Planeettavaihteet - rakenne, vikaantuminen ja havainnointimenetelmät

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI NRO BTUO Planeettavaihteet - rakenne, vikaantuminen ja havainnointimenetelmät Tilaaja: Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

2

3 2 (16) Alkusanat Tämä raportti on laadittu Tekesin, teollisuusyritysten ja VTT:n rahoittamaan projektiin Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (PROGNOS). Raportti on osa projektin Servo-casea. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Espoo, Maaliskuu 2005 Tekijät

4 3 (16) Sisällysluettelo 1 Johdanto 4 2 Planeettavaihteet Rakenteet Planeettavaihteiden perustyypit Tehonsiirto ja hyötysuhde Rajoituksia Vaurioituminen Hammasvauriot Hammaspyörästöt Puutteellinen voitelu Havainnointimenetelmät Hammasvaurioiden havainnointimenetelmiä Planeettavaihdevaurioiden havainnoinnin erityspiirteitä 13 3 Yhteenveto 14 Lähdeviitteet 15

5 4 (16) 1 Johdanto Planeettavaihteiden tyypillisiä käyttökohteita ovat auto-, ilmailu- sekä erilaiset teollisuussovellukset. Planeettavaihteilla saavutetaan perinteisiin rinnakkaisakselisiin vaihteisiin verrattuna useita käyttöä edistäviä edullisia ominaisuuksia, joita ovat mm. planeettaratkaisun kompaktisuus, moninkertainen pyörimisnopeuden alennus sekä edullisemmat laakerivaateet [Yuksel & Kahraman 2004]. Tyypillinen esimerkki planeettavaihteiden käyttökohteista ovat automaattivaihteistot ja robottien toimilaitteet. Yksinkertaisessa planeettavaihteessa on aurinko- ja rengaspyörä sekä joukko identtisiä, hammastettuja planeettapyöriä. Planeettapyörät ovat yhtäaikaisesti rynnössä sekä aurinko- ja rengaspyörän kanssa. Planeettavaihteissa dynaamisten vasteiden analysointi ja hallinta on oleellista. Planeettavaihteissa dynaamiset ominaisuudet (kuorman jakautuminen) ovat teoriassa perinteisiin, rinnakkaisakselisiin vaihteisiin verrattuna edullisempia. Käytännössä planeettavaihteen värähtelyiden ja melun hallinta on ensisijainen haaste. Samanaikaisista hammasrynnöistä syntyvät dynaamiset kuormitukset kulkeutuvat vaihteen kantaviin rakenteisiin, joihin kertyvät suuret kuormitusvaihtelut voivat pahimmillaan lyhentää hampaiden ja vaihteen laakereiden kestoikää. Haasteena on paikantaa alkava vikaantuminen vaihteen muista herätteistä. Tässä raportissa selvitetään ensin planeettavaihteiden perustoimintaperiaatteet ja hammasvaihteiden tyypillisimmät vikaantumistyypit sekä käydään läpi erilaisia, vaihteiden toimintakunnon havainnointiin soveltuvia mittaus- ja analyysimenetelmiä. 2 Planeettavaihteet 2.1 Rakenteet Perinteisissä, rinnakkaisakselisissa vaihteissa kaikki hammaspyörät ovat ainoastaan kiinteän rungon suhteen kiertyviä ja kiertymisakselit kiinteitä. Planeettavaihteissa esiintyy lisäksi sellaisia pyöriä, jotka pyöriessään oman akselinsa ympäri kiertävät samalla keskusakselin ympäri. Planeettavaihteeksi nimitetään lisäksi sellaisia pyörästöjä, joissa planeetat eivät kierrä, mutta joilla pyörästöjä on useita jakautuneena yhteisen keskusakselin ympärille. Planeettavaihteita, joissa planeetat eivät kierrä keskusakselin ympäri kutsutaan toimintansa mukaisesti lepoplaneettapyörästöiksi tai perusvaihteiksi (Kuva 1). Suurimmat ja nopeimmat planeettavaihteet ovat aina perusvaihteita. [Mantovaara 1985]

6 5 (16) Ulkopuolinen keskuspyörä (rengaspyörä) Sisäpuolinen keskuspyörä (aurinkopyörä) Kuva 1. Lieriöplaneettavaihteen perusmuoto. Lepoplaneettapyörästöissä kannatinakseli S on kiinteä (ω 3 = 0), alennus- ja ylennysvaihteissa rengaspyörä on kiinteä (ω 2 = 0) [Mantovaara 1985] Planeettavaihteiden perustyypit Planeettavaihteiden pyörästöt voidaan periaatteessa tehdä kaikista tunnetuista hammaspyörätyypeistä. Käytännössä planeettapyörästöjä on tehty vain lieriö- ja kartiopyöristä. Yleisempiä ovat lieriöplaneettavaihteet. Hammastetuissa kartiopyöräplaneettavaihteissa planeettapyörien akselit leikkaavat yleensä kohtisuorasti keskusakselin (esim. ajoneuvojen tasauspyörästöt). Kaikille planeettavaihteiden perusmuodoille yhteistä on, että kannatinpyörän kehänopeus jakautuu tasan molemmille keskuspyörille ja kannatinpyörän kehänopeus on keskuspyörien kehänopeuksien keskiarvo [Mantovaara 1985]. Planeettavaihteiden perustyypeillä, joissa keskuspyörät koskettavat planeettapyöriin samalta puolelta, on mahdollista toteuttaa hyvinkin suuria välityssuhteita, jopa yli Suurilla välityssuhteilla vaihteiden hyötysuhteet ovat kuitenkin rajoittuneita. Planeettapyöriä samalta puolelta käyttäviä pyörästöjä kutsutaan myös Ferguson-vaihteeksi (Kuva 2). Pääasiallinen sovellusala Ferguson-vaihteilla on asteikko- ja säätövaihteet, joissa hyötysuhteella ei ole suurta merkitystä [Mantovaara 1985]. Kuva 2. Ferguson-vaihde, jossa on porrastetut pyörät [Mantovaara 1985]. Planeettavaihteita voidaan konstruktiivisesti yhdistää ns. yhdistetyiksi planeettavaihteiksi. Tyypillisimpiä yhdistettyjä planeettavaihdetyyppejä ovat Wolfrom-vaihde, alennus- ja peruutusvaihde sekä differentiaalivaihde. Yksinkertaisin näistä yhdistetyistä tyypeistä on

