POHON 4x4 JAKO ZDROJ VIBRACÍ OSOBNÍHO AUTOMOBILU Pavel NĚMEČEK, Technická univerzita v Liberci 1 Radek KOLÍNSKÝ, Technická univerzita v Liberci 2 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: pavel.nemecek@vslib.cz 2 Radek Kolínský student 5. ročníku oboru Kolové dopravní a manipulační stroje Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra strojů průmyslové dopravy radek.kolinsky@seznam.cz
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. 1 z 9 z 7 z 5 z 3 z 1 vstup 1... hnací hřídel 2... hnaný hřídel P... předlohový hřídel z 11 2 z 10 z 8 z 6 přední náprava z 4 z RIII z 2 z 13I z 12 z 14I z 14II z 13II z 16 z 15 zpětný chod 1 z 1 P z RII z RI 2 z RIII Haldex z 17 z 20I zadní náprava z 18 z 19I z 19II z 20II 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 Analyzátor FFT spektra 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. 2 Přenosová charakteristika (Zadní náprava - Zadní rozvodovka) 1,5 T (přenos) 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