Vibrace v autě a vyšetření k určení jejich příčiny. | PRIORI-ODBORNÍK

Při pohybu vozidla a provozu jeho součástí a sestav dochází k vibracím – mechanickým oscilacím jak vozidla jako celku, tak jeho jednotlivých prvků. Jednotlivé body vozu nebo vozu jako celku provádějí vratné a vratné rotační pohyby. Poloha, rychlost a zrychlení každého oscilačního bodu se periodicky mění. Výskyt vibrací při provozu a zjištění jejich příčiny je jednou z oblastí automobilové technické expertizy. Odstranit problém s vibracemi není tak snadné, jak si odborníci na čerpacích stanicích někdy myslí. Nabízíme krátký vzdělávací program pro ty, kteří to mohou potřebovat ve své práci. Pojďme.

Hlavní zdroje vibrací v autě :

Části a jednotky, které provádějí rotační pohyby (obr.1)

Střed otáčení (bod O) takových částí se absolutně přesně neshoduje s těžištěm (bod m). To vytváří sílu směřující pryč od středu. F=mRco2 Kde m – hmotnost rotujícího tělesa, R – vzdálenost mezi těžištěm a rotací, ω – úhlová rychlost. Protože se těleso otáčí, otáčí se i vektor síly, což způsobuje periodické síly působící podél os X и Y síly způsobující vibrace podél těchto os. K tomuto jevu dochází na hřídelích motoru, převodovkách, ozubených kolech, kolech (nevyváženost kol zná snad každý) atd. Nelze dosáhnout absolutního vyvážení jakékoli rotující části či agregátu – nevyváženost lze snížit pouze na úroveň, kterou technologie umožňuje. Ve většině případů se to ukazuje jako zcela dostačující. A výrazné vibrace budou známkou poruchy.

Spalovací pístový motor Spalovací motor je zdrojem poměrně intenzivních vibrací. Kromě rotujících částí a sestav popsaných v předchozím odstavci dochází u pístového motoru k vibracím z následujících důvodů:

Písty motoru vykonávají vratné pohyby a ojnice složité planparalelní pohyby. Jejich rychlost a zrychlení se neustále mění. Obrázek 2 ukazuje graf zrychlení pístu pro jednu úplnou otáčku klikového hřídele a níže uvedené diagramy ukazují šipky ve směrech rychlostí a zrychlení pístu a ojnice při různých úhlech otáčení klikového hřídele. Délka šipky je úměrná velikosti rychlosti nebo zrychlení. Uvedené závislosti platí pro konstantní frekvenci otáčení klikového hřídele (ω=konst). Při pohybu pístu nebo ojnice se zrychlením se na motor přenáší síla v opačném směru než je zrychlení a je číselně úměrná zrychlení a hmotnosti zrychlující části: F = m * a . Při pohledu do budoucna poznamenáváme, že není možné dosáhnout absolutního vyvážení setrvačných sil v pístu ICE, ale některá technická řešení umožňují snížit celkové setrvačné síly a tím i vibrace. Nejjednodušší je použít protizávaží na klikovém hřídeli. U jednoválcových motorů to snižuje vibrace ve vertikálním směru, ale přidává vibrace v příčném směru. U víceválcových motorů (obrázek 3) se setrvačné síly ze zrychlení pístů a ojnic sčítají a do určité míry se vzájemně kompenzují. U motorů různých konfigurací (různý počet a uspořádání válců) je míra této kompenzace různá.