7 6 (16) Wolfrom-vaihde. Se voidaan muodostaa Ferguson-vaihteesta tekemällä kannatinpyörä vapaaksi ja lisäämällä ensiöpyöräksi toisiin planeettapyöriin sisäpuolelta koskettava keskuspyörä. Wolfrom-vaihteella on huomattavasti parempi hyötysuhde kuin vastaavalla välityssuhteella toimivalla Ferguson-vaihteella. Alennus- ja ylennysplaneettavaihteissa on kaksi vaihtoehtoisesti kiinteäksi kytkettävää keskuspyörää. Eteenpäinajo ja peruutus saadaan samalla välitysportaiden lukumäärällä. Vaihde konstruoidaan siten, että harvemmin käytetylle suunnalle (yleensä peruutus) tulee huonompi hyötysuhde. Alennus- ja ylennysvaihdetyyppiä käytetään ajoneuvojen automaattivaihteistoissa ja merivaihteissa [Mantovaara 1985]. Differentiaalityyppisissä planeettavaihteissa teho haarautetaan toisiopuolen pyörille ja summataan toisiopuolen akselille. Koska tehojen jakautumista tapahtuu kaikissa planeettavaihteissa, paras differentiaalivaihteiden tuntomerkki on se, että kaikki planeettapyörästön osat ovat pyöriviä. Kun differentiaalivaihteessa korvataan vaihteen ensiöpuolella oleva pyöräpari portaattomasti säädettävällä vaihteella (esim. kitkapyörävariaattori), tuloksena on differentiaalivariaattori. Vain differentiaalivariaattoreilla sekä Ferguson- tai Wolfrom-vaihteiden periaatteella toimivilla planeettavariaattoreilla voidaan toteuttaa nollapistesäätö. Nollapistesäädössä toisioakseli voidaan pysäyttää ja pitää kuormitettuna pitkiäkin ajanjaksoja toiminnan säilyessä yhtä pehmeänä ja rauhallisena kuin muissa säätöasennoissa Tehonsiirto ja hyötysuhde Perinteisissä, rinnakkaisakselisissa vaihteissa vaihteen ensiöteho siirtyy yksikäsitteisesti hammas- tai kitkakosketuksen välityksellä toisioakselille. Planeettavaihteissa kosketuksia kuormittava vierintäteho ei ole aina vaihteen läpi menevän tehon suuruinen. Vierintäteho voi olla vaihteen läpi menevään tehoon nähden joko pienempi tai suurempi. Erotus riippuu mm. pyörien ja renkaiden vierintätehosta sekä kytkintehosta. Kytkinteho saadaan vähentämällä vierintäteho kokonaistehosta. Vierintätehon ollessa vaihteen läpi menevää tehoa suurempi, nimitetään erotusta kiertäväksi eli sokeaksi. Kiertävää tehoa esiintyy erityisesti differentiaalija Ferguson-vaihteissa [Mantovaara 1985]. Kosketus- ja kontaktikohtien kitkahäviöt ovat verrannollisia vierintätehoon Kytkinteho siirtyy yleensä häviöttömänä. Yleisesti ottaen lieriöplaneettavaihteen perusmuodossa vierintätehojen summa on vähintään läpimenevän tehon suuruinen. Vierintätehojen summa kasvaa planeettapyörien koon kasvaessa. Planeettapyörien pienuus ei kuitenkaan aina ole optimaalista, sillä pienennettäessä välityssuhde lähestyy ääriarvoa 2. Kitkahäviöt, niiden etumerkistä riippumatta vähentävät aina planeettavaihteen hyötysuhdetta. Hyötysuhde riippuu sekä vaihteen välityssuhteesta että vaihteen pyörästötyypistä (Kuva 3). Paras hyötysuhde saavutetaan alennusvaihteilla ja perusvaihteilla. Näiden jälkeen tulevat hyötysuhteen alenevassa suuruusjärjestyksessä yhdistetyt vaihteet, Wolfrom- ja Fergusonvaihteet [Mantovaara 1985]. Suuremmilla välityssuhteilla hyötysuhde laskee. Välityssuhdeluvusta 5 lähtien planeettavaihteissa käytetyn pyörästön tyyppi on hyötysuhteen kannalta merkitsevämpi kuin vierintäkosketuksen laatu.

