)7( 4- Viscose 5- Receptance 6- Response Model. 1- Noise, Vibration, Harshness 2- Multi-Mass Model 3- Laser

Transcript

1 و طيار چرخ ميللنگ مجموعة تجربي و نظري ارتعاش تحليل تسمه چرخ * استهري مهدي صنعت و علم دانشگاه کارشناسي دانشجوي estahrimahdi@yahoo.com رمضاني اصغر صنعت و علم دانشگاه استاديار aramezani@iust.ac.ir سخايي بابک خودرو ايران موتور توليد و طراحي تحقيق شرکت دکتري دانشجوي b_sakhaei@ip-co.com 91/11/07 مقاله: نهايي پذيرش 91/07/05 دريافت: مسئول/تاريخ نويسنده * چكيده ميکند. دوران وسيعي زاويهاي سرعتهاي گسترة در سمبه دسته از وارده ضربهاي نيروهاي تأثير تحت داخلي احتراق موتورهاي در ميللنگ ضروري امري آن حرکتي رفتار بررسي بنابراين باشد. مضر ميتواند که است ارتعاش مستعد بسيار ميللنگ نيروهايي چنين وجود دليل به و ميللنگ الگونمايي ابتدا ميباشد. تجربي و نظري روش دو هر با ميللنگ ارتعاشي الگوي تعيين با سامانه شناسايي مقاله اين هدف است. ميشوند. صحهگذاري ارتعاشي آزمون با نتايج سپس و ميشود انجام محدود اجزاي نرمافزار در آن ارتعاشي تحليل آزاد آزاد- مرزي شرايط ميللنگ ارتعاشي آزمون ارتعاشي تحليل واژهها: كليد پاييز چهارم/ بيستو شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة

2 تسمه چرخ و طيار چرخ ميللنگ مجموعة تجربي و نظري ارتعاش تحليل مقدمه 1- پيشبيني و شناسايي براي گسترده طور به عددي الگوهاي از امروزه ار ويژگيهايي تجربي ارتعاشات تحليل ميشود. استفاده سازهها رفتار سازهها حرکتي رفتار بر منطبق عددي الگوي ايجاد براي که ميکند مهيا به را عددي الگوي آن نتايج دادن قرار مبنا با ميتوان و است نياز مورد بسامدهاي بر عددي الگوي طبيعي بسامدهاي طوريکه به کرد رساني روز ]1[. گردند منطبق آزمون متأثر عمده طور به موتور سامانة کل NVH 1 رفتار موتوري هر در منبع گرفته صورت تحقيقات اساس بر ]2 3[. است ميللنگ طراحي از است ميللنگ پيچشي ارتعاشات از ناشي عمدتا موتور در صدا توليد قرار آنها معرض در ميللنگ که ارتعاشي شکلهاي تمام ميان از ]4[. نوساني نيروي بدون زيرا است مخربترين پيچشي شکل ميگيرد ]5[. ميگردد سازه تخريب باعث خارجي کاهش براي مؤثر راه يک داد نشان ايشيهاما 1983 سال در ميللنگ پيچشي ارتعاشات تشديد بسامد تنظيم موتور ارتعاشات 2003 سال در ]6[. است آن قطبي لختی گشتاور در تغيير واسطة به را نيسان خودروي ميللنگ پيچشي ارتعاشات همکارانش و محتسبي تغيير و طيار چرخ اثر گرفتن نظر در با 2006 سال در و ]7[ كردند مطالعه ارتعاشي رفتار فوالد جاي به چدن از استفاده که دريافتند مجموعه جنس اثر 2007 سال در همکارانش و گازومي ]8[. ميدهد نتيجه را بهتري کردند بررسي را پيچشي بسامد روي استوانه و سمبه بين اصطکاک تأثير ميزان تعيين منظور به همکارانش و ميتيانيس 2008 سال در ]9[. 2 جرمي چند الگوي گسسته الگوي يک به پيوسته الگوي يک کاهش اينکه نهايتا ]10[. دادند قرار بررسي مورد را استوانه شش ميللنگ يک حرکت شناسايي براي 2012 سال در تحقيقي در همکارانش و زيانگ ارتعاشسنج از دلخواه مقطع سطح هندسة با دوار محورهاي پيچشي نمودند صحهگذاري چندجرمي الگوي با را نتايج و کردند استفاده 3 نوری.]11[ ميللنگ پيچشي ارتعاشات بررسي براي مطمئن و ساده روشي يافتن ارتعاشات بررسي به مقاله اين است. بوده محققان توجه مورد همواره EF7 ملي موتور تسمة چرخ و طيار چرخ ميللنگ مجموعه پيچشي تحليل روش از بهرهگيري با است( واقعي الگوي اجزاي تمامي شامل )که ميشود آزمون آزاد-آزاد مرزي شرايط تحت سامانه ميپردازد. ارتعاشي با نهايت در ميگردند. مقايسه عددي الگوي نتايج با حاصل نتايج و بسامد روي مختلف متغيرهاي تأثير محدود اجزا الگوي حساسيت تحليل شناسايي اهميت مورد در که مطالبي به توجه با ميگردد. بررسي سامانه يافتن بر را خود تمرکز خاص طور به گرديد ارائه پيچشي ارتعاشات صحهگذاري سپس و پيچشي نوسان شکل نخستين ارتعاشي ويژگيهاي ميداريم. معطوف عددي الگوي محدود اجزا الگوي 2- چند سامانة يک براي اجباري ارتعاشات حرکت معادله ماتريسي شکل ]12[: ميشود نوشته 1 شکل به 4 چسبنده ميرايي با آزادي درجه [ M ]{ x} +[ C]{ x } +[ K]{ x} = { f ) t(} () () داريم: آن در که [ C] = β[k] تحريکهاي از مجموعهاي معرض در سازه آن در که حالتي براي داريم: گيرد قرار متفاوت دامنههاي با اما ω بسامد هم سينوسي iωt (3) () {f )t(} = {F}e معادله شکل به ديگري هماهنگ تابع سامانه پاسخ صورت اين در ميباشد. 4 iωt () {x)t(} = {X}e ميگردد: تبديل )5( شکل به حرکت معادله نهايتا {X} = 2 1 ([K] + iω[c] ω [M] ) {F} () () يا و { X} = [ α) ω(]{f} حسب بر بسامدي پاسخ تابع N N ماتريس [ α ) )ω ] آن در که ]12[. ميسازد را 6 پاسخ الگوي که است سامانه 5 جابهجايي شکل يک به ميتوان نوسان شکلهاي تعامد خواص از استفاده با شکل به که يافت دست عددي تحليلهاي براي پاسخ از مؤثر بسيار α jk است. 7 معادله ϕ ϕ ) ω( = )7( 4- Viscose 5- Receptance 6- Response Model N jr kr 2 2 r= 1 ωr ω + 2ζ rωrω 1- Noise, Vibration, Harshness 2- Multi-Mass Model 3- Laser 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة 14

