Orlando

Teoria i terminologia z zakresu wibracji

Wymagania konstrukcyjne i technologiczne w zakresie konstrukcji samochodów uległy w ostatnich latach drastycznym przemianom.

Pojazdy są sztywniejsze i lepiej odizolowane od profilu nawierzchni drogi, niż wcześniej. Sztywne struktury współczesnych pojazdów są mniej narażone na emisje drgań, które mogły być obecne w pojazdach wcześniejszych generacji, niemniej jednak nawet we współczesnych pojazdach mogą pojawić się wibracje, zwłaszcza, gdy dojdzie do utworzenia drogi przepływu drgań między częścią obrotową a nadwoziem pojazdu.

Ilość punktów izolacji od nawierzchni drogi we współczesnych pojazdach nie jest tak duża. Jeśli dana część generuje wystarczająco silne wibracje, może dojść do przerwania izolacji i część trzeba będzie naprawić lub wymienić.

Obecność/brak niepożądanych hałasów i wibracji jest powiązana z indywidualnym odbiorem jakości pojazdu przez klienta.

Wibracje dotyczą powtarzającego się ruchu danego obiektu, w tył i wprzód oraz w górę i w dół. Poniżej wymieniono najczęstsze przyczyny większości wibracji w pojeździe:

Części obrotowe mogą powodować wibracje w przypadku nadmiernego bicia bocznego lub niewyważenia. Podczas diagnostyki wibracji wielkość dopuszczalnego niewyważenia lub bicia należy traktować jako wartość TOLERANCJI a nie element SPECYFIKACJI. Innymi słowy, im mniejsze niewyważenie lub bicie, tym lepiej.

Obracające się części mogą powodować problemy związane z drganiami, gdy nie są odpowiednio odizolowane od kabiny pasażerskiej: Zapłony silnika mogą być odczuwane jako drgania, jeżeli dojdzie do uszkodzenia poduszki silnika.

Części wibrujące pracują zwykle ze stałą wielkością cyklu (km/h, mil/h lub obr/min). Zmierzyć wielkość cyklu pracy stwierdzonych wibracji. Po określeniu wielkości cyklu pracy/prędkości wibracji należy powiązać wibracje z częścią składową o tej samej wielkości cyklu pracy/prędkości w celu zlokalizowania ich źródła. Wibracje mają również tendencję przechodzenia przez strukturę nadwozia do innych części składowych. Dlatego, stwierdzenie drgań siedzenia nie oznacza, że siedzenie jest ich źródłem.

Na wibracje składają się trzy elementy:

Na poprzedniej ilustracji, źródłem wibracji jest niewyważona opona. Droga przepływu wibracji biegnie przez układ zawieszenia pojazdu do kolumny kierownicy. Respondentem jest koło kierownicy, którego drgania są zgłaszane przez klienta jako wibracje. Eliminacja jednego z tych trzech elementów zwykle powoduje skorygowanie stanu. Na podstawie uzyskanych informacji należy ocenić, który element najbardziej opłaca się naprawić. Zastosowanie dodatkowego usztywnienia koła kierownicy może powstrzymać drgania koła kierownicy, ale nie jest to praktyczne rozwiązanie. Najprostszą i najbardziej efektywną naprawą będzie prawidłowe wyważenie opony.

Wibracje mogą również generować hałas. Przykładowo, rozważmy sytuację pojazdu z rurą wydechową uziemioną do ramy. Źródłem wibracji będą impulsy zapłonowe silnika, przechodzące przez układ wydechowy. Drogą przepływu jest mocowany na stałe lub podwieszony wieszak układu wydechowego. Respondentem jest rama. Spowoduje to drgania płyty podłogowej, która zadziała jak ogromny głośnik, generując hałas. Najlepszym sposobem naprawy w tym przypadku będzie eliminacja drogi przepływu. Ustawienie układu wydechowego oraz poprawienie stanu zamocowania na ramie może przerwać drogę przepływu wibracji.

Poniżej przedstawiono 2 główne składniki diagnostyki wibracji:

Powtarzający się ruch części składowej do tyłu i w przód oraz w górę i w dół jest powodem większości reklamacji klientów związanych z wibracjami. Poniżej wymieniono elementy konstrukcyjne, w których najczęściej występują wibracje:

Diagnostyka wibracji obejmuje następujące proste czynności:

1. Zmierzyć powtarzający się ruch i oznaczyć wartość pomiaru w cyklach na sekundę lub cyklach na minutę.
2. Powiązać częstotliwość z prędkością obrotową części składowej, która obraca się z taką samą wielkością cyklu pracy lub prędkością.
3. Sprawdzić i zbadać części składowe pod kątem stanów powodujących wibracje.

