Tłumienie drgań skrętnych w układzie napędowym
ZF Services
Dwumasowe koła zamachowe rozwiązują dotychczasowe problemy drgań w układach napędowych
Drgania występujące w układzie przeniesienia napędu przyczyniają się do przyspieszonego zużycia jego elementów oraz powodują powstawanie hałasów obniżających komfort użytkowania pojazdu.
Koncern ZF poświęca wiele uwagi badaniom nad występowaniem drgań o charakterze skrętnym oraz projektowaniu skutecznych układów ich tłumienia. Efektem tych prac jest z jednej strony radykalna poprawa komfortu podróżowania, a z drugiej – bardziej efektywne wykorzystywanie mocy i momentu obrotowego nowoczesnego silnika.
Wuproszczeniu, układ napędowy pojazdów składa się z: silnika, sprzęgła, skrzyni biegów, wału napędowego lub przegubowych półosi oraz napędzanych kół. Dla poprawy komfortu podróży oraz oszczędności masy całego pojazdu układ napędowy musi być elastycznie zestrojony z występującymi w nim momentami obrotowymi. Już w latach 30. ubiegłego wieku stwierdzono, że drgania o charakterze skrętnym oraz towarzyszące im hałasy w układzie przeniesienia napędu można znacząco zredukować poprzez zmniejszenie sztywności skrętnej elementów łączących silnik ze skrzynią biegów. W kolejnych dziesięcioleciach doprowadziło to do opracowywania coraz doskonalszych tłumików drgań skrętnych wbudowywanych w tarcze sprzęgłowe, aż do ich konstrukcji wielostopniowych najnowszej generacji.
 |
Fizyczna istota problemu Przyczyną pojawiania się drgań skrętnych w układach napędowych współczesnych pojazdów są m.in.:
Drgania te objawiają się hałasami dochodzącymi ze skrzyni biegów (zderzanie się zębów współpracujących ze sobą kół zębatych) oraz rezonansowymi wibracjami elementów karoserii. Natężenie hałasu zależy dodatkowo od luzów w zazębieniu kół zębatych, lepkości oleju przekładniowego oraz łożyskowania wału korbowego i obrotowych elementów przeniesienia napędu. |
|
Schemat drgań własnych w pojeździe (kliknij rysunek, aby go powiększyć) |
Optymalizacja występujących drgań skrętnych wymaga identyfikacji ich źródła oraz ustalenia częstotliwości drgań własnych w całym układzie przeniesienia napędu.
Na pierwszym z załączonych rysunków pokazano schemat układu przeniesienia napędu składającego się z czterech drgających mas. Drgania i towarzyszące im hałasy nasilają się najbardziej w trakcie przechodzenia przez zakres drgań rezonansowych. Dla wyjaśnienia tych zjawisk trzeba się odwołać do stosowanego m.in. w mechanice pojęcia składowych harmonicznych (zwanych w skrócie "harmonicznymi"), czyli kolejnych wielokrotności jakiejś częstotliwości podstawowej.
Z lewej: wielostopniowy tłumik drgań skrętnych, z prawej: tarcza sprzęgła z tłumikiem drgań skrętnych
Pierwsza harmoniczna drgań własnych całego układu napędowego występuje na biegach niskich, przy częstotliwościach 1–3 Hz, a powodują ją głównie zmiany obciążeń zewnętrznych. Pierwsza harmoniczna samego układu przeniesienia napędu (bez uwzględnienia drgań silnika), zawiera się w przedziale częstotliwości 9–13 Hz i może niekiedy powodować "szarpanie" sprzęgła.
Trzecia harmoniczna układu napędowego wzbudzana jest powtarzalnością zapłonów w tych samych cylindrach (w czterocylindrowych silnikach czterosuwowych co 2 obroty wału korbowego, w pięciocylindrowych co 21/2 obrotu itd.).
Porównanie zakresów częstotliwości rezonansowych przy DKZ oraz tradycyjnej tarczy sprzęgłowej
W tarczach sprzęgłowych z tłumikiem drgań skrętnych i przy włączonym biegu rezonans drgań własnych (trzecia harmoniczna) występuje najczęściej w zakresie częstotliwości 40–70 Hz. Analogiczne prędkości obrotowe (2400–4200 obr./min) występują przy optymalnym użytkowaniu silnika. Dlatego konstruktorzy starają się tak przenosić ten zakres drgań własnych, by nie dochodziło do rezonansu z powodu zgodnych częstotliwości.
Niski próg rezonansu
W najnowszej generacji tarcz sprzęgłowych stosuje się najczęściej trzystopniowy układ tłumienia drgań skrętnych. Zawiera on takie elementy, jak: tarcza zabierakowa, przeciwtarcza oraz sprężyny spiralne poszczególnych stopni tłumienia (umiejscawiane w oknach centralnej części tarczy). Sprężyny tarcz sprzęgłowych umożliwiają kątowy skręt piasty nawet do 18°. Przez odpowiedni dobór sztywności sprężyn oraz ich wielkości można osiągać zróżnicowane charakterystyki tłumienia drgań. Wielostopniowe tłumienie pozwala na uzyskanie progresywnej charakterystyki tłumienia. Dodatkowo, w układzie często stosuje się osobne tłumiki drgań (tzw. "wstępnych" obrotów biegu jałowego), a w tarczach sprzęgłowych jako elementy tłumiące wykorzystuje się pierścienie cierne.
Zależność przyspieszeń kątowych wału korbowego od generacji silnika
Moment obrotowy współczesnych silników jest jednak już przy prędkości 800–1000 obr./min wystarczający do napędzania pojazdu. Do redukcji drgań w tym zakresie częstotliwości niezbędny byłby tradycyjny tłumik drgań o małej sztywności skrętnej (rzędu 1 Nm/°) lub wprowadzenie dodatkowej masy o znacznym momencie bezwładności pomiędzy tłumik a skrzynię biegów. Obie te koncepcje były mało realne. Rozwiązaniem tego problemu okazało się zintegrowanie tłumika drgań skrętnych z kołem zamachowym podzielonym na dwie masy (pierwotną i wtórną). Zespół ten znany jest dziś jako dwumasowe koło zamachowe DKZ.
Efekty działania dwumasowego koła zamachowego
Trzecia harmoniczna drgań własnych w przypadku kół dwumasowych zawiera się w przedziale 6–20 Hz, czyli w zakresie obrotów wału korbowego podczas rozruchu silnika, a poniżej prędkości obrotowej biegu jałowego.
W ciężkich pojazdach użytkowych tarcze sprzęgłowe (o średnicy 430 mm) mają trzecią harmoniczną drgań własnych w przedziale 30–50 Hz. Stosowanie DKZ nie jest więc w tym wypadku konieczne, ale przynosi wymierne pożytki w postaci bardziej efektywnego wykorzystania wyższego zakresu prędkości obrotowych silnika na wysokich biegach.
0 komentarzy dodaj komentarz