POHON 4x4 JAKO ZDROJ VIBRACÍ OSOBNÍHO AUTOMOBILU Pavel NĚMEČEK, Technická univerzita v Liberci1 Radek KOLÍNSKÝ, Technická univerzita v Liberci2 Anotace: Příspěvek popisuje postup identifikace zdrojů vibrací a hluku v osobním automobilu s pohonem 4x4 od stanovení modelu, určení budicích frekvencí až po vlastní měření. 1. Úvod Osobní automobily s pohonem 4x4 jsou v současné době v nabídce prakticky všech výrobců. Vývoj směřuje ze skupiny Off Road, kde donedávna dominoval, k rozšíření do kategorie cestovních vozidel střední a vyšší třídy. Důvodem je nejen zájem určité skupiny zákazníků, ale též určitý módní trend a pokrok v konstrukci hnacího ústrojí těchto vozidel. Pohon 4x4 je u současných vozidel, které tvoří rozšíření nabídky řešen jako konstrukční rozšíření původního hnacího ústrojí 4x2. Vzhledem k současnému trendu se tedy jedná o rozšíření stálého pohonu na přední nápravu o regulovaný pohon nápravy zadní. Regulace může být provedena buď nespojitě vypínáním a zapínáním pohonu v mechanizmu převodu (určeno především pro dočasné případy průjezdu těžkým terénem) nebo spojitě pomocí viskózní spojky (bez zásahu řidiče). Z vibračního a akustického hlediska může být pohon 4x4 problematický především vzhledem ke : •
komplikovanosti mechanické části hnacího ústrojí,
•
kinematice hnacího ústrojí při průjezdu zatáčkou,
•
protáčení celého ústrojí i při provozu jako 4x2.
Popsaný rozbor byl proveden pro vozidlo ŠKODA Octavia Combi 4x4, které má trvalý pohon na přední nápravu a regulovaný pohon zadní nápravy. Regulaci provádí na základě řídících impulsů řízená viskózní spojka Haldex, která plní zároveň i funkci mezinápravového diferenciálu.
1
doc. Dr. Ing. Pavel Němeček Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova 6, 461 17 Liberec 1 tel.: 485 353 442, fax: 485 353 139, e-mail:
[email protected] 2 Radek Kolínský – student 5. ročníku oboru Kolové dopravní a manipulační stroje Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra strojů průmyslové dopravy
[email protected]
2. Kinematické schéma Kinematické schéma je vytvořeno s cílem identifikovat rotorové a zubové frekvence. Vzhledem k tomu neobsahuje popis ani označení ložisek, ta nebyla v této fázi ve výpočtech uvažována jako zdroj hluku a vibrací. z9
z7 z 5 z 3
1 ..... hnací hřídel 2 ..... hnaný hřídel P ..... předlohový hřídel
z1 vstup
1
z11 2
z10
z8 z 6 z4 zRIII z2
z14I
přední náprava z12
z15
z13II
z13I
z16
z14II
zpětný chod z1
1
zRII P
zRI 2
zRIII
Haldex
z20I
z17
z19II zadní náprava
z18
z19I z20II
Obr. 1. Kinematické schéma hnacího ústrojí s pohonem 4x4 a 5-ti stupňovou převodovkou
Základním problémem stanovení budicích frekvencí je komplikovanost hnacího ústrojí a především přítomnost dvou planetových soukolí. Pro výpočet otáček jednotlivých hřídelí byl použit model bezeskluzového (ideálního) průjezdu vozidla obecnou zatáčkou. Jednotlivé frekvence jsou stanoveny za předpokladu : •
shody průměru kol,
•
platnosti Ackermannovy podmínky pro mechanizmus řízení (jediný střed otáčení vozidla),
•
vyrovnání rozdílu otáček na vstupech přední a zadní nápravy prokluzem spojky Haldex,
Budicí frekvence planetových soukolí byly stanoveny dle [2]. Na soustavě bylo identifikováno : •
15 rotorových frekvencí,
•
18 zubových frekvencí,
které jsou závislé na : •
•
•
počtech zubů -
převodovky,
-
stálého převodu,
-
diferenciálů přední a zadní nápravy,
-
kuželových převodů přední a zadní nápravy,
rozměrech vozidla -
rozvoru,
-
rozchodu (v předu / v zadu),
-
dynamickém poloměru kola,
-
poloměru rejdového čepu
parametrech jízdy vozidla -
otáčkách motoru
-
zařazeném převodovém stupni
-
poloměru zatáčky
Uvedený model byl zpracován v prostředí Excel. Pro jeho ověření a vyhodnocení bylo provedeno obsáhlé měření na konkrétním vozidle. Experiment se potýkal s problémem sepnutí spojky Haldex. Ta je ovládána automaticky na základě velkého množství řídících signálů a nelze ji jednoduše sepnout. Jako náhradní řešení přicházelo v úvahu buď použití kol různých průměrů na obou nápravách nebo podhuštění jedné nápravy.
