Motor bağlantı elemanlarının titreşim geçirgenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Vibration transmission investigation of engine mounting brackets
Yazar: ALİ İSA BURSA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Modal analiz = Modal analysis ; Zorlanmış titreşim = Forced vibration

Özet:
Rekabetin gittikçe arttığı taşıt sektöründe yakıt tüketimi, güvenlik, sürüş konforu ve dayanım gibi parametreler önemli bir yere sahip olup müşterilerin bu parametreler açısından beklentileri sürekli artmaktadır. Bu kapsamda diğer parametreler için yapılan çalışmaların yanında sürüş konforu ve taşıt dayanımını etkileyen her türlü durum için de çalışmalar yapılmaktadır. Taşıtlarda sürüş konforu ve taşıt dayanımı titreşimlerden büyük oranda etkilenmektedir. Taşıtlardaki titreşimin en önemli kaynağı ise içten yanmalı motorlardır. Bundan dolayı motor kaynaklı titreşimlerin azaltılması veya bu titreşimlerin araca olan etkisinin olabildiğince azaltılması için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmaların bir kısmı motor tasarımı sırasında yapılmakta olup diğer kısmı motorun araca bağlanması sırasında yapılmaktadır.Motor titreşimlerinin araç gövdesine iletimini azaltmak için çeşitli yapıdaki motor takozları kullanılabilmektedir. Titreşim izolasyonu için kullanılan takozun yapısı ve özellikleri elde edilmek istenilen sürüş konforu, motor kaynaklı titreşimlerin frekans aralığı ve titreşim genliklerine bağlı olabilmektedir. Takozlarla birlikte kullanılan ve asıl görevi motor ağırlığını taşımak olan motor braketleri de motorun gövdeye göre konumu, motor ağırlığı ve motor titreşimlerinin özelliklerine göre değişmektedir.Tez çalışmasının ilk bölümde motor titreşim kaynakları, motor takozları ve motor bağlantıları hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca araç üzerinde motor titreşim ölçümleri ve motor takozları ile ilgili literatürdeki bazı çalışmalara ait sonuçlara yer verilmiştir.Tez çalışması kapsamında yolcu konforunun önemli olduğu bir yolcu otobüsüne ait motor braketlerinin doğal frekanslarının belirlenmesi, motor takozunun titreşim geçirgenliğinin ve farklı motor hızlarında oluşan motor titreşimlerinin araç gövdesine iletiminin incelenmesi ile ilgili çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Çalışmalar kapsamında ilk olarak motor takozuna araç üzerinde darbe testi yapılmış ve takozda titreşim iletiminin yüksek olduğu frekans değerleri belirlenmiştir. Daha sonra bir motor braketine deneysel modal analiz yapılmış olup deney sonuçları sonlu elemanlar metodu ile doğrulanmaya çalışılmıştır. Deneysel modal analiz sonucu elde edilen mod şekilleri ise Matlab yazılımı ile şekil olarak elde edilmiştir. Buna ek olarak validasyon sonucu elde edilen simülasyon parametreleri ile diğer motor braketlerine ait modal analizler sonlu elemanlar metodu ile gerçekleştirilerek braketlere ait doğal frekanslar ve mod şekilleri elde edilmiştir. Ayrıca araç sabit iken motorun tüm çalışma aralığında motordan gövdeye iletilen titreşimlerin ölçümü yapılmıştır. Ardından bu titreşimlerin frekans tabanlı incelemesini yapmak için ölçüm sonucu elde edilen datalara Matlab'de Kısa Zamanlı Fourier Dönüşümü yapılarak titreşimlerin frekans yoğunluğu zamana göre elde edilmiştir.Yapılan motor titreşim testlerine ait sonuçlar değerlendirildiğinde dört adet titreşim ölçüm noktasından iki tanesinde z, bir tanesinde y ve bir tanesinde ise x eksenindeki titreşimlerin maksimum değer aldığı görülmüştür. Ayrıca frekans tabanında yapılan incelemede de motor ön bağlantı noktalarında x ekseninde 380 Hz ve 440 Hz frekanstaki titreşimlerin, y ekseninde 440 Hz ile 740-820 Hz frekans aralığındaki titreşimlerin, z eksenind ise 380 Hz ve 780-820 Hz frekans aralığındaki titreşimlerin baskın olduğu gözlemlenmiştir. Braket modal test ve analizlerinden elde edilen bilgiler ışığında belirtilen frekanslarda titreşim yoğunluğunun fazla olmasının braketler ve takozun titreşim kuvveti altındaki davranışından kaynaklandığı düşünülmektedir. Buna ek olarak arka bağlantı noktalarında 3 eksende de sağ ve sol bağlantı noktalarında baskın olan titreşimlerin frekansları faklılıklar göstermektedir. Motor hızının 1500 rpm üzerine çıktığı durumda arka sol bağlantı noktasında x ekseninde 500 Hz ve 1550 Hz frekansında, y ekseninde 1150 Hz frekansında ve z ekseninde 1550 Hz frekansında titreşimler baskındır. Arka sağ bağlantı noktasında x ekseninde 500 Hz ve 2100 Hz frekanslarında, y ekseninde 1150 Hz frekansta ve z ekseninde 1700 Hz frekanstaki titreşimler baskındır. Son olarak pasif taraftaki ivme datalarının 2g değerini geçmediği gözlemlenmiş olup otobüse ait motor titreşim izolasyonun genel olarak iyi seviyede olduğu söylenebilir.

