Miért drága egy csendes autó?

Technika: Mennyit fizetünk a csendért? – II. rész

2021.05.14. 06:07

Fejlesztőmérnökök zaj és rezgéscsillapítási fegyverarzenáljuk minden elemét bevetve elérték, hogy egy mai alsó-középkategóriás autó belső terének zajszintje megegyezik egy nyolcvanas-kilencvenes évekbeli luxusautóéval. De milyen akadályokat kellett ehhez legyőzni, és meddig lehet ezt még fokozni?

Első körben tisztázzuk, mi is az a hang? Hangról akkor beszélünk, ha valamilyen szilárd vagy folyékony - és az akusztikában a levegő is folyadéknak számít – anyagban rezgés jön létre. Szilárd anyagokban ez a rezgés keresztirányú (azaz transzverzális) hullámokként, légnemű anyagokban pedig hosszanti irányú, (azaz longitudinális) hullámokként jelenik meg. A két kitüntet irány azt jelenti, hogy a részecskék periodikus ide-oda mozgása a hanghullám, illetve rezgés haladási irányával párhuzamos vagy merőleges irányban történik.

Egy autóban mindkét rezgésforma megtalálható. A jármű anyaga, mely körülvesz minket, szilárd fémek, polimerek és kerámiák keveréke, míg az utasteret kitöltő levegő légnemű. A hang nem fordul sarkon, ha egy közeg határához ér, hanem képes elnyelődni, visszaverődni, illetve átlépni a másik közegbe. Ez megtörténik szilárdból légnemű, légneműből szilárd irányba egyaránt. Ez a kölcsönhatás hozza létre azt a zavaró, monoton búgást, melynek nem tudjuk megmondani a forrását (mert mindenhol ott van), idegesítő kattogást a kesztyűtartó felől, vagy fura nyikorgást, melyet alulról hallunk.

Vigyázat, a következő keretesben száraz mechanikai elmélet jön, senkit nem hibáztatok, ha átugorja!

Egy kis hang- és zajelmélet

A hangot sokféleképpen jellemezhetjük. Elsőként persze a hangerő és a frekvencia jut eszünkbe, de ha precízek szeretnénk lenni, ennél azért bonyolultabb a dolog. A hang csak a legritkább esetekben hozza rezgésbe a levegő molekuláit egyetlen frekvencián. Ekkor beszélhetünk tiszta hangról. Ilyen kivételes eset elméletileg a hangvilla megpendítése, mely során a villa szárai másodpercenként 440 periodikus rezgést tesznek meg, azaz a villa 440 Hz-en szól, és létrejön a C-Dúr skála hatodik eleme, az A hang. Persze előfordulhatnak felharmonikusok is, melyek egy frekvencia egész számú többszörösén szólnak. Ahogy az előző részben a vonalzós példán levezettem, a hangvilla is könnyen elhangolható, ha egy kis tömeget ragasztunk a száraira, rosszabb esetben kifúrjuk.

A hangerő, mint mértékegység is pontosításra szorul. A köznyelvben hangerő alatt valójában a hangteljesítményszintet értjük, azaz a kérdéses hangteljesítmény szint és a hallásküszöb hányadosának tízes alapú logaritmusát. És el is jutottunk a jól ismert decibelhez (dB). A dB azonban trükkös mértékegység. Használata praktikus, mert jól illeszkedik a hallásérzetünkhöz, ami szintén logaritmikus skálát követ, azaz W/m2-ben kifejezve tízszer akkora hatást kétszer erősebbnek érzünk. Érdekes továbbá az is, hogy mi történik, ha összegezni szeretnénk hangszinteket. Ha bekapcsolunk egymás mellett két fúrógépet és mindegyik 80 dB zajt bocsát ki, akkor a szoba egy megfelelő pontjában nem 160 dB lesz a zajszint, hanem csak 83 dB. Ez annak köszönhető, hogy dupla hangintenzitás 3 dB-lel magasabb zajszintnek felel meg ezen a skálán.