8 7 (16) Kuva 3. Planeettavaihteiden vierintähyötysuhteet. a) Moniportaiset alennusvaihteet, b) moniportaiset lepoplaneettavaihteet, h) yhdistetyt vaihteet, z) Wolfrom-vaihteet ja ö) Ferguson-vaihteet [Mantovaara 1985]. Vaihteiden hyötysuhteen määrittämiseksi löytyy valmiita yhtälöitä kasikirjoista, mutta ne antavat usein todellisia arvoja suurempia lukuja. Syynä ovat pyörästöjen ilmanvastukset ja laakerihäviöt. Niitä ei huomioida yhtälöissä, kuten ei myöskään planeettapyörien keskipakovoimia ja hyrrämomentteja. Luotettavimmin hyötysuhde voidaan laskea määrittämällä ensin kaikki häviöt erikseen ja sitten vähentää häviösumma ensiötehosta Rajoituksia Planeettavaihteet tarjoavat useita käyttö- ja laskennallisia etuja perinteisiin vaihteisiin nähden. Ne voidaan rakentaa kooltaan pienemmiksi kuin vastaavan välityssuhteen ja tehon siirtävät perinteiset rinnakkaisakseliset vaihteet. Muita etuja ovat mm. tehon jakautuminen, suuret välityssuhteet ja kompakti rakenne [Mantovaara 1985, Yuksel & Kahraman 2004]. Hyvistä, planeettavaihteita koskevista ominaisuuksista huolimatta planeettavaihteilla on joukko ominaisuuksia, joita pidetään enemmän epätoivottavina. Näitä ovat [Mantovaara 1985, Stiesdal 1999]: Sisä- ja ulkokeskuspyörien hammaslukujen summasta jaettuna pyörien lukumäärällä täytyy tulla parillinen luku.

9 8 (16) Jos kannatinpyörän lisäksi vähintään toinen keskuspyörä on laakeroitu runkoon tai jos planeettapyöriä on enemmän kuin kolme, sijaintitoleranssien ja hammastuksen jakovirheiden takia kehävoima ei jakaannu tasan kaikkien planeettapyörien kesken. Hampaiden ja hammaspyöräryhmien ryntöiskujen synnyttämät ilmiöt ja vasteet ovat monimutkaisempia kuin normaaleissa, rinnakkaisakselisissa lieriövaihteissa. Vaihteiden värähtelydynamiikka on haasteellista. Ulkopuolisen keskuspyörän sisähammastuksen työstäminen vinoksi vaatii erityiskoneita. Vinon hammastuksen synnyttämät aksiaalivoimat ovat planeettapyörien laakeroinnin ja laakeroimattomien keskuspyörien kannalta hankalia. Vaihteen suljettu ja kompakti rakenne haittaa vaihteesta syntyvän hukkalämmön siirtymistä planeettavaihteesta ympäristöön (nyrkkisääntö kaikille vaihteille: jokaisella siirtoasteella noin 1 % tehosta häviää hukkalämpönä). Suurissa planeettavaihteissa voidaan käyttää nuolihammastusta, jolla voidaan kompensoida aksiaalivoimat (esim. suuritehoiset erikoisvaihteet laivoihin). Pienehköissä planeettavaihteissa nuolihammastuksen toteuttaminen tulee liian kalliiksi. Yleensä planeettavaihteissa on suorat hampaat. Suorahampaiset vaiheet aiheuttavat enemmän melua eivätkä käy yhtä tasaisesti kuin vinohampaiset vaihteet, joissa seuraava hammas tulee kontaktiin ja aloittaa kuormankannon ennen kuin edellinen hammas irtoaa kontaktista. Planeettavaihteiden rajoituksista johtuen planeettavaihteita käytetään yleensä osana vaihdeyhdistelmiä, jossa nopeimmat portaat ovat vinohampaisia lieriöpyöräpareja ja hitaammat suorahampaisia planeettavaihteita. 2.2 Vaurioituminen Planeettavaihteissa käytettävien hammaspyörien, akseleiden ja laakerointien mahdolliset perusvikaantumismekanismit ovat samankaltaisia muiden hammaspyörävaihteiden kanssa. Hammasvaihdetyypeistä riippumatta teho vaihteen läpi välitetään hammaspyöräkontaktien ja hammasrynnön kautta ensiöakselilta vaihteelta lähtevälle toisioakselille. Hampaat kuluvat ja väsyvät vaihteella vallitsevan tilanteen ja kuormituksen mukaisesti. Vaihteiston vikojen kehitykseen vaikuttavat oleellisesti kuormitustekijät. Tyypillisesti vika kehittyy vähitellen paikallisesta viasta koko hammaspyörästöä koskevaksi. Äärimmäisessä tapauksessa hammaspyörät saattavat murtua. Hammaspyörästö voi myös vioittua esimerkiksi valmistuksen, kuljetuksen tai asennuksen aikana tapahtuneiden käsittely- ja toimintavirheiden vuoksi. Seuraavassa on esitetty hammaspyörän vauriotyypit (Taulukko 1) ja vaurioiden syiden jakautuminen (Taulukko 2) [Kleemola 2002]. Taulukko 1. Hammaspyörän vauriotyypit. VAURIOTYYPIT: Osuus [%] Väsymismurtuma 36.8 Ylikuormitusmurtuma 20.1 Hampaan pinnan kuoppautuminen ja/tai kuoriutuminen 19.7 Abrasiiviinen kuluminen 10.3 Plastinen virtaus 5.3 Hampaan lohkeaminen 4.3 Adheesiokuluminen 2.9 Muut vauriotyypit 0.6 Yhteensä 100