Motory konfigurací R6 (řadový 6válec) a V12 mají velmi dobré ukazatele vyváženosti. Motor R4 je poměrně vyvážený, stejně jako V8. Motory konfigurace V6 a R5 mají mírně horší ukazatele vyvážení. Kvůli požadavkům na uspořádání a unifikaci se však motory s konfigurací V6 rozšířily. Mimochodem, na klikových hřídelích víceválcových motorů jsou také protizávaží. Jeho účelem je poněkud snížit zatížení klikového hřídele a jeho podpěr setrvačníkovou silou od zrychlení jednoho pístu a ojnice – klikový hřídel není absolutně tuhý. Existuje další způsob, jak snížit vibrace od setrvačných sil – použití vyvažovacích hřídelů. V motoru je instalován hřídel, jehož těžiště se neshoduje se středem otáčení (jako na obr. 1). Vyvažovací hřídele se otáčejí synchronně s klikovým hřídelem a setrvačná síla, kterou vytvářejí, je směrována v opačném směru než setrvačná síla, kterou tlumí. Setrvačné síly vznikající ve spalovacím motoru se zvyšují kvadraticky se zvyšováním frekvence otáčení klikového hřídele spalovacího motoru. Citelné vibrace z nevyváženosti motoru se objevují až při dost vysokých otáčkách. U relativně nízkootáčkových modelů konfigurací motoru V6 se například vyvažovací hřídele nepoužívají, ale u vysokorychlostních verzí motorů R4 se používají, i když, za předpokladu, že jsou všechny ostatní věci stejné, je R4 vyváženější než V6.

Při provádění pracovních procesů pístového motoru jsou síly působící na píst z plynného média v pracovní komoře nerovnoměrné. Jak je známo, během celého pracovního cyklu pístového spalovacího motoru je píst dodávána energie pouze během zdvihu síly, to znamená během půl otáčky klikového hřídele během jeho dvou plných otáček. Ale i během pracovního zdvihu je tlak v pracovní komoře motoru dodáván nerovnoměrně. Obrázek 4 ukazuje diagram tlaků v pracovní komoře válce pístového motoru. Část diagramu o pracovním zdvihu je označena modře. Převodová charakteristika z pístu na klikovou hřídel umožňuje určité vyhlazení nerovností na začátku zdvihu pístu z horní úvrati. Ale obecně platí, že nerovnoměrnost síly působící na píst a nerovnoměrnost točivého momentu dodávaného na klikovou hřídel vytváří velmi znatelné vibrace. V zásadě existují dva způsoby, jak tuto vibraci snížit: zvýšení momentu setrvačnosti setrvačníku (hmotnosti při zachování průměru) a zvýšení počtu válců. Zvyšování momentu setrvačnosti setrvačníku má negativní dopad na dynamiku vozidla – pro akceleraci je nutné roztočit ještě větší setrvačník. Víceválcové motory jsou složitější a výrobně nákladnější, proto se víceválcové motory používají v luxusních automobilech, ale i velkých motorech – lodních, lokomotivních, stacionárních atd.

Jak vidíte, zcela eliminovat vibrace u pístového spalovacího motoru je nemožné. Je však možné výrazně snížit úroveň vibrací přenášených z motoru na karoserii vozu. Toho je dosaženo tím, že motor není ke karoserii připevněn napevno, ale prostřednictvím podpěr izolujících vibrace – držáků motoru.

Pohyb na nerovných površích a vibrace na pružných závěsných prvcích

Jízda autem na nerovném povrchu způsobuje vibrace vozidla. Jízdní plocha vozidla není zcela hladká – obsahuje makro i mikro nerovnosti. Odpružení vozu využívá elastický prvek, díky kterému se při jízdě po nerovném povrchu výrazně snižuje síla přenášená na karoserii. Kombinací odpružené hmoty vozidla a pružných prvků zavěšení je přitom kyvadlo, které se může kývat. Pneumatiky automobilu jsou také elastické prvky. Při přejíždění nerovností nízké výšky je nerovnost z velké části pohlcena pneumatikou. Z hlediska vibrací může vůz díky pružným prvkům odpružení a elastickým vlastnostem pneumatik vibrovat všemi možnými směry, ale největší parametry vibrací budou pouze u dvou typů (obr. 5) – vertikální a podélně-úhlové. Navíc u vozidel s malým rozvorem a vysokým těžištěm budou podélně-úhlové rozdíly výraznější, zatímco u dlouhých a nízkých vozidel budou znatelně menší než u vertikálních. Pro tlumení vibrací na pružných prvcích odpružení je v odpružení zabudován také tlumící prvek – tlumič, který zabraňuje rozkmitání vozu na pružných prvcích odpružení. Tlumič ale také zvyšuje síly přenášené na karoserii při jízdě po nerovnostech. Aby byl zajištěn přijatelný výkon jak sil přenášených na karoserii při jízdě po nerovnostech, tak tlumení vibrací odpružené části vozu na pružných prvcích zavěšení, je charakteristika tlumiče provedena asymetricky – odporová síla při odrazovém zdvihu je větší než odporová síla při kompresním zdvihu.

