O uso de pêndulos centrífugos para controle de vibrações torcionais em trens de potência automotivos

Orientador: Milton Dias JuniorTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: 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 colateralAbstract: 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 effectDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânic