STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA SAMOCHODOWEGO Z TŁUMIKIEM MR

STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ ZAWIESZENIA SILNIKA SAMOCHODOWEGO Z TŁUMIKIEM MR

Jacek Snamina

, Bogdan Sapiński

1AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Automatyzacji Procesów

asnamina@agh.edu.pl, ^bdeep@agh.edu.pl

Streszczenie

W pracy zawarto opis stanowiska do badań semiaktywnego zawieszenia silnika samochodowego, w którym za- stosowano tłumik MR. Przedstawiono założenia projektowe oraz wyszczególniono elementy mechaniczne kon- strukcji stanowiska, budowę układu redukcji drgań oraz tor pomiarowy. Zamieszczono wyniki symulacji drgań sil- nika spalinowego umieszczonego na stanowisku z przewidzianym przez producenta pasywnym układem redukcji drgań oraz z zaproponowanym semiaktywnym układem redukcji drgań z tłumikiem MR. Porównując wyniki obli- czeń 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 ob- jectives 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 vibra- tions 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 rozmiesz- czenie i parametry są wynikiem obliczeń obejmujących zagadnienia statyki i dynamiki całego układu napędowe- go. Ponieważ nie można zlikwidować całkowicie przy- czyn powstawania drgań silników spalinowych, szczegól- nego znaczenia nabiera odpowiednia konstrukcja zawie- szenia silnika tak, aby zapewnić odpowiednie ułożenie silnika w komorze silnikowej oraz zminimalizować skła-

dowe dynamiczne sił oddziaływania na karoserię samo- chodu.

Elementy, za pomocą których silnik jest zamocowa- ny 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 wpro- wadzono zawieszenie hydrauliczne [1, 11] o specjalnej konstrukcji. W kolejnych latach wprowadzono udoskona-

lone wersje zawieszeń pasywnych [3, 9]. Obecnie są prowadzone prace obliczeniowe i konstrukcyjne semiak- tywnych i aktywnych zawieszeń silników spalinowych.

Dają one znacznie większe możliwości redukcji nieko- rzystnego oddziaływania sinika na drgania samochodu zwłaszcza wówczas, gdy zastosowano w nich odpowiedni algorytm sterowania [2, 4]. W literaturze można odna- leźć 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 wytwa- rzające pole elektryczne oddziałujące na ciecz ER.

Otrzymano w ten sposób możliwość sterowania tłumie- niem zawieszenia. Uzyskano optymalne tłumienie dla dowolnych zakresów częstości. Integralną częścią zawie- szenia semiaktywnego jest układ sterujący realizujący odpowiedni algorytm. Analogicznie, jak tłumiki z cie- czami 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 no- wej konstrukcji [8], w którym ciecz MR jest wypychana spod tłoka lub zasysana w zależności od kierunku jego ruchu. W tym obszarze ciecz jest poddana oddziaływa- niu pola magnetycznego. Wykorzystując charakterystyki zastosowanego tłumika wykonano symulacje drgań silnika oraz określono wpływ składowych siły oddziały- wania tłumika na amplitudę drgań.

2. UKŁAD REDUKCJI DRGAŃ

Schematyczny przekrój tłumika MR [8] przedstawio- no 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 ograni- czona 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

promieniowym w wyniku ruchu tłoka. Strumień magne- tyczny 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 charaktery- stykę rozważanego tłumika przedstawiono na rys. 2.

tłokiem wynosi 1.25 mm. Przyjęto amplitudę ruchu równą 0.5 mm oraz częstość 80 rad/s. Założona ampli- tuda jest w przybliżeniu równa amplitudzie drgań, których należy oczekiwać w układzie wibroizolacji silnika podczas jego pracy.

Rys. 2. Charakterystyka tłumika

Charakterystyka tłumika jest charakterystyką nie- symetryczną, co można zauważyć, jeśli weźmie się pod uwagę ruch tłoka w obu kierunkach. Siła jest duża przy małych wysokościach szczeliny i maleje znacząco pod- czas 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. Za- kładając stały wydatek wypływającej cieczy, zauważo- no, że jej prędkość jest wobec tego odwrotnie proporcjo- nalna 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 wypły- wającej 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.

Rys. 4. Składowa siły tłumika związana z bezwładnością cieczy MR

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 charakterysty- ki tłumika wiskotycznego, która ma postać elipsy.

Należy wobec tego oczekiwać znacznych różnic w dzia- łaniu układów zawieszeń wykorzystujących opisany tłumik w porównaniu do klasycznych zawieszeń z tłu- mikami 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 pomiaro- wych 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.