10 9 (16) Taulukko 2. Hammaspyörän vaurioiden syiden jakautuminen. VAURIOIDEN SYYT: Osuus [%] Jatkuva ylikuormitus 25.0 Virheellinen kokoonpano 21.2 Lämpökäsittely 16.2 Iskukuormitus 13.9 Virheellinen voitelu 11.0 Suunnitteluvirhe 6.9 Valmistukseen liittyvä syy 1.4 Materiaalista johtuva syy 0.8 Muut syyt 3.6 Yhteensä Hammasvauriot Hammaspyörät suunnitellaan noin 1 %:n vaurioitumistodennäköisyydellä tietylle ennalta määritetylle kestoiälle. Hammaspyörien on toimittava tyydyttävästi myös vaaditun kestoiän loppupuolella ja suurin osa hammaspyöristä toimii moitteetta huomattavasti yli laskennallisen kestoiän [Kleemola 2002]. Hampaissa tapahtuu aina normaalia kulumista, jonka seurauksena hammastuksesta häviävät työstöjäljet (esim. jyrsintä, hionta, ja kaavinta), pinnan lokaalit huippukohdat muokkautuvat, pinnankarheus pienenee, samalla hammaskyljen pinta muuttuu sileäksi ja kiiltäväksi. Normaali kuluminen johtuu pääasiassa siitä, että hammaskylkien väliin ei aina muodostu riittävää voitelukalvoa esimerkiksi sopimattomien hammaskylkien liuku- ja vierintänopeuksien seurauksena. Normaali kuluminen ei vaikuta hammaspyörien kestoikään Tahmautuminen Tahmautuminen on voimakasta adheesiota (tarttumista), joka syntyy hammaspyöräparin metallisten kosketuksien yhteydessä ja jossa metallia siirtyy hammaspinnasta toiseen. Kuorman kasvaessa tai helposti leikkautuvien pintakalvojen puuttuessa pinnankarheuden ulokkeiden alla olevat plastisoituneet alueet laajenevat niin paljon, että ne yhtyvät toisiinsa [Kleemola 2002]. Tällöin koko pintakerros plastisoituu ja pinnat tahmautuvat toisiinsa. Tyypillisesti tahmautumisvaurioita esiintyy hammaskärjissä, hampaan tyviosassa tai molemmissa [Sivonen 1998] Plastinen muodonmuutos Plastinen muodonmuutos on pysyvää, jota esiintyy kun jännitys ylittää materiaalin myötölujuuden. Sitä voi esiintyä kosketuksessa olevan hampaan kyljen pinnalla tai pinnan alla, kun hammas on kovan jännityksen alaisena, tai hampaan tyvessä, kun siihen vaikuttaa korkea taivutusjännitys. Suuren plastinen muodonmuutoksen seurauksena hampaaseen voi syntyä kuormituskeskittymiä ja murtumia. Lopulta hammas voi rikkoutua jos hammaspyöriä on kuormitettu liikaa. Tällöin yleensä useimmat tai kaikki hampaat vaurioituvat [Kleemola 2002].

11 10 (16) Pinnan väsyminen Toistuvat jännitystilat voivat aiheuttaa materiaalin pintaan tai pinnan alle väsymissäröjä ja irrottaa hampaan pinnasta kulumispartikkeleja. Kuoppaantuminen (pitting) on yksi pinnan väsymisen ilmentymismuoto [Kleemola 2002, UTM 2004]. Kuva 4 esittää kuoppautunutta hammaspyörää. Kaikissa kosketustapauksissa ei synny suoraan kulumispartikkeleita, vaan niiden syntyminen vaatii tykyttävää tai vaihtuvaa pitkäaikaista rasitusta [DeLange 2005]. Mikäli kuluminen ei ole selvästi abrasiivista tai adhesiivista, on useimmiten kyseessä pintakerroksen väsyminen. Tyypillinen väsymiskulumistilanne syntyy loppuunkäytetyissä kuula- ja rullalaakereissa, raskaasti kuormitetuissa hammaspyörissä ja muissa suuren Hertz'in pintapaineteorian mukaisissa sovelluksissa. Kuva 4. Pinnan väsymisen vuoksi kuoppautuneita hammaspyörän hampaita [UTM 2004] Säröily Hammasvaihteen hampaan juuressa esiintyvät säröt aiheutuvat ylisuuresta taivutusjännityksestä. Säröilyä voi esiintyä muuallakin hammaspyörässä johtuen mekaanisista jännityksistä, lämpöjännityksistä, materiaalivirheistä tai vääränlaisesta käytöstä. Säröjä saattaa syntyä myös materiaalin lämpökäsittelyssä, kun materiaalia karkaistaan Murtuminen Kun hammaspyörää ylikuormitetaan, siinä saattaa esiintyä voimakasta kulumista ja hammaspyörään saattaa tulla plastisia muodonmuutoksia ja/tai se saattaa murtua. Murtuminen voi olla haurasmurtuminen tai sitkeämurtuminen (ductile). Sitkeämurtumista edeltävät huomattavat plastiset muodonmuutokset ja haurasmurtumista pienemmät plastiset muodonmuutokset. Väsymisvauriot yleensä kulminoituvat murtumiseen, kun väsymismurtuma kasvaa pisteeseen, jossa hammas ei enää pysty kantamaan kuormaa. Tällöin jäljellä oleva materiaali ylikuormittuu ja vaurioituminen on väsymismurtumisen aiheuttama seuraus [DeLange 2005, Kleemola 2004, Alban 1993].