3. Měření vibrací Pro ověření modelu a naplnění daty pro další rozbor bylo provedeno konkrétní měření na vozidle ŠKODA. Přední kola byla podhuštěna na únosnou mez, čímž byl do řídící jednotky vyslán klamný signál o jejím prokluzu. Ve vozidle byla provedena série měření hluku a vibrací. Hluk byl měřen v interiéru vozidla, vibrace na několika místech hnacího ústrojí.
časové signály
FFT spektra
FFT Analyzátor
Použití • přiřazení otáček záznamům • získání harmonických řezů Tacho signály
Otáčkoměr
Harmonické a frekvenční řezy
Obr. 2. Schéma měřicího a vyhodnocovacího řetězce Jak ukazuje schéma měřicího řetězce, byla použita multispektrální analýza s tím, že řídící signál analýzy byl snímán z řídící jednotky vstřikování. Přenosová charakteristika (Zadní náprava - Zadní rozvodovka)
2
T (přenos)
1,5 1 0,5 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
frekvence [Hz] Levé zadní kolo - Zadní rozvodovka
Pravé zadní kolo - Zadní rozvodovka
Obr. 3. Přenos vibrací z kol na rozvodovku zadní nápravy
Pro identifikaci rezonancí na přenosové cestě od kol na jednotlivé agregáty hnacího ústrojí bylo provedeno měření přenosů. Na obr . 2 je uvedeno frekvenční spektrum přenosu vibrací zadní kola – zadní rozvodovka. 4. Naměřená multispektra Následující multispektra jsou výběrem z početné série měření, která byla na vozidle provedena.
Obr. 4. Hluk v kabině vozidla – rozjezd na 3. převodový stupeň
Obr. 5. Vibrace na zadní rozvodovce – rozjezd na 3. převodový stupeň
3. Závěr Předložený příspěvek měl za cíl především ukázat specifika a složitost řešení problematiky vibrací a hluku vozidla s komplikovaným hnacím ústrojím. Stádium řešení v rámci Výzkumného centra spalovacích motorů a vozidel Josefa Božka naznačuje především cesty dalšího výzkumu. Z provedených měření se ukazuje především, že : •
převládá 2. harmonická otáčkové frekvence motoru,
•
ve spektrech se projevují kuželové převody rozdodovky v základní i harmonických frekvencích,
•
za určitých režimů se projevuje stálý převod na převodovce a zařazený převodový stupeň,
•
lze zanedbat vliv diferenciálů a spojky Haldex.
Obecně lze konstatovat, že přítomnost pohonu 4x4 se projeví na vyzářeném hluku a vibracích, ale není v rozporu s žádnými limity. Problém může vzniknout pouze nepříjemným subjektivním vjemem u uživatele, který jej může mylně považovat za projev poškození v hnacím ústrojí vozidla. V závěru je nutné vyzdvihnou především tvůrčí přístup řešitele diplomové práce, který provedl většinu rutinních prací spojených s řešením daného problému. Literatura: [1] Kolínský, R. : Hluk a vibrace vozidla s pohonem 4x4. Diplomová práce. TU v Liberci. Liberec 2003 [2] Tůma, J. : Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT. Sdělovací technika. Praha 1977. [3] VLK, F. : Převodová ústrojí motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství VLK, Praha 2001 Příspěvek vznikl v rámci projektu MŠMT LN 00B073
