Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: DIAGNOSTYKA MASZYN I POJAZDÓW Ćwiczenie nr: DMiP - 6 Diagnostyka dwumasowego koła zamachowego Kod przedmiotu: MHBMS26001, MHBMN26001 Instrukcję opracowali: dr inż. Dariusz Szpica dr. inż. Jarosław Czaban Białystok 2016
CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z metodyką badań dwumasowego koła zamachowego. SPIS TREŚCI 1 WPROWADZENIE... 3 2 METODYKA POMIARÓW... 4 2.1 Sprawdzenie wiedzy ogólnej... 4 2.2 Zapoznanie się z budową stanowiska... 5 2.3 Przebieg pomiarów... 6 3 WYMAGANIA BHP... 6 4 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA... 6 5 PYTANIA KONTROLNE... 6 6 LITERATURA... 6 PROTOKÓŁ POMIAROWY... 7 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2
1 WPROWADZENIE W połowie lat osiemdziesiątych XX wieku, rozwijana przez wiele lat technologia klasycznych tłumików drgań skrętnych, osadzonych w tarczy sprzęgłowej nie była w stanie sprostać wymaganiom najnowszych układów napędowych, ze względu na występowanie rezonansu w zakresie roboczym jednostki napędowej. Pierwsze dwumasowe koło zamachowe (DKZ) produkowane seryjnie wprowadzono około roku 1985. UŜywano w tej konstrukcji tłumika bez uŝycia środków smarnych, jedynie cięŝkie spręŝyny umieszczone daleko od osi obrotu koła. Powodowało to szybkie zacieranie się ruchomych części, więc w 1987 roku wprowadzono pierwsze DKZ smarowane smarem plastycznym. Nadal jednak występowały problemy z tłumieniem drgań w zakresie rezonansu spręŝyn (przy długich sprę- Ŝynach, rezonans występuje przy ok. 300 obr/min, w rozwiązaniu poprzednim 1500 obr/min). Nieprzyjemne dźwięki pochodzące ze skrzyni biegów zostały wyeliminowane, drgania nadwozia zostały znacząco zredukowane (Fidlin, Seebacher, 2006). W 1998 roku produkcję DKZ oszacowano na 2 mln rocznie. Wtedy w co piątym samochodzie wyposaŝonym w manualną skrzynię biegów drgania skrętne silnika tłumione były przez DKZ. Najbardziej popularne są w silnikach o zapłonie samoczynnym, jednak spotykane są w silnikach benzynowych (Reik i in., 1998). a) 3 b) c) 2 1 Rys. 1. Typowe DKZ wykorzystywane w układach napędowych samochodów osobowych: a - LuK (Mat. LuK): 1 masa pierwotna, 2 zestaw spręŝyn, 3- masa wtórna, b - Sachs (Mat. Sachs), c - ZF (Mat. ZF) Działanie DKZ zbliŝone jest do klasycznego tłumika drgań skrętnych, montowanego w tarczy sprzęgłowej, jednak znaczącą róŝnicą jest kąt skręcenia i średnica montaŝowa spręŝyn. Moment obrotowy jest wartością wejściową na masę pierwotną (1 na rys. 1a) mocowaną do wału korbowego silnika poprzez połączenie śrubowe z kołkiem ustalającym. Następnie z masy pierwotnej moment obrotowy jest przenoszony ma masę wtórną (3) poprzez układ spręŝyn (2). Na rys. 2 przedstawiono schematycznie skuteczności tłumienia drgań w układzie klasycznym z tłumikiem zamontowanym w tarczy sprzęgłowej i z układem dwumasowego koła zamachowego. Wielkość momentu obrotowego decyduje o stopniu skręcenia masy wtórnej względem pierwotnej, a tarcie pomiędzy elementami stykającymi się o względnym przemieszczeniu jest odpowiedzialne za tłumienie układu. Rys. 2 Schematyczne przedstawienie skuteczności tłumienia drgań w układzie klasycznym z tłumikiem zamontowanym w tarczy sprzęgłowej i z układem dwumasowego koła zamachowego (Auto Moto Serwis) Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3