A hang egy zavaró alfaja a zaj. A zaj definíció szerint különböző erősségű és frekvenciájú hangok véletlenszerű keveréke. Ismert a mondás, mely szerint szelektív hallásunk van és nem szívesen hallunk meg olyan dolgokat, amikhez nem fűlik a fogunk, és ebben több igazság van, mint gondolnánk. Persze az érzékelés személyenként és életkoronként eltérő lehet.

Ismerünk tipikus zajtípusokat az autóban, a kopogó futóművel talán senkinek sem kell bemutatni. Na de pontosan mi is történik a futóműben, amikor az éppen kopog ? A személy és versenyautók futóműve között az egyik alapvető különbség az egymáshoz képest elmozduló, elforduló alkatrészek közti mozgást lehetővé tevő mechanizmusok merevsége. Versenyautók esetén fontos a közvetlen kormányreakció, a minimális imbolygás, vagyis a feszesre hangolt kerékfelfüggesztés. Ennek elérése érdekében gyakran fém gömbcsuklókat ( GL-szemeket ) használnak, melyek merevsége nagyságrendekkel nagyobb, mint a lengőkarok végébe vulkanizált gumié, azaz a szilenteké (innen a név is: csendes).

Persze hátránya is van a megoldásnak, az út minden rezgését érezni fogjuk a kormányon és a karosszérián, ellenben a kormány szögpercnyi elfordulás hatására is reagál a jármű, tétovázás és késedelem nélkül. Persze ennek akkor van igazán értelme, ha minél kevésbé ballonos a gumi. További hátránya, hogy kevésbé toleráns arra, ha teljesen kitekert kormányállásnál megpadkázzuk a kerekeket, ugyanis nincs rugalmas kapcsolat az alkatrészek között, a lengőkarok könnyen elhajolhatnak, nem ilyen jellegű terhelésre lettek méretezve. Parkolás során mellesleg semmilyen jármű esetén sem javasolt a kormány végállásig tekerése, a kormánymű végállás-ütközők padkától való védelme miatt.

Egy személyautó esetén viszont a fő szempont többnyire a komfortosság, ezért szinte minden futóműalkatrész perselyekbe vulkanizált gumi elemeken keresztül adja át a terhelést a szomszédos alkatrésznek. Ha vannak is elvétve fém gömbcsuklók, az biztos, hogy az erő - vagy ezek előtt vagy ezek után – de át fog haladni egy gumi elemen is. A futómű gyakorlatilag sorba és párhuzamosan kapcsolt, kisebb és nagyobb merevségű, rugalmas és csillapító elemek bonyolult hálózata. Nagyobb merevségű részei a lengőkarok, a segédkeret, közepes merevségűek a csavarrugók, légrugók, illetve a stabilizátor. Legkisebb merevségű tagjai pedig a gumibakok, melyekkel a merevebb alkatrészek egymáshoz csatlakoznak.

Sok autószerelő nincs tisztában azzal, hogy az említett gumibakoknak van egy csavarásra tehermentes állapota. Ezért amikor a  lengőkar cseréjére kerül a sor, ügyelni kell arra, hogy a csavarokat úgy húzza az ember végleges nyomatékra, hogy a kocsi a terheletlen állapotában - ami alatt azt értjük, hogy vízszintes talajon, tehermentesen áll (lássuk be a legtöbb időt így tölti a kocsi) – a gumibakok nagyjából csavarásra terheletlen állapotban legyenek. Ugyanis amikor felemelünk egy autót, a kerekei eltávolodnak a kasznitól, a teljes futómű egy életidegen helyzetbe kerül. Ez azzal jár, hogy a lengőkarokban lévő csavarásra is igénybe vett gumibakok perselye a lengőkarhoz képest extrém módon elcsavarodik. Az alapvetően nem gond, ha ez megtörténik pár alkalommal, a gond akkor kezdődik, ha a szerelő ebben az életidegen helyzetben rögzíti a csavarokat, majd az autó leengedése után a nem terheletlen állapotába kerülő gumibakok életük végéig indokolatlanul feszülnek majd. És ez együtt jár a polimer szálak korábbi degradációjával, az anyag berepedezésével, végül pedig szakadásával. Ekkor pedig a futómű kopog.

