The use of the sound level measurement during tests of the resistance of motion in the assembly seat insert-valve-guide for the camless valve drive

Transkrypt

1 Krzysztof SICZEK PTNSS SC 65 The use of the sound level measurement during tests of the resistane of motion in the assembly seat insert-valve-guide for the amless valve drive Abstrat: Experimental researhes have been arried out on the researh stand, whih sheme has been given in the artile. Driven magnetoeletrially, steel and titanium valves mating with guides and seat inserts made of ast iron have been the objet of investigations. The aim of the study has been to derive the parameters haraterizing the work of the assembly seat insert - valve - guide. It has been studied the lift and aeleration of the valve, the valve impat fore into seat insert, the frition fore between valve stem and the guide, the temperature of the guide and of seat insert. The sound level from the impat of valve into its seat insert has been measured, either. Tests have been performed for different values of the valve lift, the frequeny of exitation and the temperature for omponents. The graphs obtained by measuring the sound level as a funtion of frequeny and time, have been inluded in the artile. Also a model of the researh stand has been developed using Finite Element Method. In this model it has been obtained distributions of sound pressure and of sound level, ontained in the artile. The results indiate the non-linear inrease in noise levels as a funtion of exitation frequeny, and sound pressure distributions suggest that the measurement mirophone plaement position during testing.. Key words: amless valvetrain, valve, guide, seat insert, resistane of frition, sounds level Wykorzystanie pomiaru poziomu hałasu w zasie badań oporów ruhu w układzie gniazdo zawór prowadnia, dla bezkrzywkowego napędu zaworu Streszzenie: Przeprowadzono badania eksperymentalne na stanowisku, którego shemat zamieszzono w artykule. Obiektem badań były napędzane magnetoelektryznie zawory stalowe i tytanowe współpraująe z żeliwnymi prowadniami i gniazdami. Celem badań było uzyskanie wartośi parametrów harakteryzująyh praę układu gniazdo zawór prowadnia. Na stanowisku badano wznios i przyspieszenie zaworu, siłę uderzenia zaworu o gniazdo, siłę oporów taria trzonka zaworu o prowadnię, temperaturę gniazda i temperaturę prowadniy. Ponadto mierzono poziom hałasu uderzenia zaworu o gniazdo. Badania przeprowadzono dla różnyh wartośi wzniosu zaworu, zęstotliwośi wymuszenia oraz temperatury pray elementów. W wyniku pomiarów uzyskano wykresy poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi i zasu, zamieszzone w artykule. Opraowano także model stanowiska badawzego z użyiem Metody Elementów Skońzonyh. W modelu tym uzyskano rozkłady iśnienia akustyznego i poziomy hałasu, zamieszzone w artykule. Uzyskane wyniki wskazują na nieliniowy wzrost poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi wymuszenia, zaś rozkłady iśnienia akustyznego sugerują miejse umiejsowienia mikrofonu pomiarowego w zasie badań. Słowa kluzowe: rozrząd bezkrzywkowy, zawór, prowadnia, gniazdo, opory ruhu, poziom hałasu. Wprowadzenie Ostatnio w niektóryh nowozesnyh silnikah spalinowyh pojazdów zazęto wykorzystywać bezkrzywkowy napęd