DKZ poza wskazanymi powyŝej zaletami, sprawiają sporo problemów eksploatacyjnych (Czaban, Szpica, 2011a): jednakowe DKZ montowane są do silników o róŝnych maksymalnych momentach obrotowych, tuning zwiększanie maksymalnego momentu obrotowego silnika poza zakres deklarowany przez producenta, gwałtowne hamowanie, w tym kolizje powodują zuŝycie lub usterki DKZ, przegrzanie masy wtórnej DKZ w wyniku współpracy z okładziną tarczy sprzęgłowej, oderwanie i przedostanie się cząstek powierzchni ciernej tarczy sprzęgłowej do przestrzeni roboczej DKZ, nacięcia na powierzchni ciernej masy wtórnej DKZ, pęknięcia na powierzchni ciernej DKZ, uszkodzenia i zuŝycie łoŝyska w DKZ, nadtopiona tarcza regulująca tarcie, nadmierne ocieranie się masy wtórnej o masę pierwotną DKZ, uszkodzenie wieńca zębatego wyciek smaru z przestrzeni spręŝyn DKZ. Rozpędzanie samochodu α 4 +M T -M T α 3 M luz α 1. α> 0. α< 0 M(α) Hamowanie samochodu α 2 α Charakterystyka statyczna DKZ (zaleŝność momentu na masie wtórnej od kąta skręcenia) moŝe być liniowa bądź nieliniowa. Charakterystyka ta jest zwykle progresywna z widoczną pętlą histerezy wynikającą z tarcia wewnętrznego elementów o siebie i spręŝyn o prowadnice. Wymaganą charakterystykę uzyskuje się przez stosowanie grup spręŝyn, które w zaleŝności od narastania obciąŝenia włączają się do pracy. Przykładową charakterystykę statyczną koła DKZ przedstawiono na rys. 3. Ogólny model matematyczny charakterystyki statycznej DKZ z tarciem wewnętrznym o stałej wartości moŝna przedstawić wyraŝeniem: Zakres pracy M ( α ) = M ( α) + sign( & α) (1) DKZ M T gdzie: MDKZ(α) - moment przenoszony przez Rys. 3. Charakterystyka progresywna tłumika drgań skrętnych [12] DKZ z uwzględnieniem tarcia, M(α) - moment przenoszony przez DKZ z pominięciem tarcia, MT - wartości momentu tarcia wewnętrznego, α - kąt skręcenia masy wtórnej względem pierwotnej, α& - prędkość kątowa skręcenia masy wtórnej względem pierwotnej. 2 METODYKA POMIARÓW Zajęcia laboratoryjne powinny przebiegać zgodnie z podaną niŝej kolejnością. Zmiana kolejności wykonywania poszczególnych zadań moŝliwa jest tylko po ustaleniu tego z prowadzącym zajęcia. 2.1 Sprawdzenie wiedzy ogólnej Warunkiem przystąpienia do zajęć jest wykazanie się wiedzą teoretyczną z zakresu tematu zajęć laboratoryjnych. Sprawdzenie wiadomości z zakresu tematu wykonywanego ćwiczenia odbędzie się na podstawie pisemnego zaliczenia przed rozpoczęciem zajęć. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4
