Vibratiile Automobilelor Dinamica Autovehiculelor [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca Facultatea de Mecanica Sectia Autovhicule Rutiere

Referat la disciplina DINAMICA AUTOVEHICULELOR 2 Vibratiile autovehiculelor

Student: Radu Ionut Gabriel Grupa: 2443/2

Cuprins

1. Generalitati

2. Criterii si parametrii pentru aprecierea confortabilitatii autovehiculelor

3. Factori perturbatori care actioneaza asupra autovehiculelor

4. Studiul vibratiilor autovehiculelor pe modele dinamice si matematice

5. Vibratii de torsiune in transmisiile autovehiculelor

6. Bibliografie

1. GENERALITATI Deplasarea autovehiculelor pe diferite categorii de drumuri si terenuri este insotita de prezenta permanenta a socurilor si vibratiilor. Aceste fenomene se manifesta la nivelul maselor suspendate si nesuspendate ale autovehiculelor. Socurile si vibratiile influenteaza negativ confortabilitatea autovehiculelor, integritatea marfurilor transportate, durabilitatea tuturor subansamblelor si ansamblelor, fiabilitatea autovehiculului si nu in ultimul rand gradul de oboseala al conducatorilor, respectiv securitatea circulatiei rutiere si a muncii. Socurile si vibratiile la care sunt supuse autovehiculele sunt determinate de cauze exterioare si interioare, in majoritatea cazurilor acestea actionand simultan. Efectele socurilor si vibratiilor la autovehicule se manifesta prin influente nocive asupra organismului uman. Acestea provoaca oboseli mari si senzatii fiziologice neplacute, culminand cu raul de automobil manifestat prin greturi, varsaturi etc. Cand se circula cu viteza mare pe drumuri de calitate proasta sufera si integritatea marfurilor transportate daca nu se iau masuri adecvate de protectie. Pe de alta parte, ca urmare a socurilor si vibratiilor apar sarcini dinamice mari in toate ansamblele si subansamblele autovehiculelor. Socurile si vibratiile autovehiculelor determina reducerea considerabila a vitezei medii de circulatie, cresterea consumului de combustibil necesar invingerii rezistentelor suplimentare in elementele suspensiei si in pneuri, toate acestea reducand eficienta tranportului. Socurile si vibratiile autovehiculelor depind de starea drumului sau a terenului pe care se realizeaza deplasarea, de constructia ansanblelor si subansamblelor componente, de constructia in ansamblu a autovehiculului considerat. Dupa cauze, socurile si vibratiile autovehiculelor pot fi clasificate in: 

socuri si vibratii determinate de denivelarile si neregularitatile suprafetei drumului sau a terenului, de rafalele de vant, de franarea autovehiculului etc.



socuri si vibratii provocate de motor, transmisie, directie si de sistemul pneu-roata-drum Ca la orice sistem mecanic, la autovehicule se studiaza:



Vibratiile libere, care pot fi neamortizate si amortizate in vederea determinarii pulsatiilor proprii, a modurilor proprii de vibratie.



De asemenea, studiul acestor vibratii permite determinarea influentei maselor suspendate si nesuspendate, a caracteristicilor elastice si de amortizare ale suspensiei asupra lor, asupra confortabilitatii si a regimului de deplasare



Vibratii fortate sau intretinute care solicita permanent autovehiculul in timpul deplasarii. Studiul acestor vibratii permite stabilirea influentei diversilor factori perturbatori asupra comportarii autovehiculului din acest punct de vedere, precum si determinarea pulsatiilor periculoase ale factorilor perturbatori pentru evitarea functionarii autovehiculului in zonele de rezonanta. In timpul deplasarii, la autovehicule pot fi intalnite urmatoarele tipuri de vibratii:

