Hlavné trendy vo vývoji pohonných (ako aj iných) systémov sú:
- zvýšenie efektivity,
- znížiť emisie,
- a udržiavať výkonnosť.
Výsledkom týchto trendov sú neustále inovácie a nové technológie. Vyváženie správania sa NVH (hluk a vibrácie) a výkonu a účinnosti je výzvou, ktorej v súčasnosti čelí mnoho vývojových oddelení. Mať pod kontrolou NVH hnacieho ústrojenstva je čoraz náročnejšie. Ako sa vyhnúť neskorým zmenám riadenia, ktoré ovplyvňujú NVH? Jediným riešením je ísť nad rámec posudzovania výlučne NVH hnacieho ústrojenstva.
Ak chcete mať kontrolu nad NVH, je potrebné spojiť samostatné meracie procesy do jedného synchronizovaného merania na skúšobnej stolici hnacieho ústrojenstva. Ide o kombináciu týchto meraní:
- Hodnotenie NVH (objednávky, ODS, akustický výkon,…)
- posúdenie torzných vibrácií (torzná rezonancia, výkon pohonu, predné príslušenstvo)
- lokalizácia zdroja zvuku.
Dnes sa pozrieme na torzné vibrácie.
Čo sú torzné vibrácie?
Na zodpovedanie tejto otázky sa môžeme pozrieť na otáčky motora (RPM) počas zrýchľovania motora. Ako môžete vidieť na obrázku nižšie, otáčky sa nezvyšujú rovnomerne. Dochádza k malým výkyvom smerom nahor/nadol.
Prečo a kde vznikajú torzné vibrácie?
Príkladom môže byť spaľovací motor. Spaľovacie motory prirodzene generujú veľmi vysoké kolísanie krútiaceho momentu, keď prechádzajú cyklickým dejom (pohybom valcov). A to má za následok premenlivé otáčky = torzné kmitanie.
Zdrojom torzných vibrácií môže byť napr.
- vŕzganie spojky = preklzávanie v rezonancii s hnacím ústrojenstvom
- spojkový hukot = nízkofrekvenčné vibrácie pedálu pri zapínaní/vypínaní
- pohon predného príslušenstva – chyba prevodovky, hluk, rezonancie remeňa
- torzné rezonancie hriadeľa hnacieho ústrojenstva
- prevodovka – chyba prevodu a premenlivé zaťaženie v dôsledku nepravidelností ozubených kolies
- spaľovací motor – periodický nerovnomerný krútiaci moment z povahy veci, zmenšovanie rozmerov
- ventilový rozvod
- turbodúchadlo/preplňovač – pulzácia tlaku plynu alebo kvapaliny
- torzný tlmič
Torzné vibrácie sa nevyskytujú nezávisle. Torzné vibrácie sú len jedným z aspektov dynamického správania. Torzné a „iné“ vibračné zaťaženia sa vyskytujú súčasne. Ovplyvňujú životnosť, vibrácie, hluk, komfort a výkon. Je potrebné vziať do úvahy, že torzné vibrácie sa nedajú merať bežnými snímačmi prekladu.
Prečo sú torzné vibrácie dôležité pre NVH?
Torzné vibrácie a NVH sú prepojené. Vysvetlenie je jasné – existuje priama súvislosť medzi torznými vibráciami hnacieho ústrojenstva a hlukom vo vnútri vozidla.
Testovanie torzných vibrácií
Na meranie torzných vibrácií môžeme použiť širokú škálu senzorov a techník. Zamerajme sa na niekoľko z nich.
A) Techniky priameho merania
Na priame meranie sa používajú
– uhlové akcelerometre,
– tenzometre,
– dvojlúčové laserové interferometre.
Uhlové akcelerometre merajú priamo torzné vibrácie, majú veľmi dobrý dynamický rozsah a nízku citlivosť na translačné vibrácie (ak sú 2 akcelerometre dobre zarovnané na priemere). Hlavnými nevýhodami sú hmotnostné zaťaženie na malých hriadeľoch, riziko nevyváženosti, požiadavka na telemetriu alebo klzné krúžky, žiadny absolútny uhol (žiadna uhlová oblasť), žiadna referencia TDC a riziko straty rovnováhy (odstredivé sily).
Tenzometre merajú priamo torzné napätie, majú nízku citlivosť na translačné vibrácie a sú užitočné na meranie zaťaženia a krútiaceho momentu. Hlavnými nevýhodami sú žiadne otáčky, žiadny uhol, požiadavka na telemetriu alebo klzné krúžky, hmotnostné zaťaženie malého hriadeľa, riziko nevyváženosti na referenčnom bode TDC a tiež riziko straty zariadenia v dôsledku odstredivých síl.
