پروژه دسته موتور های هیدرولیکی

پروژه درس تحقیق و سمینار

در رشته مهندسی مکانیک خودرو

این تحقیق با ارائه مدل ارتعاشی غیرخطی و جامع از دسته موتورهای هیدرولیکی سعی بر ارائه مدل ریاضی کاملی جهت پیش­بینی صحیح رفتار سیستم دارد. مدل ریاضی سیستم، مدلی غیرخطی بر مبنای پارامترهای متمرکز تعریف­شده می­باشد. بدین منظور ابتدا معادله کوپله مومنتوم جامع سیستم استخراج شده است. جهت استخراج معادلات مومنتوم از معادلات حاکم بر سیال و از مفاهیم مکانیک محیط پیوسته استفاده شده و مکانیزم سوییچینگ دی­کاپلر نیز با استفاده از تابع نمایی آرکتانژانت در مدل وارد شده است. در ادامه، با روش انتگرال­گیری عددی، پاسخ زمانی سیستم در فرکانسها و دامنه­های تحریک استاندارد بررسی شده است. مدل توانایی توجیه رفتار غیرخطی دسته موتورهای هیدرولیکی را در فرکانسهای زیاد تحریک، داراست. همچنین علاوه بر نواحی غیرخطی شناخته شده, ناحیه ارتعاشی دیگری نیز شناسایی شده است که منجر به غیرخطی شدن رفتار سیستم می­شود. نتایج حاضر اصلاح ارزشمندی بر مدلهای موجود با بکارگیری کامل پارامترهای غیرخطی و معادله مومنتوم جامع سیستم می­باشد و رفتار غیرخطی پیش­بینی­شده با نتایج آزمایشگاهی تطابق بیشتری دارد.

دسته موتور هیدرولیکی

فصل اول

شبیه سازی جامع دینامیکی

چکیده:

یکی از مهمترین جذب کننده‌های ارتعاشات در خودروها دسته موتور می‌باشد. این وسیله می‌تواند ارتعاشات موتور را به بدنه و ارتعاشات ناشی از جاده و بدنه را به موتور منتقل نماید. دسته موتور علاوه بر تحمل ارتعاشات منتقل شده، بایستی وزن موتور و جعبه دنده را نیز تحمل نماید. بطور کلی دسته موتور قطعه‌ای لاستیکی است که بین شاسی و موتور قرار می‌گیرد.. امروزه جهت بهبود عملکرد ارتعاشی خودرو از نسل جدیدی از دسته موتورها به نام دسته موتورهای هیدرولیکی جهت کاهش ارتعاشات نامطلوب وارد بر سرنشین (ناشی از نامیزانی موتور و  ناهمواری جاده) استفاده می­شود. تغییرپذیری مشخصه های ارتعاشی سیستم در دامنه و فرکانسهای تحریک متفاوت وارد بر موتور خودرو، عامل اصلی محبوبیت این دسته موتورهای خودتنظیم می­باشد. تعیین چگونگی تغییر مشخصه­های سیستم دسته موتور هیدرولیکی مستلزم  تعیین پاسخ گذرای سیستم و نحوه تغییرات سختی، دمپینگ و لختی اجزاء منعطف سیستم شامل لاستیک، محفظه­ها و سیال میان محافظ نسبت به زمان می باشد.

به طور کل می توان شرایط اعمالی بار را از دیدگاه نویز و ارتعاشات به دو دسته تقسیم کرد:

1.شرایطی که طی آن ارتعاشاتی با فرکانس کم و دامنه ارتعاشی زیاد به موتور اعمال می شود و معمولا شرایط جاده، شتابگیری سریع، ترمزهای ناگهانی و تعویض دنده از جمله عوامل ایجاد این نوع می باشند.

