Cruze

Θεωρεία και ορολογία δονήσεων

Ο σχεδιασμός και οι κατασκευαστικές απαιτήσεις των οχημάτων έχουν υποστεί δραστικές αλλαγές τα τελευταία χρόνια.

Τα οχήματα είναι πιο άκαμπτα και παρέχουν μεγαλύτερη απομόνωση από την επίδραση των οδικών συνθηκών απ' ότι στο παρελθόν. Οι δομές των σημερινών πιο άκαμπτων οχημάτων είναι λιγότερο ευαίσθητες σε πολλές από τις δονήσεις που θα μπορούσαν να παρουσιαστούν σε οχήματα προγενέστερου σχεδιασμού. Ωστόσο, μπορούν ακόμη να ανιχνευτούν δονήσεις σε πιο μοντέρνα οχήματα αν δημιουργηθεί μια διαδρομή μεταφοράς ανάμεσα σε ένα περιστρεφόμενο εξάρτημα και το αμάξωμα του οχήματος.

Σήμερα σε πολλά οχήματα δεν υπάρχουν τόσα σημεία απομόνωσης από το δρόμο. Αν ένα εξάρτημα παράγει αρκετά δυνατές δονήσεις, μπορεί οι δονήσεις να ξεπεράσουν την υπάρχουσα απομόνωση και το εξάρτημα πρέπει να επισκευαστεί ή να αντικατασταθεί.

Η παρουσία/απουσία ανεπιθύμητου θορύβου και δονήσεων είναι συνδεδεμένη με τη γενική αίσθηση του πελάτη για την εν γένει ποιότητα του οχήματος.

Οι δονήσεις είναι η επαναλαμβανόμενη κίνηση ενός αντικειμένου, εμπρός-πίσω ή πάνω-κάτω. Τα ακόλουθα εξαρτήματα προκαλούν τις περισσότερες περιπτώσεις δονήσεων σε ένα όχημα:

Τα περιστρεφόμενα εξαρτήματα θα προκαλέσουν δονήσεις όταν υπάρχει υπερβολική έλλειψη ζυγοστάθμισης ή εκκεντρότητα. Κατά το διαγνωστικό έλεγχο κραδασμών, το μέγεθος της επιτρεπόμενης έλλειψης ζυγοστάθμισης ή εκκεντρότητας θα πρέπει να θεωρείται ως ΑΝΟΧΗ και όχι ως ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ. Με άλλα λόγια, όσο λιγότερη έλλειψη ζυγοστάθμισης ή εκκεντρότητας, τόσο το καλύτερο.

Τα περιστρεφόμενα εξαρτήματα θα προκαλέσουν πρόβλημα δονήσεων αν δεν απομονωθούν κατάλληλα από την καμπίνα επιβατών: Οι παλμοί ανάφλεξης στον κινητήρα γίνονται αισθητοί ως δόνηση αν έχει καταρρεύσει μια βάση στερέωσης του κινητήρα.

Ένα εξάρτημα που δονείται λειτουργεί με σταθερό ρυθμό (km/h, mph ή RPM). Μετρήστε το ρυθμό της δόνησης που αντιμετωπίζετε. Όταν προσδιοριστεί ο ρυθμός/ταχύτητα, συγκρίνετε τη δόνηση με ένα εξάρτημα που λειτουργεί με ίδιο ρυθμό/ταχύτητα για να μπορέσετε να εντοπίσετε την πηγή της δόνησης. Οι δονήσεις επίσης τείνουν να διαδίδονται μέσω της δομής του αμαξώματος σε άλλα εξαρτήματα. Επομένως, το ότι το κάθισμα δονείται δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η πηγή της δόνησης είναι στο κάθισμα.

Οι δονήσεις αποτελούνται από τα εξής τρία στοιχεία:

Στην προηγούμενη εικόνα, η πηγή είναι ένα ελαστικό εκτός ζυγοστάθμισης. Η διαδρομή μεταφοράς είναι η διαδρομή που ακολουθούν οι κραδασμοί μέσω του συστήματος ανάρτησης του οχήματος έως την κολόνα τιμονιού. Το σημείο εκδήλωσης είναι το τιμόνι, το οποίο αναφέρει ο πελάτης ότι δονείται. Η απομάκρυνση οποιουδήποτε από τα τρία αυτά στοιχεία συνήθως θα διορθώσει το πρόβλημα. Αποφασίστε από τις πληροφορίες που έχετε συλλέξει, ποιο στοιχείο είναι πιο λογικό να επισκευαστεί. Η προσθήκη ενός μπράτσου στην κολόνα του τιμονιού μπορεί να εμποδίζει τη δόνηση του τιμονιού, αλλά η προσθήκη ενός μπράτσου δεν είναι μια πρακτική λύση. Η πιο άμεση και αποτελεσματική επισκευή θα ήταν να ζυγοσταθμιστεί σωστά το ελαστικό.

