STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA SAMOCHODOWEGO Z TŁUMIKIEM MR

Podobne dokumenty
ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA WIBROIZOLATORA Z CIECZĄ MR DZIAŁAJĄCĄ W TRYBIE ŚCISKANIA

DYNAMIC STIFFNESS COMPENSATION IN VIBRATION CONTROL SYSTEMS WITH MR DAMPERS

STEROWANIE STRUKTUR DYNAMICZNYCH Model fizyczny semiaktywnego zawieszenia z tłumikami magnetoreologicznymi

ELEKTROMAGNETYCZNE PRZETWORNIKI ENERGII DRGAŃ AMORTYZATORA MAGNETOREOLOGICZNEGO

MATERIAŁY I KONSTRUKCJE INTELIGENTNE Laboratorium. Ćwiczenie 2

ANALIZA ROZPRASZANIA ENERGII DRGAŃ W AKTYWNYCH ZAWIESZENIACH POJAZDU DLA WYBRANYCH ALGORYTMÓW STEROWANIA

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

BADANIA I MODELOWANIE DRGAŃ UKŁADU WYPOSAŻONEGO W STEROWANY TŁUMIK MAGNETOREOLOGICZNY

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL BUP 10/05

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 01/18. WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL WUP 08/18 RZECZPOSPOLITA POLSKA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Ćwiczenie 6 IZOLACJA DRGAŃ MASZYNY. 1. Cel ćwiczenia

MODELOWANIE BELKI Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ METODĄ ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH

Autoreferat Rozprawy Doktorskiej

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Znów trochę teorii...

Temat /6/: DYNAMIKA UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE.

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

BADANIE ZJAWISK PRZEMIESZCZANIA WSTRZĄSOWEGO

(R) przy obciążaniu (etap I) Wyznaczanie przemieszczenia kątowego V 2

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Podstawy Automatyki laboratorium

Eliminacja drgań przy wykorzystaniu dynamicznego tłumika drgań z inerterem o zmiennej inertancji

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

Zawieszenia pojazdów samochodowych

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

TEORIA MASZYN I MECHANIZMÓW ĆWICZENIA LABORATORYJNE

PL B1. POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL BUP 05/18. WOJCIECH SAWCZUK, Bogucin, PL MAŁGORZATA ORCZYK, Poznań, PL

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

PL B1. Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica,Kraków,PL BUP 08/04. Zbigniew Szydło,Kraków,PL Bogdan Sapiński,Kraków,PL

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Specyfika obciążeń dynamicznych lotniczych Silników tłokowych

Układy zasilania samochodowych silników spalinowych. Bartosz Ponczek AiR W10

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Laboratorium Dynamiki Maszyn

Obliczenia polowe silnika przełączalnego reluktancyjnego (SRM) w celu jego optymalizacji

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW. Ćwiczenie N 2 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

URZĄDZENIE DO DEMONSTRACJI POWSTAWANIA KRZYWYCH LISSAJOUS

DYNAMIKA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

EXPERIMENTAL RESULTS OF FORCED VIBRATIONS OF THE BEAM WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID

ANALIZA PARAMETRÓW DRGAŃ WIELOKOMOROWYCH BELEK WSPORNIKOWYCH Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

Ć W I C Z E N I E N R E-15

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Ciecze elektroi. magnetoreologiczne

Napęd pojęcia podstawowe

Badania laboratoryjne modelu semiaktywnego zawieszenia z odzyskiem energii

Analiza kinematyczna i dynamiczna mechanizmów za pomocą MSC.visualNastran

Interaktywna rama pomocnicza. Opis PGRT

Karta (sylabus) przedmiotu Kierunek studiów Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Mechanika Techniczna Rodzaj przedmiotu: Podstawowy Kod przedmiotu:

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL BUP 17/09

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

PL B1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, KRAKÓW, PL

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RAR AM-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Automatyka i Robotyka Specjalność: Automatyka i metrologia

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

KOOF Szczecin:

