XXXIV. mezinárodní konference kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol
VLIV STÁLÉHO PŘEVODU NA ÚROVEŇ VIBRACÍ A HLUKU PŘEVODOVKY ŠKODA Elias TOMEH1 Abstract: The effect of constant gearing on the level of vibration and noise of škoda gearbox. If the vibration spectra of gearbox are measured, it is possible to predict that Problems, originated during production and assembly of their parts, will be detected. The level of production, assembly and regulation of gears mechanisms play an essential role in the resulting noise and vibration of gearbox. Therefore, measurements have a big inportance while solving the problems of noise and vibration of gearbox MQ 200.
1. Úvod Hluk, produkovaný automobilem, působí negativně jak na nejbližší okolí, tak i na posádku vozu a hlavně řidiče. Rušivé vlivy, působící během jízdy na pozornost řidiče, mohou negativně ovlivnit bezpečnost všech účastníků silničního provozu. Jeden z největších zdrojů hluku vozidla je hnací ústrojí, jehož součástí je i převodovka. Metody a prostředky měření a analýza frekvenčních spekter vibrací jsou nástrojem moderního způsobu identifikací mechanických závad a jejich vliv na kvalitě výroby, montáží a celkové hlučnosti automobilových převodovek MQ 200. Kvalita převodovek MQ 200 vyráběných ve firmě Škoda Auto a.s. Mladá Boleslav je zajišťována na zkušebních stavech, kde se mimo jiné hodnotí úroveň vibrací a hluku. Nutnost posouzení hlučnosti automobilových převodovek MQ 200 vyplývá z potřeby činit rozhodnutí týkající se kvality. Může se jednat o rozhodnutí o dalším kroku (vmontování převodovky do osobních automobilů) či o vyřazení převodovky z montážní linky (provedení změn týkajících se konstrukce a technologie některých převodových mechanismů). Některé komponenty, jako například ozubená kola, hřídele a skříň, se vyrábějí v závodě, diferenciál, ložiska, řadicí mechanismus a další se dovážejí od dodavatelských firem z celé Evropy. Na celkové úrovni vibrací a hluku automobilových převodovek se výrazně podílí přesnost výroby a uložení ozubených kol a valivých ložisek. Nesouosost hřídelí spojek u převodovky má vliv na přesnost uložení ozubených kol a v spektru se projevuje nejen na rotorové frekvenci (fR, 2fR), ale také ovlivňuje velikost amplitud zubové frekvence (fz, 2fz, 3fz). 1
Dr. Ing. Elias TOMEH Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova 6, 461 17 Liberec 1 tel.: +420 48 535 3439; fax: +420 48 535 3139, e-mail:
[email protected]
Ozubení a valivá ložiska jsou nejvýraznějším budičem vibrací automobilových převodovek a ve spektrech vibrací se projevují: - se zubovou frekvencí fz, 2fz, 3fz a příslušnými postraními pásmy, která závisí na obvodové rychlosti ozubení, kvalitě mazání ozubení a na zatížení zubů (přenášeném výkonu), - s ložiskovou frekvencí fL, která závisí na vnitřních rozměrech ložiska, velikosti provozní radiální vůle a počtu valivých těles – frekvence vnějšího kroužku, frekvence vnitřního kroužku, frekvence klece a frekvence valivých těles. K identifikaci mechanických závad automobilových převodovek MQ 200 a zjišťování jejich vlivu na celkovou hlučnost slouží měření frekvenčních spekter vibrací. Tento způsob je dosažitelný použitím metody řádové analýzy a prostředků technické diagnostiky, které umožňují sledovat vliv ozubených soukolí a valivých ložisek v poměrně složité převodové skříni.