12 11 (16) Taivutusväsyminen Taivutusväsyminen kostuu kolmesta vaiheesta: 1) särön ydintyminen, 2) särön kasvu ja 3) murtuminen. Yleensä hammaspyörän väsymiselinikä on tullut täyteen jo vaiheiden 1) ja 2) aikana. Kun särö on saavuttanut kriittisen kokonsa tapahtuu murtuminen [Kleemola 2002]. Ensimmäisessä vaiheessa jännityshuiput eivät ylitä hampaan myötölujuutta. Plastisia muodonmuutoksia saattaa esiintyä paikallisissa jännityskeskittymissä, kuten lovissa, raerajoilla tai sulkeumissa. Toisessa vaiheessa särö alkaa kasvaa raerajoilla kohtisuoraan suurimpaan vetojännitykseen nähden. Särön kasvun aikana syntyy särön kärjessä pienellä alueella plastisia muodonmuutoksia. Tämä tapahtuu yleensä ilman suuria plastisia muodonmuutoksia. Kolmannessa vaiheessa hammas tai sen osa irtoaa (Kuva 5). Kuva 5. Taivutusväsymällä murtunut hammas [Hess 2004] Hammaspyörästöt Hammaspyörien keskinäinen yhteensopivuus, vuorovaikutus, sijainti ja asemointi ovat tekijöitä, jotka voivat ollessaan puutteellisia vaikuttaa huomattavasti hammaspyörien kestoikään [Alban 2005]. Keskinäiseen toimintaan liittyviä virhetiloja ovat mm. hammaspyörien epäkeskeisyydet, liialliset hammasvälykset tai akselin yhdensuuntaisuus- ja linjausvirheet. Näistä hammaspyörän linjausvirhe muodostuu siitä, että hammaspyörä ei ole kohtisuorassa asennettuun akseliin nähden mm. vinoksi poratun akselireiän tai hammaspyörän väärän kiilauksen vuoksi. Hammaspyörästöjen keskinäisiin vuorovaikutuksiin liittyvien eitoivottujen ominaisuuksien kasvaessa, kasvavat myös hampaiden ja/tai hammaspyörien vaurioitumistodennäköisyydet. Vuorovaikutus- ja yhteensopivuusvirheet eivät itsessään ole vauriomekanismeja, mutta jouduttavat niiden ilmaantumista. Kohteesta ja tilanteesta riippuen varsinainen vauriomekanismi voi olla yksittäinen mekanismi tai mekanismien yhdistelmä Puutteellinen voitelu Voitelun tavoitteena on hammaspyörien kulumisen ja niiden välisen kitkan pienentäminen. Kitkan ja kulumisen kannalta on edullisinta, että kosketuksissa olevat hammaspinnat erotetaan toisistaan voiteluainekalvolla. Puutteellinen voitelu voi olla seurausta liian pienestä voiteluaineen määrästä kosketuspinnoilla tai voiteluaineen liiallisesta lämpötilan noususta,

13 12 (16) joka vaikuttaa voiteluaineen viskositeettiin. Viskositeetin muuttuminen johtaa voitelukalvon ohentumiseen eikä voitelukalvo enää suojaa kunnolla hammaspyörän aktiivista hammaspintaa. Tällöin puhutaan niin sanotusta rajavoitelusta. Osa kuormasta välittyy voitelukalvon kautta ja osaksi myös pintojen välisen kosketuksen kautta. Puutteellisessa voitelussa pinnankarheuksien huiput ovat suoraan metallikosketuksessa. Tällöin kitka suurenee, syntyy kulumista ja pahimmillaan pintavaurioita [Alban 1993]. 2.3 Havainnointimenetelmät Hammaspyörien vaurioitumista voidaan havainnoida ja seurata useilla eri menetelmillä ja osin riippumatta siitä, onko vaihde normaali, rinnakkaisakselinen hammasvaihde vai planeettavaihde. Taustalla oleva vauriomekanismi on usein samanlainen, vaikka ympäristö on toinen. Tyypillinen mittausmenetelmä hammasvaihteiden vikaantumisen valvonnassa on kiihtyvyysantureilla suoritettava värähtelymittaus. Kiihtyvyysanturit voidaan asentaa vaihteen laakerille ja/tai vaihteen runkoon, ideaalitilanteessa lähelle vaihteen pyörivän liikkeen tukipisteitä. Yksinkertaisimmillaan valvonnassa riittää pelkkä värähtelyn kokonaistason seuranta, mutta esimerkiksi hammasvaihteilla hammasryntöjen värähtelydynaamiset ilmiöt ovat niin monipuoliset, että kokonaistason valvonta ei yksin ole riittävä. Vaihteiden valvontaan tarvitaan tehokkaampia menetelmiä. Hammaspyöräparien tyypillisimmät vauriomekanismit (väsymis- ja ylikuormitusmurtuma, hampaan pinnan kuoppautuminen ja/tai kuoriutuminen, abrasiiviinen kuluminen, plastinen muodonmuutos, hampaan lohkeaminen, adheesiokuluminen, jne.) muuttuvat suurelta osaltaan havaittaviksi vasta silloin, kun vikaantumisen seurauksena hammaskontaktiin syntyy jokin normaalista hammaskontaktista poikkeava epäjatkuvuuskohta. Epäjatkuvuuskohta on tyypillisesti ja erityisesti vian alkuvaiheessa lyhyt metalli-metalli-kontakti, mutta se voi olla myös esim. väsymisen seurauksena tapahtuva hampaan normaalista poikkeava joustaminen tai taipuminen, jonka seurauksena tehonsiirto vaihteen hammaskontaktista toiseen siirryttäessä jakautuu epätasaisesti. Seuraavassa on esitetty menetelmiä, jotka soveltuvat hammaskontaktissa tapahtuvien dynaamisten muutosten havainnointiin Hammasvaurioiden havainnointimenetelmiä Tahdistettu aikasignaali Mittaamalla värähtelymittausten rinnalla akseleiden pyörimisnopeutta esim. optisella pulssianturilla (tms. takometrilla) voidaan eri mittaustulokset tahdistaa samanvaiheisiksi toisiinsa nähden. Signaalien samanvaiheisuus mahdollistaa sen, että mitatut aikasignaalit voidaan keskiarvoistaa tarkoituksenmukaisella tavalla. Keskisarvoistamalla toisiinsa nähden tahdistettuja värähtelykiihtyvyyssignaaleita mittausten signaali-kohina -suhdetta voidaan parantaa. Tällöin mittauksista on mahdollista saada esille myös pienet, keskiarvoistamattomana kohinatason alapuolella olevat hammaskontakteihin liittyvät muutokset ja laskea signaaleista vaihetiedon avulla viallinen hammaskontakti [Choy et al. 1996; Kerkkänen et al. 1990; Samuel et al. 2003; MacFadden 2000]. Spektrianalyysi Mitatusta kiihtyvyyssignaalista voidaan laskea signaalin spektri, jolla voidaan tarkastella signaalin taajuusominaisuuksia. Tyypillisesti laajakaistaisiesta, korkeataajuisista mittauksista

