Mechatronika - výtluky

Doporučujeme, Technologie

Mechatronika IV: Když to trochu drncá

17 listopadu 2016   Galerie

Výmoly a díry na silnici jsou naši věrní společníci. Podívali jsme se na ně z trochu jiného úhlu. Jak vlastně vznikají?

Kolik kilometrů jste dnes ujeli v autě po našich silnicích? A kolikrát během toho jste si jemně povzdechli nebo od plic zanadávali na stav vozovek? Ne, nechceme se pouštět do debat a úvah o stavu našich silnic a (ne)schopnosti silničářů. Máme pro  vás jiné, mnohem zajímavější téma.

Zamysleli jste se vlastně někdy nad tím, jak výtluky vznikají a co všechno s tím souvisí?

Přizvali jsme k tomu odborníka ze společnosti Swell, vedoucího útvaru zkoušek a simulací Jaromíra Kejvala. (Dříve jsme si s ním povídali o jiných dvou zajímavých automobilových příkladech z mechatronické praxe.)

Pozor, vyjeté koleje

U dobře udělané vozovky s kvalitním podložím i povrchem by vlastně neměl být důvod, aby díry vznikaly. Když auto jede po rovné hladké silnici, teoreticky přenáší na podklad jenom svou vlastní hmotnost. Samozřejmě záleží na tom, jestli jde o osobní nebo nákladní vůz a jestli ten druhý náhodou není přetížený. To je ale taky jiná písnička.

„Potíž nastává, když povrch nějakým tím neduhem trpí. Ono se tomu úplně vyhnout nejde, i v té nejlepší vozovce se díra objeví, ovšem mnohem méně často než na té nekvalitní,“ uvažuje Kejval.

Můžeme rozlišit vlastně dva typy poškození silnice. „Tím prvním jsou koleje, které vznikají na špatně zkonstruované silnici, která má například nevhodně provedený svršek když se skloubí teplotní zatížení a hmotnostní zatížení od nákladních aut. Samozřejmě jde o dlouhodobé opakování: stejně jako voda kapku po kapce dokáže vyhloubit díru do kamene, poškodí silnici teprve stovky a tisíce náklaďáků projíždějících stejným místem,“ popisuje. Tím druhým jsou výmoly či výtluky.

Kromě mechanického zatěžování jde samozřejmě také o teplotu a především její prudké a časté výkyvy. Jižní anebo také severské státy mají výhodu relativně stabilních teplot. Jestli jsou dlouhodobě vysoké nebo naopak nízké, nehraje až takovou roli. Materiál se přizpůsobí. Co ho ničí, je právě to naše kontinentální střídání vysokých a nízkých teplot, navíc s vlivem vnikání vody do povrchu a trhlin ve vozovce.

Den D, hodina H

No a pak jednoho krásného či sychravého dne nastane onen okamžik: ve svrchní vrstvě vozovky se vydrolí malinká díra, kamínek, kousek struktury odpadne. A začínají působit dynamické účinky kolo projede přes díru, tlumicí systém sice zachytí ráz, tlumič hodně energie pohltí, ale přesto se její velká část vrátí zpět do vozovky.

„No a ta prvotní a zpočátku malinká díra se postupně zvětšuje, jak každé auto, které přes ni projede, zanechá onen ráz. Trpí především výjezdová hrana, výtluk se rozšiřuje a prohlubuje,“ vysvětluje Kejval a dodává, že proti tomu neumíme nic moc dělat, nepomohou tady ani aktivně řízené tlumiče. Ty sice dokážou při rychlé odezvě utlumit další rázy přenášené do vozovky, ale odstranit je zcela není možné.

„Umím si představit, že někdy v budoucnu, možná, budou kamery na autě umět zachytit takový výmol s předstihem, ještě než do něj auto vjede, a přenastaví tlumiče tak, aby ty síly byly co nejmenší,“ nahlíží do budoucnosti.

Cílem celého odpružení auta je, aby se rázy nepřenášely  nahoru do odpružených  částí, tedy hlavně do karoserie a interiéru. Energie tedy musí zůstat v takzvané neodpružené hmotě v kolech, nápravnicích, v podvozkových částech a hlavně v tlumičích. A právě to působí problémy.

Povrch krásně zvlněný

Dalším fenoménem, který jistě také až příliš dobře znáte, je roleta. Typicky ji potkáme třeba v zimě na uježděném tvrdém sněhu nebo na šotolinových a vůbec nezpevněných cestách.

Jaromír Kejval k tomu říká: „Můžete se setkat s názorem, že za roletu může sypač, který sůl dávkuje v určitém rastru. Posyp pak sníh ,vyžere jen v některých místech a jinde ne. Jenomže rolety máme i v létě, na šotolině anebo mnohdy i na asfaltu.“

Jak tedy vzniká? Na svědomí ji má opět už popisované odpružení a vracení rázů do podkladu. Souvisí to s vlastní frekvencí podvozkových dílů. „Představte si například dětskou figurku zavěšenou na pružině. Zatáhnete, pustíte a ona kmitá nahoru a dolů nějakou frekvencí to je první vlastní frekvence. No a stejně to mají oblasti  podvozku a karoserie auta, nákladního i osobního.