zaworów rozrządu. Najzęśiej wykorzystywany jest elektromehanizny [- 4] i elektrohydraulizny [5-7]. Podzas badań laboratoryjnyh badane były także silniki z elektropneumatyznym [8] i magnetoelektryznym [9] napędem. Opróz badań silnikowyh, prowadzone są intensywne badania pozasilnikowe takih rozrządów na spejalnyh stanowiskah badawzyh. Magnetoelektryzny siłownik był wykorzystywany do napędu zaworu podzas modelowyh badań zjawisk tribologiznyh zahodząyh w układzie prowadnia zawór - gniazdo. Obiektem badań były zawory stalowe i tytanowe współpraująe z żeliwnymi prowadniami i gniazdami. Celem badań było uzyskanie wartośi parametrów harakteryzująyh praę układu gniazdo zawór prowadnia. Na stanowisku badano wznios i przyspieszenie zaworu, siłę uderzenia zaworu o gniazdo, siłę oporów taria trzonka zaworu o prowadnię, temperaturę gniazda i temperaturę prowadniy. Ponadto mierzono poziom hałasu uderzenia zaworu o gniazdo. Shemat stanowiska przedstawiono na rysunku.. Na stanowisku tym podstawa, połązona była z pokrywą i korpusem za pomoą śrub. Zawór 4 uderzał w gniazdo 5 osadzone w spejalnej obejmie 6 związanej z układem trzeh płaskih sprężyn pomiarowyh, któryh ugięia były mierzone za pomoą zujnik siły uderzenia zaworu o gniazdo. Na pokrywie zamontowano zespół prowadniy zaworu 7, z umieszzoną w nim termoparą C4 i ewką grzejną, a także wspornik 8 z otworami, na którym umoowano za pomoą śrub zespół napędu

2 . Zespół napędu połązono z zaworem za pomoą łąznika. Całość zamontowano na ramie 9, posiadająą możliwość poziomowania. Czujnik wzniosu zaworu C i zujnik przyspieszenia zaworu C zamontowano w zespole napędu. Czujnik siły taria miedzy trzonkiem zaworu i prowadnią umieszzono w jednym z otworów wspornika 8. W otworah obejmy 6 były umieszzone termopary gniazda zaworu C5., C6 sonometr, C7 zujnik siły uderzenia zaworu o gniazdo 7 B-B A A C C Control asette C C4 C5 C6 C7 8 P P = t gdzie: P iśnienie akustyzne, E ρ o (), = prędkość dźwięku w powietrzu, E moduł sprężystośi płynu, ρ gęstość powietrza, t zas. - równanie ruhu dla elementów stalowyh struktury są oblizane z zależnośi (): [ M ]{ u& } + [ C]{ u& } + [ K]{ u} = { F} & () gdzie: [M] - maierz mas struktury, [C] - maierz tłumienia struktury, [K] - maierz sztywnośi struktury, { u& &} - wektor przyspieszenia w węzłah, { u& } - wektor prędkośi w węzłah, {u} - wektor przemieszzeń w węzłah, {F} - wektor obiążenia. - dla harmoniznie zmieniająego się wymuszenia struktury, wywołane przez nie drgania iśnienia akustyznego są opisane równaniem (): B ω P P = () B ω π gdzie = f, a f zęstotliwość wymuszenia. - dla styku elementów powietrza z elementami struktury obowiązuje następująa zależność (4): t T { n}{ P} = { n} { u} ρ (4) Rys.. Shemat stanowiska badawzego. podstawa, pokrywa, korpus, 4 zawór, 5 gniazdo zaworu, 6 obejma gniazda zaworu, 7 zespół prowadniy zaworu, 8 wspornik, 9 rama, płaska sprężyna, zespół napędu, łąznik, C zujnik wzniosu zaworu, C zujnik przyspieszenia zaworu, C zujnik siły taria miedzy trzonkiem zaworu I prowadnią, C4 termopara prowadniy, C5 termopara gniazda zaworu, C6 sonometr, C7 zujnik siły uderzenia zaworu o gniazdo. Model rozhodzenia się fali akustyznej Przyjęto następująe założenia: - występująe w modelowanym obszarze powietrze jest płynem jest