14 13 (16) lasketuista mittaspektreistä on haasteellista nähdä vaihteiston alkavaa vaurioitumista, sillä taajuusresoluutio ei ole usein riittävä erottelemaan yksittäisiä hammaskontakteja. Mittausten taajuusresoluutiota voidaan parantaa mittaamalla useampi näytepiste. Pyörimisnopeus pitää olla mittausjakson aikana vakio. Fokusoimalla mittaus ryntötaajuuksille voidaan vikaantuminen havaita spektreistä tarkastelemalla värähtelykomponentteja spektrin ryntötaajuuden ympäristössä [Choy et al. 1996; Kerkkänen et al. 1990]. Erityisesti ensiö- ja toisioakselin pyörimistaajuudella olevien sivunauhojen voimistuminen ryntötaajuuden ympärillä voi olla indikaatio hammasvauriosta. Yksinään värähtelyamplitudin voimistuminen ainoastaan ryntötaajuudella ei välttämättä anna kuvaa vian kehityksestä, koska sen voimakkuus riippuu mm. kuormituksesta. Kepstrianalyysi Spektrissä olevat harmoniset komponentit voidaan koota yhteen laskemalla tavallaan spektrille uusi spektri. Saatua tulosta kutsutaan kepstriksi. Tarkastelemalla kepstristä ensiö- ja toisiotaajuutta vastaavia amplitudeja, voidaan vaihteen hammasvaurion kehittyminen havaita kepstritasosta viallisen hammaspyörän taajuutta vastaavalla jaksonpituudella näkyvänä tasomuutoksena [Kerkkänen et al. 1990]. Demodulaatiotekniikka Hammasvaihteiden värähtelymittaustuloksissa näkyy vaihteen kunnosta riippumatta hammaspyöräparin ryntötaajuus ja sen harmoniset taajuudet (moninkerrat). Ryntötaajuuden ja sen moninkertojen lisäksi mittaustuloksissa näkyy ehjälläkin vaihteella harmonisten taajuuksien ympärillä tyypillisesti muutamia sivunauhoja, jotka johtuvat normaaleina pidettävistä geometrisista, linjaus- ja asennuseroista hammaspyöräparien välillä. Hammaspyörän hammasvaurion yhteydessä hammaskontaktissa syntyy nopea, lyhytkestoinen, aluksi usein matalaenerginen ylimääräinen impulssi, joka voi synnyttää ryntötaajuuden ja sen moninkertojen ympärille lukumääräisesti useita matala-amplitudisia sivunauhoja, joiden esiintyminen on yksi indikaatio hammasvauriosta [Wang 2001]. Mekaanisessa järjestelmässä tapahtuvat impulssimaiset herätteet herättävät rakenteen ominaistaajuudet. Taajuusalueen suuruus on käänteisesti verrannollinen heräteimpulssin pituuteen. Lyhytkestoiset vaurioimpulssit herättävät rakenteen korkeallakin taajuustasossa olevat ominaistaajuudet. Havainnoinnin kannalta edullisessa tilanteessa häiriösignaalit sijaitsevat pääasiassa alemmilla taajuuksilla. Sopivasti ikkunoimalla ja demoduloimalla voidaan tarkastella ja vahvistaa korkealla taajuustasossa olevia piirteitä sekä käyttää näitä hammasvaurioiden havainnointiin. Lähteessä Wang [2001] on esitetty resonanssitaajuuksien demodulaatiotekniikka, jossa vaihteesta mitatusta värähtelysignaalista lasketaan spektri, josta nollataan amplitudit ryntötaajuudella ja sen monikerroilla. Tämän jälkeen nollataan korkeataajuisen resonanssitaajuusalueen ulkopuolella olevat amplitudit. Lopuksi tehdään käänteinen FF-muunnos, korotetaan signaali toiseen potenssiin sekä suodatetaan signaali lopulta alipäästösuotimella. Vastaava voidaan tehdä myös alipäästösuodattimella signaali ja laskemalla signaalille Hilbert-muunnoksen avulla verhokäyrä. Saaduille signaaleille voidaan laskea erilaisia tilastollisia suureita ja piirteita, joissa tapahtuvat muutokset voivat paljastaa alkavan vaihdevaurion Planeettavaihdevaurioiden havainnoinnin erityspiirteitä Useimmissa hammasvaihteissa värähtelykiihtyvyyden spektri on tyypillisesti symmetrinen ja painottunut osaltaan ryntötaajuuksien ja niiden moninkertojen ympärille. Planeettavaihteissa näin ei välttämättä ole. Planeettavaihteesta mitattu ja laskettu värähtelyspektri on tyypillisesti epäsymmetrinen eivätkä päätaajuudet ole aina keskittyneet ryntötaajuuksien ja niiden