1. vibratii ale sasiului si caroseriei, considerate ca un corp rigid asezat pe suspensia elastica formata din arcuri sau arcuri si pneuri. Aceste vibratii au caracter de vibratii libere provocate de neregularitatile drumului sau terenului si actioneaza sub forma de socuri. Uneori ca urmare a uzurii suprafetei soselei are forma de valuri. La deplasarea autovehiculelor peste aceste valuri se poate ajunge la rezonanta, vibratiile devenind foarte periculoase. 2. vibratiile de torsiune si incovoiere ale pieselor motorului si subansamblelor transmiesiei. Aceste vibratii se studiaza pe modele dinamice echivalente cu un numar mai mare sau mai mic de grade de libertate. Numarul gradelor de libertate este functie de numarul de cilindrii ai motorului, numarul puntilor motoare ale autovehiculului, particularitatile consturctive ale ambreajului si de caracteristicile cinematice si dinamice ale diferentialelor din transmisie. 3. vibratiile motorului, ambreajului si cutiei de viteze in ansamblu fata de cadrul autovehiculului. Aceste ansamble, in mod obisnuit, sunt montate elastic fata de cadru si daca rezemarea este necorespunzatoare se poate ajunge la desfacarea prematura a imbinarilor, la fisuri si ruperi ale cadrului si carterelor. 4. vibratii de fluturare ale rotilor de directie, care se manifesta prin oscilatiile rotilor intr-un plan perpendicular pe directia de deplasare. O forma a acestor oscilatii o reprezinta fenomenul de shimmy, care consta in ridicarea succesiva a rotilor de directie de pe suprafata drumului, urmele lasate de roti avand forme curbilinii. 5. vibratii ale scaunelor conducatorilor auto si pasagerilor care determina in ce mai mare parte confortabilitatea autovehiculelor. Aceste vibratii apar ca urmare a insumarii factorilor perturbatori exeriori si interiori care actioneaza asupra autovehiculului si se trnasmit corpului omenesc prin scaune. 6. oscilatii la autotrenuri. Cand un autocamion tracteaza una sau mai multe remorci pot aparea oscilatii pe directia de deplasare intre mobilele in miscare. Ca urmare forta de tractiune din dispozitivul de remorcare va avea un caracter variabil. Pnetru preluarea acestor oscilatii, dispozitivele de remorcare se realizeaza cu elemente elastice.

7. vibratii de inalta frecventa a cadrului si caroseriei datorate neregularitatilor suprafete drumului sau terenului si ca rezultat al insumarii factorilor perturbatori. 2. CRITERII SI PARAMETRII PENTRU APRECIEREA CONFORTABILITATII AUTOVEHICULELOR Confortabilitatea autovehiculelor este determinata, in primul rand, de efectele pe care le au vibratiile acestora asupra conducatorilor auto si a persoanelor din autovehicul, fiind conditionata de nivelul zgomotului, temperatura si umiditatea aerului din habitaclu, viteza curentilor de aer, pozitia de sedere pe scaun, calitatea suspensiei etc. 2.1. Efectele vibratiilor asupra omului si criterii de apreciere a acestora. Vibratiile mecanice pot fi transmise omului in trei feluri: - asupra intregului corp, prin toata suprafata sa - asupra intregului corp, prin suprafata de contact cu mediul inconjurator - asupra unor parti ale corpului Vibratiile se evalueaza in general prin marimile cinematie, acceleratii, viteze, deplasari si prin frecvente. Limitele admisibile ale vibratiilor suportate de om se stabilesc in functie de urmatorii parametri: marimea vibratiei (acceleratie, viteza, deplasare), frecventa, durata de expunere, directia vibratiei fata de corp, criteriul de nocivitate (prag de percepere, oboseala, pericol pentru sanatate). 3. FACTORI PERTURBATORI CARE ACTIONEAZA ASUPRA AUTOVEHICULULUI Vibratiile autovehiculelor sunt provocate de factori perturbatori exteriori si interiori. Prin caracteristicile drumului sau terenului, (lungimea, inaltimea, forma, profilul) si frecventa neregularitatilor limiteaza viteza de deplasare a autovehiculelor. De asemenea, parametrii constructivi si functionali ai autovehiculelor conditioneaza regimul lor de plasare pe diferite categorii de drumuri sau terenuri. Factori perturbatori exteriori: Factorul perturbator cu actiune continua este determinat de profilul suprafetei drumului sau terenului si are de obicei un caracter aleator. Profilul suprafetei drumului se caracterizeaza prin lungimea l. inaltimea h si frecventa neregularitatilor.

Cand numarul de neregularitati ale suprafetei drumului este constant pe unitatea de lungime, intensitatea vibratiilor autovehiculelor este determinate de inaltimea h a neregularitatilor. La o forma lina a neregularitatilor, profilul suprafetei drumului poate fi admis sinusoidal, figura 1.

