Motion of a flexibly mounted combustion engine due to internal and external excitations
Ketonen, Samuli (2022)
Ketonen, Samuli
2022
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-06-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206205739
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206205739
Tiivistelmä
The transmission of engine vibration to the supporting structure can be prevented by using flexible mounting, such as steel springs or elastomeric material. A flexibly mounted rigid body has natural frequencies of vibration in the 6 degrees of freedom. The challenge is resonance situations, where the natural frequencies match with engine excitation frequencies, causing vibration amplification. To prevent resonance, flexible mounting must be designed so that the natural frequencies are far enough from the excitation frequencies. According to the lumped mass theory, internal bending, and torsional moments due to balanced forces of engine, don’t excite the rigid body modes. For this reason, the internal excitations have not been considered in design of flexible mounting systems. However, vibration levels have been noticed to increase in resonance situations, even if the forces in the engine had been well balanced.
The aim of this thesis was to find out if the internal bending and torsional moments excite the rigid body modes in practice. The research question was answered by performing vibration measurements for flexibly mounted engines and analysing the results. The literature review focuses on engine excitation mechanics and basics of rigid body dynamics. Calculation software were utilized for calculating engine excitations and rigid body natural frequencies and mode shapes.
The work showed that the internal moments excite the engine rigid body modes. The result was achieved changing engine natural frequencies in relation to excitation frequencies and studying motion behaviour of the engine with different configurations. Tuning of the natural frequencies was possible by turning rubber elements that had different stiffness for longitudinal and horizontal directions. Operating deflection shape corresponded to rigid body motion when the natural frequency was tuned near the excitation frequency. When natural frequency was tuned out of internal excitation frequency, the operating deflection shape corresponded to the bending or twisting due to internal moment. Amplitude of vibration was also higher in the resonance situation. Change in engine load was seen as change of amplitude at a rigid body natural frequency. That also gives evidence internal torsional excitation caused by gas forces excites rigid body mode. The results were confirmed repeating measurements for three engine types.
It is obvious internal excitations must be considered in response calculations and in design of flexible mounting systems. Response calculations of flexibly mounted engines have been done with simple program based on lumped mass model assuming the mounted structure to be rigid. Internal excitations aren’t thus taken into account by the program. On the other hand, calculating responses with FEM-based program is too laborious and time consuming. It could be studied what kind of force must be entered into the program for simulating rigid body response caused by internal moment. In this way the use of the fast and designer-oriented program could be continued in the future. Moottorin värähtelyn siirtymistä tukirakenteeseen voidaan estää käyttämällä kiinnitykseen joustavia elementtejä kuten teräsjousia tai elastomeerimateriaalia. Joustavasti asennetulla jäykällä kappaleella on kuusi ominaistaajuutta ja -muotoa, joilla sen on ominaista värähdellä. Haasteeksi muodostuvat resonanssitilanteet, joissa ominaismuodolla on sama taajuus kuin moottorin herätevoimalla, jolloin värähtely voimistuu. Resonanssin välttämiseksi, joustava asennus tulee mitoittaa siten, että ominaistaajuudet ovat tarpeeksi kaukana herätetaajuuksista. Jäykän kappaleen teorian mukaan moottorin tasapainotetuista voimista aiheutuvat sisäiset taivutus- ja vääntömomentit eivät herätä jäykän kappaleen ominaismuotoja. Tämän vuoksi mitoituksessa ei ole huomioitu sisäisiä herätteitä. Käytännössä on kuitenkin havaittu tärinätasojen nousevan resonanssitilanteessa, vaikka moottori olisi hyvin tasapainotettu.
Työn tarkoituksena oli selvittää, herättävätkö sisäiset taivutus- ja vääntömomentit jäykän kappaleen ominaismuodot käytännössä. Tutkimuskysymykseen saatiin vastauksia suorittamalla värähtelymittauksia joustavasti asennetuille moottoreille ja analysoimalla mittaustuloksia. Työssä syvennyttiin kirjallisuuden avulla moottoreiden herätemekaniikkaan ja jäykän kappaleen dynamiikan perusteisiin. Laskentaohjelmistoja hyödynnettiin moottoriherätteiden sekä jäykän kappaleen ominaistaajuuksien- ja muotojen laskemiseen.
Työssä osoitettiin, että sisäiset momentit herättävät moottorin jäykän kappaleen ominaismuodot. Tulokseen päästiin muuttamalla moottorin ominaistaajuuksia herätetaajuuksiin nähden ja tutkimalla moottorin liikekäyttäytymistä eri konfiguraatioilla. Ominaistaajuuksien viritys onnistui kääntämällä kumielementtejä, joilla on eri jäykkyys pituus- ja leveyssuuntiin. Käynninaikainen värähtelymuoto vastasi jäykän kappaleen ominaismuotoa, kun ominaistaajuus oli viritetty lähelle sisäisen herätteen taajuutta. Kun ominaistaajuus viritettiin pois sisäisen herätteen alueelta, käynninaikainen värähtelymuoto vastasi sisäisen momentin aiheuttamaa taipumaa tai vääntöä. Myös värähtelyn amplitudi oli selkeästi korkeampi resonanssitilanteessa. Moottorin kuormituksen muutos nähtiin amplitudin muutoksena jäykän kappaleen ominaistaajuudella. Tämä antaa myös näyttöä siitä, että kaasuvoimista aiheutuva sisäinen vääntöheräte herättää jäykän kappaleen liikkeen. Tulokset vahvistettiin toistamalla mittauksia kolmelle moottorityypille.