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych. Układy rewersyjne

OGRANICZENIE ZMIAN NACISKU KÓŁ POJAZDU PATROLOWEGO ZE STEROWANYMI TŁUMIKAMI MAGNETOREOLOGICZNYMI

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

Dynamika mechanizmów

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA ADAMS/CAR RIDE W BADANIACH KOMPONENTÓW ZAWIESZENIA POJAZDU SAMOCHODOWEGO

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Mechanika teoretyczna

MECHANIKA PŁYNÓW Płyn

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Analiza możliwości ograniczenia drgań w podłożu od pojazdów szynowych na przykładzie wybranego tunelu

ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA UKŁADU ZE SPRĘŻYNĄ MAGNETYCZNĄ PRZY WYMUSZENIU KINEMATYCZNYM

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Wibroizolacja i redukcja drgań

CHARAKTERYSTYKI TŁUMIKA MAGNETOREOLOGICZNEGO RD ZASILANEGO Z GENERATORA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Pomiar wielkości nieelektrycznych: temperatury, przemieszczenia i prędkości.

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Napędy urządzeń mechatronicznych

PRACOWNIA FIZYCZNA DLA UCZNIÓW WAHADŁA SPRZĘŻONE

Spis treści. Wstęp Część I STATYKA

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

URZĄDZENIE DO DEMONSTRACJI POWSTAWANIA KRZYWYCH LISSAJOUS

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu INŻYNIERIA MATERIAŁOWA Studia pierwszego stopnia

Transkrypt:

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 54, ISSN 1896-771X STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA SAMOCHODOWEGO Z TŁUMIKIEM MR Jacek Snamina 1a, Bogdan Sapiński 1b 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Automatyzacji Procesów a snamina@agh.edu.pl, b deep@agh.edu.pl Streszczenie W pracy zawarto opis stanowiska do badań semiaktywnego zawieszenia silnika samochodowego, w którym zastosowano tłumik MR. Przedstawiono założenia projektowe oraz wyszczególniono elementy mechaniczne konstrukcji stanowiska, budowę układu redukcji drgań oraz tor pomiarowy. Zamieszczono wyniki symulacji drgań silnika spalinowego umieszczonego na stanowisku z przewidzianym przez producenta pasywnym układem redukcji drgań oraz z zaproponowanym semiaktywnym układem redukcji drgań z tłumikiem MR. Porównując wyniki obliczeń w obu przypadkach, przeprowadzono weryfikację założeń dotyczących konstrukcji układu redukcji drgań. Słowa kluczowe: tłumik MR, zawieszenie silnika, drgania, obliczenia MES FACILITY FOR TESTING THE AUTOMOTIVE VEHICLE ENGINE MOUNTS COMPLETE WITH AN MR DAMPER Summary The facility is purpose-built for testing semi-active engine mounts complete with an MR damper. The design objectives for the adopted mechanical structure are summarized and components of vibration reduction system as well as measurement equipment are described. Simulation experiments were performed to test the engine vibrations when placed in the facility and provided with the typical standard passive vibration reduction system and with the proposed new semi-active vibration reduction system incorporating an MR damper. Calculation data are compared and the design objectives are verified. Keywords: MR damper, engine mount, vibrations, FEM calculations 1. WSTĘP Silnik samochodu jest bryłą sztywną o złożonym kształcie. Jest on zamocowany do karoserii samochodu za pomocą odpowiednich elementów, których rozmieszczenie i parametry są wynikiem obliczeń obejmujących zagadnienia statyki i dynamiki całego układu napędowego. Ponieważ nie można zlikwidować całkowicie przyczyn powstawania drgań silników spalinowych, szczególnego znaczenia nabiera odpowiednia konstrukcja zawieszenia silnika tak, aby zapewnić odpowiednie ułożenie silnika w komorze silnikowej oraz zminimalizować składowe dynamiczne sił oddziaływania na karoserię samochodu. Elementy, za pomocą których silnik jest zamocowany do karoserii, to w najprostszym rozwiązaniu elementy elastyczne stosowane już od początku trzydziestych lat dwudziestego wieku. Początkowo były to elementy gumowe. Takie elementy miały niewielkie rozmiary i były stosunkowo tanie. W latach sześćdziesiątych wprowadzono zawieszenie hydrauliczne [1, 11] o specjalnej konstrukcji. W kolejnych latach wprowadzono udoskona- 65

STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA lone wersje zawieszeń pasywnych [3, 9]. Obecnie są prowadzone prace obliczeniowe i konstrukcyjne semiaktywnych i aktywnych zawieszeń silników spalinowych. Dają one znacznie większe możliwości redukcji niekorzystnego oddziaływania sinika na drgania samochodu zwłaszcza wówczas, gdy zastosowano w nich odpowiedni algorytm sterowania [2, 4]. W literaturze można odnaleźć prace opisujące zawieszenia, w których zastosowano ciecze elektroreologiczne (ER). Wykorzystano w nich właściwości tych cieczy polegające na znacznej zmianie lepkości w wyniku zmiany natężenia pola elektrycznego. Budowa elementów semiaktywnych stosowanych w zawieszeniach jest podobna do budowy elementów hydraulicznych. Wokół toru przepływu cieczy z górnej komory do dolnej komory umieszczono elektrody wytwarzające pole elektryczne oddziałujące na ciecz ER. Otrzymano w ten sposób możliwość sterowania tłumieniem zawieszenia. Uzyskano optymalne tłumienie dla dowolnych zakresów częstości. Integralną częścią zawieszenia semiaktywnego jest układ sterujący realizujący odpowiedni algorytm. Analogicznie, jak tłumiki z cieczami ER, w semiaktywnych zawieszeniach silników można również wykorzystać tłumiki MR [7, 10]. Badania doświadczalne semiaktywnych zawieszeń silników wymagają przygotowania specjalnych stanowisk laboratoryjnych, na których są przeprowadzane testy układów redukcji drgań oraz algorytmów sterowania. W niniejszej pracy przedstawiono stanowisko do badań zawieszenia dwucylindrowego, czterosuwowego silnika spalinowego. W zawieszeniu silnika zastosowano tłumik MR nowej konstrukcji [8], w którym ciecz MR jest wypychana spod tłoka lub zasysana w zależności od kierunku jego ruchu. W tym obszarze ciecz jest poddana oddziaływaniu pola magnetycznego. Wykorzystując charakterystyki zastosowanego tłumika wykonano symulacje drgań silnika oraz określono wpływ składowych siły oddziaływania tłumika na amplitudę drgań. 2. UKŁAD REDUKCJI DRGAŃ Schematyczny przekrój tłumika MR [8] przedstawiono na rys. 1. Obudowę tłumika tworzą pokrywy: górna i dolna oraz zewnętrzny cylinder (5). Tłok tłumika (1) przemieszcza się wzdłuż podzielonego na dwie części wewnętrznego cylindra (4) i (9). Obie części wewnętrznego cylindra zostały wciśnięte do cylindra zewnętrznego. Rys. 1. Schemat tłumika MR W części środkowej tłumika cylinder wewnętrzny i zewnętrzny zostały ukształtowane tak, aby ciecz MR (10) mogła przepłynąć z obszaru pod tłokiem do dolnej komory pełniącej rolę zbiornika. Komora ta jest ograniczona od dołu przeponą (6) dociskaną przez sprężynę (8) umieszczoną w obszarze (7) nad pokrywą dolną. Siła sprężyny wytwarza ciśnienie, któremu jest poddana ciecz MR w zbiorniku. Przepona została skonstruowana jako tłok (6) o małej masie i odpowiednim uszczelnieniu. W części środkowej tłumika został umieszczony układ wytwarzania pola magnetycznego składający się z cewki (3) oraz rdzenia (2). Strumień pola magnetycznego oddziałuje na ciecz MR przepływającą w kierunku promieniowym w wyniku ruchu tłoka. Strumień magnetyczny jest odpowiednio kształtowany w magnetowodzie tłumika. W związku z przyjętą koncepcją pracy cieczy MR charakterystyka tłumika różni się od charakterystyk najczęściej spotykanych tłumików, w których ciecz pracuje w trybie zaworowym. Przykładową charakterystykę rozważanego tłumika przedstawiono na rys. 2. Charakterystyka została sporządzona przy natężeniu prądu płynącego przez cewkę tłumika wynoszącym I=0.2 A. Opisuje ona siłę przy zadanym ruchu tłoka w postaci przemieszczenia sinusoidalnie zmiennego wokół położenia, przy którym wysokość szczeliny pod 66