Przykładowo, wykonanie poniżej opisanych czynności pomoże zademonstrować teorię wibracji w praktyce:

1. Zamocować linijkę do krawędzi stołu, pozostawiając około 50 cm (20 cali) występu nad krawędzią stołu.
2. Pociągnąć za krawędź linijki i zwolnić obserwując jednocześnie jej ruch.

Ruch linijki powtarza się cyklicznie. Cykl pracy zaczyna się w połowie, przechodzi przez najniższy punkt skrajny, wraca z powrotem do punktu środkowego, następnie przechodzi przez górny punkt skrajny i z powrotem do punktu środkowego, gdzie zaczyna się kolejny cykl.

Cykl powtarza się ciągle od nowa z tą samą wielkością lub częstotliwością. W tym przypadku wielkość wynosi 10 cykli na jedną sekundę. Jeśli chcemy zmierzyć częstotliwość wibracji w celu odzwierciedlenia liczby kompletnych cykli pracy, jakie wykonuje linijka w czasie jednej minuty, trzeba pomnożyć 10 cykli x 60 sekund = 600 cykli na minutę (cykl/min).

Znaleźliśmy zatem specyficzną wartość ruchu lub amplitudy na całej długości skoku linijki od samej góry do samego dołu. Powtórzyć eksperyment w następujący sposób:

1. Zamocować ponownie linijkę do krawędzi stołu, pozostawiając około 25 cm (10 cali) występu nad krawędzią stołu.
2. Pociągnąć za krawędź linijki i zwolnić obserwując jednocześnie jej ruch.

Linijka będzie drgać z dużo większą częstotliwością: 30 cykli na sekundę (1 800 cykli na minutę).

Słowo cykl pochodzi od tego samego słowa źródłowego co koło. Koło zaczyna się i kończy w tym samym punkcie, podobnie jak cykl. Wszystkie wibracje składają się z powtarzalnych cykli.

Częstotliwość jest zdefiniowana jako miara zjawiska okresowego występującego w określonej jednostce czasu. W przypadku wibracji, jednostką miary jest cykl, a jednostka czasowa to 1 sekunda. Zatem w tym przypadku częstotliwość jest wyrażona w cyklach na sekundę.

Właściwą wartością dla wielkości w cyklach na sekundę jest herc (Hz). Jest to najczęściej stosowany sposób pomiaru częstotliwości. W celu uzyskania wartości w cyklach lub obrotach na minutę (obr/min) należy pomnożyć wartość w hercach przez 60.

Amplituda jest największą wartością osiąganą przez wielkość fizyczną, zmieniającą się w czasie w sposób harmoniczny. Używając tego pojęcia w diagnostyce wibracji mamy na myśli rozmiar zakłócenia. Poważne zakłócenia będą miały wysoką amplitudę, natomiast amplituda mniejszych zakłóceń będzie niska.

Amplituda jest mierzona na podstawie ruchu lub przesunięcia rzeczywistego. Przykładowo, weźmy pod uwagę wibracje powodowane przez niewyważone koło przy prędkości 80 km/h (50 mil/h) w porównaniu do 40 km/h (25 mil/h). Wzrost prędkości powoduje wzrost amplitudy.

Wibracjami swobodnymi określa się wibracje stałe przy braku oddziaływania jakichkolwiek sił zewnętrznych. Wracając do przykładu z linijką, drgania linijki utrzymywały się nawet po zwolnieniu jej końca.

Z wibracjami wymuszonymi mamy do czynienia, gdy obiekt drga stale w wyniku działania siły zewnętrznej.

Niewyważony obiekt obrotowy generuje siłę odśrodkową. Wykonanie poniżej opisanych czynności pomoże zademonstrować działanie siły odśrodkowej:

1. Przywiązać nakrętkę do struny.
2. Przytrzymać strunę. Nakrętka będzie zwisać pionowo pod wpływem siły ciężkości.
3. Wprawić strunę w ruch wirowy. Nakrętka też będzie wirować wykonując ruch obrotowy.

