143
DRGANIA SKRTNE W ASPEKCIE ZARZDZANIA STRATAMI ENERGII W UKADZIE
NAPDOWYM POJAZDW POMIARY, DIAGNOSTYKA
I ZASTOSOWANIE
ANDRZEJ SADOWSKI, BOGDAN TOWSKI, MARCIN UKASIEWICZ, JOANNA
WILCZARSKA, EWA KULI
Streszczenie
Gwnymi elementami wymagajcymi diagnozowania pojazdw
mechanicznych s ukady napdowe, ktrych stan jest zaleny midzy innymi
od stopnia zuycia. Moc mechaniczna jest wielkoci niosc bardzo wiele
informacji na temat stanu technicz-nego ukadw napdowych. Wystpujce
zmiany oscylacyjne jej wielkoci powodujskrcenie ywotnoci i
zmniejszenie niezawodnoci ukadw napdowych. Podstawo-wymi metodami
uzyskania informacji o przenoszonej mocy mechanicznej s metody
pomiarw porednich realizowane poprzez pomiar mocy na koach pojazdu,
z wyko-rzystaniem hamowni. Przedstawiona w pracy koncepcja pomiaru
w sposb
bezporedni umoliwia pomiar w cigu ukadu napdowego w warunkach
eksploata-cyjnych.
Sowa kluczowe: ukad napdowy, pomiary, drgania skrtne
Wprowadzenie
Wrd wielu istotnych zada, do celw logistyki naley take
utrzymanie rodkw transportu w ruchu. Wie si z tym diagnostyka ich
stanu technicznego. Gwnymi elementami wymagaj-cymi diagnozowania s
ukady napdowe, ktrych stan jest zaleny midzy innymi od stopnia
zuycia, co w niektrych przypadkach, wymaga cigego nadzoru. W
ukadach napdowych po-szczeglne elementy takie jak: silnik, sprzgo,
przekadnie i way, s poczone ze sob, wszystkie te elementy maj
skoczon sztywno i pod wpywem dziaajcego momentu ulegaj skrceniu.
Istnieje grupa napdw, w ktrych sprysto poczenia mechanicznego wpywa
istotnie na ich prac, powodujc oscylacje wielkoci. Powoduje to
skrcenie ywotnoci i zmniejszenie niezawod-noci ukadu napdowego,
wzrost napre zarwno w wale jak i przekadniach oraz wpywa
niekorzystnie na proces technologiczny [8]. Moc mechaniczna jest
wielkoci niosc bardzowiele informacji na temat stanu technicznego
ukadw napdowych . Podstawowymi metodami uzyskania informacji o
przenoszonej mocy mechanicznej jest metoda porednia poprzez pomiar
mocy mecha-nicznej na stanowiskach dynamometrycznych hamowniach
[14,15]. Wykorzystuje si take metody bezporednie pomiaru
przenoszonego momentu mechanicznego, z wykorzystaniem syste-mw
optycznych czy tarcz inpulsowych do wyznaczenia kta skrcania wau
[1,2]. Jednak najbardziej rozpowrzechniony pomiar bezporedni
realizowany jest za pomoc naklejanych czuj-nikw tensometrycznych,
wiza si dotychczas z problemem transmisji sygnau gdy ukad pomiarowy
wiruje wraz z waem.
Celem powyszej publikacji jest zaprezentowanie metody badawczej
opartej o pomiar odkszta-cenia wau napdowego pod wpywem
przekazywanej mocy mechanicznej.
Andrzej Sadowski, Bogdan towski, Marcin ukasiewicz, Joanna
Wilczarska, Ewa KuliDrgania skrtne w aspekcie zarzdzania stratami
energii w ukadzie napdowym pojazdw
pomiary, diagnostyka i zastosowanie
144
1. Geneza powstawania drga skrtnych
Pracujcy tokowy silnik spalinowy jest rdem drga, ktre s wynikiem
wystpowania w nim okresowo zmiennych si cinienia gazw i bezwadnoci.