Οι δονήσεις μπορούν επίσης να προκαλέσουν θόρυβο. Για παράδειγμα θεωρήστε ένα όχημα που έχει ένα σωλήνα καυσαερίων που που έχει έρθει σε επαφή με το πλαίσιο. Η πηγή της δόνησης είναι οι παλμοί ανάφλεξης του κινητήρα που μεταδίδονται μέσω της εξάτμισης. Η διαδρομή μεταφοράς είναι ένας τερματισμένο στο πλαίσιο ή μπλοκαρισμένο σύστημα ανάρτησης της εξάτμισης. Το σημείο εκδήλωσης είναι το πλαίσιο. Το πλαίσιο του δαπέδου δονείται, λειτουργώντας σαν ένα μεγάλο ηχείο, το οποίο παράγει θόρυβο. Η καλύτερη επισκευή θα ήταν να καταργηθεί η διαδρομή μεταφοράς. Η ευθυγράμμιση του συστήματος εξάτμισης και η διόρθωση της κατάστασης επαφής με το πλαίσιο θα καταργούσε τη διαδρομή μεταφοράς.

Τα ακόλουθα είναι τα 2 κύρια μέρη του διαγνωστικού ελέγχου για δονήσεις:

Η επαναλαμβανόμενη κίνηση πάνω-κάτω ή εμπρός-πίσω ενός εξαρτήματος προκαλεί τα πιο πολλά παράπονα των πελατών σχετικά με δονήσεις. Τα ακόλουθα είναι τα πιο συνηθισμένα εξαρτήματα που δονούνται:

Ο διαγνωστικός έλεγχος για δονήσεις περιλαμβάνει το εξής απλό διάγραμμα ενεργειών:

1. Μετρήστε την επαναλαμβανόμενη κίνηση και καθορίστε μία τιμή για τη μέτρηση σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο ή κύκλους ανά λεπτό.
2. Συσχετίστε τη συχνότητα με την ταχύτητα περιστροφής ενός εξαρτήματος που λειτουργεί σε ίδιο ρυθμό ή ταχύτητα.
3. Ελέγξτε και δοκιμάστε τα εξαρτήματα για συνθήκες που προκαλούν δονήσεις.

Για παράδειγμα, η εκτέλεση των παρακάτω βημάτων θα βοηθήσει στην επίδειξη της θεωρίας των δονήσεων:

1. Σφίξτε ένα χάρακα στην άκρη ενός τραπεζιού αφήνοντας περίπου 50 cm (20 in) να εξέχουν πέρα από το άκρο του τραπεζιού.
2. Τραβήξτε προς τα κάτω το άκρο του χάρακα και αφήστε το ελεύθερο ενώ παρατηρείτε την κίνησή του.

Η κίνηση του χάρακα γίνεται σε επαναλαμβανόμενους κύκλους. Ο κύκλος ξεκινά στη μεσαία θέση, συνεχίζεται ως το κάτω άκρο της διαδρομής, μετά περνά ξανά από τη μεσαία θέση, από το πάνω άκρο της διαδρομής και πίσω στη μεσαία θέση όπου ξαναρχίζει ο κύκλος.

Ο κύκλος επναλαμβάνεται πάλι και πάλι με τον ίδιο ρυθμό ή αλλιώς με την ίδια συχνότητα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι περίπου 10 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο. Αν μετρήσουμε τη συχνότητα ώστε να προκύπτει ο αριθμός των κύκλων που συμπληρώνει ο χάρακας σε ένα λεπτό, η τιμή θα είναι 10 κύκλοι x 60 δευτερόλεπτα = 600 κύκλοι ανά λεπτό (κ.α.λ.).

Έχουμε επίσης βρει ένα συγκεκριμένο μέτρο κίνησης, ή πλάτος, στη συνολική διαδρομή του χάρακα από το πάνω ως το κάτω άκρο της ταλάντωσης. Επαναλάβετε το πείραμα ως εξής:

1. Σφίξτε πάλι το χάρακα στην άκρη ενός τραπεζιού αφήνοντας περίπου 25 cm (10 in) να εξέχουν πέρα από το άκρο του τραπεζιού.
2. Τραβήξτε προς τα κάτω το άκρο του χάρακα και αφήστε το ελεύθερο ενώ παρατηρείτε την κίνησή του.

Ο χάρακας δονείται με πολύ μεγαλύτερη συχνότητα: 30 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο (1.800 κύκλοι ανά λεπτό).

Η λέξη κύκλος παραπέμπει στο γεωμετρικό σχήμα κύκλος. Ένας κύκλος ξεκινά και τελειώνει στο ίδιο σημείο, όπως και στο γεωμετρικό σχήμα. Όλες οι δονήσεις αποτελούνται από επαναλαμβανόμενους κύκλους.

Η συχνότητα καθορίζεται ως ο ρυθμός με τον οποίο συμβαίνει ένα φαινόμενο σε ορισμένη χρονική περίοδο. Στη δόνηση, το φαινόμενο είναι ένας κύκλος και η χρονική περίοδος είναι 1 δευτερόλεπτο. Επομένως η συχνότητα εκφράζεται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο.

Ο σωστός όρος για τους κύκλους ανά δευτερόλεπτο είναι τα Hertz (Hz). Αυτός είναι το πιο συνηθισμένο μέτρο συχνότητας. Πολλαπλασιάστε τα Hertz με το 60 για να έχετε τους κύκλους ή τις στροφές ανά λεπτό (RPM).

Το πλάτος είναι η μέγιστη τιμή μιας περιοδικά μεταβαλλόμενης ποσότητας. Στο διαγνωστικό έλεγχο δονήσεων, συνδέουμε το πλάτος με το μέγεθος της διαταραχής. Μια πολύ σοβαρή διαταραχή θα έχει μεγάλο πλάτος, ενώ μια μικρή διαταραχή θα έχει μικρό πλάτος.

Το πλάτος μετράται από το ποσόν της πραγματικής κίνησης ή τη μετατόπιση. Για παράδειγμα, θεωρήστε τη δόνηση που προκαλείται από ένα τροχό εκτός ζυγοστάθμισης σε ταχύτητα 80 km/h (50 mph) σε σύγκριση με ταχύτητα 40 km/h (25 mph). Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, το πλάτος αυξάνεται.

Ελεύθερη δόνηση είναι η συνεχιζόμενη δόνηση όταν δεν ασκείται εξωτερική δύναμη. Στο παράδειγμα του χάρακα, ο χάρακας συνέχισε να δονείται και μετά την απελευθέρωση του άκρου του.

Η εξαναγκασμένη δόνηση είναι όταν ένα αντικείμενο δονείται συνεχώς υπό την επίδραση εξωτερικής δύναμης.

Ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο με έλλειψη ζυγοστάθμισης δημιουργεί μια φυγόκεντρο δύναμη. Η εκτέλεση των ακόλουθων βημάτων θα σας βοηθήσει στην επίδειξη της φυγόκεντρης δύναμης:

1. Δέστε ένα παξιμάδι σε ένα σπάγκο.
2. Κρατήστε το σπάγκο. Το παξιμάδι κρέμεται κάθετα λόγω της βαρύτητας.
3. Περιστρέψτε το σπάγκο. Το παξιμάδι θα περιστραφεί σε κύκλο.

Η φυγόκεντρος δύναμη προσπαθεί να κάνει το παξιμάδι να πετάξει προς τα έξω, προκαλώντας μια αισθητή δύναμη έλξης στο χέρι σας. Ένας τροχός εκτός ζυγοστάθμισης ακολουθεί το ίδιο παράδειγμα. Το παξιμάδι αντιπροσωπεύει την έλλειψη ζυγοστάθμισης στον τροχό. Ο σπάγκος είναι το συγκρότημα ελαστικού, τροχού και ανάρτησης. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του οχήματος, η δύναμη της διαταραχής που προκαλείται από το εκτός ζυγοστάθμισης ελαστικό μπορεί να γίνει αισθητή στο τιμόνι, το κάθισμα και το δάπεδο. Η διαταραχή θα είναι επαναλαμβανόμενη (Hz) και το πλάτος θα αυξάνεται. Σε υψηλότερες ταχύτητες, τόσο η συχνότητα όσο και το πλάτος θα αυξάνονται. Καθώς το ελαστικό περιστρέφεται, η έλλειψη ζυγοστάθμισης, ή η φυγόκεντρη δύναμη, κατ' εναλλαγήν θα ανυψώνει το ελαστικό προς τα πάνω ή θα το σπρώχνει προς τα κάτω μαζί με την άτρακτο, μία φορά σε κάθε περιστροφή του ελαστικού.

Η ιδιοσυχνότητα είναι η συχνότητα με την οποία τείνει να δονείται ένα αντικείμενο. Οι καμπάνες, οι χορδές μιας κιθάρας και τα διαπασών είναι όλα παραδείγματα αντικειμένων που τείνουν να δονούνται σε συγκεκριμένες συχνότητες όταν διεγείρονται από μία εξωτερική δύναμη.

Τα συστήματα ανάρτησης, και ακόμα και οι κινητήρες πάνω στις βάσεις στήριξής τους, έχουν την τάση να δονούνται σε ορισμένες συχνότητες. Αυτός είναι ο λόγος που ορισμένα παράπονα για δονήσεις αφορούν μόνο συγκεκριμένες ταχύτητες κίνησης του οχήματος ή συγκεκριμένες RPM του κινητήρα.