3 مهدي استهري / اصغر رمضاني / بابک سخايي که اين تابع مستقل از ميزان تحريک ميباشد ]12[. به منظور اجراي تحليل عددي اين گامها برداشته شد: در ابتدا اجزاي سامانه الگونمايي شدند سپس با استفاده از نرمافزار HYPERMESH شبكهبندي مناسب ايجاد شد )شکل 1( و در پايان تحليل ارتعاشي نظري با نرمافزار ABAQUS انجام شد ]13[. مشخصات اجزا مورد استفاده در جدول 1 ارائه شده است. نمودار شکل 2 انطباق نخستين بسامد پيچشي بر حسب تعداد اجزا را نشان ميدهد. به منظور انطباق حداکثري شبكهبندي ايجاد شده با هندسة پيچيدة مجموعه از اجزا هرمي استفاده شده است ]14[. شکل ارتعاشي منطبق بر نخستين شکل نوسان پيچشي نيز در شکل 3 نشان داده شدهاند. جدول 1 خواص فيزيکي اجزاي سامانه ]15[ / / / / / )Kg/m 3 ( )GPa( / cast iron cast iron cast iron cast iron EPDM - - ring hub rubber جدول 3 نتايج حاصل از شبيهسازي )Hz( شکل 1 مجموعه ميللنگ چرخ طيار و چرخ تسمه شبكهبندي شده جدول 1 مشخصات اجزاها شکل 2 نمودار همگرايي پاسخ نخستين بسامد پيچشي خصوصيات فيزيکي قطعات در جدول 2 و بسامدهاي طبيعي حاصل از شبيهسازي در جدول 3 فهرست شده است. سامانه قبل از تغيير و شکل 3 نخستين شکل نوسان پيچشي حاصل از شبيهسازي 360 هرتز فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيستو چهارم/ پاييز