Jacek Snamina, Bogdan Sapiński tłokiem wynosi 1.25 mm. Przyjęto amplitudę ruchu równą 0.5 mm oraz częstość 80 rad/s. Założona amplituda jest w przybliżeniu równa amplitudzie drgań, których należy oczekiwać w układzie wibroizolacji silnika podczas jego pracy. Rys. 4. Składowa siły tłumika związana z bezwładnością cieczy MR Rys. 2. Charakterystyka tłumika Charakterystyka tłumika jest charakterystyką niesymetryczną, co można zauważyć, jeśli weźmie się pod uwagę ruch tłoka w obu kierunkach. Siła jest duża przy małych wysokościach szczeliny i maleje znacząco podczas ruchu tłoka, przy którym wysokość szczeliny rośnie. Ta prawidłowość jest związana z zależnością wypływu cieczy MR z obszaru pod tłokiem podczas jego ruchu. Powierzchnia, przez którą wypływa ciecz spod tłoka, jest proporcjonalna do wysokości szczeliny. Zakładając stały wydatek wypływającej cieczy, zauważono, że jej prędkość jest wobec tego odwrotnie proporcjonalna do wysokości szczeliny. Przy małych wysokościach szczeliny powierzchnia, przez którą wypływa ciecz, jest mała i w związku z tym prędkość wypływu cieczy musi być duża. Przy rosnącej prędkości wypływu cieczy rosną siły oporu wiskotycznego. Zwiększają się również siły oddziaływania pola magnetycznego w związku ze zmniejszeniem oporu obwodu magnetycznego, którego szczelina jest istotnym elementem. Zobrazowano to na rys. 3. Rys. 3. Składowa siły tłumika związana z oddziaływaniem pola magnetycznego (I=0.2 A) W związku z większymi zmianami prędkości wypływającej cieczy rośnie w sposób istotny przyspieszenie jej elementów, co skutkuje znacznymi siłami bezwładności. Składową siły tłumika związaną z siłami bezwładności przy przepływie cieczy przedstawiono na rys. 4. Analogiczne zjawiska, jak omówione dla wypływu cieczy MR przy ruchu tłoka ku dołowi, mają miejsce podczas napływu cieczy pod tłok podczas jego ruchu ku górze. Zaprezentowana charakterystyka tłumika MR nowej konstrukcji różni się w istotny sposób od charakterystyki tłumika wiskotycznego, która ma postać elipsy. Należy wobec tego oczekiwać znacznych różnic w działaniu układów zawieszeń wykorzystujących opisany tłumik w porównaniu do klasycznych zawieszeń z tłumikami wiskotycznymi. 3. BUDOWA STANOWISKA Stanowisko do badania tłumików umieszczonych w zawieszeniu silnika samochodowego musi spełniać określone warunki. Podstawowym warunkiem jest dostatecznie duża sztywność ramy mocującej silnik tak, aby częstości drgań własnych ramy z zamocowanym silnikiem były znacznie większe niż badane częstości drgań wynikające z ruchu układu korbowo-tłokowego. Kolejny warunek, który musi spełnić stanowisko, jest związany z układem zamocowania silnika do ramy, a wynika z konieczności zapewnienia osiowości obciążenia tłumika. Ze względu na konstrukcję prototypowego tłumika nie może on przenosić obciążeń prostopadłych do kierunku ruchu tłoka. Dodatkowo konstrukcja ramy powinna umożliwić łatwy dostęp do punktów pomiarowych oraz montaż niezbędnych elementów układu pomiarowego i sterującego. Ramę wykonano z elementów stalowych. Jej dolna część, jest wykonana z blachy o grubości 5 mm i ma postać łap mocowanych do podłoża za pomocą śrub. Do budowy pionowych słupów oraz poziomych poprzeczek usztywniających konstrukcję wykorzystano kątowniki 100 100 12. W miejscach zamocowania silnika do ramy przyspawano dodatkowe kątowniki oraz blachy, na których umieszczono elementy mocowania silnika. Ramę wraz z zmocowanym silnikiem przedstawiono na fotografii na rys. 5. 67

STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA W tylnej części silnika zastosowano prototypowy tłumik MR. Tłumik został umieszczony w tym samym miejscu, w którym znajduje się oryginalny, tylny układ zawieszenia silnika składający się ze sprężyny na gumowych podkładkach. Tłoczysko tłumika zostało zamocowane obrotowo do korpusu silnika, natomiast jego obudowa została zamocowana obrotowo do ramy. Konstrukcja stanowiska umożliwia również powrót do oryginalnego elementu mocującego, będącego prostym, pasywnym układem redukcji drgań. 4. TOR POMIAROWY Rys. 5. Fotografia silnika zamocowanego do ramy Silnik jest zamocowany do ramy tak, aby siła oddziaływania na tłumik miała kierunek osi tłoka tłumika. W tym celu przednia część korpusu została zamocowana obrotowo, umożliwiając całemu korpusowi obrót wokół osi poprzecznie ułożonej do osi wału korbowego silnika. Spełniono warunek, aby punkt zamocowania korpusu silnika do tłoka tłumika nie mógł przemieszczać się w kierunku poprzecznym do linii ułożenia silnika. Zamocowanie silnika do ramy przedstawiono schematycznie na rys. 6. W związku z założoną koncepcją wykorzystania stanowiska opracowano odpowiednie tory pomiarowe schematycznie zaznaczone na rys. 7. Podstawowa analiza pracy tłumika MR w układzie redukcji przenoszenia siły na ramę, do której zamocowany jest silnik, wymaga pomiaru przemieszczenia x1 punktu, w którym tłumik jest zamocowany do silnika, siły F oddziaływania tłumika na korpus silnika oraz prędkości obrotowej ω wału korbowego. Dodatkowo w celu oszacowania ewentualnego obrotu silnika wokół osi wzdłużnej wprowadzono pomiar przemieszczenia x2 w punkcie położonym w lewej części korpusu silnika. Sygnały pomiarowe będą rejestrowane równocześnie przy wykorzystaniu karty pomiarowej umieszczonej w komputerze. Założono, że przemieszczenia będą mierzone czujnikami laserowymi, siła oddziaływania tłumika na korpus będzie mierzona piezoelektrycznym czujnikiem siły, natomiast prędkość obrotowa wału prądnicą tachometryczną. Rys. 6. Schemat zamocowania silnika do ramy Zaprojektowane zamocowanie przedniej części bryły silnika zastąpiło fabrycznie stosowane podparcie na dwóch elementach stalowo-gumowych o dużej sztywności. Przy zastosowaniu fabrycznego zawieszenia dominującym rodzajem ruchu silnika jest jego obrót wokół osi, na której leżą punkty zamocowania silnika do elementów stalowo-gumowych. Dodatkowo, oprócz tego dominującego obrotu, bryła silnika może przemieszczać się, co odróżnia fabryczne zamocowanie od zastosowanego przy budowie stanowiska. Rys. 7. Schemat toru pomiarowego Układ rejestracji sygnałów wykorzystywany podczas badań może być rozbudowany o układ sterowania. Kluczową rolę w układzie sterowania odgrywa sygnał 68

