acta mechanica et automatica, vol.3 no.1 (2009)

33

STANOWISKO DO BADANIA ELEMENTÓW SPRĘŻYSTYCH ZAWIESZEŃ POJAZDÓW

Jarosław CZABAN

*

, Dariusz SZPICA

*

*

Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok

[e-mail], [e-mail]

Streszczenie: W pracy przedstawiono stanowisko ST1 do badania elementów sprężystych zawieszeń pojazdów oraz zapre-
zentowano program komputerowy do identyfikacji parametrów sztywności oraz tarcia wewnętrznego badanych elementów.

1. WPROWADZENIE

Zawieszeniem samochodu nazywamy zespół elementów

sprężystych, tłumiących oraz wiążących je łączników,
łączący osie lub poszczególne koła samochodu z ramą albo
wprost z nadwoziem pojazdu. Zadaniem zawieszenia jest
łagodzenie wstrząsów wywołanych nierównościami na-
wierzchni, po której porusza się samochód, w celu zapew-
nienia maksymalnego komfortu jazdy przewożonym oso-
bom oraz ochrony ładunków przed wstrząsami i szkodli-
wymi drganiami. Zabezpieczenie przed zbyt silnymi
wstrząsami ma także istotny wpływ na trwałość mechani-
zmów samochodu.

Dla spełnienia tych zadań w zawieszeniach samocho-

dów stosowane są elementy sprężyste w postaci: resorów
piórowych, sprężyn śrubowych, drążków skrętnych, pneu-
matycznych elementów sprężystych, hydropneumatycznych
elementów sprężystych i gumowych elementów sprężys-
tych.

W celu demonstracji budowy i działania oraz wyzna-

czenia charakterystyk sztywności typowych elementów
sprężystych stosowanych w pojazdach samochodowych
zbudowano w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn
stanowisko pomiarowe ST1.

2. STANOWISKO DO BADANIA ELEMENTÓW
SPRĘŻYSTYCH

Schemat stanowiska pomiarowego ST1 przedstawiono

na rysunku 1. Stanowisko składa się z ramy 2 spawanej
z profili zamkniętych, do której montowane są specjalne
głowice pomiarowe z badanymi elementami sprężystymi.
Specjalne konstrukcje głowic (rysunek 2) zapewniają od-
powiednie prowadzenie badanych elementów oraz minima-
lizację tarcia w prowadzeniach. Do obciążania elementów
sprężystych wykorzystano siłownik pneumatyczny 5 zasi-
lany ze sprężarki 4 poprzez ręczny zawór 3. W trakcie
badań rejestrowane są sygnały z przetwornika przemiesz-
czeń 6

i przetwornika siły 7 za pomocą rejestratora MC201A.
Dane pomiarowe zapisywane są na dysku komputera prze-

nośnego, a następnie poddawane analizie własnym progra-
mem komputerowym ELSPR.

a)

1

2

5

3

4

6

7

UZ

MC201

EMC

b)

Rys. 1. Stanowisko ST1 do badania elementów sprężystych:

a – schemat stanowiska: 1 – badany element, 2 – rama,
3 – ręczny zawór sterujący, 4 – sprężarka, 5 – siłownik
pneumatyczny, 6 – przetwornik przemieszczeń Cl100,
7 – przetwornik siły Dir-1-WT1, UZ – układ zasilania,
MC201 – rejestrator, EMC – komputer; b – widok
stanowiska

Pomiary wykonuje się przy obciążaniu i odciążaniu,

co umożliwia wyznaczenie pętli histerezy. Jest to szczegól-

Jarosław Czaban, Dariusz Szpica
Stanowisko do badania elementów sprężystych zawieszeń pojazdów

34

nie ważne dla resorów piórowych i pakietów drążków
skrętnych, a więc tych elementów sprężystych, w których
duże znaczenie ma tarcie wewnętrzne (Orzełowski, 1995).
Badania prowadzone są przy małych prędkościach ugięcia
elementów sprężystych, przez co wyznaczone charaktery-
styki sztywności można traktować, jako charakterystyki
statyczne.

a) b)

c)

Rys. 2. Głowice pomiarowe: a – zespół drążków skrętnych,

b – resor piórowy, c – sprężyna śrubowa

3.

PROGRAM KOMPUTEROWY ELSPR

W celu analizy zarejestrowanych pomiarów napisano

w środowisku programistycznym Borladnd-Delphi 3 (Pa-

sławski, 2000) własny program komputerowy ELMSPR.
Przykładowe okna dialogowe programu przedstawiono
na rysunku 3.