2. Metodika měření Finální kontrola kvality zkompletované převodovky probíhá na zkušebních stavech umístěných na konci obou montážních linek. Po absolvování zkušebního testu na ZPS a kontrole množství oleje se převodovky již expedují na montážní linku hnacího agregátu. Pro měření vibračních spekter byl použit jednokanálový analyzátor SKF MICROLOG, snímač zrychlení s dotykovým hrotem, referenční snímač vstupních otáček a program PRISM4 pro analýzu a archivaci naměřených hodnot. Hladina akustického tlaku vypočítaná ze zrychlení byla vypočítaná použitím vzorcem: a La = 20. log [dB], kde: a0 La ….. Hladina akustického tlaku vypočítaná ze zrychlení [dB], a ….. naměřená hodnota zrychlení kmitového pohybu [m.s-2], a0 ….. vztažená hodnota zrychlení a0 = 1.10-6 m.s-2. Snímač zrychlení byl našroubován na držák, který byl přilepen na skříň převodovky do blízkosti snímače zkušebního stavu. Referenční snímač byl umístěn na držáku a nasměrován na unášeč pomocí otvoru ve skříni spojky. Obr. 1. Byl použit standardní postup, zkušební stav Škoda. Měření pro analyzátor SKF bylo provedeno jako první, při shodném upnutí, při konstantních vstupních otáčkách na jednotlivých převodových stupních, které činily: Pro řádovou analýzu: 1.stupeň: TAH 3077, ZPĚT 3072 1/min., 2.stupeň: TAH 4142, ZPĚT 4140 1/min., 3.stupeň: TAH 4018, ZPĚT 4018 1/min., 4.stupeň: TAH 4016, ZPĚT 4016 1/min., 5.stupeň: TAH 4014, ZPĚT 4014 1/min. Obr. 1 Označení míst měření vibrací-umístěný snímač zrychlení a referenční snímač na skříň převodovky MQ 200.
Pro obálkovou analýzu: 1.stupeň: TAH 3082, ZPĚT 3078 1/min., 2.stupeň: TAH 4141, ZPĚT 4136 1/min., 3.stupeň: TAH 4020, ZPĚT 4011 1/min., 4.stupeň: TAH 4016, ZPĚT 4019 1/min., 5.stupeň: TAH 4004, ZPĚT 4005 1/min. Naměřené hodnoty pracovníky Škoda Auto a.s. se zpracovávají a vyhodnocují v programu ROTAS od německé firmy DISCOM. Zkušební stav snímá pomocí dotykového snímače zrychlení vibrace měřené převodovky. Při měření se využívá otáčkově synchronní analýza, tzn., že signál je zachycen synchronně s otáčkami vstupního hřídele. Pomocí převodovkové databanky, kde jsou uloženy počty zubů jednotlivých ozubených kol a převodové poměry pro každý typ převodovky, se dají v signálu určit složky, které patří buzení kteréhokoli hřídele převodovky. Tím lze identifikovat vibrace a kluk jednotlivých hřídelí SK1, SK2, SK3 a MIX.
3. Výsledky měření U nových automobilových převodovek lze spolehlivě hodnotit kvalitu výroby a montáže: - nesouosost hřídelí a excentrické uložení ozubených kol se projevuje jako amplitudová modulace s frekvencí fR kolem fz a nárůstem amplitud vyšších harmonických složek 2fz, 3fz, - nesouosost hřídelí spojek na vstupu a výstupu převodovky má za následek nárůst amplitud s frekvencí fR a zvýšení intenzity postranních pásem kolem fz, - poškození boků zubů (opotřebení, plastická deformace, důlky) se ve spektru projevuje relativně větším zvýšením amplitud vyšších harmonických složek 2fz a 3fz v porovnání se zvýšením základní složky fz současně se zvýšením amplitud postranních. - ze spekter obálek vibrací lze podrobněji identifikovat stav poškození valivých ložisek. V případě poškození na vnitřním nebo na vnějším kroužku ložiska vzniknou kolem fi nebo fo postranní pásma s frekvenci fR. V případě poškození na valivém tělísku jsou postranní pásma kolem fvt s frekvencí fk. V případě poškození klece vznikne první harmonická složka s frekvencí klece fk, její amplituda by mohla být hodně nízká. 