Rys. 5. Fotografia silnika zamocowanego do ramy

Silnik jest zamocowany do ramy tak, aby siła od- działywania 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. Za- mocowanie silnika do ramy przedstawiono schematycz- nie na rys. 6.

Rys. 6. Schemat zamocowania silnika do ramy

Zaprojektowane zamocowanie przedniej części bryły silnika zastąpiło fabrycznie stosowane podparcie na dwóch elementach stalowo-gumowych o dużej sztywno- ści. Przy zastosowaniu fabrycznego zawieszenia dominu- jącym rodzajem ruchu silnika jest jego obrót wokół osi, na której leżą punkty zamocowania silnika do elemen-

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 gumo- wych podkładkach. Tłoczysko tłumika zostało zamoco- wane obrotowo do korpusu silnika, natomiast jego obudowa została zamocowana obrotowo do ramy.

Konstrukcja stanowiska umożliwia również powrót do oryginalnego elementu mocującego, będącego pro- stym, pasywnym układem redukcji drgań.

4. TOR POMIAROWY

W związku z założoną koncepcją wykorzystania sta- nowiska opracowano odpowiednie tory pomiarowe schematycznie zaznaczone na rys. 7. Podstawowa anali- za 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 tłu- mika na korpus silnika oraz prędkości obrotowej ω wału korbowego. Dodatkowo w celu oszacowania ewentualne- go obrotu silnika wokół osi wzdłużnej wprowadzono pomiar przemieszczenia x2 w punkcie położonym w lewej części korpusu silnika. Sygnały pomiarowe będą reje- strowane równocześnie przy wykorzystaniu karty pomia- rowej umieszczonej w komputerze.

Założono, że przemieszczenia będą mierzone czujni- kami laserowymi, siła oddziaływania tłumika na korpus będzie mierzona piezoelektrycznym czujnikiem siły, natomiast prędkość obrotowa wału prądnicą tachome- tryczną.

prędkości obrotowej wału korbowego, gdyż wszystkie, mające podstawy fizyczne, algorytmy sterowania wypra- cowują sygnał sterujący, jeśli weźmie się pod uwagę prędkość obrotową wału.

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 schema- tycznie 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 posuwisto- zwrotnym tłoków oraz siły bezwładności mas wykorbie- nia. 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 oznacze- niami 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

którym zaznaczono współrzędne wykorzystywane przy opisie drgań silnika.

Rys. 10. Schemat korpusu silnika z tłumikiem MR oraz ukła- dem 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

( )

r m l F

Jϕ _{t B A}ω _Asinω 2

1 ₂

+

−

&=

& (1)

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=4×10⁴ N/m, a tłumienie

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 kgm². 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 fabrycz- nego 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 am- plitudy drgań przy zastosowaniu fabrycznego układu zawieszenia. W związku z niesymetryczną charaktery- styką tłumika omówioną w podrozdziale 2 widoczne jest przesunięcie wartości średniej kąta obrotu dla drgań wymuszonych względem położenia równowagi statycz- nej. Jest to zjawisko charakterystyczne dla układów, których elementy mają niesymetryczną charakterystykę.

Bliższa analiza drgań wskazuje, że zmniejszenie ampli- tudy jest związane z siłą oddziaływania pola magne- tycznego na ciecz MR, a także z siłami bezwładności przepływu cieczy w zastosowanym tłumiku. Występo- wanie sił bezwładności jest równoważne ujemnemu sprężeniu zwrotnemu od przyspieszenia lub zwiększeniu bezwładności układu drgającego. Efektem jest zmniej- szenie amplitudy drgań silnika dla częstości istotnie większych od częstości drgań własnych. Dla potwierdze- nia 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 równo- ważony przez sprężynę umieszczoną równolegle do tłumika. Sztywność sprężyny jest równa sztywności sprężyny montowanej fabrycznie.

6. PODSUMOWANIE

W pracy przedstawiono stanowisko do badań zawie- szenia samochodowego silnika spalinowego. Opisano część mechaniczną stanowiska, którą stanowi odpowied-

poruszająca się w kierunku promieniowym, w obszarze pod tłokiem będzie poddana oddziaływaniu pola magne- tycznego.

Symulacje pozwoliły na oszacowanie drgań silnika.

Wyniki symulacji będą użyteczne przy wyborze algo- rytmów sterowania, ich parametrów oraz ocenie sku- teczności działania. Obliczenia są szczególnie istotne, gdyż dają możliwość doboru natężenia prądu zasilające- go cewkę, której zadaniem jest wytwarzanie pola ma- gnetycznego 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 położe- nia równowagi statycznej. Tę niedogodność można niwelować, umieszczając w układzie redukcji dwa tłumi- ki 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 udzie- lenie 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.