Érdemes tehát felemelt állapotban összeszerelni nyomatékra húzás nélkül a csavarokat, és amennyire a helyzet engedi, szabad mozgást engedni csavarodására a gumibakok belsejének, majd a csavarokat csak a már közel leengedett állapotban nyomatékra húzni, amikor a kerekek közel természetes magasságban vannak a karosszériához képest. Persze a gyári futóműveknél erre figyelnek, egy idő után mégis tönkremennek, de korán sem mindegy, hogy mennyi idő után. Ezen kívül egy sor tényező befolyásolja a gumibakok élettartamát, az útminőség, az alvázmosáskor használt oldószer típusa, esetleg egy lelkesen használt és mindenhová eljuttatott alváz- és üregvédő anyag.

A kopogás leggyakoribb oka tehát a gumibakok elöregedése, szakadása, ezáltal a folyamatos mechanikai kapcsolat megszűnése a futómű komponensek között. Kopogás terhelésváltás esetén lép fel, amikor valamelyik futóműalkatrész húzó terhelésből nyomó terhelést kell felvegyen. Ez történik kanyarodáskor, illetve ki- és berugózás során. Emellett okozhat zajt még a csavarrugó törése is, ha leválik egy-egy menet, kikophat a toronycsapágy McPherson első futómű esetén, illetve rosszabb esetben eltörhetnek a fő teherviselő elemek. Arról nem ejtenék szót, hogy a futómű bekötési pontjai is kiszakadhatnak a karosszériából.

A futóműnek is, mint minden rezgő rendszernek van több sajátfrekvenciája, melyeken szívesen rezeg. A komfort növelése céljából magasabb kategóriájú autókban gyakran hidrodinamikus csillapítóelem köti össze a segédkeretet a karosszériával, mely azon a bizonyos frekvencián csillapít leginkább, ahol a futómű-karosszéria rendszer legszívesebben rezegne. Persze ha a gyáritól nagyon eltérő (tömegű) felni-abroncs kombinációt használunk, akkor ez már nem úgy fog hatni, ahogy azt a fejlesztőmérnökök bonyolult lengéstani modelljeik segítségével kiszámolták.

Egy jól működő futómű esetén, megfelelő útviszonyok között a legfőbb futómű felől érkező zajforrás az aszfalt és kerék között létrejövő gördülési zaj. Ez erősen függ az aszfalt felületi érdességétől. Akusztikai (és gumikopás) szempontból a sima aszfalt volna ideális, de más megfontolások – pl. tapadás - alapján az nem mindig célravezető, ha pár csepp eső után korcsolyapályává változik az úttest, mert a víz nem tud beszivárogni a tükörsima útburkolat nem létező csúcsai közé.

Legendák szólnak róla, hogy sajtóutakra az autók kerekébe nitrogént pumpálnak levegő helyett, melynek 78%-a amúgy is nitrogén. A két közegben kb. azonos a hangsebesség, (0° C-on, nitrogéngázban: 334 m/s, levegőben: 331 m/s), azonban az abroncsban lévő gáznak is van egy sajátlengése, mely jellemzően susogó hangot adhat, és ennek hatása elméletben csökkenthető a nitrogénnel. Ember legyen a talpán, aki meghallja a különbséget.