Wymienione okresowo zmienne siy generuj nastpujce rodzaje drga:
gitne, wzdune i skrtne. Pierwsze dwa rodzaje drga w samochodowych
silnikach spalinowych nie stanowi wikszego zagroenia dla trwaoci
wau korbowego. Niezalenie jednak od ukadu dynamicznego, w ktrym
pracuje silnik, najwiksze za-groenie dla jego wau korbowego stanowi
drgania skrtne [4,5].
Spord wielu si dziaajcych w ukadzie korbowo-tokowym ruch
obrotowy wau korbowego powoduje sia T styczna do okrgu zataczanego
przez wykorbienie. Sia T, ktra jest jedn z dwch skadowych siy S
dziaajcej wzdu osi korbowodu, jest si okresowo zmienn. Jej okres
dla sil-nika dwusuwowego wynosi 2, a dla silnikw czterosuwowych 4.
Zmienno siy T wywouje przyspieszenia w ruchu obrotowym wau
korbowego silnika, powodujc powstawanie drga skrt-nych, ktre
zmieniaj si wraz ze zmian prdkoci obrotowej wau. Warto podkreli, e
wychylenie wau korbowego ograniczone jest wycznie sztywnoci skrtn
wau, amplituda drgaskrtnych moe za przekroczy dopuszczalne wartoci.
W przypadku cakowitego braku tumienia krzywa, wedug ktrej zmieniaj
si drgania, dy do nieskoczonoci dla kadej prdkoci wywo-ujcej jak
harmoniczn rezonansow [4, 5, 13].
Zniszczenie wau o zmiennej sztywnoci, a takim waem jest wa
korbowy, nastpuje z chwil, gdy zostanie przekroczona dopuszczalna
warto amplitudy(dopuszczalny kt skrcenia) dop.
(1)
gdzie:
Ms moment skrcajcy; Li zredukowana dugo odcinka wau; G modu
sprystoci postaciowej; Ioi biegunowy moment bezwadnoci. Przy
analizowaniu zaoe najwaniejsze znaczenie ma zrozumienie rnicy midzy
drganiami
skrtnymi silnika i drganiami skrtnymi ukadu czyli, rnicy midzy
sposobem drga caego silnika i sposobem drga ktry dotyczy nie tylko
silnika lecz pozostaych elementw ukadu napdowego. Dla samego
silnika wyeliminowanie drga skrtnych moe nastpi na poziomie
projektowania sil-nika poprzez dodanie masy co jest korzystne z
punktu widzenia nieregularnoci cylki, poniewadodatkowa bezwadno
posiada tendencj absorbowania energii i impulsw poszczegulnych
su-ww roboczych. Naley stwierdzi e wwczas, gdy dodawana jest masa
do silnika, problem pozostaje w obrembie samego silnika lub te
wystpuj tylko drgania skrtne silnika.
Powstaje problem co dzieje si, gdy silnik jest zastosowany w ten
sposb e masa napdzana nie jest bezporednio poczona z silnikiem.
Okazuje si, e w tym momencie wkracza si w zakres drga skretnych
ukadu. Mas tak moe by: alternator, kompresor, kompresor
klimatyzacji wa napdowy, itp. Niezalenie od tego, jaki to bdzie
element, wystpuje teraz nowy ukad skrtny, posiadajcy wasn
czstotliwo. W konsekwencji tym nowym ukadem naley zaj si osobno,
niezalenie od samego silnika, nawet mimo tego, e drgania
skrtnesilnika , jako takie, dalej istniej.
Trudnoci z drganiami skrtnymi mog jednake powikszy si, gdy
wielko masy mapdza-nej zaczyna zblia si do masy silnika.
Rozpoczynajc od okoo 25% masy koa zamachowego
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge
Management
Nr 80, 2016
145
silnika, czstotliwo wasna moe by dostatecznie maa, a amplituda
dostatecznie dua do stwo-rzenia niszczcych warunkw krytycznych w
obrbie zakresu prdkoci. Kocowy czynnik zaley oczywicie nie tylko od
wielkoci masy, ale rwnie od staej sztywnoci ukadu sprystego
[6,13].
