ford
Escort
Peugeot
206
VW
polo
-0,3
-0,4
czas [s]
Rysunek 6.2. Wyniki badania silentbloków wahacza
13
6.2
Weryfikacja modelu matematycznego samochodu
W celu weryfikacji poprawności modelu dokonano porównania symulacji modelu z wynikami
pomiaru luzu dokonanymi na stanowisku laboratoryjnym. Symulację przeprowadzono dla luzu o wartości
0,14 mm, 0,56 mm i 0,8 mm. Są to dane uzyskane w badaniach samochodów. Mały rozrzut luzów
spowodowany był tym, że wszystkie badane samochody posiadały ważne badania techniczne, mimo
relatywnie „dużych” wartości luzu sworzni zwrotnic.
Wprowadzono harmoniczne siłowe wymuszenie ruchu, o częstotliwości 15 Hz i amplitudzie 1500N.
Wyniki pokazano na rysunku 6.3. Wszystkie pozostałe parametry modelu pozostawiono bez zmian.
-4
x 10
symulacja
pomiar
4
3
przemieszczenie, m
2
1
0
-1
-2
-3
-4
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
czas, s
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
Rysunek 6.3. Porównanie wyników symulacji i pomiarów dla wartości luzu 0,8mm
Wyniki uzyskane w procesie symulacji pozwalają na wyciągnięcie wniosku, iż model samochodu jest
poprawny, aczkolwiek dla małych wartości luzu występują różnice spowodowane mało dokładnym
doborem modelu tłumienia przegubu. Biorąc pod uwagę różnicę wartości zadanej oraz wyniku symulacji
można uznać model za poprawny.
Model przegubu kulowego jest wrażliwy na współczynnik tłumienia. Zmniejszenie współczynnika
o 10% powoduje „szarpanie” podczas zbliżania się do granic luzu. Zwiększenie o 10% powoduje brak
przemieszczenia w całym zakresie luzu, czego efektem jest zafałszowanie wyników badań poprzez brak
przemieszczenia główki przegubu w całym zakresie luzu.
Na rysunku 6.4 pokazano zmiany luzu podczas zmiany kierunku ruchu pojazdu we współrzędnych
pojazdu.
14
przemieszczenie zwrotnicy względem nadwozia w osi y pojazdu, m
-4
8
x 10
luz 0 mm
luz 0,5 mm
luz 1 mm
luz 1,5 mm
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
0
10
20
30
40
50
droga w osi x, m
60
70
80
90
Rysunek 6.4. Luz poprzeczny yzk(1)
7
Wartości dopuszczalne luzów
7.1.1
Analiza wartości dopuszczalnych luzu
Do określenia dopuszczalnej wartości luzu przegubu zwrotnicy posłużono się wartościami
granicznymi tzw. zbieżności połówkowej pojazdów. Autor jest świadom tego, iż dla poszczególnych
modeli wartości te się różnią, jednak ze względu na podjętą próbę unifikacji tych parametrów, wartości
poszczególnych wymiarów i tolerancji są uśrednione.
Tolerancja zbieżności w większości analizowanych modeli [Data_08] nie przekracza α =± 0°10′
(α = ±0.00029 rad), stąd tolerancja zbieżności połówkowej αp = ±0°5’, co w wartościach bezwzględnych
daje αp max = 0°10’ (αp max = 0.00029 rad). Długość ramienia zwrotnicy zazwyczaj nie przekracza 150 mm.
Jak wiadomo, podczas przyspieszania i hamowania, podczas skrętu, podczas jazdy po
nierównościach itp. siły zewnętrzne działające na koło zmieniają kierunek wypadkowego wektora siły
w kierunku zwiększenia bądź zmniejszenia zbieżności kół.
Zakładając brak luzu w układzie kierowniczym, a luz przegubu kulowego ∆y, dla podanych
parametrów zawieszenia (rysunek 7.1):
∆ymax = b ⋅ tg αp max
∆ymax = 0,43 mm
Luz przegubu kulistego zwrotnicy nie może przekraczać wartości 0,43 mm.
Korzystając z modelu komputerowego przeprowadzono symulację jazdy samochodem
z zamodelowanym luzem o wartościach od 0 do 1,5 mm. Obserwacji podlegały parametry toru jazdy.
Jedynym zakłóceniem, jakie wprowadzono do układu jest stopień zwilgocenia drogi, który zmienia się
jednakowo dla każdej symulacji.
Na rysunku 7.2 pokazano wyniki symulacji drogi, jaką przebyło auto z zadaną wartością luzu
przegubów kulowych zwrotnicy od 0 do 1,5 mm.
15
Rysunek 7.1.Schemat zwrotnicy
przemieszczenie środka ciężkości ojazdu w osi y, m