Abstract:
In the automotive sector, where competition is increasing day by day, parameters such as fuel consumption, safety, driving comfort, and durability have a significant role because of the fact that the expectations of the customers in terms of these parameters are constantly increasing. Serious works are carried out on the vehicle durability and driving comfort which are significantly affected by the vibrations. The most important source of the vibration in a vehicle is internal combustion engines. Therefore, many studies are carried out in order to reduce the engine induced vibrations or to reduce the effects of these vibrations on the vehicle as much as possible. These studies are carried out both during the engine design phase and during the connection of the engine to the vehicle frame.Engine mounts in various configurations are used to reduce the transmission of the engine vibrations to the vehicle body. The structure and properties of engine mount for vibration isolation can be dependent on the desired driving comfort, frequency range of engine induced vibrations and vibration amplitudes. Engine brackets are used together with the engine mounts and they carry engine weight. Structure of engine brackets can vary according to the position of the engine against the vehicle frame, the weight of the engine, and the characteristics of the engine vibrations.In the first part of this thesis study, engine vibration sources, engine mounts and engine connections are explained. Also, the results of some studies in the literature on the engine vibration measurements and engine mounts are expressed.The primary sources of vibration in internal combustion engines are the inertia forces, which emerge from the movement of the crank - connecting rod mechanism, and gas forces that are created by combustion process. During the running of an engine, engine parts make linear, angular and oscillating movements. While these parts move at different speeds and accelerations, their inertia forces occur in the opposite direction of their movements. These forces cause vibration on the engine. In addition, pressure fluctuations in the engine combustion chamber brings about vibration. These vibrations depend on parameter like engine type, engine cylinder number, cylinder configuration and engine geometry. In addition to these parameters, engine induced vibration is affected by fuels. In other words, fuel type can cause different vibrations due to different gas forces resulted from their combustion processes. Because of that there are also studies on vibration effect of different fuels in the literature.
Reducing engine vibrations transmitted to the vehicle body can be achieved with different types of engine mounts during engine integration. Engine mounts can be classified as rubber engine mounts, passive hydraulic engine mounts, semi active engine mounts and active engine mounts. The first invented engine mount for engine vibration isolation is rubber mounts. They are easy to manufacture and maintenance free. Passive hydraulic engine mounts are mainly preferred for isolation of engine idle vibrations of small cars. Their dynamic properties are regulatable through a fluid. This feature of passive mounts makes them appropriate for wider vibration frequencies range than rubber mounts. Semi active mounts have special fluids and viscosity of these fluids changes quickly with electricity. That property makes them usable under different vibration range. Active mounts have different components in their structure. They create reaction force to reduce the engine vibrations. Active mounts are most complex ones among the all mounts. Active and semi active mounts ensure high engine vibration isolation and driving comfort.In this thesis, various studies have been performed to determine the natural frequencies of engine brackets of a passenger bus, the vibration transmissibility of the engine mount, and the transmissibility of engine vibrations to the vehicle body at different engine speeds. Firstly, impact test was applied to the rubber engine mount on the vehicle. To examine to vibration relation between active and passive side of the mount cross correlation function is used. As a result of that study, some frequencies observed for vibration transmission.Second, experimental modal analysis was performed to one of the engine brackets. For the measurement 24 points are determined on the bracket. A triaxial accelerometer are fixed at one of points. An impulse hammer was used for excitation of bracket. When accelerometer is fixed a point, impulse hammer is applied other points. Measurement are repeated three times for all measuremet points. Frequence respond function is plotted in Matlab for all measurement points. Also, mode shapes that were obtained from the result of experimental modal analysis are plotted in Matlab software. Experimental results were tried to be obtained with the finite element method (FEM). Moreover, natural frequencies and mode shapes of other engine brackets were obtained with FEM. Ansys software is used for the FEM modal analysis. Furthermore, the engine vibrations were measured within the entire operating range of the engine while the vehicle is stationary. First measurement were taken from the two front engine mounting points. Two accelerometer were used for each mounting point. One accelerometer was fixed to the active side of engine mount and the other one was fixed to the passive side of the mounting point. In the experiments, the engine was run in the range from about 600 rpm to 2750 rpm. The same measurement was taken from rear mounting points. Each measurement are repeated three times. After whole measurements were complated, vibration graphs were plotted with respect to time using Matlab. In order to examine the vibrations frequencies, spectrogram images were generated by using Short Time Fourier Transform in Matlab and the frequency density of the vibrations was obtained according to time.In the last section of thesis, the results of measurements are evaluated. The highest vibration values at the four measurement points were observed in different axis. While the maximum vibration value at two measurement locations are in the z-axis direction, the top vibration value of other two measurement locations are in the x-axis and y-axis direction. Besides, it is observed that the passive side acceleration data do not exceed 2g and the engine vibration isolation of the bus seems to be favorable. The frequency range at which the vibrations at the engine front connection points are dense was examined. In the x direction, dominant vibrations was observed at 380 Hz and 440 Hz frequencies. In the y direction, the dominant vibrations are in the range from 740 Hz to 820 Hz and also approximately 440 Hz frequencies. In the z direction, these values are in the range from 780 to 820 Hz and 380 Hz frequencies. In the light of the information obtained from the test of bracket, mount and analysis of brackets, it is predicted that the vibration intensity is high at the specified frequencies because of behavior of engine bracket and mounts under engine vibration forces. Besides, the dominant vibration frequencies at the right and left rear connection points in the 3 axis differ from each other. When the engine speed exceeds 1500 rpm, vibrations become dominant for some frequencies. For the rear left mount point, dense vibration was observed at 500 Hz and 1550 Hz frequencies in x-axis direction. In the y direction, it is at 1150 Hz frequency and it is at 1550 Hz in the z-axis direction. For the rear right mount point, dense vibration was seen at 500 Hz and 2100 Hz frequencies in x-axis direction. In the y direction, it is at 1150 Hz frequency and it is at 1700 Hz in the z-axis direction.