2. Przyjta koncepcja pomiaru
Warto mocy mechanicznej przenoszonej przez ukad napdowy jest
nierozcznie zwizana z prdkoci obrotow oraz momentem obrotowym
przenoszonym przez wa napdowy. Oscyla-cyjny charakter mocy okrelany
jako drgania skrtne moemy wyznaczy za pomoc pomiaru momentu
obrotowego, ktry realizowany jest w nastpujcy sposb.
Pomiar momentu obrotowego dokonywany jest w sposb poredni na
podstawie odksztacenia wau za pomoc tensometrii oporowej [1,2,7,
11,12]. Metoda pomiaru opiera si na pomiarze wiel-koci napicia
uzyskiwanej na wyjciu mostka tensometrycznego a proporcjonalnej do
wartoci odksztacenia, powstajcego na wale napdowym, wskutek
obcienia go momentem obrotowym, na podstawie zalenoci (2) oraz
(3).
Pomiary realizowane w warunkach eksploatacyjnych powinny
zapewnia moliwo pozyski-wania danych pomiarowych z bdcego w ruchu
obrotowym wau napdowego. Zaproponowano aparatur pomiarowa z
telemetrycznym transmisj sygnau pomiarowego, co niweluje gwne
utru-gnienia znanej ju metody pomiaru. Telemetryczny system
pomiarowy pozwala na bezprzewodowy pomiar momentu obrotowego z
akwizycj danych pomiarowych w postaci sygnau napiciowego na
wirujcych bd pozostajcych w ruchu obiektach w czasie ich pracy w
sposb cakowicie bez-kontaktowy. Bezkontaktowa transmisja sygnau w
formie cyfrowej charakteryzuje si niskim poziomem zakce, a moliwo
bezprzewodowego zasilania indukcyjnego nie wymaga koniecz-noci
stosowania baterii powodujcych dodatkowe niewyrwnowaenie wau.
System pomiarowy umoliwia skonfigurowania do wsppracy z typowymi
tensometrami oporowymi. W tym celu wy-korzystano system pomiarowy
KMT Telemetry TEL1-PCM-BATT. Sygna z aparatury pomiarowej
rejestrowany w celu dokonania dalszych analiz, za porednictwem
analizatora sygnaw co prezen-tuje rys. 1.
Rysunek 1. Schemat transmisji sygnau pomiarowego odksztacenia
wau
rdo: [11,12].
Andrzej Sadowski, Bogdan towski, Marcin ukasiewicz, Joanna
Wilczarska, Ewa KuliDrgania skrtne w aspekcie zarzdzania stratami
energii w ukadzie napdowym pojazdw
pomiary, diagnostyka i zastosowanie
146
3. Algorytm przetwarzania danych
Odksztacenie okrelane na podstawie pomiarw wykorzystujcych
tensometri oporow, mona wyznaczy za porednictwem zalenoci (2),
przedstawiajc odksztacenie wau na pod-stawie napicia zmierzonego na
wyjciu mostka tensometrycznego. Dwukrotna warto napicia
zmierzonego, wynikajca z zastosowanego rodzaju tensometru, jest
odwrotnie proporcjonalna do iloczynu wzmocnienia sygnau, staej
tensometru oraz napicia wzbudzenia.
!"
# $ " (2)
gdzie:
U przyrost napicia (napicie zmierzone) [V] a wzmocnienie
sygnau
Uo napicie wzbudzenia tensometru [V] k staa tensometru
[mV/V]
Moment obrotowy wyznaczany dla dronego wau na podstawie jego
odksztacenia jest ilo-czynem: mierzonego odksztacenia wau, modu
sprystoci poprzecznej (uzaleniajcy odksztacenie postaciowe materiau
od naprenia, jakie w nim wystpuje), liczby oraz rednicy wau
podlegajcemu odksztaceniu.
