Originally presented as the author's Thesis--Universität Hannover, 2008. / Includes bibliographical references.

The area of powertrain dynamics has received considerable attention over a number of years. The recent introduction of more stringent emission requirements together with economic pressure has led to a particular focus on increasing powertrain efficiency. This has seen the incorporation of on-board, real-time measurements to predict system behaviour and engine condition. In this domain, accurate models for all powertrain components are important. One strategy to improve accuracy is to evaluate the assumptions made when deriving each model and then to address the simplifications that may introduce large errors. To this end, the aim of the work presented in this dissertation was to investigate the consequences of some of the more common assumptions and simplifications made in low frequency torsional powertrain models, and to propose improved models where appropriate. In particular, the effects of piston-tocylinder friction, crank/gudgeon pin offset, and the torsional behaviour of tyres were studied. Frequency and time domain models were used to investigate system behaviour and model predictions were compared with measurements on a small single cylinder engine. All time domain engine and powertrain models also include a variable inertia function for each reciprocating mechanism. It was found that piston-to-cylinder friction can increase the apparent inertia variation of a single reciprocating engine mechanism. This has implications for the nonlinear behaviour of engines and the drivetrains they are connected to. The effect of crank/gudgeon pin offset also modified the nonlinear behaviour of the mechanism. Though, for typical (small) gudgeon offset values these effects are small. However, for large offset values, achievable practically with crank offset, the modification to the nonlinear behaviour should not be ignored. The low frequency torsional damping properties of a small pneumatic tyre were found to be more accurately represented as hysteretic rather than viscous. Time domain modelling was then used to extend the results to a multi-cylinder engine powertrain and was achieved using the Time Domain Receptance (TDR) method. Various powertrain component TDRs were developed using Laplacians. Powertrain simulations showed that piston-to-cylinder friction can provide additional excitation to the system.

Orientador: Milton Dias Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T02:12:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Simionatto_ViniciusGabrielSegala_D.pdf: 8460823 bytes, checksum: 3f1c69b6dfe1b24e67844c22ad4d181d (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Absorvedores de Vibração Pendulares Centrífugos (ou CPVAs) são uma tecnologia criada em 1911, que trouxe excelentes resultados na redução de vibração torcional de muitos sistemas. Porém, sua aplicação em trens de potência automotivos para redução de vibração no virabrequim tornou-se inviável ao final da década de 1940 pela existência de dampers viscosos à base de silicone, uma solução mais barata e com performance similar em certas aplicações. Contudo, a vibração torcional transmitida a transmissões manuais ou automatizadas, em certas velocidades críticas, pode gerar ruído em níveis inaceitáveis, e as soluções atuais para a atenuação deste tipo de vibração, em algumas aplicações, são ou pouco efetivas, como o atrito em discos de embreagem, ou muito custosas, como volantes de dupla massa. Por isso, neste trabalho busca-se a aplicação de absorvedores de vibração pendulares em um disco de embreagem de um trem de potência automotivo equipado com uma transmissão automatizada para a redução de vibração torcional na transmissão, reduzindo possivelmente o ruído de rattle. Para este fim, primeiramente testes são realizados no veículo em estudo para o levantamento de dados torcionais do trem de potência, e em seguida, um modelo linear torcional é proposto, para que a dinâmica torcional do trem de potência seja representada. Em seguida, uma análise extensiva dos principais tipos de CPVA é realizada. São realizadas análises lineares e não lineares em modelos com parâmetros adimensionais de um e dois rotores com pêndulos centrífugos, e nas análises não lineares, o Método de Múltiplas Escalas é utilizado; um método mais robusto e preciso do que o método que vem sendo utilizado nos principais trabalhos nesta área. Além disso, as análises são feitas considerando-se que os pêndulos possuem trajetória genérica, e ênfase é dada às trajetórias clássicas: circular, cicloide e epiciclóide. Com base nestas análises, duas metodologias de projeto de pêndulos centrífugos são propostas. Além disso, um protótipo de disco de embreagem com pêndulo é proposto. Então, baseando-se nas limitações do projeto, simulações são feitas utilizando o modelo proposto para o trem de potência e o modelo não linear do pêndulo. As primeiras simulações são feitas obedecendo as limitações do projeto, que propiciam um pequeno raio de instalação do pêndulo e permitem que ele possua massa muito menor do que o valor ideal. Estas simulações mostram que, neste caso o pêndulo se torna instável e ineficaz. Nas simulações seguintes, as limitações de projeto são desprezadas e ambos os projetos de pêndulo são testados. Com maior inércia, o absorvedor pendular é capaz de reduzir substancialmente a vibração torcional na transmissão sem que seja necessário introduzir atrito no disco de embreagem. Contudo, pêndulos com maior inércia podem comprometer a vida útil dos sincronizadores da transmissão, e por isso estudos devem ser realizados para verificar este efeito colateral / Abstract: Centrifugal Pendulum Vibration Absorbers (or CPVAs) are a technology which dates back to 1911, and which has brought excellent results on the reduction of torsional vibrations in many systems. Its application in automotive powertrains for the reduction of vibration on the crankshaft became impracticable by the second half of the 1940s due to the existence of silicone based viscous dampers, a cheaper solution that had similar performance in many applications. However, torsional vibration transmitted to manual or semi-automatic gearboxes may cause unacceptable noise in some critical speeds, and the current solutions for the mitigation of this kind of vibration are, in some cases, either not effective, as torsional friction in clutch disks, or too expensive, as dual mass flywheels. For this reason, in this work, the use of centrifugal pendulum vibration absorbers on a clutch disk of a vehicle powertrain equipped with a semi-automatic gearbox is studied, aiming at reducing torsional vibration at the gearbox, leading to possible reduction of rattle noise. For