2.2 Zapoznanie się z budową stanowiska W celu wyznaczenia charakterystyki quasistatycznej DKZ zmodyfikowano zbudowane w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej stanowisko pomiarowe ST2 (rys. 4) [11]. Znajomość przedmiotowych charakterystyk umoŝliwi w późniejszym czasie modelowanie procesu włączania sprzęgła, jak równieŝ ocenę diagnostyczną DKZ (Czaban, Szpica, 2011a). 2 3 7 6 8 4 5 1 10 9 Rys. 4. Schemat stanowiska (opis w tekście) (Czaban, Szpica, 2013) Rys. 5. Przykładowe okna dialogowe programu 2MASS (Czaban, Szpica, 2013) Elementy wykonawcze zamontowano na ramie (1). Napęd z silnika (2) jest przekazywany poprzez sprzęgło (3) do reduktora (4). Układ dźwigniowy (5) wywołuje ruchy wahadłowe wałka wejściowego momentomierza (6) i dalej poprzez wałek wyjściowy i osadzoną na jego wielowypuście tarczę trafia do masy wtórnej badanego DKZ (7). Masa pierwotna DKZ jest przytwierdzona na sztywno do ramy (1). Stanowisko jest tak zbudowane, aby moŝna było badać (diagnozować) DKZ z róŝnych układów napędowych, poprzez specjalne adaptery montaŝowe i wymienne fragmenty wałka wyjściowego momentomierza, oraz zmianę przełoŝenia dźwigni (5), za pomocą którego zmienia się maksymalne wychylenia kątowe (powinny one być dostosowane do badanego DKZ). Wielkościami mierzonymi są moment obrotowy oraz wychylenia kątowe. Do pomiaru tych wielkości słuŝy czujnik momentu MC 201 Nr.73130 ZMUR-7/86A (6) oraz czujnik połoŝenia kątowego (8) (enkoder obrotowy Kubler 3700.1322.1024). Sygnały z czujników są rejestrowane poprzez rejestrator (9) (mikrokontroler oraz przetwornik momentu obrotowego) i zapisywane w pamięci komputera (10). Ze względu na cyfrowy charakter sygnału enkodera wykonano własny mikrokontroler umoŝliwiający precyzyjne wyznaczanie kąta wychylenia DKZ. Do analizy zarejestrowanych pomiarów napisano w środowisku programistycznym Borlad Delphi własny program komputerowy 2MASS (Baron i in., 1999). Przykładowe okna dialogowe programu przedstawiono na rys. 5. Program umoŝliwia wizualizację otrzymanych wyników badań poprzez przedstawienie przebiegów czasowych rejestrowanych sygnałów oraz charakterystyk quasistatycznych DKZ. Dodatkowo program wyposaŝono w moduł identyfikacji parametrów sztywności skrętnej oraz momentu tarcia wewnętrznego (1) poprzez poszukiwanie współczynników funkcji w równaniu (2). Zakładając symetryczność charakterystyki statycznej przyjęto funkcje M(α) i MT w następującej postaci: aα + b dla α α 3 M ( α) = 0 dla α 3 < α < α1 aα b dla α α1 M T = c; α 3 = b / a; α1 = b / a gdzie: a, b, c, α3 =- α1 - parametry modelu matematycznego. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5 (2)
2.3 Przebieg pomiarów Pomiary przeprowadzić dla róŝnych ustawień dźwigni wymuszającej ruch kątowy DKZ. W dalszej kolejności na podstawie zarejestrowanych przebiegów kąta skrętu i momentu obrotowego naleŝy opracować wyniki pomiarów, wykorzystując w tym celu np. arkusz kalkulacyjny Excel lub oprogramowanie Mathcad. Po przeprowadzeniu badań naleŝy porównać charakterystyki DKZ np. sprawnego i uszkodzonego Przykładowo podczas badania koła dwumasowego stwierdzono, Ŝe moment tarcia w kole jest równy MT=26,84 Nm, natomiast charakterystyka M(α) opisana jest następującym wyraŝeniem: 6,196α + 33,36 dla α 5,38 M ( α) = 0 dla 5,38 < α < 5,38 (3) 6,196α 33,36 dla α 5,38 Wykresy przebiegów doświadczalnych i modelu matematycznego przedstawia rys. 6 W wyniku przeprowadzonych badań, moŝna Rys. 6. Przykładowa charakterystyka DKZ Ford stwierdzić symetrię charakterystyki DKZ, a przebiegi są podobne, do opisanych w (Fidlin, Seebacher, 2006; Kroll i in., 2010; Pitchaikani i in., 2009; Reik i in., 1998; Reik, 1986; Schulte, 1986). W opracowaniach tych jednak nie podano zaleŝności funkcyjnej charakterystyki, która moŝe mieć zastosowania aplikacyjne w modelowaniu procesu ruchu pojazdu. 