Blog

Hlavní trendy ve vývoji hnacích (ale i jiných) ústrojích jsou:

• zvýšit efektivitu,
• snížit emise,
• a udržet výkon,

Důsledkem zmíněných trendů jsou neustálé inovace a nové technologie. Vyvážení NVH (hluk a vibrace) chování proti výkonu a účinnosti je úkol, se kterým se v současnosti potýká nejedno vývojové oddělení. Mít kontrolu nad NVH hnacím ústrojím je stále náročnější. Jak se vyhnout pozdním změnám řízení, které ovlivní NVH? Jediným řešením je jít nad rámec posouzení čistě pohonného ústrojí NVH.

Pokud chcete mít nad NVH kontrolu, je nutné spojit samostatné procesy měření do jediného a synchronizovaného měření na zkušební stolici hnacího ústrojí. Řeč je o kombinaci těchto měření:

• posouzení NVH (řády, ODS, akustický výkon,…)
• posouzení torzních vibrací (torzní rezonance, výkon pohonu, komponenty nápravy)
• lokalizace zdroje zvuku.

Dnes se podíváme na torzní vibrace.

Co jsou torzní vibrace?

Pro zodpovězení této otázky se můžeme podívat na rychlost otáčení motoru (RPM) během zvýšení rychlosti motoru. Jak můžete vidět na obrázku níže, otáčky za minutu nerostou stabilně. Dochází k malým výkyvům nahoru/dolů.

Proč a kde vznikají torzní vibrace?
 

Můžeme si vzít příklad ze spalovacího motoru. Spalovací motory přirozeně generují velmi vysoké kolísání točivého momentu, když prochází cyklickou událostí (pohyb válců). A to má za následek proměnlivou otáčivou rychlost = torzní vibrace.

Zdrojem torzních vibrací může být např.:

• chvění spojky = prokluzování v rezonanci s hnacím ústrojím
• rezonance torzních hřídelí hnacího ústrojí
• převodovka – chyba převodovky a proměnlivé zatížení v důsledku nepravidelností záběru ozubených kol
• spalovací motor – periodický nepravidelný točivý moment
• ventilový rozvod
• turbodmychadlo/přeplňovač – pulzace tlaku plynu nebo kapaliny
• torzní tlumič

Torzní vibrace se neobjevují samostatně. Torzní vibrace jsou pouze jedním aspektem dynamického chování. Torzní a „jiné“ vibrační zatížení se vyskytují současně. Mají vliv na životnost, vibrace, hlučnost, komfort a výkon. Je nutné vzít v potaz, že torzní vibrace nelze měřit klasickými translačními snímači.

Proč jsou torzní vibrace důležité pro NVH?

Torzní vibrace a NVH jsou propojeny. Vysvětlení je jasné – mezi torzními vibracemi hnacího ústrojí a hlukem uvnitř vozu existuje přímá souvislost.

Testování torzních vibrací

Pro měření torzních vibrací můžeme použít širokou škálu senzorů a technik. Zaměřme se na několika z nich.

A) Techniky přímého měření

Pro techniku přímého měření používáme
- úhlové akcelerometry,
- tenzometry,
- dvoupaprskové laserové interferometry.

Úhlové akcelerometry měří přímo torzní vibrace, mají velmi dobrý dynamický rozsah a nízkou citlivost na translační vibrace (když jsou 2 akcelerometry dobře vyrovnány na průměru). Hlavní nevýhody jsou hmotnostní zatížení na malých hřídelích, riziko nevyváženosti, požadavek na telemetrii nebo sběrací kroužky, žádný absolutní úhel (žádná úhlová doména), žádná reference TDC a riziko ztráty zařízení (odstředivé síly).

Tenzometry pomohou stanovit torzní napětí, mají nízkou citlivost na translační vibrace a jsou užitečné pro měření zatížení a točivého momentu. Hlavními nevýhodami je nemožnost odečíst otáčky za minutu, žádné informace o úhlu, požadavek na telemetrii nebo sběrací kroužky, hmotnostní zatížení na malé hřídeli, riziko nevyváženosti vůči TDC a také riziko ztráty zařízení v důsledku odstředivých sil.