%
& ' ( )* + ,* [Nm] (3)
gdzie:
liczba pi G modu Kirchoffa [Pa]
odksztacenie wau (mierzone) D rednica zewntrzna wau [m] d
rednica wewntrzna wau [m]
4. Badania
Obiektem bada w przeprowadzonym eksperymencie by ukad napdowy
pojazdu ciarowo terenowego marki Star model 266M2, przedstawiony na
rysunku 2.
Rysunek 2. Obiekt bada STAR 266M2
rdo: [11,12].
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge
Management
Nr 80, 2016
147
Wyposaony w silnik IVECO typ F4AE0481 o mocy 125 kW (170KM) oraz
maksymalnym momencie obrotowym 560 Nm, skrzynie biegw Eaton o 6-ciu
przeoeniach, oraz skrzynie roz-dzielczo redukcyjn [6].
Przygotowanie obiektu do bada polegao na przygotowaniu
powierzchni waw napdowych pod naklejenie tensometrw, zwizane byo to
z koniecznoci miejscowego oczyszczenia wau z warstwy lakierniczej.
Klejenie tensometru dokonano za pomoc kleju cjanoakrylowego, a
nastp-nie poddano dosychaniu w podwyszonej temperaturze. Enkoder
wraz z anten nadawczzabezpieczono tam ferromagnetyczn eliminujc
zakcenia sygnau pomiarowego, sposb mon-tau przedstawiono na rysunku
3. Dziki zaopatrzeniu systemu pomiarowego w dodatkowe rdo
zasilania, zwikszono odlego midzy anten nadawcz a odbiorcz z 50 do
150 mm. Umoliwio to dokonanie pomiaru przy eksploatacyjnych
warunkach pracy ukadw napdowego oraz ukadu zawieszenia.
Rysunek 3. Ukad pomiarowy w trakcie montau na wale napdowym
rdo: [11].
Pomiary wykonano na prostej drodze o nawierzchni utwardzonej
pojazdem nieobcionym, przy drugim przeoeniu skrzyni biegw wtrakcie
zwikszania prdkoci obrotowej w zakresie 1000 2500 obr/min . W
wyniku przeprowadzonego badania zarejestrowano sygna pomiarowy o
oscy-
lacyjnym charkterze zmian momentu obrotowego co przedstawiono na
rys 4.
Andrzej Sadowski, Bogdan towski, Marcin ukasiewicz, Joanna
Wilczarska, Ewa KuliDrgania skrtne w aspekcie zarzdzania stratami
energii w ukadzie napdowym pojazdw
pomiary, diagnostyka i zastosowanie
148
Rysunek 4. Przykadowy przebieg czasowy momentu obrotowego
uzyskany w trakcie badania
5. Podsumowanie
Dziki proponowanej metodzie moliwy jest pomiar momentu
obrotowego w warunkach eks-ploatacyjnych w jego naturalnym
rodowisku pracy. W artykule przedstawiono koncepcjpomiaru momentu
obrotowego z wykorzystaniu znanej ju metody bazujcej na pomiarach
tenso-metrycznych, lecz z wykorzystaniem telemetrycznego przesyu
danych z czci znajdujcej si na wirujcym wale. Sposb przesyu danych
z enkodera, poczonego z tensometrem na wirujcym wale napdowym, do
dekodera pozostajcego w poaczeniu z ram pojazdu bd nadwoziem,
wy-korzystuje przesy sygnau w postaci cyfrowej. Taki sposb przesyu
niepowoduje jego
znieksztacania co miao miejsce w przypadku dotychczasowej metody
z przesyem wykorzstuj-cym lizgajce si szczotki stosowane w
starszego typu momentomierzach analogowych.
Bibliografia
[1] Barszcz T., Urbanek J., 2009, Pomiar mocy mechaniczhej
maszyn elektrycznych poprzez po-
miar kata skrcania wau. Zeszyty problemowe maszyny elektryczne
nr 82/2009. [2] Barszcz T., 2006, Systemy monitorowania i
diagnostyki maszyn, Instytut Technologii Eksplo-
atacji PIB, Krakw.
[3] Dbrowski Z., Dziurd J., 2014, Analiza porwnawcza drga
skrtnych wau korbowego z drganiami poprzecznymi korpusu silnika,
Logistyka 6/2014.