Program umożliwia wizualizację przeprowadzonych

badań poprzez przedstawienie przebiegów czasowych reje-
strowanych sygnałów oraz charakterystyk sztywności zba-
danych elementów sprężystych. Dodatkowo program wy-
posażono w moduł identyfikacji parametrów charakterystyk
sztywności oraz tarcia wewnętrznego. Ogólny model ma-
tematyczny charakterystyki sztywności elementu spręży-
stego z tarciem wewnętrznym (rysunek 4) opisano wyraże-
niem:

)

x

(

T

)

V

(

sign

)

x

(

f

)

x

(

F

x

+

=

(1)

gdzie: F(x) – charakterystyka sztywności elementu spręży-
stego, f(x) – charakterystyka elementu sprężystego bez
tarcia, T(x) – funkcja opisująca zmianę wartości sił tarcia
wewnętrznego, x – ugięcie elementu, V

x

– prędkość ugięcia

elementu.

Funkcje f(x) i T(x) przyjęto w następującej postaci:

f

ex

)

x

(

T

c

bx

ax

)

x

(

f

+

=

+

+

=

2

(2)

gdzie: a, b, c, d, e, f – parametry modelu charakterystyki
sztywności.

Parametry a, b, c, d, e, f identyfikuje się numerycznie

metodą bezgradientową poszukiwań prostych Hooka-
Jeevesa minimalizując wyrażenie:

(

)

∑

=

−

n

i

i

di

F

F

1

2

(3)

gdzie: n – liczba punktów doświadczenia; F

di

, F

i

– i-ty

punkt doświadczenia i modelu.

Rys. 3. Przykładowe okna dialogowe programu ELSPR

acta mechanica et automatica, vol.3 no.1 (2009)

35

F

F=f(x)

x

Obciążanie Vx>0

Odciążanie Vx<0

+T(x)

-T(x)

Rys. 4. Ogólna charakterystyka sztywności elementu sprężystego

z tarciem wewnętrznym

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0

25

50

75

100

125

150

x [m m ]

Fm

,F

d [N

]

b)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

25

50

75

100

x[m m ]

Fd,

F

m

[

N

]

Rys. 5. Doświadczalna charakterystyka sztywności badanego elemen-

tu (punkty) oraz charakterystyka teoretyczna (linia ciągła):
a) sprężyna model matematyczny F(x)=21.3491x+9.5332N,
b) resor F(x)=47.2127x+243.6632+3.6349sign(V)x N

Obliczenia prowadzone są do osiągnięcia zadanej do-

kładności obliczeń. Do identyfikacji wykorzystano proce-
dury numeryczne zawarte w pracy Barona i innych (1999).
Ze względu na różne charakterystyki badanych elementów
(liniowe, nieliniowe, z tarciem, bez tarcia wewnętrznego)
program wyposażono w możliwość redukcji stopni swobo-
dy modelu matematycznego poprzez wybór liczby parame-
trów przyjmowanych do obliczeń. Uzyskano w ten sposób
znaczne skrócenie czasu obliczeń komputerowych, a jedno-
cześnie poszerzono możliwości programu komputerowego.
Wybór odpowiedniego modelu matematycznego do identy-

fikacji odbywa się w oknie dialogowym (rysunek 3).

Przykładowe wyniki identyfikacji charakterystyk sztyw-

ności sprężyny śrubowej i resoru piórowego przedstawiono
na rysunku 5.

4.

PODSUMOWANIE

Przedstawione w pracy stanowisko do badania charak-

terystyk sztywności typowych elementów zawieszeń pojaz-
dów jest wykorzystywane w procesie dydaktycznym reali-
zowanym na Wydziale Mechanicznym Politechniki Biało-
stockiej. Przy niskim koszcie wykonania cechuje się wyso-
ką dokładnością oraz powtarzalnością pomiarów. Planowa-
na jest rozbudowa stanowiska o układ automatycznego
prowadzenia pomiarów. Usprawni to prowadzenie badań
doświadczalnych.

LITERATURA

1. Baron B., Marcol A., Pawlikowski S. (1999), Metody nume-

ryczne w Delphi 4, Helion, Gliwice.

2. Orzełowski S. (1995), Eksperymentalne badania samocho-

dów, WNT, Warszawa.

3. Pasławski A. (2000), Programowanie w Delphi 5.0,

EDITION2000, Kraków.

THE DIDACTIC STAND

TO TEST OF SPRING ELEMENTS

IN VEHICLE SUSPENSION

Abstract: It the didactic stand in work was introduced was ST1
to investigation of elements of springy suspensions vehicles
as well as the computer programme was presented to identifica-
tion of parameters of stiffness as well as the internal friction
of studied elements.