Je tu ale ještě jeden důvod, který nutí konstruktéry používat tužší elastické prvky a tlumiče – naklánění karoserie při pohybu vozu v zatáčce. Tuhost pružných prvků odpružení a odporová síla tlumičů jsou proto voleny tak, aby byla zajištěna přijatelná úroveň komfortu a ovladatelnosti.

V autě je dostatek zdrojů vibrací. Jaká je ale negativní stránka vibrací z fyzikálního hlediska? Za prvé je to periodicky působící síla, která působí na části vozu a zatěžuje je. Zvýšené úrovně vibrací způsobují dodatečné namáhání dílů, snižují jejich životnost a v některých případech dokonce ničí. Periodicky působící síla může vést k únavovému selhání, protože díly jsou vystaveny opakovanému zatížení. Zrychlení působící na cestující a náklad pro ně také není užitečné, protože způsobuje sílu, která zvyšuje jejich zatížení.

Za druhé, existuje takový fyzikální jev, jako je rezonance, při kterém dochází k výraznému zvýšení amplitudy oscilací oscilačního systému, pokud existuje zdroj vibrací s frekvencí blízkou frekvenci vlastních oscilací systému. Nejjednodušším příkladem rezonance mechanických vibrací je houpání. Všimněte si, že amplituda kmitů swingu (jeho odchylka od rovnováhy) se zvýší pouze v případě, že je kmitání s určitou frekvencí. Zkuste je rozhoupat příliš rychle nebo příliš pomalu – nic se nestane. V podstatě všechny díly a sestavy jsou oscilační systémy, rozdíl je pouze v parametrech oscilace. Houpačka vibruje na nízké frekvenci, struna houslí na mnohem vyšší frekvenci. I volnoběžný šroub je také oscilační systém – má hmotnost a materiál má elastické vlastnosti. Pouze frekvence, při kterých se bude závora periodicky prodlužovat a zkracovat nebo se její hlava bude pohybovat ze strany na stranu, leží v oblasti ultrazvuku a amplituda jejích vibrací bude mít extrémně malou lineární velikost. Ale mnoho součástí vozu má přirozené vibrační frekvence blízké frekvencím, při kterých vibruje motor. Z praxe si lze vybavit mnoho případů. Zde je jeden z nich: když se motor otáčel frekvencí asi 2500-3000 otáček za minutu, vnitřní panel vibroval a vydával chrastivý zvuk. Důvodem vibrací je nedostatečné upevnění na jednom z poskytnutých míst. Důvodem chrastění je periodický dopad panelu na upevňovací bod.

Testování jakéhokoli zařízení se provádí mimo jiné k identifikaci možných vibrací prvků v důsledku rezonance. Spočítat vše pro rezonanci výpočtem není možné ani s moderními výpočetními nástroji.

Když je člověk vystaven vibracím, děje se to samé – je možná rezonance s lidskými orgány. Současné normy bezpečnosti práce proto regulují zrychlení vibrací v závislosti na jejich frekvenci. Nejpřísnější požadavky jsou kladeny na vibrace s frekvencí asi 10 Hz – rezonanční frekvence vnitřních orgánů se této frekvenci blíží. Zjednodušeně řečeno, vibruje-li karoserie o frekvenci 10 Hz, orgány lidí v autě se dostávají do rezonance a vibrují, což je nejen nepříjemné, ale také zdraví a životu nebezpečné.

Testování vibrací je náročný úkol. Vyžadují speciální vybavení. Zpracování výsledků vyžaduje použití poměrně složitého matematického aparátu. Specialisté Apriori-Expert disponují vybavením a speciálními znalostmi nezbytnými k provádění vibračních studií jak v rámci diagnostiky poruch vozidel, tak v rámci soudních znaleckých posudků v automobilovém průmyslu.

Specialista Alexander (přezdívka na fóru Sancho)