śiśliwym, nielepkim, nie istnieje żaden wyróżniony przepływ, średnia gęstość i iśnienie są jednorodne w ałym obszarze powietrza. - równanie fali akustyznej w powietrzu ma postać () gdzie: {n} jednostkowy wektor normalny do powierzhni powietrza, ρ gęstość powietrza, {u} wektor przemieszzeń węzłów struktury, stykająyh się z powietrzem. - na graniy płynu przyjęto pełną absorpję dźwięku, według zależnośi (5): S δ P δ P ρ vol r P d t ( vol ) δ P Pd ( vol ) vol P P d t ( S ) = + (5) gdzie: r współzynnik absorpji na graniy powietrza. Oblizenia rozkładu iśnienia akustyznego na stanowisku badawzym do pomiaru oporów ruhu między trzonkiem zaworu i prowadnią, siły uderzenia zaworu o gniazdo, wzniosu i przyspieszenia układu zawór ruhoma ewka napędu, poziomu hałasu wykonano w modelu tego stanowiska wykonanego przy użyiu elementów skońzo-

3 nyh. Geometrię tego modelu przedstawia rysunek. Dla uproszzenia oblizeń przyjęto założenia: - model jest osiowosymetryzny, - pominięto istnienie trzeh sprężyn pomiarowyh łąząyh zespół gniazda z pokrywą dolną stanowiska, - trzy rzezywiste otwory we wsporniku roziągają się na ałym obwodzie wspornika, - wszystkie modelowane struktury stałe są jednorodnymi bryłami. Siatka elementów skońzonyh została wykonana automatyznie przez program komeryjny i przedstawiona na rysunku. Przedstawiono też na nih warunki brzegowe. Dla struktur metalowyh wykorzystano zterowęzłowe płaskie elementy skońzone PLANE4 [] o stopniah swobody ruhu w kierunku osi OX i OY. Dla obszaru powietrza, w którym oblizano rozkład iśnienia akustyznego wykorzystano zterowęzłowy element FLUID9 [], w którym stopniem swobody jest iśnienie. Dla jednoelementowej warstwy powietrza bezpośrednio stykająej się z elementami metalowej struktury użyto zterowęzłowyh elementów FLUID9, w któryh stopniami swobody były iśnienie i przemieszzenia w kierunku osi OX i OY. Na graniy obszaru otazająego powietrza wprowadzono dwuwęzłowe elementy FLUID9 [] reprezentująe efekt absorpji dźwięku przez obszar powietrza roziągająy się do nieskońzonośi, poza obszarem złożonym z elementów FLU- ID9. Jako obiążenie wprowadzono siły w węzłah leżąyh na linii styku gniazda i zaworu i działająe w kierunku prostopadłym do tej linii. Przeprowadzono analizę harmonizną w zakresie wymuszeń Hz, o odpowiadało zęstotliwośiom wymuszeń używanyh w zasie badań eksperymentalnyh. Rys.. Shemat geometrii modelu. napęd, pokrywa górna, wspornik, 4 zespól prowadniy, 5 pokrywa dolna, 6 zespół gniazda, 7 gniazdo, 8 zawór, 9 - powietrze Rys.. Siatka elementów skońzonyh i warunki brzegowe. FLUID9, FLUID9, - PLANE4, 4 FLUID9. Jako wartość iśnienia odniesienia przyjęto p ref = * -5 Pa. Pozwoliło to wyznazyć poziom hałasu L p w deybelah według zależnośi (6). ( t) t L p = log (6) pref. Wyniki pomiarów hałasu na stanowisku eksperymentalnym Na rysunku 4. pokazano wyniki badań poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi wymuszenia dla warunków: wznios zaworu 4 mm, zawór stalowy, temperatura prowadniy i gniazda 9 K, zaś wyniki dla różnyh wzniosów zaworu na rysunku 5. p O b s z a r p o w ię k s z a n y poziom hałasu [dba] średnia zęstotliwość [Hz] średnia pr - średnia tła Rys. 4. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi (skok zaworu 4 mm). Skalę zęstotliwośi trzeba pomnożyć przez.