4 تسمه چرخ و طيار چرخ ميللنگ مجموعة تجربي و نظري ارتعاش تحليل ارتعاشي آزمون 3-7 نقطه تحريک با 2 نقطه شتاب اندازهگيري 6 شکل است. شده فهرست 4 جدول در حسگر و چکش فني مشخصات شتابسنج و چکش فني مشخصات جدول 4 B&K Company AC21 B&K Company 4507 Bx مجموعهاي اندازهگيري مرحله سه شامل تجربي ارتعاشي تحليل منحني برازش کمک به توابع اين تحليل بسامدي پاسخ توابع از مناسب ميباشد مطلوب الگوی ايجاد منظور به قبل قسمت نتايج ترکيب و.]16[ مختصات دستگاه يک سامانه ارتعاشي رفتار تشريح منظور به X محور راستاي که شد متصل طوري ميللنگ به X-Y-Z مستطيلي 4 شکل مطابق سپس گرديد. منطبق ميللنگ محوري خط راستاي بر پاسخ و تحريک نقاط عنوان به آن تعادل بازوهاي محل در نقطه هشت آويزان سازه از را مجموعه 5 شکل مطابق بعد مرحله در و گرديد تعيين در حسگر دادن قرار با سپس شود. ايجاد آزاد-آزاد مرزي شرايط تا کرده سطر نخستين تا ميکنيم تحريک را نقطه هشت هر ترتيب به 1 نقطة )شکل ]16[ شود ايجاد جابهجايي حسب بر بسامدي پاسخ تابع ماتريس به را نقطه هشت هر مجددا 2 نقطة به حسگر انتقال با آن از پس 6(. 8 نقطة به حسگر رسيدن تا را کار اين و کرده تحريک متوالي صورت مينماييم. تکرار پاسخ و تحريک نقاط موقعت سپس شدند. ايجاد پردازشی تحليلگر با بسامدي پاسخ توابع نرمافزار در بسامدي پاسخ توابع بر منحني برازش با ارتعاشي ويژگيهاي بر توابع اين دادن نسبت با نيز ارتعاشي شکلهاي و استخراج STAR شدند شبيهسازي مذکور نرمافزار در شده ايجاد تقريبي هندسي الگوي از قبل هندسي الگوي 5 جدول در سامانه طبيعي بسامدهاي ]17[. پيچشي نوسان شکل نخستين بر منطبق ارتعاشي شکل و شکل تغيير نشان در روش دو هر از حاصل نتايج و 8 شکل و 7 شکل در ترتيب به بر منطبق 7 شکل اعداد موقعيت که است ذکر شايان است. شده داده جابجايي کمترين و بيشترين 8 شکل اساس بر ميباشد. 4 شکل اعداد جابجايي داراي 1 نقطه و است 2 و 8 نقاط به مربوط ترتيب به مثبت چرخ به متصل که ميللنگ ابتداي که است معني بدان اين است. منفي در است تسمه چرخ به متصل که آن انتهاي جهت خالف است طيار ميگيرد. قرار چرخش معرض 4 شکل سازه از سامانه کردن آويزان نحوة 5 شکل 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة 16

5 مهدي استهري / اصغر رمضاني / بابک سخايي نتايج حاصل از آزمون جدول 6 نتايج حاصل از آزمون و شبيهسازي جدول 5 )Hz( )Hz( )Hz( / / / / ماتريس AutoMAC متعلق به اين آزمون نيز در جدول 7 نشان / داده شده است. جدول 7 ماتريس AutoMAC / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / الگوي هندسي تقريبي در نرمافزار STAR 4 -تحليل حساسيت به کمک الگوي ارتعاش يک سامانة حرکتي ميتوان حساسيت ويژگيهاي ارتعاشي سازه را نسبت به ايجاد تغيير در هر يک از متغيرهاي فيزيکي سامانه پيشبيني نمود. در اين تحليل تأکيد بر آن است که تعيين شود کداميک از تغييرات سازهاي بيشترين تأثير را روي متغير ارتعاشي براي مثال جابجا کردن بسامد طبيعي دارد. بدين منظور با در نظر گرفتن دامنه تغييراتي مطابق با جدول 8 و ايجاد پانزده نقطه طراحي مختلف مطابق با جدول 9 نمودار شکل 9 حاصل گرديد. اين نمودار ميزان حساسيت نخستين بسامد پيچشي را نسبت به تغيير چگالي ضريب کشساني و ضريب پواسون نشان ميدهد. شکل 7 شکل 8 نخستين شکل نوسان پيچشي حاصل از آزمون در نرمافزار STAR فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيستو چهارم/ پاييز