9.5
luz 0 mm
luz 0,5 mm
luz 1,0 mm
luz 1,5 mm
9
8.5
8
64
8
8.1
66
68
70
72
74
76
78
80
przemieszczenie środka ciężkości pojazdu w osi x, m
82
84
Zakończenie
Podsumowanie pracy
W niniejszej rozprawie przestawiono, jaki jest związek między wartością luzów a właściwościami
trakcyjnymi samochodu. Opracowana metoda pomiaru wartości bezwzględnej luzów bez demontażu
elementów zawieszenia może być wykorzystana w samochodowych stacjach diagnostycznych do
arbitralnej oceny stanu zawieszenia ze względu na luzy w parach kinematycznych. Aktualnie ten proces
wykonywany jest organoleptycznie, bez pomiaru i wskazania wartości dopuszczalnych. Zaproponowane
w pracy dopuszczalne wartości luzów opracowano na podstawie wartości odchyłek zbieżności kół
przednich podanych przez producentów samochodów. Jak pokazano w pracy granica jest umowna i tyko
tak należy ją traktować, gdyż właściwości trakcyjne zaczynają pogarszać się od najmniejszych wartości
luzu.
16
Opracowano model matematyczny samochodu, ujmujący luzy w parach kinematycznych zawieszenia
przedniego. Na podstawie modelu matematycznego utworzono model komputerowy, dzięki któremu
możliwa jest symulacja ruchu pojazdu.
Wyniki symulacji, jakie uzyskano podczas różnych wartości luzu pozwalają na stwierdzenie, iż
głównym powodem niestabilności jazdy samochodem zakłócenia pojawiające się podczas jazdy po
drogach. Takimi najczęstszymi zakłóceniami są dziury, koleiny, okresowe zlodzenia nawierzchni itd.
Zakłócenia powodują pojawianie się sił przeciwdziałających ruchowi, a te z kolei są przyczyną ruchów
przegubowych przestrzeniach luzów, a to z kolei prowadzi do zmian w zamierzonej trajektorii ruchu.
Pojedyncze zakłócenia nie są groźne, gdyż kierowca jest w stanie reagować na zmiany, lecz
nawarstwienie się i nałożenie na siebie zakłóceń może być przyczyną groźnych sytuacji. Takim
przykładem może być na przykład koleina zalana wodą. Może to powodować powstanie
niekontrolowanych sił poprzecznych oraz zmniejszenie przyczepności poprzez powstanie poduszki
wodnej. Mimo znacznych uproszczeń poczynionych w modelu matematycznym takie symulacje można
przeprowadzić, a ich wyniki można uznać za prawdziwe.
Do najważniejszych osiągnięć autora należą:
•
•
•
•
•
•
8.2
opracowanie modelu matematycznego i komputerowego samochodu osobowego, w którym
zamodelowano luzy w parach kinematycznych zawieszenia,;
opracowanie modelu matematycznego przegubu kulowego zawierającego luzy;
przeprowadzenie symulacji komputerowej ruchu pojazdu i oznaczenie wpływu luzów
przegubów kulistych na zmianę trajektorii ruchu;
opracowanie nowej metody pomiaru luzów w zawieszeniu przednim samochodu, bez
demontażu badanych części i przetestowanie jej na rzeczywistych obiektach – samochodach
osobowych, a w szczególności:
o zaprojektowanie i zbudowanie wzbudnika drgań zawieszenia samochodu,
nieprzenoszącego zakłóceń do środowiska;
o opracowanie taniej i relatywnie dokładnej, akcelerometrycznej metody pomiaru
przemieszczeń względnych;
o określenie rozmieszczenia akcelerometrów na badanym obiekcie;
opracowanie wartości dopuszczalnej luzów;
przedstawiona w pracy metoda pomiaru luzów w zawieszeniach samochodów jest metodą
nowatorską, dotąd nigdzie niestosowaną. Zarówno urządzenie jak i metoda pomiarowa stały
się wnioskiem do Urzędu Patentowego RP o ochronę praw autorskich .
Wnioski
•
zaproponowana metoda pomiaru luzów jest metodą tanią, dokładną, łatwą do realizacji i nie
wymaga demontażu badanych elementów;
•
opracowana metoda pomiarowa została zweryfikowana. Może ona znaleźć zastosowanie
w przemysłowych pomiarach zawieszeń pojazdów;
•
pomiar odniesiony do zaproponowanych wartości dopuszczalnych może stanowić wyznacznik