On selvää, että sisäiset herätteet tulee huomioida joustavien asennusten suunnittelussa ja vastelaskennassa. Joustavasti asennetun moottorin vastelaskentaa on tehty yksinkertaisella jousi-massateoriaan perustuvalla ohjelmalla, joka olettaa kiinnitetyn rakenteen jäykäksi, eikä se siten huomioi sisäisiä herätteitä. Vasteiden laskenta FEM-ohjelmalla taas ei tule kysymykseen sen vaatiman ajan ja työpanoksen suhteen. Jatkossa voitaisiin tutkia, millainen voima ohjelmaan pitää syöttää, jotta saataisiin simuloitua sisäisen momentin aikaansaama jäykän kappaleen vaste. Tällöin nopeaa, suunnittelijalähtöistä ohjelmaa voitaisiin käyttää myös tulevaisuudessa.
The aim of this thesis was to find out if the internal bending and torsional moments excite the rigid body modes in practice. The research question was answered by performing vibration measurements for flexibly mounted engines and analysing the results. The literature review focuses on engine excitation mechanics and basics of rigid body dynamics. Calculation software were utilized for calculating engine excitations and rigid body natural frequencies and mode shapes.
The work showed that the internal moments excite the engine rigid body modes. The result was achieved changing engine natural frequencies in relation to excitation frequencies and studying motion behaviour of the engine with different configurations. Tuning of the natural frequencies was possible by turning rubber elements that had different stiffness for longitudinal and horizontal directions. Operating deflection shape corresponded to rigid body motion when the natural frequency was tuned near the excitation frequency. When natural frequency was tuned out of internal excitation frequency, the operating deflection shape corresponded to the bending or twisting due to internal moment. Amplitude of vibration was also higher in the resonance situation. Change in engine load was seen as change of amplitude at a rigid body natural frequency. That also gives evidence internal torsional excitation caused by gas forces excites rigid body mode. The results were confirmed repeating measurements for three engine types.
It is obvious internal excitations must be considered in response calculations and in design of flexible mounting systems. Response calculations of flexibly mounted engines have been done with simple program based on lumped mass model assuming the mounted structure to be rigid. Internal excitations aren’t thus taken into account by the program. On the other hand, calculating responses with FEM-based program is too laborious and time consuming. It could be studied what kind of force must be entered into the program for simulating rigid body response caused by internal moment. In this way the use of the fast and designer-oriented program could be continued in the future.
Työn tarkoituksena oli selvittää, herättävätkö sisäiset taivutus- ja vääntömomentit jäykän kappaleen ominaismuodot käytännössä. Tutkimuskysymykseen saatiin vastauksia suorittamalla värähtelymittauksia joustavasti asennetuille moottoreille ja analysoimalla mittaustuloksia. Työssä syvennyttiin kirjallisuuden avulla moottoreiden herätemekaniikkaan ja jäykän kappaleen dynamiikan perusteisiin. Laskentaohjelmistoja hyödynnettiin moottoriherätteiden sekä jäykän kappaleen ominaistaajuuksien- ja muotojen laskemiseen.
Työssä osoitettiin, että sisäiset momentit herättävät moottorin jäykän kappaleen ominaismuodot. Tulokseen päästiin muuttamalla moottorin ominaistaajuuksia herätetaajuuksiin nähden ja tutkimalla moottorin liikekäyttäytymistä eri konfiguraatioilla. Ominaistaajuuksien viritys onnistui kääntämällä kumielementtejä, joilla on eri jäykkyys pituus- ja leveyssuuntiin. Käynninaikainen värähtelymuoto vastasi jäykän kappaleen ominaismuotoa, kun ominaistaajuus oli viritetty lähelle sisäisen herätteen taajuutta. Kun ominaistaajuus viritettiin pois sisäisen herätteen alueelta, käynninaikainen värähtelymuoto vastasi sisäisen momentin aiheuttamaa taipumaa tai vääntöä. Myös värähtelyn amplitudi oli selkeästi korkeampi resonanssitilanteessa. Moottorin kuormituksen muutos nähtiin amplitudin muutoksena jäykän kappaleen ominaistaajuudella. Tämä antaa myös näyttöä siitä, että kaasuvoimista aiheutuva sisäinen vääntöheräte herättää jäykän kappaleen liikkeen. Tulokset vahvistettiin toistamalla mittauksia kolmelle moottorityypille.
On selvää, että sisäiset herätteet tulee huomioida joustavien asennusten suunnittelussa ja vastelaskennassa. Joustavasti asennetun moottorin vastelaskentaa on tehty yksinkertaisella jousi-massateoriaan perustuvalla ohjelmalla, joka olettaa kiinnitetyn rakenteen jäykäksi, eikä se siten huomioi sisäisiä herätteitä. Vasteiden laskenta FEM-ohjelmalla taas ei tule kysymykseen sen vaatiman ajan ja työpanoksen suhteen. Jatkossa voitaisiin tutkia, millainen voima ohjelmaan pitää syöttää, jotta saataisiin simuloitua sisäisen momentin aikaansaama jäykän kappaleen vaste. Tällöin nopeaa, suunnittelijalähtöistä ohjelmaa voitaisiin käyttää myös tulevaisuudessa.