4 poziom hałasu [dba] zęstotliwość [Hz] średnia 5 średnia średnia - tło 5 średnia - tło Rys. 5. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi, dla różnyh wzniosów zaworu odpowiednio:.4 mm, 5 4 mm, mm. Skalę zęstotliwośi trzeba pomnożyć przez. Na rysunku 6 pokazano wyniki badań poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi wymuszenia dla warunków: wznios zaworu 4 mm, zawór stalowy, temperatura zaworu i gniazda 9 K, temperatura prowadniy K. Rys. 7. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi, dla różnyh wartośi temperatury gniazda C ~ 49 K, 5 C ~ 44 K. poziom hałasu [dba] wznios [mm] f f5 f7 f9 poziom hałasu [dba] zęstotliwość [Hz] Rys. 8. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji wzniosu i zęstotliwośi, dla wartośi temperatury gniazda C ~ 49 K. Skalę wzniosu trzeba pomnożyć przez.8. Częstotliwość wymuszenia odpowiednio: f Hz, f5 6 Hz, f7 -.4 Hz, f9-8.8 Hz średnia średnia pr-średnia tła Rys. 6. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi. Skalę zęstotliwośi trzeba pomnożyć przez. Na rysunku 7 przedstawiono wyniki badań poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi wymuszenia dla warunków: skok zaworu 4 mm, zawór stalowy, prowadnia i gniazdo żeliwne, temperatura prowadniy 9 K, temperatura gniazda 44 i 49 K. Wyniki badań poziomu hałasu w funkji wzniosu i zęstotliwośi, dla tyh temperatur zamieszzono na rysunkah 8 9. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi, dla różnyh wartośi wzniosu zaworu tytanowego pokazano na rysunku. Rys. 9. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji wzniosu i zęstotliwośi, dla wartośi temperatury gniazda 5 C ~ 44 K. Skalę wzniosu trzeba pomnożyć przez.8. Częstotliwość wymuszenia odpowiednio: f Hz, f5 6 Hz, f7 -.4 Hz, f9-8.8 Hz 4

5 Rys.. Wykres średniego poziomu hałasu w funkji zęstotliwośi, dla różnyh wartośi wzniosu zaworu odpowiednio:.4 mm, 5 4 mm, mm, dla zaworu tytanowego Ze wzrostem zęstotliwośi wymuszenia mierzony poziom hałasu wzrastał nieliniowo, w przybliżeniu logarytmiznie. Wzrost ten występował dla wszystkih mierzonyh wartośi temperatury, hoć w różnym stopniu. Wpływ wzniosu zaworu na poziom hałasu był praktyznie niezauważalny. Wynikało to ze stabilnośi algorytmu sterująego ruhem zaworu, dzięki któremu było możliwe wystarzająo dokładne i powtarzalne wyhamowanie zaworu, przed osiadaniem w gnieździe. Wpływ temperatury nie był jednoznazny. W niższyh temperaturah gniazda (9 i 44 K) obserwowano razej niewielki spadek poziomu hałasu, ze wzrostem wzniosu zaworu. Z kolei przy wyższej temperaturze gniazda (49 K) poziom hałasu nieo wzrastał wraz ze wzniosem zaworu. Prawdopodobnie mógł mieć tu wpływ rozszerzalność ieplna elementów stanowiska. 4. Wyniki oblizeń z badań symulayjnyh poziomu hałasu Rozkład rzezywistej zęśi iśnienia akustyznego, dla zęstotliwośi 5.7 Hz pokazano na rysunku, a dla zęstotliwośi Hz na rysunku. Przemieszzenie dla zęstotliwośi Hz przedstawiono na rysunku. Rys.. Przemieszzenie, zęść rzezywista dla zęstotliwośi wymuszenia Jak można było ozekiwać, największe przemieszzenia, o harakterze zanikająyh drgań, występująe w zasie uderzenia zaworu o gniazdo, dotyzyły grzybka zaworu i obejmy z gniazdem współpraująej z układem sprężyn pomiarowyh. Oblizona amplituda tyh ruhów osiągała wartość.5 mm. Jeszze około m od uderzająego zaworu o gniazdo, można obserwować zwiększone natężenie poziomu hałasu. Oblizone iśnienie akustyzne i poziom hałasu w funkji zęstotliwośi wymuszenia pokazano na rysunkah 4 7. Rys.. Ciśnienie akustyzne, zęść rzezywista dla zęstotliwośi wymuszenia 5.7 Hz Rys. 4. Ciśnienie akustyzne w funkji zęstotliwośi wymuszenia - amplituda sygnału Rys.. Ciśnienie akustyzne, zęść rzezywista dla zęstotliwośi wymuszenia Hz 5