Dvojlúčové laserové interferometre majú priame meranie torzných vibrácií, nízku citlivosť na translačné vibrácie a nízku citlivosť na tvar hriadeľa. Má len niekoľko nevýhod – nemá absolútny uhol a uhlovú doménu, nemá referenčný TDS. Najväčšou nevýhodou je cena.
B) Techniky založené na kódovaní
Senzory založené na kódovaní sú založené na diskrétnom meraní uhlovej polohy. K dispozícii je viacero značiek v pevnej uhlovej polohe hriadeľa. Meria sa čas, v ktorom tvorcovia prechádzajú pred snímačom. Rozlíšenie je určené počtom značiek. V tejto skupine snímačov by sme mohli spomenúť:
- magnetické snímače na zuboch ozubeného kolesa/letového kolesa
- optické senzory
- pásky a optické senzory zebra
- inkrementálne snímače
Magnetické snímače majú jednoduché prístrojové vybavenie a nízku hmotnosť, dobrú cenu, často sú súčasťou motora ako štandardný komponent, môžu pracovať v náročných podmienkach, majú široký rozsah teplôt a sú robustné. Operácie sú veľmi dobre opakovateľné. Nevýhodou tohto riešenia je obmedzený počet impulzov na jednu otáčku, presnosť obrábania zubov, relatívny pohyb medzi snímačom a snímačom, vysoké napätie signálu, citlivosť na odvodenie magnetických polí, na veľkosť cieľa (rozmery zubov) a na rýchlosť.
Optické snímače majú jednoduchú inštrumentáciu, vyššiu frekvenciu impulzov ako magnetické snímače a môžu sa používať na prevodovkách alebo na špeciálnych kódovačoch. Jedinou nevýhodou je citlivosť na okolité svetlo a relatívny pohyb medzi snímačom a kóderom. Na trhu je veľa optických snímačov, ale len niekoľko z nich sa dá použiť na torzné vibrácie.
Optické snímače + páska zebra riešia problém s okolitým svetlom a je potrebné len presne určiť spôsob upevnenia pásky na hriadeli.
Inkrementálne snímače sú veľmi výhodné, ak môže byť prístrojové vybavenie súčasťou skúšobného stola. Ich výhodou je presnosť a vysoký počet impulzov. Nevýhodou je zložité prístrojové vybavenie a hmotnostné zaťaženie.
Techniky založené na snímačoch majú niekoľko pravidiel, ktoré je dobré zvážiť, ak si vyberiete túto metódu merania torzných vibrácií. Tieto pravidlá odpovedajú na bežnú otázku „Koľko impulzov na jednu otáčku mám merať?“.
PRAVIDLO 1: Pásmo vašej hodnotenej zložky
Každá zložka alebo štruktúra má vždy určitú priepustnosť. Je to frekvenčný rozsah, v ktorom je citlivý na vzruchy. Vás zaujíma len zachytenie torzných kmitov v rámci pásma.
PRAVIDLO 2: Uistite sa, že ste zvolili dostatočný počet impulzov na otáčku, aby ste zachytili všetky prítomné torzné vibrácie.
Pre torzné vibrácie sa počíta tvoje kritérium NYQUIST: PPR > Omax. To znamená, že ak predpokladáme 30 impulzov na otáčku, budem schopný zachytiť torzné vibrácie len do rádu 15. Čo sa stane, ak má moja skutočná súčiastka vibrácie vyššie ako 15? Napríklad rád 20? Rád 20 sa nedá zmerať len s 30 PPR a čo je ešte horšie, tento rád sa bude pri meraní javiť ako rád 10.
Aké je teda maximum Omax? Určuje sa podľa priepustnosti pásma a minimálnych otáčok. Pri prekročení pásma konštrukcie nedochádza k torzným vibráciám. Takže odhadnite, aký je maximálny možný poriadok pri minimálnych otáčkach, ktoré vás zaujímajú.
Ktorá meracia súprava by mohla byť správna pre váš problém s torznými vibráciami?
- Simcenter Scadas a senzory torzných vibrácií – Simcenter Scadas podporuje všetky typy senzorov na meranie torzných vibrácií.
- Simcenter Testlab – Simcenter Testlab Signature Testing je kompletné riešenie na spracovanie (torzia hriadeľa, chyba prenosu, torzná tuhosť, korekcia pásky zebra), Simcenter Testlab ODS na torznú animáciu
- Simcenter Amesim – torzná simulácia