2fk, 3 fk, 4 fk, mají vyšší amplitudu. Z výsledku výpočtu frekvencí vychází pro poškození vnějšího kroužku ložiska pastorku umístěného v „brýlích“ frekvence 49,27 Hz. (Byla odvozena z vypočtených otáček 970 1/min, které odpovídají odečteným vstupním otáčkám 3350 1/min. Odečtení otáček bylo provedeno s určitou chybou. Tato skutečnost vede k malé odchylce frekvencí výpočtu a měření). Z obálky zrychlení vibrací byla zjištěna při frekvenci 48,75 Hz amplituda cca 0,09 gE. Další zjištěná frekvence 97,5 Hz, je 2. harmonické poškození vnějšího kroužku s amplitudou 0,05 gE. Kolem ní vznikly modulace v rozmezí fR =16 Hz. 112,5 Hz s amplitudou 0,04 gE a 81,25 s amplitudou 0,06 gE. Velikosti amplitud a výskyt modulace signalizují poškození ložiska pastorku umístněného v „brýlích“. Po jeho výměně se snížilo celkové efektivní zrychlení vibrací z 0,622 gE na 0,006 gE, tj. cca 99%. Také se snížila amplituda frekvence poškození vnějšího kroužku ložiska pastorku z 0,09 gE na 0,0003 gE, tj. cca 99,6%. Amplituda druhé harmonické složky poškození vnějšího kroužku 0,05 gE se snížila na 0,0002 a zánik modulace v rozmezí fR =16 Hz.
Obr.2 Obálka zrychlení při 1. rychlosti v tahu, před a po výměně valivého ložiska. Později byla provedena další doplňková měření této převodovky. Frekvenční analýza, řádová analýza a opakovaně analýza obálková. Všechny tři metody měření potvrdily, že zde začíná poškození ložiska pastorku, které je uloženo v „brýlích“. Ukazuje to názorně následující obrázek 3, kde jsou uvedeny frekvence vnějšího kroužku s dvěma modulacemi v rozmezí fR a 2fR. Obr. 3 Spektrum zrychlení vibrace při 2.rychlosti. fo (2.rychlosti) je 212.1 Hz.
Obr. 4 Spektrum vibrací při 1. rychlosti v tahu – řádová analýza, před výměnou VL pastorku umístněného v „brýlích“ a také před výměnou soukolí stálého převodu.
K 1. převodovému stupni V tahu i nazpět se projevuje nesouosost kol soukolí 1. stupně a excentricita, pro stav nazpět viz obr. 5 – s velkou amplitudou 2. harmonické (0,55 Gs) a s významnou amplitudou od zubové frekvence (0,21 Gs). V tahu se projevuje i vůle v ložisku vstupní hřídele v brýlích – vliv frekvence závady vnějšího kroužku 204 Hz a vůle v ložisku u spojky. Nazpět se projevuje jen vůle v ložisku u spojky. Tato analýza odpovídá tomuto hodnocení spekter ze zkušebního stavu ŠKODA: SK1 vstupní hřídel (PRIM) nazpět byly rozdíly naměřené 104,4dBg a mezní hodnoty 99,8dBg - hlášen „zvuk v 1. chodu“. SK3 výstupní hřídel (COR) v tahu a nazpět žádné hlášené závady. MIX (celá převodovka) byly zjištěny rozdíly naměřené 105,0dBg a mezní hodnoty 96,2dBg (v tahu a nazpět) - hlášení „zvuk v 1. chodu“.