Jacek Snamina, Bogdan Sapiński prędkości obrotowej wału korbowego, gdyż wszystkie, mające podstawy fizyczne, algorytmy sterowania wypracowują sygnał sterujący, jeśli weźmie się pod uwagę prędkość obrotową wału. którym zaznaczono współrzędne wykorzystywane przy opisie drgań silnika. 5. SYMULACJA DRGAŃ SILNIKA Przeprowadzono obliczenia drgań korpusu silnika w wyniku ruchu posuwisto-zwrotnego układu tłoków w rzędowym, dwucylindrowym, czterosuwowym silniku spalinowym. Przekrój silnika przedstawiono schematycznie na rys. 8.. Rys. 8. Schemat przekroju silnika Dwa tłoki (1) silnika pracują współbieżnie. Podczas ruchu ku górze w jednym z cylindrów wykonywany jest suw sprężania, a w drugim suw wydechu. Podczas ruchu ku dołowi wykonywane są odpowiednio suw pracy oraz suw ssania. W związku ze współbieżnym ruchem tłoków na wale korbowym (4) umieszczono jeden przeciwciężar (5), wyrównoważający częściowo pierwszą harmoniczną sił bezwładności związanych z ruchem posuwistozwrotnym tłoków oraz siły bezwładności mas wykorbienia. Dodatkowo na schemacie przedstawiono koło zamachowe (6), korbowody (3) oraz sworzeń (2), za pomocą którego tłok jest osadzony na korbowodzie. Prosty schemat układu korbowego wraz z oznaczeniami mas i odległości niezbędnymi do wyznaczenia sił bezwładności przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Schemat układu korbowo-tłokowego Zamocowanie silnika do ramy stanowiska zostało omówione w podrozdziale 3. Wzięto pod uwagę więzy wprowadzone przez przyjęty sposób mocowania; bryla silnika ma jeden stopień swobody - jest on związany z obrotem. Schematycznie zaznaczono to na rys. 10, na Rys. 10. Schemat korpusu silnika z tłumikiem MR oraz układem współrzędnych W obliczeniach założono, że rama, do której zamocowany jest silnik, jest nieruchoma. W zawieszeniu silnika wprowadzono tłumik MR nowej konstrukcji i wykrzystano jego charakterystyki do obliczeń związanych z symulacją drgań. Przyjęto najprostszy model układu o jednym stopniu swobody. Obliczenia obejmują drgania silnika opisane kątem φ(t) oraz składowe siły w tłumiku. Podczas ustalonej pracy silnika kąt obrotu wału korbowego jest liniową funkcją czasu opisaną wzorem ωt, gdzie ω jest prędkością kątową obrotu wału. Równanie drgań silnika ma postać J& ϕ = Fl t + 1 mbraω 2 lasin( ωt) (1) 2 Moment bezwładności J jest momentem bezwładności całego silnika (łącznie z układem korbowo tłokowym) względem osi obrotu związanej z przednim zamocowaniem. Masa mb oznacza sumę mas tłoków i zredukowanych mas górnych części korbowodów, ra jest promieniem wykorbienia wału, la to odległość od osi obrotu korpusu silnika do płaszczyzny, w której poruszają się tłoki. Siła Ft jest siłą oddziaływania tłumika na korpus silnika, l jest ramieniem siły Ft względem osi obrotu. Kąt φ(t) opisuje obrót korpusu silnika względem położenia równowagi statycznej. Prawa strona równania (1) jest sumą momentu siły oddziaływania tłumika na korpus silnika oraz wyrażenia opisującego podstawową harmoniczną momentu siły bezwładności układu korbowo-tłokowego. Pozostałe harmoniczne zostały pominięte. Podstawowa harmoniczna wymuszenia została częściowo zrównoważona w wyniku wprowadzenia przeciwciężaru umieszczonego na wale korbowym. Przyjęto najczęściej stosowane rozwiązanie, w którym równoważona jest połowa pierwszej harmonicznej sily bezwładności tłoków, tak aby wypadkowa siła bezwładności mechanizmu korbowego-tłokowego była wektorem o stałej długości, obracającym się z prędkością kątową ω w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału korbowego [5, 6]. Fabryczne zawieszenie silnika jest prostym zawieszeniem pasywnym i składa się ze sprężyny osadzonej na podkładkach gumowych. Wspólczynnik sztwności sprężyny k=4 10 4 N/m, a tłumienie 69

STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA podkładek gumowych jest takie, że bezwymiarowy wspłczynnik tłumienia bryły silnika w ruchu obrotowym wynosi ζ=0.3. Pomiary oraz dane konstrukcyjne były podstawą obliczenia momentu statycznego układu korbowo-tłokowego mbra=0.03 kgm oraz momentu bezwładności bryły silnika względem osi obrotu J=20 kgm 2. Bazując na powyższych danych, wyznaczono amplitudę drgań obrotowych bryły silnika w funkcji prędkości kątowej obrotu wału korbowego. Wyniki przedstawiono na rys. 11. Ze względu na bezwładnościowy charakter wymuszenia (proporcjonalnego do kwadratu prędkości kątowej ω) wykres ma asymtotę poziomą (0.5 mm), co oznacza niewielkie zmiany amplitudy przy rosnącej częstości od około 150 rad/s. Rys. 11. Amplituda drgań korpusu silnika W kolejnym etapie obliczeń przeprowadzono szereg symulacji drgań silnika. Wyniki symulacji dla fabrycznego zamocowania silnika do ramy pokazano na rys. 12. Pierwszy z wykresów przedstawia wymuszenie w postaci momentu siły bezwładności układu korbowo-tłokowego względem osi obrotu silnika przy prędkości kątowej obrotu wału wynoszącej ω=80 rad/s. Na drugim wykresie zobrazowano kąt obrotu bryły silnika w funkcji czasu. Ruch ustala się w krótkim przedziale czasu, a amplituda drgań ustlonych odpowiada dokładnie wartości odczytanej z wykresu na rys. 11. Ponieważ drgania są wymuszane z częstością znacznie większą od częstości drgań własnych, kąt obrotu jest przesunięty w fazie względem wymuszenia o około π rad. samego wymuszenia. Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 13. Rys. 13. Kąt obrotu korpusu silnika w funkcji czasu Amplituda drgań silnika zmalała w stosunku do amplitudy drgań przy zastosowaniu fabrycznego układu zawieszenia. W związku z niesymetryczną charakterystyką tłumika omówioną w podrozdziale 2 widoczne jest przesunięcie wartości średniej kąta obrotu dla drgań wymuszonych względem położenia równowagi statycznej. Jest to zjawisko charakterystyczne dla układów, których elementy mają niesymetryczną charakterystykę. Bliższa analiza drgań wskazuje, że zmniejszenie amplitudy jest związane z siłą oddziaływania pola magnetycznego na ciecz MR, a także z siłami bezwładności przepływu cieczy w zastosowanym tłumiku. Występowanie sił bezwładności jest równoważne ujemnemu sprężeniu zwrotnemu od przyspieszenia lub zwiększeniu bezwładności układu drgającego. Efektem jest zmniejszenie amplitudy drgań silnika dla częstości istotnie większych od częstości drgań własnych. Dla potwierdzenia wpływu sił bezwładności na rys. 14 przedstawiono wyniki symulacji dla sztucznie zwiększonej gęstości cieczy, co powoduje wzrost sił bezwładności. Amplituda drgań uległa dalszemu zmniejszeniu. Rys. 14. Kąt obrotu korpusu silnika w funkcji czasu Przedstawione wyniki symulacji drgań bryły silnika określają kąt obrotu mierzonego względem położenia równowagi statycznej. Wpływ siły ciężkości jest równoważony przez sprężynę umieszczoną równolegle do tłumika. Sztywność sprężyny jest równa sztywności sprężyny montowanej fabrycznie. 6. PODSUMOWANIE Rys. 12. Wymuszenie bezwładnościowe oraz kąt obrotu korpusu silnika w funkcji czasu Kolejne obliczenia zostały przeprowadzone dla przedstawionego w pracy tłumika MR umieszczonego w układzie zawieszenia silnika, przy zachowaniu takiego W pracy przedstawiono stanowisko do badań zawieszenia samochodowego silnika spalinowego. Opisano część mechaniczną stanowiska, którą stanowi odpowiednio zaprojektowana rama wraz z elementami układu mocującego korpus silnika. Spełniono podstawowe założenia konstrukcji, w szczególności zapewniono osiowość obciążenia prototypowego tłumika MR, który został skonstruowany przy założeniu, że ciecz MR, 70