Η ακαμψία και η ιδιοσυχνότητα ενός υλικού σχετίζονται μεταξύ τους. Γενικά, όσο πιο άκαμπτο είναι ένα υλικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η ιδιοσυχνότητά του. Επίσης ισχύει και το αντίθετο. Όσο πιο μαλακό είναι ένα υλικό, τόσο χαμηλότερη είναι η ιδιοσυχνότητά του. Αντίστροφα, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο χαμηλότερη είναι η ιδιοσυχνότητα.

Όλα τα αντικείμενα έχουν ιδιοσυχνότητες. Η ιδιοσυχνότητα μιας τυπικής μπροστινής ανάρτησης αυτοκινήτου είναι στην περιοχή 10–15 Hz. Αυτή η ιδιοσυχνότητα είναι αποτέλεσμα του σχεδιασμού της ανάρτησης. Η ιδιοσυχνότητα της ανάρτησης είναι η ίδια σε κάθε ταχύτητα του οχήματος. Καθώς αυξάνονται οι στροφές του ελαστικού με την ταχύτητα του οχήματος, αυξάνεται η συχνότητα της διαταραχής που προκαλείται από το ελαστικό. Αναπόφευκτα, η συχνότητα του εκτός ζυγοστάθμισης ελαστικού θα συναντηθεί με την ιδιοσυχνότητα της ανάρτησης. Αυτό προκαλεί δόνηση της ανάρτησης. Το σημείο συνάντησης καλείται συντονισμός.

Το πλάτος μιας δόνησης θα είναι μέγιστο στο σημείο συντονισμού. Ενώ η δόνηση μπορεί να γίνεται αισθητή πάνω και κάτω από την προβληματική ταχύτητα, θα γίνεται περισσότερο αισθητή στο σημείο συντονισμού.

Απόσβεση είναι η ικανότητα ενός αντικειμένου ή υλικού να διαχέει ή να απορροφά τις δονήσεις. Ένα καλό παράδειγμα είναι το αμορτισέρ του αυτοκινήτου. Η λειτουργία του αμορτισέρ είναι να απορροφά ή να αποσβένει τις ταλαντώσεις του συστήματος ανάρτησης.

Δύο διαφορετικές διαταραχές που είναι σχετικά παραπλήσιες σε συχνότητα θα οδηγήσουν σε μία κατάσταση που ονομάζεται διακρότημα ή σύμπτωση φάσεων. Μία κατάσταση διακροτήματος δονήσεων θα αυξάνει σε ένταση ή πλάτος με επαναλαμβανόμενο τρόπο καθώς το όχημα κινείται με σταθερή ταχύτητα. Αυτή η δόνηση διακροτήματος μπορεί να παράγει τον οικείο βουητό που ακούγεται σε ορισμένα οχήματα.

Το διακρότημα συμβαίνει όταν 2 δονήσεις προστίθενται κατά το πλάτος τους. Ωστόσο, 2 δονήσεις μπορούν επίσης να αφαιρούνται κατά το πλάτος τους. Αυτή η αφαίρεση και πρόσθεση των πλατών σε δονήσεις παραπλήσιας συχνότητας καλείται διακρότημα. Σε πολλές περιπτώσεις, η κατάργηση οποιασδήποτε από τις δύο δονήσεις μπορεί να διορθώσει το πρόβλημα.

Η τάξη αναφέρεται σε πόσες φορές ένα φαινόμενο συμβαίνει κατά τη διάρκεια 1 περιστροφής ενός περιστρεφόμενου εξαρτήματος.

Για παράδειγμα ένα ελαστικό με 1 εξόγκωμα θα δημιουργούσε διαταραχή μια φορά για κάθε περιστροφή του ελαστικού. Αυτό καλείται δόνηση πρώτης τάξης.

Ένα ελαστικό με οβάλ σχήμα με 2 εξογκώματα θα προκαλούσε διαταραχή δύο φορές ανά περιστροφή. Αυτό καλείται δόνηση δεύτερης τάξης. Τρία εξογκώματα θα προκαλούσαν δόνηση τρίτης τάξης και ούτω καθεξής. Δύο δονήσεις πρώτης τάξης μπορεί να προστεθούν ή να αφαιρεθούν από το συνολικό πλάτος της διαταραχής, αλλά αυτό είναι όλο. Δύο δονήσεις πρώτης τάξης δεν ισούνται με μία δεύτερης τάξης. Λόγω της φυγόκεντρης δύναμης, ένα εξάρτημα εκτός ζυγοστάθμισης θα δημιουργεί πάντα τουλάχιστον μια δόνηση πρώτης τάξης.