dopuszczalności do ruchu samochodu ze względu na stan zawieszenia;
•
tylko luz w kierunkach poziomych ma wpływ na parametry geometryczne zawieszenia
samochodu, wymuszenie jak i pomiar luzu odbywa się wyłącznie w płaszczyźnie poziomej;
•
wraz ze wzrostem luzu poziomego wzrasta luz pionowy, jednak nie zaobserwowano stałej
zależności pomiędzy nimi;
•
obróbka cyfrowa sygnału nie obniża dokładności pomiarowej dzięki zastosowaniu wysoko
zaawansowanej filtracji sygnału pomiarowego;
wymuszenie impulsem siły nie daje właściwych wyników pomiarów, przyłożenie zbyt dużej
energii do opony może ją zniszczyć;
optymalne parametry wymuszenia harmonicznego to częstotliwość 15 Hz, amplituda 10 mm;
symulacja przeprowadzona w oparciu o opracowany model matematyczny samochodu daje
poprawne wyniki.
•
•
•
17
8.3
Kierunki dalszych badań
Zamodelowany samochód osobowy posiada szereg uproszczeń. W dalszym etapie pracy można
zmniejszyć ilość uproszczeń, szczególnie tych dotyczących pracy zawieszenia.
Model przegubu kulowego, mimo że w ocenie autora jest wystarczająco dokładny, do symulacji jest
mało dokładny w ocenie tłumienia. Celowym byłoby podjąć badania eksperymentalne w celu szerszego
opracowania tematu.
W trakcie badań dynamicznych samochodów zauważono, iż jeden z badanych egzemplarzy miał
zdecydowanie odbiegające od innych parametry podatności łączników metalowo-gumowych zawieszenia.
Wątpliwości autora nie uzyskały akceptacji uprawnionego diagnosty samochodowego, z powodu braku
wytycznych dotyczących tych elementów. Jazda próbna wykonana tym samochodem potwierdziła
wątpliwości autora w kierunku niewłaściwych parametrów silentbloków (samochód myszkował).
Celowym byłoby podjąć badania w kierunku określenia dopuszczalności ugięcia wahacza przedniego.
Osiągnięta dokładność pomiarów jest wystarczająco duża dla pomiarów warsztatowych, jednak
w celu uzyskania jednoznacznej analizy wskazanym byłoby przeprowadzenie optymalizacji cenowodokładnościowej innych typów czujników.
9
Publikacje własne
Żebrowski-Kozioł M.: Modelowanie luzów w elementach zawieszeń samochodów
osobowych. Materiały Krajowej Konferencji Naukowej - Doktoranci Dla Gospodarki 2006
w Sarbinowie w dniach 22 -24.10.2006 Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Koszalin
2007.
Żebrowski-Kozioł M.: Symulacja luzów par kinematycznych w elementach zawieszeń
samochodów osobowych z zastosowaniem programu Simulink. Materiały XX Konferencji
Naukowej Problemy rozwoju maszyn roboczych Zakopane 2007 s. 405-406.
Żebrowski-Kozioł M. Eksperymentalne badanie luzu sworznia zwrotnicy w aspekcie
własności trakcyjnych samochodu. Materiały X Konferencji Naukowo- Technicznej
Innowacje w motoryzacji a ochrona środowiska Słupsk 2007, s. 555-560, Starostwo
Powiatowe w Słupsku, Słupsk 2007.
Żebrowski-Kozioł M.: Diagnozowanie luzów współpracujących części maszyn za pomocą
akcelerometrów. Materiały z XXVI Konferencji Naukowej Polioptymalizacja i CAD
Mielno 2009, s. 149-152, Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2009.
Żebrowski-Kozioł M., Tarnowski W.: Diagnozowanie luzów w połączeniach przegubowych
przedniego zawieszenia samochodu. Acta mechanica et automatic v3 nr 2, s. 122-124
Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2009.
Żebrowski-Kozioł M. Pomiar luzów w parach kinematycznych zawieszenia przedniego
samochodu
osobowego.
Logistyka
6/2009,
dodatek
CD,
Instytut
Logistyki
i magazynowania, Poznań 2009.
Żebrowski-Kozioł M., Tarnowski W.: Wniosek Patentowy P.0389703, UPRP Warszawa
2009.
18

autoreferat_Zebrowski_Koziol

Transkrypt

Podobne dokumenty

papier firmowy modesto storevan

Wzór Oferty

profil firmy - Elektroline

Podsumowanie 2010r oraz przekazanie samochodu

Generuj PDF - KPP Nowy Tomyśl

AudaSPA - audatex.lt