2.ارتعاشات ثانویه که در حین روشن بودن ماشین همواره بر موتور اعمال می شوند، ارتعاشاتی با مقادیر فرکانسی زیاد و دامنه بسیار کم می باشند. میزان خروج از مرکزی موتور مهمترین  عامل ایجاد این نوع می باشد. درنتیجه اتومبیل به منظور رفع آسیبهای ناشی از دو نوع ارتعاش فوق نیاز به دو نوع دسته موتور، با عملکرد متفاوت دارد: یکی با سختی و میرایی زیاد برای ارتعاش نوع اول که به نام جاذب شوک (shock absorber) شناخته می­شود و دیگری با سختی و میرایی کم برای نوع دوم که به نام جداساز ارتعاشی (Isolator) نامیده می­شود. پس مشخصه­های یک دسته موتور ایده­آل بستگی به شرایط دامنه  و فرکانس تحریک دارد. یک دسته موتور لاستیکی (معمولی) با مشخصه های خطی نمی­تواند دو هدف فوق را ارضا کند.

1- مقدمه

امروزه جهت بهبود عملکرد ارتعاشی خودرو از نسل جدیدی از دسته موتورها به نام دسته موتورهای هیدرولیکی جهت کاهش ارتعاشات نامطلوب وارد بر سرنشین (ناشی از نامیزانی موتور و  ناهمواری جاده) استفاده می­شود. تغییرپذیری مشخصه های ارتعاشی سیستم در دامنه و فرکانسهای تحریک متفاوت وارد بر موتور خودرو، عامل اصلی محبوبیت این دسته موتورهای خودتنظیم می­باشد. تعیین چگونگی تغییر مشخصه­های سیستم دسته موتور هیدرولیکی مستلزم  تعیین پاسخ گذرای سیستم و نحوه تغییرات سختی، دمپینگ و لختی اجزاء منعطف سیستم شامل لاستیک، محفظه­ها و سیال میان محافظ نسبت به زمان می باشد.

خودروسازان متوجه دو نوع کلی ارتعاشات نامطلوب وارد بر اتومبیل شده­اند. اولین منبع، خروج از مرکزی موتور می­باشد و شامل فرکانسهای 25 تا 200 هرتز با دامنه تحریک کمتر از 3/0 میلیمتر می باشد ]1[. دومین منبع تحریک از ورودی های ناشی از ناهمواریهای جاده و گشتاور موتور در شتابگیری های ناگهانی نتیجه می شود. پستی و بلندی و موانع جاده، نوعی اغتشاش را از طریق سیستم تعلیق به بدنه موتور اعمال می کند، در حالی که شتابگیری های شدید باعث اعمال گشتاور زیادی به موتور و درنتیجه اثر آن بر دسته موتورها می شود. فرکانس تحریک این منبع زیر 30 هرتز و دامنه آن بالای 3/0 میلیمتر می باشد ]1[. به طور کل می توان شرایط اعمالی بار را از دیدگاه نویز و ارتعاشات به دو دسته تقسیم کرد:

شرایطی که طی آن ارتعاشاتی با فرکانس کم و دامنه ارتعاشی زیاد به موتور اعمال می شود و معمولا شرایط جاده، شتابگیری سریع، ترمزهای ناگهانی و تعویض دنده از جمله عوامل ایجاد این نوع می باشند.

ارتعاشات ثانویه که در حین روشن بودن ماشین همواره بر موتور اعمال می شوند، ارتعاشاتی با مقادیر فرکانسی زیاد و دامنه بسیار کم می باشند. میزان خروج از مرکزی موتور مهمترین عامل ایجاد این نوع می باشد.