Fig.1. Profilul sinusoidal al suprafetei drumului: a) in functie de timp; b) in functie de spatiu

Acesta este descris de relatia: Parametrii principalelor categorii de drumuri: Categoria drumului Autostrada Sosea astfaltata Sosea pavata Drum de tara

l [m] 10 - 15 1,0 – 2,0 0.15 - 0.3 0.1 – 0.15

h [mm] 10 - 20 10 – 20 30 – 40 50 - 70

Factori peturbatori interiori: Motorul cu ardere interna montat pe autovehicul reprezinta o sursa importanta de vibratii, ca urmare a variatiei periodice a fortelor si momentelor care actioneaza asupra organelor componente. Factorul perturbator al motorului il reprezinta momentul de torsiune, care actioneaza asupra arborelui cotit, acesta avand o variatie periodica si ca urmare poate fi dezvoltat intr-o serie Fourier. 4. STUDIUL VIBRATIILOR AUTOVEHICULULUI PE MODELE DINAMICE SI MATEMATICE a) Vibratii libere Cel mai simplu model dinamic al unui autovehicul consta dintr-o masa m rezemata elastic pe un arc elicoidal, cu constanta elastica k liniara. Prin m se ia in considerare intreaga masa a autovehiculului, iar prin k se are in vedere constanta elastica a suspensiei si a pneurilor.

Pozitia z=0 corespunde starii de echilibru static a autovehiculului. Sub actiunea unui impuls vertical masa m este scoasa din echilibru si va oscila in jurul pozitiei de echilibru static.

Fig. 2 Modelul dinamic cu un singur grad de libertate pentru studiul vibratiilor libere

Ecuatia de echilibru a masei m este:

unde: z este deplasarea verticala a masei m;

acceleratia

verticala a masei m; Tratarea vibratiilor autovehiculelor pe un model simplificat, cu un singur grad de libertate, permite stabilirea parametrilor de ansamblu a acestora, in primul rand a pulsatiei proprii si a frecventei. Cunoscand acesti parametrii poate fi facuta o apreciere globala a calitatii suspensiei autovehiculului respective. Se recomanda in general ca frecventa vibratiilor libere sa aiba valori relative reduse, mai mic decat valorile frecventei perturbatiei, in scopul evitarii fenomenului de rezonanta. b) Vibratii amortizate. Influenta amortizoarelor. Din rezultanta fortelor de amortizare, din amortizoarele autovehiculului, a frecarilor interne din pneuri si a frecarilor din arcuri, miscarea oscilatorie, pe directia verticala, este amortizata. Se admite pentru inceput, ca fortele de amortizare sunt proportionale cu viteza vibratiei. Exista situatii in care aceste forte depind de patratul vitezei sau amortizarea se realizeaza cu urmare a frecarii uscate. La autovehiculele cu arcuri din foi, forta de frecare dintre foi contribuie la amortizarea vibratiilor, forta de amortizare fiind o forta de frecare uscata care este constanta ca valoare, dar variabila ca sens in functie de sensul vitezei.

Fig.3 Discutarea ecuatiei caracteristice pentru pentru modelul dinamic cu un singur grad de libertate

c) Vibratiile fortate ale autovehiculelor In timpul deplasarii autovehiculele sunt supuse actiunii vibratiilor fortate sau intretinute cu amortizare. Modelul dinamic cu o masa pentru studiul acestor vibratii este prevazuta in urmatoarea figura:

Fig.4 Model dinamic cu o masa pentru studiul vibratiilor intretinute ale autovehiculelor

Ecuatia de miscare, scrisa pe baza principiului lui D`Alambert, este: unde prin h se ia in considerare microprofilul drumului, adica factorul perturbator. d) Modelul dinamic pentru studiul vibratiilor verticale Studiul mai in profunzime a vibratiilor verticale ale autovehiculelor necesita luarea in considerare a influentelor maselor suspendate si nesuspendate ale acestora. De asemenea, trebuie sa se evidentieze influenta elementelor elastice si de amortizare ale suspensiei si pneurilor asupra vibratiilor verticale ale autovehiculelor. Pentru aceasta se utilizeaza modele dinamice cu doua grade de libertate.

Fig.5 Model dinamic cu doua mase pentru studiul vibratiilor verticale ale autovehiculelor

unde: m1 este masa partilor nesuspendate, m2 masa suspendata a autovehiculului; k1 constanta elastica radiala echivalenta a pneurilor; k2 constanta elastica echivalenta a arcurilor suspensiei; c1 coeficientul de amortizare echivalent al pneurilor; c2 coeficientul de amortizare echivalent al amortizoarelor autovehiculului. e) Studiul vibratiilor aleatoare Vibratiile verticale ale autovehiculelor determinate de neregularitatile suprafetei drumului au un caracter aleator. Se considera functia aleatoare Q(t) care in cazul cel mai general prezinta o marime oarecare a vibratiei. Aceasta functie se poate realiza cu anumite frecvente. Pentru determinarea frecventelor de realizare a diverselor valori ale functiei Q(t), se traseaza dreapta paralela cu axa timpului, situate una fata de cealalta la o distanta constanta ΔQ.