15 14 (16) moninkertojen ympärille [McNames 2002]. Planeettavaihteissa mm. planeettapyörien välimatkoihin ja sijaintigeometrioihin vaikuttavat pyörästöjen normaalit suunnittelu- ja toteutusvaihtelut [McAdams 2002]. Vaihteluista johtuen planeettavaihteissa eri pyörissä tapahtuva ryntökontakti ei ole täysin samanvaiheinen vaikka laskennallinen ryntöätaajuus on kaikilla pyörillä sama. Planeettavaihteessa summautunut ryntövaste on vähintäänkin moninainen, sisältäen ryntöelementtejä useista pyöristä. Planeettavaihteiden elementtien kompleksinen liike, erityisesti planeettapyörien ja aurinkopyörien, yhdistettynä siihen, että vaihteen kunnonvalvonnassa käytettävät kiihtyvyysanturit joudutaan rakenteellisesti sijoittamaan etäälle varsinaisista ryntökohdista, vaikuttavat kaikki osaltaan siihen, että planeettavaihteiden vikaantumisen valvontaan tarvitaan uusia, perinteisistä hammasvaihteiden valvontamenetelmistä räätälöityjä tekniikoita mm. erottamaan epäsymmetrisesti summautuneet, eri pyöräkontakteista tulevat ryntövärähtelyvasteet toisistaan [Samuel et al. 2003]. Epäsymmetriset piirteet ovat planeettavaihteen kunnosta riippumatta tyypillisiä eivätkä aina ole indikaationa alkavalle vikaantumiselle tai vauriolle. Moniplaneettaisessa planeettavaihteessa summautuneet todelliset ryntötaajuudet eivät välttämättä ole yhtäläisiä laskennallisten taajuuksien kanssa. Tämä riippuu mm. planeettapyörien lukumäärästä. Esimerkiksi tasavälisessä, neliplaneettaisessa planeettajärjestelmässä ryntötaajuus vaikuttaa kantotaajuuden neljänä moninkertana. Käytännössä planeettavaihteiden geometristen reunaehtojen vuoksi vain kaksi planeettaa voi olla yhtäläisesti jaksottuneena ja kaksi muuta ei. Tällaisessa tapauksessa planeettajärjestelmän taajuudet syntyvät kantotaajuuden parillisina kerrannaisina. Järjestelmässä, jossa tehonsiirrossa käytetään useita erilaisia tehonsiirron välitysasteita, tulee näiden kaikkien asteiden perustaajuudet erottaa toisistaan ennen analyysia. Esimerkiksi helikoptereissa, joiden vaihdelaatikkovaurioita ja havainnointia on tutkittu varsin laajasti, on tyypillisesti kolme erilaista tehonsiirron päävälitysastetta: vetoakseli, kartiohammaspyörä ja planeettavaihde. Lähteessä Samuel et al. [2003] on esitetty värähtelyerotteluun perustuva lähestymistapa diagnosoida helikopterin voimansiirtoketju vaihteineen. Menetelmässä erotellaan ensin kaikkien pääakseleiden taajuuskomponentit toisistaan. Tämän jälkeen ehjästä tilanteesta erotetut signaalit sovitetaan sarjalla Wavelet-algoritmeja voimansiirtoketjun erityispiirteiden ennustemallien laatimiseksi. Käytön aikana seurataan eri osille ehjästä tilanteesta muodostettujen ennustemallien ennustevirhettä. Tapahtuneet muutokset paljastavat vikaantumiset. Koepenkkiympäristössä suoritetussa testissä kolmeplaneettaisen planeettavaihteen toisessa pyörässä olevan yksittäisen pyörän vaurio ('spalled') voitiin havaita ja paikantaa esitetyllä menetelmällä. Samoin tilanne, jossa kaikki hampaat olivat vaurioituneita ('spalled'). Lähteessä McFadden [1991] on esitetty tekniikka, jolla voidaan erotella ryntötaajuus yksittäiselle planeettapyörälle ja aurinkopyörälle. Menetelmä perustuu aikatasossa tehtävään keskiarvoistukseen hyödyntämällä synkronoitua värähtelykiihtyvyyden aikatasosignaalia ja hammassuhteita sekä planeetta- ja rengaspyörän että myös aurinko- ja rengaspyörän välillä. 3 Yhteenveto Planeettavaihteissa on normaalisti suorat hampaat, koska vinohampaisten planeettavaihteiden konstruktiointi on haasteellista. Ulkopuolisen keskuspyörän sisäpuolella olevien hampaiden työstäminen vinoiksi vaatii erikoiskoneita, joita käytetään mm. kun valmistetaan suuritehoisia erikoisvaihteita laivoihin. Suorahampaiset vaihteet aiheuttavat enemmän melua eivätkä käy