درنتیجه اتومبیل به منظور رفع آسیبهای ناشی از دو نوع ارتعاش فوق نیاز به دو نوع دسته موتور، با عملکرد متفاوت دارد: یکی با سختی و میرایی زیاد برای ارتعاش نوع اول که به نام جاذب شوک (shock absorber) شناخته می­شود و دیگری با سختی و میرایی کم برای نوع دوم که به نام جداساز ارتعاشی (Isolator) نامیده می­شود. پس مشخصه­های یک دسته موتور ایده­آل بستگی به شرایط دامنه و فرکانس تحریک دارد. یک دسته موتور لاستیکی (معمولی) با مشخصه های خطی نمی­تواند دو هدف فوق را ارضا کند. می­توان چنین استنباط نمود که یک دسته موتور ایده­آل سیستمی است که دارای میرایی و سختی غیرخطی وابسته به شرایط دامنه و فرکانس تحریک باشد. درنتیجه سختی دینامیکی یک دسته موتور ایده­آل بایستی تا حدودی از نمودار شکل 1 تبعیت کند]1[. همانطور که دیده می­شود در فرکانسهای کم نیاز به دمپینگ زیادی به منظور جلوگیری از bounce خودرو  (نوعی حرکت عمودی ناگهانی در راستای محور کف تا سقف خودرو) و حفظ پایداری راندن می­باشد. به همین ترتیب در فرکانسهای زیاد برای جداسازی ارتعاشی مطلوب  نیاز به دمپینگ کم می­باشد تا به موتور لطمه ای وارد نشود. دسته موتور هیدرولیکی چنین شرایطی را برای ایده آل سازی یک دسته موتور فراهم می سازد.

پیش­بینی رفتار این سیستم در بازه فرکانس و دامنه تحریک استاندارد به دلیل عملکرد غیرخطی آن از اهمیت بسیاری برخوردار است و تاکنون مطالعات متعددی در این زمینه صورت گرفته است. مطالعه و طراحی یک سیستم جامع جهت جداسازی ارتعاشی موتور در بازه گسترده­ای از فرکانس و دامنه تحریک توسط Brach و Haddow [1] انجام شده­است.

Kim و Singh [2] در یک تحقیق جامع، پارامترهای وابسته به زمان را در دسته موتور هیدرولیکی شناسایی و معرفی کرده­اند. آنها همچنین مدلی از این سیستمها را با قابلیت تغییرپذیری و کنترل اجزاء، بعنوان دسته موتورهای گذرا و انطباق­پذیر پیشنهاد نموده­اند.

Golnaraghi و Nakhaie [3] در یک مطالعه عددی نشان داده­اند که یک مدل غیرخطی ساده، تا حد خوبی مشخصات سوییچینگ دی­کاپلر را نشان می­دهد. اما این مرجع از پیش­بینی دقیق رفتار دی­کاپلر ناتوان است.

آزمایشات Geisberger و همکارانش [4] بر روی یک سیستم نمونه نشان می­دهد که در فرکانسهای بالا رفتار دسته موتور هیدرولیکی به شدت غیرخطی می­گردد که با نتایج تئوری آنها در فرکانسهای زیاد تطابق چندانی ندارد. آنها معادلات مومنتوم سیال میان دی­کاپلر و باریکه اینرسی را با فرض یک منفذی بودن سیستم در دو حالت تحریک با دامنه کم و زیاد، تشکیل داده­اند و بنابراین مدل آنها، بمنظور توجیه رفتار همزمان اجزاء، نامناسب می باشد. آنها در نتایج خود اشاره نموده­اند که مدل تشکیل شده، توانایی توصیف رفتار غیرخطی مدل خطی را در فرکانس های بالای 250 هرتز دارا نمی­باشد. آنها سوییچینگ دی­کاپلر را دلیل بر این امر دانسته­اند.

Adiguna و همکارانش [5] نیز در تحقیقات اخیر خود، پاسخ گذرای یک دسته موتور هیدرولیکی را به دو روش تحلیلی و آزمایشگاهی بررسی نموده و رفتار دقیق مکانیزم سوییچینگ دی­کاپلر را توجیه نموده­اند. نتایج تحلیلی آنها مطابقت بسیار زیادی با نتایج عملکردی دسته موتور هیدرولیکی دارد. آنها در مقاله خود به بررسی پاسخ فرکانسی تحریک نپرداخته­اند، ولی توانسته­اند با روش تحلیلی انجام شده، حوزه رفتار غیرخطی عملکرد سیستم خطی را در فرکانس­های بالا اثبات کنند.