Sok mai autóban megtalálható már a légrugós felfüggesztés. Ennek számos előnye van, a levegő nyomással változtatható a rugó merevsége, így mindig az adott terheléshez, útviszonyokhoz állítható a futómű karakterisztikája, szemben az állandó merevségű csavarrugóval, amit igyekeztek a legtöbb üzemállapotban megfelelőre méretezni, de akár a négyévszakos gumit, ezt is kompromisszumok egész sora jellemzi, és egyik szituációban sem lesz tökéletes. Légrugóval állíthatóvá válik a hasmagasság, ami bizonyos helyzetekben igen előnyös lehet, és nem utolsó sorban a levegő sokkal nehezebben közli a rezgéseket, mint a rugóacél, ezért akusztikai szempontból egy légrugós jármű sokkal előnyösebb.

A rugózás mellett manapság a csillapítás menet közbeni változtatása is megoldott, mágneses mezőre reagálni képes folyadékkal feltöltött lengéscsillapítók már több modellben megtalálhatóak. A mágneses térbe helyezett folyadék viszkozitása arányosan változik a mágneses tér fluxusával, így a lengéscsillapító lengése során több vagy kevesebb mozgási energiát képes hővé alakítani.

Megemlíteném továbbá az inkább menetdinamikai, mint akusztikai szempontból érdekes változtatható torziós merevségű kanyarstabilizátort, mely az adott vezetési helyzetnek megfelelően mindig a megfelelő kapcsolatot biztosítja a bal és jobboldali felfüggesztés között, kvázi egy fokozatmentes átmentet képez a független és a kapcsolt kerékfelfüggesztés között.

A járműakusztikusok régi álma a kormánymű drive-by-wire működtetése. A tűzfalhoz rögzített kormányrúdon ugyanis rengeteg rezgés adódik át a karosszériára, illetve ott van még a kormánykerék rezgése is, melynek csillapítására külön passzív lengéscsillapítót találhatunk sok kormánykerékben a légzsák mellett. Ennek széleskörű elterjedésére még várnunk kell, de talán ez nem is olyan nagy baj.

A futóműhöz legközelebb eső másik zajforrás a kipufogórendszer. A futóművel ellentétben, ahol lehetőleg minden zajtól meg szeretnénk szabadulni, itt előfordulhatnak kellemes zajok is. Attól függően, hogy sportosra vagy komfortosra hangolt járműről beszélünk, más-más kipufogóhang-karakterisztikát kapnak a járművek. Utóbbi esetén cél, hogy gyakorlatilag a fordulatszámtartomány közel harmadáig tudomást se kelljen vennünk motor jelenlétéről a fülünkkel, és azt követően se domináljon a motorhang az utastérben. Egy sportos jármű elindítása esetén pedig külön szeretnénk jelezni az egész lakóközösség számára, hogy éppen elindulunk otthonról, és fontos, hogy alapjáraton se becsülje senki alá a hengereink számát.

Kipufogótervezés esetén fontos szám a nyomásesés és a zajszint. A kettő egymással fordítottan arányos, és egy ideális kipufogó nyomásesése nulla, mégis képes lecsendesíteni az autót a hatósági előírások szintjére. Ilyen persze nem létezik. Abszurd módon egy nagy teljesítményű autó motorteljesítményének egy része arra megy el, hogy legyőzze az alá épített kipufogórendszer nyomásesését, azaz energiát használ arra, hogy átpumpálja a kipufogón az égéstermékeket.

Léteznek megoldások arra is, hogy a sportos és komfortos érzést egy adott járműben tudhassuk magunkénak. Erre bevált módszer egy kis csapóajtó, ami rövidebb és hosszabb utat (kisebb és nagyobb ellenállást ill. nyomásesést) hivatott engedélyezni az égéstermék számára. Egy újabb alkatrész, melyet ki kellett fejleszteni, mely tönkremehet és melyet az autó élete során végig magával cipel.

Nagy sebességű haladás mellett a legfőbb zajforrás a menetszél. Ezt az autó aerodinamikájának fejlesztésével tudják csökkenteni. Az autót vagy annak méretarányos modelljét egy szélcsatornába helyezik, és figyelik, mely részeken lamináris és melyeken turbulens az áramlás. Ez duplán előnyös törekvés, ugyanis turbulens leválások számának csökkentésével az autó légellenállási tényezője is csökken, azaz kisebb lesz a fogyasztásunk, nagyobb a hatótávunk. Ilyen törekvéseket érhetünk tetten, amikor nem tudjuk alapállásban lecserélni az ablaktörlőlapátot, mert az mélyen elbújt a motorháztető alatt, vagy amikor kamerát és képernyőt találunk a visszapillantó helyén. A szélzaj esetén is igaz, hogy ha teljes mértékben megszüntetni nem sikerült a forrását, akkor izolációként jöhet a duplarétegű, hangszigetelt szélvédő.

A végére hagytam a hajtáslánc zajait. Talán ez a legösszetettebb az eddig felsoroltak közül, itt a legtöbb a csúszó, gördülő, forgó, alternáló alkatrész, melyek egymáshoz képest nagy relatív sebességkülönbséggel mozognak. Nem véletlen, hogy egy jobban sikerült akusztikájú, korszerű autóban csak a fordulatszámmérő segítségével tudhatjuk biztosan, hogy éppen jár-e a motor. Ennek elérését egy sor műszaki megoldás tette lehetővé, kezdve a kiegyensúlyozó tengelyektől, ferde fogazású fogaskerekeken át, a szíjhajtáson keresztül egészen a zajcsillapított légszűrőig. De ne feledkezzünk meg a csillapított ékszíjtárcsáról, a kettős tömegű lendkerékről, illetve a csillapított kuplungtárcsáról sem.

A vezérműszíj használata egyszerűsége és kedvező ára mellett akusztikai szempontból is kedvezőbb. A motor-tengelykapcsoló-differenciálmű folyamatos gerjesztést szolgáltat a karosszéria számára, azért nem véletlen, hogy minden tagját valamilyen rugalmas elem köti össze a járművel (izoláció). Itt is megtalálható a futóműveknél taglalt hidrodinamikus, sőt elektronikusan állítható hidrodinamikus motortartó bak. A motorból, váltóból érkező zajok lehetséges okainak taglalásába nem mennék bele mert az túl messzire vezetne, viszont a mesterséges intelligenciát és Big Datát felhasználva érdekes fejlesztések folynak ezzel kapcsolatban. Ezek alapfeltevése, hogy mindösszesen a zaj ismeretéből egy sor tipikus hiba detektálható. Azaz, ha rögzítjük pár ezer, tízezer autó motorhangját, melyeknek ismert valamilyen mechanikus hibája, akkor egy ismeretlen hibájú autó hangját rögzítve és szoftveresen elemezve diagnosztizálhatjuk a motor mechanikai állapotát. Sőt, elméletben előre jelezhetünk egy súlyos tönkremenetelt, és elkerülhetünk akár egy motorcserét is. Elképzelhetőnek tartom, hogy pár év múlva egy mobil app segítségével megállapíthatjuk, hogy lassan cserélni kell azt a vezérműláncot, mert igencsak megnyúlt már.

És itt válik majd a járműakusztika a prémium hóbortjából a tömegek megmentőjévé.

És ahogy ígértem, Endre sok szempontot mérlegelve megtalálta maga számára az arany középutat a használt prémium és az új fapad között. Ahogy első alkalommal, azóta is mindig boldogan ül be a harmadik generációs 1.8 TSI Octaviába.

Hirdetésblokkolóval néznéd éppen a Totalcart, és ettől mi éhen halunk.

A TC olvasása ingyen van, de a működtetése nem: szerzőink és családjaik táplálkoznak, és ami fontosabb: rendszeresen tankolnak, pénzért.

Kérjük, engedélyezd a TC-n a hirdetések megjelenítését, vagy ellehetetleníted a működését annak, amit épp olvasni szeretnél.