Karakterizacija vibracijskih izvorov z metodo blokiranih sil

Trampuš, Luka (author), Boltežar, Miha (mentor)

V splošnem je lahko nek strojni del vgrajen v avtomobile različnih avtomobilskih proizvajalcev, pri tem pa so uporabljeni različni povezovalni elementi in nosilna struktura. To pomeni, da bodo kljub enakemu izvoru vibracij (motor, menjalnik, ...), dinamske lastnosti celotnega sistema pri istih obratovalnih pogojih popolnoma različne. Za zagotovitev ustreznega zvočnega oz. akustičnega udobja, katerega zahteve s prihodom električnih vozil in avtonomne vožnje postajajo vse višje, je potrebno znati dobro popisati dinamske lastnosti vibracijskih izvorov. V tem magistrskem delu sta predstavljeni in preizkušeni metoda blokiranih sil in metoda točkovne pomičnosti vibracijskega izvora, obe namenjeni karakterizaciji vibracijskih izvorov s pomočjo meritev na lokaciji realnega sistema. Največja prednost omenjenih metod pred obstoječimi je, da lahko neodvisne lastnosti izvora vibracij pridobimo kar iz meritev na lokaciji, opravljenih na celotnem sistemu (izvor + prejemnik vibracij) in razstavljanje sistema ni potrebno. Metoda točkovne pomičnosti omogoča izračun neodvisnih pasivnih dinamskih lasnosti v obliki frekvenčne prenosne funkcije (pomičnost) tako za izvor, kot tudi za prejemnik vibracij v njunih kontaktnih točkah. Nasprotno pa metoda blokiranih sil ponuja možnost izračuna neodvisnih aktivnih dinamskih lastnosti izvora vibracij, t.i. blokiranih sil, torej lastnosti, ki jih izvor ima v času obratovanja. Lastnost blokiranih sil je, da pri določenih obratovalnih pogojih ostajajo enake, tudi če na izvor vibracij pritrdimo drugo sprejemno strukturo. Pri tem je potrebno poudariti. da se beseda "neodvisen" nanaša na lastnost in pomeni, da je le-ta enaka, kot če bi bila izmerjena neposredno na izvorni oz. prejemni strukturi in ne v sestavu. Metodi sta preizkušeni numerično ter z eksperimentom v laboratoriju, na sistemu dveh nosilcev, povezanih z gumenim kot tudi z jeklenim oz. aluminijastim vmesnikom. Numerični preizkus je izveden v programu za analizo z metodo končnih elementov. V začetni fazi so simulacije izvedene z 1D končnimi elementi (nosilec, vzmet) z namenom, da se izniči efekt velikosti kontaktnih površin in mase povezovalnega elementa. V nadaljevanju so simulacije izvedene s 3D končnimi elementi, kjer se preveri tudi vpliv velikosti kontaktne površine, togosti povezovalnega elementa, števila kontaktnih točk in delovanje metode končnih razlik, ki je uporabljena za izračun frekvenčnih prenosnih funkcij. Obsežen del naloge je namenjen tudi raziskavi vpliva rotacijskih prostostnih stopenj na izračun blokiranih sil oziroma točkovne pomičnosti vibracijskega izvora. Izkaže se, da je vpliv rotacijskih prostostnih stopenj na izračun blokiranih sil izredno pomemben, še posebej v primerih, kjer izvor in prejemnik vibracij povezuje toga struktura. Metoda je namreč razvita za točke in točkovne povezave, kar pa v realnem svetu ni mogoče, saj vedno upravljamo s površino, pa čeprav je le-ta še tako majhna. V primeru površin, obratovalne sile na neki oddaljenosti od sredinske - privzete kontaktne točke tvorijo obratovalne momente, ki pa ne smejo biti zanemarjeni, v kolikor želimo natančen izračun in veljavne rezultate. Kot že zapisano, metodi temeljita na izračunu blokiranih sil oziroma točkovne pomičnosti v točki na izvoru vibracij, kjer je le-ta povezan z prejemno strukturo. Ta točka je v večini primerov nedostopna saj leži na kontaktni površini in zatorej vzbujanje strukture oz. merjenje odziva tam ni mogoče. S tem razlogom je v tem magistrskem delu uporabljena metoda končnih razlik, ki obenem omogoča tudi relativno enostavno vzbujanje strukture in merjenje odziva v rotacijskih prostostnih stopnjah. V nalogi je teoretično in eksperimentalno prikazano, da neodvisne pasivne ali aktivne lastnosti vibracijskega izvora lahko pridobimo iz meritev na lokaciji. Pri tem se metoda blokiranih sil izkaže za zelo obetavno, saj za sistem nosilcev omogoča natančen izračun blokiranih sil in njihovo nadaljno uporabo za predvidevanje odziva sistema s spremenjenim prejemnikom vibracij. V primeru prožnih povezovalnih struktur zadostuje uporaba in merjenje le v smeri translatornih prostostnih stopnj, v kolikor pa je vmesnik tog, je za natančen rezultat potrebno vključiti tudi rotacijske prostostne stopnje. Metoda točkovne pomičnosti se izkaže za manj verodostojno, saj so v procesu razvoja uporabljene določene predpostavke in poenostavitve, ki pa se izkažejo za nepravilne v primerih, ko izvor vibracij in prejemnik povezuje tog vmesnik, katerega masa v primerjavi z maso celotnega sestava ni zanemarljiva. Metoda je smislena za uporabo in daje relativno dobre rezultate v primerih, ko izvor in prejemnik vibracij povezuje manjše število povezovalnih elementov, pri tem pa je povezovalna struktura prožna, na primer gumen vmesnik.

• Language: Slovenian
• Keywords: vibracije, hrup, frekvenčne prenosne funkcije, blokirane sile, proste hitrosti, meritve na lokaciji, strukturno vzbujen zvok, rotacijske prostostne stopnje
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FS - Faculty of Mechanical Engineering
• Year: 2017
• PID: 20.500.12556/RUL-92938
• Publication date in RUL: 11.07.2017

Secondary language

• Language: English
• Title: Vibration source characterisation using blocked force method

Abstract

In general, one machine part can be used by different automotive manufacturers, where mounted by diverse resilient mounts and attached to different supporting structures. That means, the dynamic properties of each system containing a vibration source (engine, gearbox,...) and receiver (chassis) will differ considerably from each another. In this Master's thesis a relatively new In-situ blocked force method and In-situ source mobility method, for characterization of vibration sources from in-situ measurement, are described and tested. The main advantage of these methods is ability to get an independent source property from measurement executed on source-receiver assembly in installed condition. The methods are checked numerically as well as in the lab, with experiment on a real system that consists by two straight beams, connected once by rubber and also by steel or aluminium element. It is shown that active and passive independent source properties can be obtained from in-situ measurement. Especially the blocked force method was found very promising as it enables, for the source-receiver beam system, to calculate accurate blocked forces and use them for further response prediction of a system with changed receiver structure.

• Keywords: vibrations, noise, frequency response functions, blocked forces, free velocities, in-situ measurements, structure borne sound, rotational degrees of freedom