16 15 (16) yhtä tasaisesti kuin vinohampaiset vaihteet, joissa seuraava hammas aloittaa kytkeytymisensä ja kuormankannon ennen kuin edellinen hammas irtoaa kontaktista. Planeettavaihteiden koko voidaan suunnitella pienemmäksi kuin normaaleissa, rinnakkaisakselisissa vaihteissa. Planeettavaihteilla voidaan saavuttaa suuri momentti-nopeus -suhde. Samalla vaihteet ovat kompakteja kokonaisuuksia. Kompakti rakenne haittaa kuitenkin liikalämmön siirtymistä planeettavaihteesta ympäristöön (nyrkkisääntö kaikille vaihteille: jokaisella siirtovaiheella noin 1 % tehosta häviää hukkalämpönä). Myös planeettavaihteen hyrrämomentit rasittavat laakereita. Planeettavaihteiden värähtelydynamiikka on haasteellista, sillä hammaspyöräryhmistä tulevien ryntöiskujen herättämät vasteet ovat monimutkaisemmin hallittavissa kuin tavallisissa vaihteissa. Planeettavaihteiden vikojen ja vaurioiden havainnoinnissa tarvitaan yleensä kehittyneempiä menetelmiä kuin perinteisissä hammasvaihteissa, vaikkakin vikamuodot ovat pääsääntöisesti samankaltaisia ja yhtäläisiä. Tyypillisesti planeettavaihteiden luotettava havainnointi edellyttää eri elementeistä ja lähteistä tulevien värähtelyherätekomponenttien erottelua ja luokittelua sekä mahdollisesti näiden piirteiden mallinnusta ja/tai tarkkaa taajuussuodatusta. Yhteisenä piirteenä kaikilla analysointimenetelmillä on se, että vaihteen pyörimisnopeus on vakio ja/tai analysoitavat mittaukset on liipaistu yhtäläisellä ja hallitulla ehdolla (esim. määritelty pyörimisnopeus- ja kuormaehto). Tällöin mittaustilanne on yhtäläinen ja järkevä vikatilanneanalysoinnin kannalta. Lähdeviitteet Alban, L Systematic Analysis of Gear Failures. American Society for Metals, 232 s. ISBN Choy, F. K., Polyshchuk, V., Zakrajsek J. J., Handschuh, R. F. & Townsendi, D. P., Analysis Of The Effects Of Surface Pitting And Wear On The Vibration Of A Gear Transmission System. Tribology International Vol. 29, No. 1, pp Delange, G Failure Analysis for Gearing. Maintenance Tecnology. Internet-osoite htpp:// Haettu: Hess, A A USN Diagnostic and Prognostic Development Strategy for Propulsion and Mechanical Systems. Naval Air Warfare Center. Internet-osoite Haettu: Kleemola, J Hammasvaihteen vikadiagnostiikka värähtelymittauksien ja neurolaskennan avulla. Diplomityö, 56 s. Kerkkänen, K. & Kuoppala. R., Koneiden vikadiagnostisoinnin menetelmiä. VTT, Tutkimuksia 700, Espoo ISBN X. McFadden, P.D A technique for calculating the time domain averages of the vibration of the individual planet gears and the sun gear in an epicyclic gearbox. Journal of Sound and Vibration, Volume 144, Issue 1, 8 January 1991, pp

17 16 (16) MacFadden, P.D Detection Of Gear Faults By Decomposition Of Matched Differences Of Vibration Signals. Mechanical Systems and Signal Processing (2000) 14(5), Mantovaara U., 1985 Planeetta ja differentiaalivaihteet. Kirjassa Koneenosien suunnittelu 3. s ISBN McAdams, D. A Towards Failure Modeling In Complex Dynamic Systems: Impact Of Design And Manufacturing Variations. Proceedings of DETC ASME Design Engineering Technical Conferences September 29-October 2, 2002, Montreal, Quebec, Canada. McNames, J Fourier Series Analysis of Epicyclic Gearbox Vibration. Journal of Vibration and Acoustics. Vol. 124, January 2002, pp Samuel, P. & Pines, D., Helicopter Transmission Diagnostics using Constrained Adaptive Lifting. Presented at the American Helicopter Society 59th Annual Forum, Phoenix, AZ, May 6-8, Sivonen, M Hammasvaihteistojen vauriot. Vaurioanalyysikurssi , TTKK, Materiaaliopin laitos. Stiesdal, H The Wind Turbine Components And Operation. Bonus-Info, newsletter, Autumn UTM Involute Gear Tooth Contact Stress Analysis. UT Martin, School of Engineering. Wang, W Early Detection Of Gear Tooth Cracking Using The Resonance Demodulation Technique. Mechanical Systems and Signal Processing, 15(5), pp Yuksel, C. & Kahraman, A Dynamic tooth loads of planetary gear sets having tooth profile wear. Mechanism and Machine Theory 39 (2004)