Jacek Snamina, Bogdan Sapiński poruszająca się w kierunku promieniowym, w obszarze pod tłokiem będzie poddana oddziaływaniu pola magnetycznego. Symulacje pozwoliły na oszacowanie drgań silnika. Wyniki symulacji będą użyteczne przy wyborze algorytmów sterowania, ich parametrów oraz ocenie skuteczności działania. Obliczenia są szczególnie istotne, gdyż dają możliwość doboru natężenia prądu zasilającego cewkę, której zadaniem jest wytwarzanie pola magnetycznego w tłumiku MR. Zmieniając natężenie pola magnetycznego, można bezpośrednio sterować jedną ze składowych sił oddziaływania tłumika MR na korpus silnika oraz ramę mocującą silnik. Ujemną stroną zaproponowanej konstrukcji tłumika MR jest niesymetryczna charakterystyka opisująca siłę oddziaływania tłumika na korpus silnika. Efektem tego jest przesunięcie średniego położenia korpusu silnika w czasie drgań w stosunku do położenia równowagi statycznej drgania nie są wykonywane wokół położenia równowagi statycznej. Tę niedogodność można niwelować, umieszczając w układzie redukcji dwa tłumiki pracujące przeciwbieżnie w układzie równoległym. Pracę zrealizowano w ramach projektu PBS 1/A6/3/2012. Literatura 1 Flower W.C.: Understanding hydraulic mounts for improved vehicle noise, vibration and ride qualities. SAE Paper # 952666. 2 Graf P.L., Shoureshi R.: Modeling and implementation of semi-active hydraulic engine mounts. J. Dynamic Systems, Measurement Control 1988, 110 (4), p. 422-429. 3 Helber R., Doncker F., Bung R.: Vibration attenuation by passive stiffness switching mounts. J. Sound Vib. 1990, 138 (1), p. 47-57. 4 Ivers D.E., Dol K.: Semi-active suspension technology: an evolutionary view. ASME DE- vol. 40, Advanced Automotive Technologies, Book No. H00719, 1991, p. 1-18. 5 Jędrzejowski J.: Mechanika układów korbowych silników samochodowych. Warszawa: WKŁ, 1986. 6 Kamiński E., Pokorski J.: Dynamika zawieszeń i układów napędowych pojazdów samochodowych. Warszawa: WKŁ, 1983. 7 Kim J.H.: Damping control device with magnetorheological fluid and engine mount having the same. United States Patent Application Publication US 2012/0132492A1, 2012. 8 Sapiński B., Krupa S.: Wibroizolator z cieczą magnetoreologiczną pracującą w trybie ściskania. Wniosek o udzielenie patentu P.406179, 2013. 9 Singh R., Kim G., Ravindra P.V.: Linear analysis of automotive hydro-mechanical mount with emphasis on decoupler characteristics. J. Sound Vib. 1992, 158 (2), p. 219-243. 10 Snamina J., Sapiński B.: Analysis of an automotive vehicle engine mount based on squeeze-mode MR damper. Technical Transactions Mechanics 2014, 2-M/2014, p. 53-63. 11 Yu Y., Naganathan N.G., Dukkipati R.V.: A literature review of automotive vehicle engine mounting systems. Mechanism and Machine Theory 2001, Vol. 36, Iss. 1, p. 123-142. 71