3 WYMAGANIA BHP Obowiązują ogólne zasady BHP w pomieszczeniach Laboratorium Pojazdów. 4 SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie studenckie powinno zawierać: - stronę tytułową, - cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, - opracowane wyniki pomiarów, - wnioski. 5 PYTANIA KONTROLNE 1. W jakim celu stosujemy dwumasowe koła zamachowe. 2. Elementy składowe dwumasowego koła zamachowego. 3. Wady i zalety dwumasowego koła zamachowego. 4. Charakterystyka dwumasowego koła zamachowego. 5. Wyznaczanie sztywności i tarcia na podstawie charakterystyki dwumasowego koła zamachowego. 6 LITERATURA 1. Baron B., Marcol A. Pawlikowski St. (1999): Metody numeryczne w Delphi 4, Helion, Gliwice; 2. Czaban J., Szpica D. (2011a): Badania modelowe i stanowiskowe procesów przejściowych włączania sprzęgła głównego samochodu, Przegląd Mechaniczny, nr 2, s. 35-42; 3. Dwumasowe koło zamachowe (DKZ) (2010). Technika. Diagnoza uszkodzeń. Przyrząd pomiarowy: Materiały LuK, Herzogenaurach, s. 4; 4. Fidlin A., Seebacher R. (2006): DMF simulation techniques - Finding the needle in haysack, LuK Symposium 2006, Herzongenaurach, s. 56. 5. Kroll J., Kooy A., Seebacher R. (2010): Torsional dampers for engines of the future, Schaeffer SYM- POSIUM; 6. Kupplungssysteme, ZF, prospekt. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6
7. Pitchaikani A., Venkataraman S., Koppu K, Batteh J., Emmeskay M. (2009): Powertrain Torsional Vibration System Model Development in Modelica for NVH Studies, Proceedings 7th Modelica Conference, Como, Italy, Sep. 20-22; 8. Reik W., Seebacher R., Kooy A. (1998): Dual Mass Flywheel, LuK Symposium 1998, Herzogenaurach, s. 69-93. 9. Reik W. (1986): Torsional vibrations and transmission noise, Clutch Symposium, LuK; 10. Schulte L.F. (1986): The Dual Mass Flyweel, LuK; 11. Szpica D., Czaban J. (2011): Stanowisko do badania tłumika drgań skrętnych tarczy sprzegłowej samochodu osobowego : [rozdz.], Podstawy konstrukcji maszyn : kierunki badań i rozwoju, T. 2, pod red. nauk. Michała Wasilczuka, Politechnika Gdańska, s. 339-345, Gdańsk; 12. Czaban J., Szpica D. (2013): The initial diagnostics of the dual-mass flywheel in quasi-static conditions, Combustion Engines, Nr 3, s. 643-646, CD-ROM; 13. Technisches Training, Fahrzeugteile im Pkw Antriebsstrang, Sachs, prospekt. 14. Czasopismo Auto Moto Serwis PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7
Białystok, dn Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn specjalność: konstrukcja i eksploatacja maszyn i pojazdów PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: DMiP - 6 Diagnostyka dwumasowego koła zamachowego Charakterystyka DKZ Badane DKZ / ustawienie dźwigni w lewo sztywność a b [N m/deg] [N m] Wyniki obliczeń tarcie [N m] luz [deg] w prawo sztywność a b [N m/deg] [N m] tarcie [N m] Występujące usterki:......... data wykonania ćwiczenia podpis prowadzącego