6 Rys. 5. Ciśnienie akustyzne w funkji zęstotliwośi wymuszenia - przesunięie fazowe sygnału iśnienia względem wymuszenia Rys. 7. Poziom hałasu wypadkowy (zarna linia) i różniowy (szara linia), z uwzględnieniem poziomu tła, w funkji zęstotliwośi wymuszenia - przesunięie fazowe sygnału iśnienia względem wymuszenia Można stwierdzić, że ze wzrostem zęstotliwośi wymuszenia oblizeniowy poziom hałasu narasta nieliniowo, w sposób logarytmizny. Rys. 6. Poziom hałasu wypadkowy (zarna linia) i różniowy (szara linia), z uwzględnieniem poziomu tła, w funkji zęstotliwośi wymuszenia - amplituda sygnału 5. Podsumowanie Ze wzrostem zęstotliwośi wymuszenia iśnienie akustyzne rośnie w przybliżeniu eksponenjalnie, a poziom hałasu mierzony i oblizeniowy narasta nieliniowo, w sposób zbliżony do logarytmiznego. W zasie pomiaru poziomu hałasu w przypadku otwartej przestrzeni, na przykład, na stanowisku pozasilnikowym, mikrofon również powinien być umieszzany w pewnej odległośi, około m od zaworu uderzająego w gniazdo. Nomenlature/Skróty i oznazenia [M] [C] [K] { u& &} { u& } {u} {F} maierz mas struktury, maierz tłumienia struktury, maierz sztywnośi struktury, wektor przyspieszenia w węzłah, wektor prędkośi w węzłah, wektor przemieszzeń w węzłah, wektor obiążenia, Bibliography/Literatura [] Boie C., Kemper H., Kather L., Corde G.: Method for Controlling a Eletromagneti Atuator for Ahieving a Gas Exhange Valve On a Reiproating Internal Combustion Engine, US Patent 648, {n} jednostkowy wektor normalny do powierzhni powietrza, f zęstotliwość wymuszenia, r współzynnik absorpji na graniy powietrza. ρ gęstość powietrza. poziom hałasu L p [] Haskara I., Mianzo L., Kokotovi V.: Method of Controlling an Eletromagneti Valve Atuator, US Patent 66445, [] Shneider L.: Eletromagneti Valve Atuator with Mehanial End Position Clamp or Lath, US Patent 6675, 6

7 [4] Theobald M., Lequesns B., Henry R.: Control of Engine Load via Eletromagneti Valve Atuators, SAE 9486, 994 [5] Sturman O.: Hydrauli Atuator for an Internal Combustion Engine, US Patent 56878, 994 [6] Sun Z., Cleary D.: Dynamis and Control of an Eltro-Hydrauli Fully Flexible Valve Atuation System, Preeedings of Amerian Control Conferene, Denver, Colorado, June, [7] Wright G., Sheter N., Levin M.; Integrated Hydrauli System For Eletrohydrauli Valvetrain and Hydraulially Assisted Turboharger, US Patent 57549, 994 [8] Ma J., Shok H., Carlson U., Hoglund A., Hedman M.: Analysis and Modelling of an Eletronially Controlled Pneumati Hydrauli Valve for Automotive Engine, SAE 6--4 [9] Zbierski K.: Bezkrzywkowy magnetoelektryzny rozrząd zterosuwowego silnika spalinowego. Monografia, Wydawnitwo Politehniki Łódzkiej. Łódź, listopad 7 [] ANSYS v.. - doumentation on-line Mr Sizek Krzysztof, DEng. in the Mehanial Faulty at the Tehnial University of Lodz. Dr inż. Krzysztof Sizek adiunkt na Wydziale Mehaniznym Politehniki Łódzkiej 7