Powstająca siła odśrodkowa będzie wyciskać nakrętkę na zewnątrz, powodując odczucie ciągnięcia w dłoni. Niewyważona opona zachowuje się tak samo. Nakrętka ilustruje zakłócenie wyważenia opony. Struna to opona, koło i zespół zawieszenia. W miarę wzrostu prędkości pojazdu, siła zakłócenia balansu opony może być odczuwana na kole kierownicy, w siedzeniu lub w podłodze. Zakłócenie będzie się cykliczne (Hz), a amplituda będzie wzrastać. Im wyższa prędkość, tym większy przyrost częstotliwości i amplitudy. W miarę obracania się opony, niewyważenie lub inaczej siła odśrodkowa będzie powodować na zmianę podniesienie opony w górę, a następnie jej dociśnięcie w dół, razem z piastą, jeden raz na każdy obrót opony.

Częstotliwość naturalna określa częstotliwość drgań, do jakiej dąży dany obiekt. Dzwony, struny gitarowe oraz kamerton to tylko niektóre przykłady obiektów, które mają tendencję do drgania z określoną częstotliwością po wzbudzeniu przez siłę zewnętrzną.

Układy zawieszenia, jak również elementy zawieszenia silnika, mają tendnecję do drgania z określoną częstotliwością. Dlatego niektóre zgłaszane wibracje występują wyłącznie przy określonych prędkościach pojazdu lub prędkościach obrotowych silnika.

Istnieje związek między sztywnością materiału a jego naturalną częstotliwością drgań. Ogólnie, im sztywniejszy materiał, tym wyższa naturalna częstotliwość jego drgań. I przeciwnie. Im bardziej miękki materiał, tym mniejsza naturalna częstotliwość drgań. Odwracając, im większa masa tym mniejsza naturalna częstotliwość drgań.

Wszystkie obiekty charakteryzują się naturalną częstotliwością drgań. Naturalna częstotliwość drgań typowego układu zawieszenia pojazdu wynosi 10-15 Hz. Wynika ona z konstrukcji zawieszenia. Naturalna częstotliwość drgań zawieszenia jest taka sama niezależnie od prędkości pojazdu. W miarę wzrostu prędkości obrotowej koła na skutek przyrostu prędkości pojazdu, rośnie również częstotliwość zakłócenia generowanego przez oponę. Może się również zdarzyć, ze częstotliwość niewyważonej opony nałoży się na naturalną częstotliwość drgań zawieszenia. Spowoduje to wibracje zawieszenia. Miejsce nakładania się tych częstotliwości jest nazywany rezonansem.

Amplituda drgań jest największa w miejscu nakładania się częstotliwości. Chociaż wibracje mogą być wyczuwane powyżej oraz poniżej prędkości ich występowania, najsilniej będą odczuwane w miejscu nakładania się częstotliwości.

Tłumienie określa zdolność obiektu lub materiału do rozpraszania lub pochłaniania drgań. Dobrym przykładem są stosowane w pojazdach amortyzatory. Zadaniem amortyzatora jest pochłanianie lub tłumienie drgań oscylacyjnych układu zawieszenia.

Dwa oddzielne zakłócenia o relatywnie zbliżonej częstotliwości będą powodować stan nazywany dudnieniem lub fazowaniem. Dudnienie wibracji będzie powodować zwiększenie ich intensywności lub amplitudy w sposób powtarzający się przy stałej prędkości pojazdu. Dudnienie wibracji może w niektórych pojazdach powodować również generowanie zbliżonego odgłosu buczenia.

Dudnienie jest efektem występującym w przypadku zsumowania się amplitud 2 fal wywołanych wibracjami. Jednak amplitudy 2 fal wywołanych wibracjami mogą również ulec odjęciu. Sumowanie i odejmowanie amplitud o podobnych częstotliwościach jest nazywane dudnieniem. W wielu przypadkach, wyeliminowanie jednego zakłócenia może poprawić stan.

Rząd określa, ile razy dane zdarzenie występuje w czasie 1 obrotu części obrotowej.

Przykładowo, opona z jednym uwypukleniem bieżnika będzie generować zakłócenie jeden raz na jeden obrót koła. Jest to tak zwane drganie pierwszego rzędu.

Owalna opona z dwoma uwypukleniami bieżnika będzie generować zakłócenie dwa razy na jeden obrót koła. Jest to tak zwane drganie drugiego rzędu. Trzy uwypuklenia będą powodować drganie trzeciego rzędu, itd. Dwa drgania pierwszego rzędu mogą sumować się lub odejmować od ogólnej amplitudy zakłócenia, ale to wszystko. Dwa drgania pierwszego rzędu nie są jednoznaczne z jednym drganiem drugiego rzędu. Z uwagi na siłę odśrodkową, niewyważony element będzie zawsze powodować powstanie co najmniej drgania pierwszego rzędu.