6 تحليل ارتعاش نظري و تجربي مجموعة ميللنگ چرخ طيار و چرخ تسمه 5- بحث روي نتايج جدول 10 خطاي نسبي نتايج حاصل از هر دو روش را نشان ميدهد. جدول 10 محاسبه خطاي نسبي / / - / شکل 9 نمودار ميلهاي حاصل از تحليل حساسيت - / جدول 8 دامنه تغييرات خواص فيزيکي / )GPa( )Kg/m 3 ( / / )Hz( جدول 9 نقاط طراحي استفاده شده در تحليل حساسيت عمدهترين دليل بروز خطاهايي به بزرگي %5 عدم ايجاد الگوي عددي دقيق اتصاالت سامانه ميباشد که با به روز رساني و تنظيم متغيرهاي وابسته بايد اصالح گردد ]18[. استفاده از گسترة انعطافپذيري براي ايجاد شرايط آزاد-آزاد باعث ايجاد يک يا چند شکل صلب ناشي از سختي تکيهگاه و جرم کل سازه خواهد شد. از آنجا که بسامدهاي طبيعي اين شکلهاي صلب به اندازه کافي از نخستين شکل انعطافپذير سازه کوچکتر هستند ميتوان نتيجه گرفت که دادههاي FRF اندازهگيري شده تحت تأثير اين شرايط مرزي قرار نداشتهاند ]16[. ماتريس AutoMAC يك معيار کمي براي تعيين ميزان همبستگي شکل نوسانها به يکديگر است. اگر براي دو شکل نوسان اين عدد يک باشد به اين معني است که دو شکل ارتعاشي کامال شبيه هم هستند و هر چه کمتر از يک باشد شباهت آن دو نيز کمتر خواهد بود به طوريکه عدد صفر نمايانگر تعامد دو شکل ارتعاشي است ]12[. در عمل دو شکل نوسان يکسان در نظر گرفته ميشوند اگر اين عدد باالي 0/9 باشد ]19[. يک کاربرد بسيار مهم ماتريس AutoMAC تشخيص کافي بودن يا نبودن تعداد نقاط اندازهگيري استفاده شده براي آزمون ميباشد. اگر مقادير غير قطري اعداد بزرگي نباشند بدين معني است که نقاط کافي براي اندازهگيري پاسخ ارتعاشي در نظر گرفته شده است ]12[. بر اين اساس همانطور که از دادههاي جدول 7 برميآيد شکل نوسان پيچشي به خوبي از ديگر شکل نوسانها متمايز شده است و تعداد نقاط اندازهگيري استفاده شده در اين آزمون )شکل 4( نيز کافي بوده است. / / / / / / / / / / / / / / / )GPa( / / / / / / / / / / )Kg/m 3 ( / / / / / / / / 18 فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 1390

7 مهدي استهري / اصغر رمضاني / بابک سخايي X,Y,Z N T ω [M] [C] [K] [ α) ω( ] {f(t)} {x(t)} {F} {X} i ζ ϕ j FRF EMA MAC r j, k فهرست عالئم )rad/s;hz( N N N N N N N N N 1 N 1 N 1 N 1 1 j Modal Assurance Criterion زيرنويسها با توجه به نمودار شکل 9 ميتوان دريافت که نخستين بسامد پيچشي با چگالي نسبت معکوس و با ضريب ارتجاعي نسبت مستقيم دارد. همچنين تغيير ضريب پواسون روي نخستين بسامد پيچشي تقريبا بيتأثير است. 6- نتيجهگيري در اين مقاله تحليل ارتعاشي نظري و تجربي مجموعة ميللنگ چرخ طيار و چرخ تسمة موتور ملي EF7 بررسي و روند گام به گام براي صحهگذاري نتايج طي شد. در مرحله اول سامانه تحت تحليل ارتعاشي نظري براي رسيدن به ويژگيهاي ارتعاشي تقريبي قرار گرفت سپس با تحليل ارتعاشي تجربي مقادير دقيق بسامدهاي طبيعي ميرايي و شکلهاي ارتعاشي حاصل گرديد. در پايان نيز با تحليل حساسيت تأثير متغيرهاي فيزيکي بر بسامد پيچشي سامانه بررسي شد که اين نتايج حاصل شدند: آزمون ارتعاشي جايگزين مناسب ساده و سريع به جاي اندازهگيري ارتعاشات پيچشي ميللنگ تحت شرايط عملکردي روي خودرو )که بسيار زمانبر و هزينهبر است( ميباشد. براي دستيابي به کمترين بسامد پيچشي بايد از مادهاي با چگالي بزرگ و ضريب ارتجاعي كوچك در ساختار ميللنگ استفاده کرد. تشكر و قدرداني نويسنده اول مقاله مراتب تشكر و قدرداني خود را از شرکت تحقيق طراحي و توليد موتور ايران خودرو )ايپکو( اعالم ميدارد. فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيستو چهارم/ پاييز