Odpružené hmoty, tedy typicky karoserie, jsou naladěné z důvodu komfortu na nízké vlastní frekvence okolo 1 až 3 Hz. Znáte to sami, přejedete hrbol a auto se jen pomalu pohupuje. Jde o kombinaci hmotnosti karoserie a toho, jak je naladěné: jakou má odpružení tuhost. Podobně má vlastní frekvenci i podvozek auta přesněji jeho části vnímáme to, když projedeme větší dírou: podvozek zakmitá. Tahle frekvence bývá mnohem vyšší, někde mezi 10 a 20 Hz.

Při vývoji aut je třeba již v počáteční fázi sledovat a vyhodnocovat vlastní frekvence jednotlivých sestav a dílů. Tak například díly interiéru přístrojová deska, středová konzole, schránky nebo obložení dveří a podobně by v této oblasti 1520 Hz neměly vlastní frekvenci mít. Pokud by totiž byla zhruba stejná jako vlastní frekvence podvozkových sestav, tak jakýkoli průjezd i přes malé nerovnosti — které člověk v autě jinak skoro nezaznamená —, kdy se na krátkou chvíli nepatrně rozkmitá podvozková skupina, by vibrace přenášel právě až do těchto interiérových dílů. Do jisté míry se tomu vyhnout nelze, každý z auta známe povrzávání a skřípání. Kdyby se na frekvence ale nehledělo, mohl by nám kokpit auta klidně i popraskat.

Na mostě rozchod

Zpátky k roletám. Řekli jsme si, že vlastní frekvence neodpružených hmot je pro jednoduchost 20 Hz. Předpokládáme, že auta v nějakém úseku jedou zhruba stejnou rychlostí, třeba 50 km/h. Nějakou mechanickou degradací za přispění přírodních vlivů vznikne v ten krásný či sychravý den první malý výmol. Auta přes něj přejíždějí jedno za druhým, každé od něj chytne onen ráz do kola. A po nějakém časovém úseku počítáme-li s frekvencí 20 Hz, pak je to 50 ms kolo zase mechanicky úder vrací. Pružina, která stlačením absorbovala energii, se roztahuje. A znovu a znovu, každých padesát milisekund, tedy zhruba se stejnými pravidelnými rozestupy. Sice s menší razancí (tlumič něco pohltí), ale vrací. A na světě je pěkná, pravidelná a nervy drásající roleta. V tomto příkladě je rozteč té rolety zhruba 0,7 metru.

Jaromír Kejval k tomu doplňuje: „Napadá mě známý příměr s mostem a plukem vojáků: po mostě by se nemělo chodit pochodovým krokem, protože pravidelné rázy mohou konstrukci rozvibrovat na jeho rezonanční frekvenci. Podobně s vozovkou: když máte systém s nějakou rezonancí a začnete ho na té rezonanci budit, tak díry na silnici začnou samy o sobě ten systém dostávat do rezonance. Znáte to sami, vjedete do první díry a pak to začne mlátit a vibrovat, auto se roztřese a je nutné zpomalit. Na dálnici může mít roleta rozestup i několik metrů, na měkké šotolině klidně i metr.“

Někdy se naopak doporučuje zrychlit, aby se auto z této rezonance dostalo. Jenže to nepomáhá vždy, může to být ještě nepříjemnější a chce to pevné nervy a malý soucit s autem. Zkuste si to třeba na dálnici D2 kolem Hustopečí…

Jakže, milý Newtone?

Roleta je velmi nebezpečná z pohledu životnosti materiálu a především spojů mezi díly. Jaromír Kejval popisuje, že ve zkušebně Swellu to také testují: „Jde nám především o mechanické systémy, které nemají tlumení. Například svařované pevné struktury a konstrukce a podobně. Zesílení na vlastní frekvenci se tu může vyšplhat i na stonásobek. Systém je dimenzovaný na nějaké síly, a když je dlouhodobě a opakovaně překračujeme, velmi trpí a poškozuje se.

Do hry tady vstupuje také zrychlení. Jde o druhý Newtonův pohybový zákon, který říká, že síla = hmotnost × zrychlení. Při málo tlumených vibracích se může odezva systému dostat i na deseti- i vícenásobek buzení. Při buzení zrychlením 1 g se pak odezva může na rezonanční frekvenci dostat na 10 g. V praxi to může být desetinásobné zatížení oproti statickému namáhání. Taková síla se pak přenáší do celého systému. Samozřejmě tenhle příklad neplatí u aut, která jsou vybavena tlumiči, jež velkou část této energie pohltí. Ale pokud by auto odpružené nebylo, po čase se jednoduše rozpadne. Vzpomeňte si na různé klukovské káry ze dřeva.

Takový je tedy příběh výtluků a výmolů a rolet. Auto za autem, náklaďák za kamionem ničí pomalu a postupně povrch silnic. Ale reagují i vozidla samotná, vždyť při přejezdu nerovností mohou u osobních automobilů vznikat rázy ve špičkách i 10 kN na jednom zatíženém kole. Jakkoli dobře a bytelně zkonstruované a postavené auto prostě zákonitě trpí. Odcházejí tlumiče, pružiny, ramena, kulové čepy a tak dále. Kdo by to neznal.

Jak na výmoly reagujete vy? A máte nějaký recept na rolety? Podělte se v diskusi.

Foto: Wikipedia

, , , , ,



Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Anti SPAM *

Buďme v kontaktu

Sledujte VVAutomotive na síti LinkedIn a na Facebooku – buďte v kontaktu s profesionály z oboru. Odebírejte aktuální informace a rozšiřte komunitu odborníků.

LinkedIn Facebook