Dvoupaprskové laserové interferometry měří přímo torzní vibrace, mají nízkou citlivost na translační vibrace a nízkou citlivost na tvar hřídele. Existuje jen několik nevýhod – žádný absolutní úhel a žádná úhlová doména, žádná reference TDS. Největší nevýhodou je cena.

B) Techniky založené na kodéru (Coder based techniques)

Snímače založené na kodéru jsou založeny na diskrétním měření polohy úhlu. V pevné úhlové poloze hřídele je k dispozici více značek. Měří se čas, za který značky procházejí před senzorem. Rozlišení je dáno počtem značek. V této rodině senzorů bychom měli zmínit:

• magnetické snímače na ozubených kolech/zubech setrvačníku
• optické senzory
• zebra pásky a optické senzory
• inkrementální kodéry

Magnetické snímače mají snadnou instrumentaci a nízkou hmotnost, dobrou cenu, často jsou součástí motoru jako standardní součást, mohou pracovat v drsném prostředí, širokém teplotním rozsahu a jsou robustní. Operace jsou vysoce opakovatelné. Nevýhody tohoto řešení jsou omezený počet pulsů na otáčku, přesnost obrábění zubů, relativní pohyb mezi kodérem a snímačem, vysoké napětí signálu, jsou citlivé na magnetická pole, na velikost měřeného cíle (rozměry zubů) a na rychlost.

Optické snímače mají také snadnou instrumentaci, vyšší frekvenci odečtu pulsů než magnetické snímače a lze je použít na ozubených kolech nebo na vyhrazených kodérech. Jedinou nevýhodou je citlivost na okolní světlo a relativní pohyb mezi kodérem a snímačem. Na trhu je spousta optických senzorů, ale jen málo z nich lze použít pro torzní vibrace.

Optické senzory + zebrovaná páska řeší problém s okolním světlem a je potřeba pouze být precizní při upevnění pásky na hřídel.
 

Inkrementální enkodéry jsou velmi výhodné, když může být přístrojové vybavení součástí zkušební stolice. Výhodou je přesnost a vysoký počet pulzů. Nevýhody jsou složité přístrojové vybavení a hromadné zatížení.

Techniky založené na kodéru mají několik pravidel, která je dobré vzít v úvahu, pokud zvolíte tento způsob měření torzních vibrací. Tato pravidla odpovídají na častou otázku „Kolik pulzů na otáčku mám měřit?“.

PRAVIDLO 1: Šířka pásma vašeho hodnoceného komponentu

Jakákoli součást nebo struktura má vždy určitou frekvenční šířku pásma. Jedná se o frekvenční rozsah, ve kterém je citlivá na buzení. Při měření torzních vibrací nás zajímá pouze zachycení torzních vibrací v rámci šířky pásma.

Pro torzní vibrace platí vaše kritérium NYQUIST: PPR > Omax. To znamená, že pokud předpokládáme 30 pulzů na otáčku, budu schopen zachytit torzní vibrace pouze do řádu 15. Co se stane, když má moje skutečná součástka vibrace nad 15? Například objednávka 20? Řád 20 nelze měřit pouze s 30 PPR a ještě hůře, tento řád se v měření objeví jako řád 10.

Jaké je tedy maximum Omax? Je určeno šířkou pásma a minimálními otáčkami. Nad šířkou pásma měřeného dílu nedochází k žádným torzním vibracím. Je tedy třeba posoudit, jaká je maximální možný řád při minimálních RPM v oblastni našeho zájmu.

 

Která měřicí sestava by mohla být ta správná pro váš problém s torzními vibracemi?

1. Simcenter Scadas & Torsional Vibration sensors - Simcenter Scadas podporuje všechny typy sensorů pro měření torzních vibrací.

2. Simcenter Testlab - Simcenter Testlab Signature Testing je kompletní řešení pro zpracování signálu (torze hřídele, chyba přenosu, torzní tuhost, korekce měření pro zebra pásku), Simcenter Testlab ODS pro torzní animaci.

3. Simcenter Amesim - torzní simulace systému.