Obr. 5 Spektrum vibrace 1. stupeň nazpět – řádová analýza
K 3. převodovému stupni Obrázek 6 ukazuje na výrazně velkou amplitudu 2fz pastorku 0,87 Gs a významnou amplitudu od zubové (0,1 Gs) a poukazuje tak na vliv nesouososti a excentricity u stálého převodu. Projevuje se i vůle v ložisku vstupní hřídele v brýlích – vliv frekvence závady vnějšího kroužku 204 Hz a vůle v ložisku v brýlích na pastorku. Tato analýza odpovídá tomuto hodnocení spekter ze zkušebního stavu ŠKODA: SK1 vstupní hřídel (PRIM) v tahu a nazpět - žádné hlášené závady. SK3 výstupní hřídel (COR) byly rozdíly naměřené (v tahu 94,5dBg, nazpět 96,6dBg) a mezní hodnoty (v tahu 86,0dBg, nazpět 95,0dBg) - hlášen „zvuk ve 3. chodu“. MIX byly rozdíly naměřené (v tahu 104,0dBg, nazpět 107,7dBg) a mezní hodnoty (v tahu 101,3dBg, nazpět 95,8dBg) - hlášen „ozubené kolo excentrické a zvuk ve 3. chod v tahu a nazpět“. Obr. 6 Spektrum vibrace 3. stupeň nazpět – řádová analýza
K 4. převodovému stupni Obr.7 ukazuje na výrazně velkou amplitudu 2fz pastorku 0,46 Gs a významnou amplitudu od fz (0,1 Gs) a poukazuje tak na vliv nesouososti a excentricity. Projevuje se i vůle v ložisku vstupní hřídele v brýlích – vliv fo=205 Hz a vůle v ložisku u spojky . Tato analýza odpovídá tomuto hodnocení spekter ze zkušebního stavu ŠKODA: SK1 vstupní hřídel (PRIM) v tahu a nazpět - žádné hlášené závady. SK3 výstupní hřídel (COR) byly rozdíly naměřené (v tahu 94,5dBg, nazpět 97,3dBg) a mezní hodnoty (v tahu 88,3dBg, nazpět 95,2dBg) - hlášen „zvuk ve 4. chodu v tahu a nazpět“. MIX v tahu nebyly závady. MIX nazpět byly rozdíly naměřené 107,9dBg a mezní hodnoty 105,1dBg - hlášen „zvuk ve 4. chodu“.
Obr. 7 Spektrum vibrace 4. stupeň nazpět – řádová analýza.
Obr. 8 Spektrum vibrace při 1. rychlosti v tahu – řádová analýza, po výměně valivého ložiska pastorku umístněného v „brýlích“ a také po výměně soukolí stálého převodu. Celkové efektivní zrychlení vibrací např. při 1.převodovém stupni se snížilo: V tahu: z 1,004Gs na 0,017Gs, tj. 98,5%. Nazpět: z 1,387Gs na 0,013Gs, tj. 99%. Amplituda první a druhé harmonické složky zubové frekvence soukolí na vstupním hřídeli se snížila: V tahu: první harmonická složka z 0,175 Gs na 0,001 Gs, tj. cca 99,5%. Druhá harmonická složka z 0,658 Gs na 0,0012 Gs, tj. cca 99,8%. Nazpět: první harmonická složka z 0,2112 Gs na 0,0041 Gs, tj. cca 98,3%. Druhá harmonická složka z 0,5536 Gs na 0,0031 Gs, tj. cca 99,5%.
4. Závěr Ze spekter obálek vibrací byl podrobněji identifikován stav poškození vnějšího kroužku ložiska pastorku uloženého ve vložených „brýlích“. Také měření vibračních spekter řádovou analýzou plně potvrdilo teoretický předpoklad, že velikost dynamických sil závisí jednak na úrovni konstrukčního a dynamického řešení základních skupin převodovky a jednak na kvalitě výroby, montáže a seřízení soukolí stálého převodu.
Literatura [1] [2] [3]
Tomeh, E.: Identifying Motor Vehicles Mechanical Defects by Vibrodiagnostics Methods. In Journal of Middle European Construction and Design of Cars. Number 1, January 2003. ISSN 1214 – 0821. Tomeh, E.: Hodnocení hlučnosti automobilových převodovek škoda měřením vibrací. In DIAGO 2003. ISBN 80-248-0210-4 SKF – Brűel & Kjaer firemní literatura.
Publikace byla vytvořena v rámci projektu výzkumu a vývoje LN 00B073, podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR.