8 تحليل ارتعاش نظري و تجربي مجموعة ميللنگ چرخ طيار و چرخ تسمه References: [1] H. Storck, H. Sumali, Y. Pu, Experimental modal analysis of automotive exhaust structures, SAE International, Paper No , 2001 [2] H. Okamura, S. Arai, Experimental modal analysis for cylinder block-crankshaft substructure systems of six-cylinder in-line diesel engines, SAE International, Paper No , 2001 [3] Y. Jiang, G. Festag, S. Poe, Crankshaft axial vibration analysis and design sensitivity study, SAE International, Paper No , 2007 [4] Comparison of characteristics between forged and cast crankshaft, Sumitomo Metal Industries, Ltd, pp.11, 1992 [5] V. Prakash, M.R. Vadiraj, D.N. Venkatesh, U. Shrinivasa, Parametric study of crankshaft natural frequencies, SAE International, Paper No , 1994 [6] M. Ishihama, Analysis of the generating mechanisms of engine noise caused by the natural vibration of the cylinder block, NOISE-CON, Vol. 83, 1983 [7] S.S. Mohtasebi, H. Afshari, Calculation of the vibration on the iron and cast iron crankshaft, Society of Mechanical Engineers, Vol. 12, No. 28, pp , 2003 [8] S.S. Mohtasebi, H. Afshari, H. Mobli, Analysis of crankshaft vibrations to compare the dynamic behavior of steel and cast iron crankshafts, Applied Sciences, Vol. 6 No. 3, pp , 2006 [9] A.L. Guzzomi, D.C. Hesterman, B.J. Stone, The effect of piston friction on the torsional natural frequency of a reciprocating engine, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 21, pp , 2007 [10] W. Mitianies, K. Buczek, Torsional vibration analysis of crankshaft in heavy duty six cylinder inline engine, Czasopismo Techniczine, pp , 2008 [11] L. Xiang, S. Yang, C. Gan, Torsional vibration measurements on rotating shaft system using laser doppler vibrometer, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 50, pp , 2012 [12] D.J. Ewins, Modal testing theory, practice and application, England, London, Research Studies Press Ltd, 2000 [13] Help of HYPERWORKS software [14] D.L. Logan, A first course in the finite element method, Platteville, University of Wisconsin, fourth edition, 2007 [15] ASM handbook, Material Selection and Design, Vol. 20, 1997 [16] S. Ziaei Rad, Modal analysis, Esfahan, Iran, 2006 [17] Help of STAR software [18] H. Ahmadian, J.E. Mottershead, S. James, M.I. Friswell, C.A. Reece, Modeling and updating of large surface-to-surface joints in the AWE-MACE structure, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 20, pp , 2006 [19] R. Allemang, D. Brown, A correlation coefficient for modal vector analysis, The 1st International Modal Analysis Conference, Orlando, فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 1390

9 M. Estahri / A. Ramezani / B. Sakhaei Analytical and Experimental Modal Analysis of Crankshaft, Flywheel and Pulley Set M. Estahri* BSc. Student, Iran University of Science and Technology estahrimahdi@yahoo.com A. Ramezani Assistant Professor, Iran University of Science and Technology aramezani@iust.ac.ir B. Sakhaei PhD. Candidate, Irankhodro Powertrain Company (IPCo.) b_sakhaei@ip-co.com *Corresponding Authors Received: Sep. 25, 2012 Accepted in Revised Form: Jan. 26, 2013 Abstract In internal combustion engines, crankshafts turn in a wide range of angular velocities under the effect of impact forces coming from pistons by connecting rods. The crankshaft is very susceptible to the vibration due to forces applied on it. Therefore, it is necessary to study the dynamic behavior of the crankshaft. The purpose of this paper is the system identification by determining the modal model of a crankshaft with both theoretical and experimental methods. The crankshaft modeling and the modal analysis are performed in a finite element software. Then, results are validated by modal testing. Keywords: modal analysis, modal testing, crankshaft, free-free boundary condition The Journal of Engine Research/ Vol. 24 / Autumn 2011