[4] Homik W., 2013, Metryka wiskotycznego tumika drga skrtnych,
Zeszyty naukowe mary-narki wojennej, rok LIV nr 1 (192).
[5] Homik W., 2012, Tumienie drga skrtnych waw korbowych silnikw
okrtowych oglna metodyka doboru wiskotycznego tumika drga, Zeszyty
Naukowe Akademii Marynarki Wo-jennej rok LIII nr 4 (191) 2012.
[6] Jakiewicz Z. 1968, Mechaniczne napdy samochodw, way i
przeguby WKiL Warszawa, [7] Miek M., 2006 Metrologia elektryczna
wielkoci nieelektrycznych. Oficyna Wydawnicza Uni-
wersytetu Zielonogrskiego, Zielona Gra.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge
Management
Nr 80, 2016
149
[8] Paul Pawe, Muszyski R., 2014, Wpyw dodatkowych sprze
zwrotnych na tumienie drgaskrtnych w ukadzie napdowym z poczeniem
sprystym o duej dynamice, Politechnika Poznaska, Instytut
Automatyki i Inynierii Informatycznej, Przegld elektrotechniczny,
R. 90 NR 4/2014.
[9] Sadowski A., towski B., 2011. Badanie Rozpywu Energii
Pojazdu Samochodowego Pol-skie Stowarzyszenie Zarzdzania Wiedz
Seria: Studia i Materiay, nr 48, 2011.
[10] Sadowski A., towski B., Kaaczyski T., ukasiewicz M.; 2013,
Monitoring transmission of the energy in driving systems of
machines Monografia pod redakcj B. towskiego i J. Shalapko,
Interdisciplinary integration of science in technology, education
and economy,
Yaremche 2013.
[11] Sadowski A., towski B., Kaaczyski T., Wilczarska J., 2014,
Zastosowanie rozpywu energii w wyznaczaniu sprawnoci ukadu
przeniesienia napdu samochodu ciarowo te-renowego Logistyka 2/
2014.
[12] Sadowski, A., towski, B., & Kuli, E., 2014, Application
of energy dissipation analysis for identification of machine
component condition. Journal of Polish CIMAC, 9(3), 8189,
[13] Wajand A. J., 2005, Tokowe silniki spalinowe rednio i
szybkoobrotowe, WNT, Warszawa 2005.
[14] towski B. , Cempel C., 2004,Inynieria diagnostyki maszyn,
Instytut Technologii Eksplo-atacji PIB, Warszawa 2004.
[15] towski B., 2011, Podstawy diagnozowania maszyn Wyd. UTP
Bydgoszcz 2011.
Andrzej Sadowski, Bogdan towski, Marcin ukasiewicz, Joanna
Wilczarska, Ewa KuliDrgania skrtne w aspekcie zarzdzania stratami
energii w ukadzie napdowym pojazdw
pomiary, diagnostyka i zastosowanie
150
TORSIONAL VIBRATIONS IN ASPECT LOSS MANAGEMENT ENERGY SYSTEM
DRIVE VEHICLES MEASUREMENT, DIAGNOSTICS AND APPLICATION
Summary
The main things that need to diagnose vehicles are drive systems
whose state de-
pends inter alia on the degree of wear. Mechanical power is the
size of carrying a lot
of information about the technical condition of the power
system. There are variations
in the size of the oscillating shorten the service life and
reduce the reliability of power
transmission systems. The basic methods of obtaining information
about the transmit-
ted power, mechanical methods are indirect measurements carried
out by measuring
the power at the wheels of the vehicle, using a dynamometer. The
presented work
measurement concept in a way that enables direct measurement
within the drive sys-
tem in the operating conditions
Keywords: drive system, measurement, torsional vibrations
Andrzej Sadowski
Bogdan towski Marcin ukasiewicz
Joanna Wilczarska
Ewa KuliZakad Pojazdw i Diagnostyki
Wydzia Inynierii Mechanicznej Uniwersytet
Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
e-mail: [email protected]