this means, firstly tests are performed on the vehicle under investigation in order to obtain torsional data from its powertrain, and a linear torsional model of it is proposed next, so that the torsional dynamics of the powertrain can be represented. Then, an extensive analysis of the main types of CPVA are performed. Linear and nonlinear analyses are made in models with dimensionless parameters composed by one of two rotors and centrifugal pendulums. For the nonlinear analyses, the Method of Multiple Scales is used; a more robust and precise method than the one which has been used on the main literature in this area. Besides, the analyses are performed considering general-path pendulums and emphasis is given to the classical paths: circular, cycloid and epicycloid. Based on these analyses, two design techniques for CPVAs are proposed. Furthermore, a prototype of a clutch disk with pendulum absorbers is proposed. Then, based on project limitations, simulations are performed using the powertrain model and the nonlinear model of the CPVA. The first simulations are performed taking into consideration the project limitations, which allow a small radius for pinning the pendulum and also for a small mass of the pendulum bob, much lower than the ideal value. These simulations show that, in this case, the pendulum becomes unstable and ineffective. On the forthcoming simulations, project limitations are neglected and both pendulum design techniques are tested. With higher inertia, the pendulum absorbers are capable of providing a substantial reduction on the amplitude of vibration of the gearbox without the need for adding torsional friction to the clutch disk. However, pendulum bobs with high inertia may harm the service life of the gearbox¿s synchronizers, and further studies must be performed to evaluate this side effect / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Dias Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T02:04:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Miyasato_HugoHeidy_D.pdf: 11029202 bytes, checksum: 6dc0ca80ebb19f846ccecdc9fe6870e3 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O trem de potência é um sistema complexo, uma vez que envolve a interação entre componentes tais como o motor, a embreagem, a transmissão e as rodas. Diversos fenômenos de ruído, vibração e sua severidade (NVH) podem surgir durante o seu funcionamento (judder, clonk, shuffle, rattle, etc.). O squeal de embreagens é um fenômeno relativamente novo desse sistema e ele surge como um ruído de tom único, especialmente em situações de partida na fase de modulação da embreagem. Componentes tais como as molas cushion, membrana e de retrocesso foram modeladas a fim de permitir a criação de diferentes projetos e combinações em termos de posição e propriedades físicas. Um mecanismo de estabilização para a placa de pressão foi testado numericamente para servir como uma alternativa para o sistema quando não existem possibilidades de modificações nos seus parâmetros. Discos de embreagens reais contêm imperfeições devido à utilização, tolerâncias da manufatura, etc. Para levar esses fatos em consideração, um elemento rotativo de rigidez/amortecimento viscoso com atrito foi criado para representar as molas cushion e suportar distribuições arbitrárias ao longo do perímetro do disco, permitindo que cada elemento tenha suas próprias características. A suposição de amortecimento viscoso introduziu termos relacionados à velocidade de rotação do disco de embreagem na matriz de rigidez. Simulações com pequenos erros de posicionamento nas molas cushion geraram acoplamento entre a vibração axial da placa de pressão e seus deslocamentos angulares. A mola membrana foi modelada como uma alavanca, permitindo a introdução de medições. Isso foi importante para identificar regiões de rigidez negativa e positiva, explicando sua interação com uma curva de cushion real. As molas de retrocesso foram modeladas, resultando numa representação matricial na qual foi possível gerar termos de rigidez positiva fora da diagonal principal. Finalmente, o mecanismo de estabilização para o sistema consistiu de outro disco conectado à placa de pressão. Quando as propriedades do dispositivo foram ajustadas apropriadamente, ele foi efetivo em uma situação de veering. Nessa condição, as coordenadas de ambos os discos foram combinadas nas formas modais, causando movimentos de wobbling fora de fase que resultaram em dissipação de energia nos elementos de conexão / Abstract: The powertrain is a complex system, once that it involves the interaction between components such as the engine, the clutch, the transmission and the wheels. Several noise, vibration and harshness (NVH) phenomena may appear during its operation (judder, clonk, shuffle, rattle, etc.). Clutch squeal is a relatively new phenomenon of this system and it appears as a single tone noise, especially on a drive-off condition on the modulation phase of the clutch. Components such as the cushion, diaphragm and leaf springs were modelled to allow the creation of different designs and combinations in terms of position or physical properties. A stabilization device for the pressure plate was numerically tested to serve as an alternative to the system when there are no practical possibilities of modifications on its parameters. Real clutch discs contain imperfections due to usage, manufacturing tolerances, etc. To take these facts into consideration, a rotating stiffness/viscous damper element with friction was created to represent the cushion springs and support arbitrary distributions along the perimeter of the disc, allowing each element to have its own characteristics. The assumption of viscous damping introduced terms related to the clutch disc rotating speed on the stiffness matrix. Simulations with small position errors on the cushion spring generated coupling between the pressure plate axial vibration and its angular displacements. The diaphragm spring was modelled as a lever, allowing the introduction of measurements. It was important to identify regions of negative and positive stiffness, explaining its interaction with a real cushion curve. The leaf springs were modelled, which resulted on a matrix representation where it was possible to generate positive stiffness terms out of its main diagonal. Finally, the stabilization device for the system consisted of another disc connected to the pressure plate. When the device properties were properly adjusted, it was affective in a situation of veering. In this condition, the coordinates of both discs were combined on the mode shapes, causing out of phase wobbling motions, that resulted on energy dissipation on the connection elements / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica