Análise avançada de ruído e vibração no powertrain de um veículo comercial de 10 toneladas : um estudo experimental

Abstract

Este estudo apresenta uma análise experimental para avaliar o desempenho acústico e vibracional do powertrain de um veículo de 10 toneladas. A pesquisa foi motivada pela ocorrência de estalos durante a ativação do diferencial, indicando possíveis anormalidades nos satélites do conjunto de engrenagens. A metodologia combinou análises experimentais com algum auxílio numérico, utilizando técnicas avançadas como análise de ordens, modal, vibração torcional, espectro, envelope, curtose, fator de crista, distorção e cepstro para investigar o comportamento do sistema e identificar o componente que gera os estalos. Os componentes analisados incluíram motor, eixo cardan e diferencial, com ênfase nos conjuntos de engrenagens e rolamentos. Foi desenvolvida uma célula de carga instrumentando o cardan com extensômetros para medir torque em tempo real e sensores ópticos com fitas zebras para determinar a velocidade de rotação. Foram instalados acelerômetros no eixo cardan, no carrier e microfones no carrier e no housing do eixo traseiro. Os testes experimentais contemplaram quatro condições: veículo suspenso, aceleração e frenagem, esterçamento máximo e rodagem em rodovia. A análise modal identificou a frequência natural do cardan (134,03 Hz), determinando sua rotação crítica em 8.042 RPM. A análise torcional foi realizada por meio de três métodos: acelerômetros lineares, fitas zebras e extensômetros. Apesar de problemas técnicos com os acelerômetros, os outros métodos confirmaram a ausência do fenômeno. As análises de distorção e curtose apresentaram resultados inconsistentes, enquanto o fator de crista indicou valores extremamente elevados, com desvios de até 745,14% do aceitável, provavelmente devido à intensa vibração do motor. A análise de ordens revelou as relações de engrenagens e outros componentes do sistema, destacando a combustão do motor como uma fonte significativa de ruído e vibração. Os espectros de frequência identificaram as frequências de engrenamento dos satélites, coroa e pinhão, evidenciando a alta intensidade dos satélites durante a ativação do diferencial. A análise de cepstro apontou frequências características dos rolamentos e rotação. Concluiu-se que os satélites desempenham um papel relevante na emissão dos estalos, confirmando a hipótese inicial de anormalidades.

This study presents an experimental analysis to evaluate the acoustic and vibrational performance of the powertrain of a 10-ton vehicle. The research was motivated by the occurrence of clicking noises during differential activation, indicating possible abnormalities in the satellites of the gear assembly. The methodology combined experimental analyses with some numerical assistance, using advanced techniques such as order analysis, modal analysis, torsional vibration, spectrum, envelope, kurtosis, crest factor, skewness, and cepstrum to investigate the system's behavior and identify the component generating the noises. The analyzed components included the engine, driveshaft, and differential, with an emphasis on gear assemblies and bearings. A load cell was developed by instrumenting the driveshaft with strain gauges to measure torque in real time and optical sensors with zebra tapes to determine rotational speed. Accelerometers were installed on the driveshaft, the carrier, and microphones on the carrier and the housing of the rear axle. The experimental tests covered four conditions: suspended vehicle, acceleration and braking, maximum steering, and highway driving. The modal analysis identified the natural frequency of the driveshaft (134,03 Hz), determining its critical speed at 8,042 RPM. Torsional analysis was performed using three methods: linear accelerometers, zebra tapes, and strain gauges. Despite technical problems with the accelerometers, the other methods confirmed the absence of the phenomenon. Skewness and kurtosis analyses produced inconsistent results, while the crest factor indicated extremely high values, with deviations of up to 745.14% from acceptable levels, likely due to intense engine vibration. Order analysis revealed gear ratios and other system components, highlighting engine combustion as a significant source of noise and vibration. Frequency spectra identified the meshing frequencies of the satellites, crown, and pinion, evidencing the high intensity of the satellites during differential activation. Cepstrum analysis pointed to characteristic frequencies of the bearings and rotation. It was concluded that the satellites play a relevant role in emitting the clicking noises, confirming the initial hypothesis of abnormalities.