Fig. 6 Functia aleatoare: a) graficul Q(t), b) distributia frecventelor intersectiilor

f) Aspecte privind vibratiile neliniare ale autovehiculelor In vederea asigurarii confortabilitatii autovehiculelor la toate regimurile de incarcare si de deplasare s-au realizat suspensii cu caracteristici elastice si de amortizare nelineare.

g) Model dinamic cu doua grade de libertate cu miscari vertical si unghiulare de tangaj Vibratiile unghiulare, de tangaj, in jurul axei transversale, influenteaza in mare parte confortabilitatea autovehiculelor, mai ales ca sunt combinate si cu vibratiile verticale. Studiul acestor oscilatii poate fi realizat pe modele dinamice de diverse complexitati. Se considera pentru inceput un model dinamic cu doua grade de libertate. Se considera ca masa m a partii suspendate a autovehiculului este concentrata in centrul de masa c0 de coordonate a si b in planul longitudinal. Constantele kf si ks reprezinta constantele elastice echivalente ale arcurilor si pneurilor din fata si spate. Aceste constante se calculeaza cu urmatoarele formule:

Fig.7 Modelul dinamic cu doua grade de libertate ; Schema simplificata a modelului dinamic cu doua grade de libertate h) Modelul dinamic cu patru grade de libertate La studiul vibratiilor verticale si de tangaj ale autovehiculelor, pe modelul dinamic cu un singur grad de libertate, nu s-au luat in considerare masele nesuspendate, precum si influenta altor factori. Modelul dinamic cu patru grade de libertate, ia in considerare influenta maselor nesuspendate ale autovehiculelor, fortele de amortizare din pneuri si amortizoare, precum si excitatiile datorate neregularitatilor suprafetelor drumului.

Fig. 8 Model dinamic cu patru grade de libertate 5. VIBRATII DE TORSIUNE IN TRANSMISILE AUOTVEHICULELOR. Transmisia unui autovehicul reprezinta un sistem oscilant de mare complexitate. Acest sistem este format din mase inertiale (volant) in miscare de rotatie, peste care se suprapun vibratiile de torsiune. Datorita vibratiilor de torsiune, care apar in procesul de exploatare al autovehiculului, in elementele componente ale transmisiei apar solicitari dinamice, variabile in limite foarte largi. Vibratiile de torsiune din transmisie apar la: -

pornirea din loc si demarajul autovehiculului;

-

la schimbarea treptelor de viteze;

-

in timpul franarii;

-

la deplasarea autovehicului peste neregularitatile drumului.

Vibratiile din transmisie sunt in stransa corelatie cu oscilatiile exterioare ale autovehiculului.Studiul amanuntit al vibratiilor de torsiune din transmisie poate fi facut pe modele dinamice complexe, care asigura cuplarea acestora cu oscilatiile exterioare. Modelul dinamic si matematic al transmisilor autovehiculelor de tipul 4x2 Acest modelul dinamic echivalent al transmisiei mecanice se intocmeste în functie de schema cinematica şi particularitatile constructive ale autovehiculelor.

Ca element de referinta, de obicei se alege arborele ambreiajului. In functie de necesitati drept element de referinta poate fi un alt arbore din transmisie.

Fig.9 Modelul dinamic generalizat al transmisiei autovehiculului In figura este prezentata schema generalizata a modelului dinamic al transmisiei. Lantul I corespunde modelului dinamic al unui autovehicul 4x2. Luând în cosiderare lantul I şi II, se obţine schema generalizată a modelului dinamic al unui autovehicul 4x4. Prin lantul III completează cele doua modele cu porţiunea în care autovehiculul tractează o remorcă sau lucrează în agregat. Modelul este alcătuit din volanţi legaţi între ei prin arbori elastici imponderabili, iar situatia studiata e în care autovehiculul rulează în linie dreapta. Ecuaţiile de miscare se obtin aplicand principiul lui D’Alambert fiecarei mase în parte a modelului dinamic. Pentru pornirea de pe loc şi demarajul autovehicului ecuatiile de miscare sunt:

Modelul dinamic şi matermatic generalizat pentru studiul vibratiilor autovehiculelor de tipul 4x2 Prin cuplarea vibratiilor de torsiune ale transmisiei cu cele verticale, de ruliu şi tangaj, cand se tine seama de fluxul de putere la rotile motoare şi de vibratiile puntilor autovehicului, se ajung la modele dinamice şi matematice foarte complexe. Astfel pentru pornirea de pe loc si schimbarea treptelor de viteze se obtine:

Fig. 10 Modelul dinamic generalizat al autovehiculelor de tipul 4x2 cu suspensie dependenta

5. BIBLIOGRAFIE: Untaru Marin, Campian Enache s.a, Dinamica Autovehiculelor