Värähtelymittaukseen perustuva vaihdekokoonpanon laadunvalvonta
Löytynoja, Ville (2023)
Löytynoja, Ville
2023
Konetekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Mechanical Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-04-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304063540
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304063540
Tiivistelmä
Vaihteissa käytettävät hammaspyörät synnyttävät värähtelyä sekä ääntä, joka voidaan kuulla ihmiskorvalla. Jos hammaspyörän hampaassa on esimerkiksi käsittelyssä syntynyt kolhu, kuullaan vaihteen koeajossa yleensä jaksollinen nakutus, joka toistuu jaksollisesti vioittuneen hammaspyörän pyörimistaajuudella. Käytännössä vaihteen kuuntelua hankaloittaa tehdasympäristössä esiintyvä runsas taustamelu, joka peittää alleen vaimeat äänet. Lisäksi koeajoa suorittavien työntekijöiden kuuloaistin herkkyydessä on eroja, joten kahden työntekijän näkemys saman vaihteen kunnosta äänen perusteella saattaa erota.
Työn tavoitteena on tutkia, voidaanko värähtelymittausta soveltaa hammasvaihteen kokoonpanossa viallisten vaihteiden tunnistamiseen. Värähtelymittaukseen perustuvan laadunvalvonnan pitäisi teoriassa parantaa tuotannonlaatua, kun koeajon tulos ei ole asentajan kuuloaistista riippuvainen ja vaihteesta saadaan objektiivinen testitulos. Työssä tutkitaan, voidaanko värähtelymittauksen avulla tunnistaa hammasvaihteen hammaspyörien kolhut sekä määrittää missä hammaspyöräakselikokoonpanossa kolhu sijaitsee. Lisäksi työssä tutkitaan ja suunnitellaan kuinka värähtelymittaus tulisi kohdeyrityksen tuotannossa toteuttaa. Työssä perehdytään hammasvaihteen värähtelyn ja sen mittaamisen kannalta oleelliseen teoriaan sekä tutkitaan värähtelyn analysointimenetelmiä ja niiden soveltumista hammaspyörän kolhujen tunnistamiseen. Lisäksi työssä analysoidaan työn aikana ehjille ja viallisille vaihteille tehtyjen värähtelymittausten tuloksia.
Työssä värähtelyn analysoimiseen käytettyyn ohjelmistoon luotiin kepstrianalyysiin pohjautuva työkalu, joka ilmoittaa missä hammaspyörässä kolhu sijaitsee, jos sellainen värähtelysignaalista havaitaan. Työkalu toimi oikein lähes kaikkien työssä käytettyjen hammasvaihteiden tapauksessa. Värähtelymittaukset suoritettiin vaihteen koeajon aikana, jossa koeajomoottori pääsi aavistuksen liikkumaan vaihteen suhteen, eikä koeajotapahtuma ollut täten värähtelymittausten kannalta riittävän stabiili moottorin satunnaisen asennonvaihtelun johdosta.
Työn tuloksena todetaan, että värähtelymittausta voidaan hyödyntää tutkimuskohteena olevien vaihteiden laadunvalvonnassa tunnistamaan vialliset hammaspyörät, mutta tämä edellyttää muutoksia koeajojärjestelyyn. Työssä esitellään värähtelymittauksen kannalta oleellisimmat kehitysehdotukset koeajojärjestelyyn, jotka tekemällä värähtelymittauksen tuloksista saadaan keskenään vertailukelpoisempia ja täten luotettavampia. The gears used in gearboxes generate vibration and noise that can be heard by the human ear. If a gear tooth has for example a dent caused by improper handling, this generates a periodic knocking sound when the gearbox is tested. The knocking sound is repeated once per revolution of the defected gear. A practical challenge in the production environment is that there is a lot of background noise present which makes it harder to hear any soft sounds. In addition, hearing sensitivity varies between the workers so different workers might have a different opinion about the gearbox’s condition based on the sound it generates.
The aim of the thesis is to investigate if vibration measurement could be implemented to detect defected gears in the gear assembly. In theory, quality control based on vibration measurement should increase production quality since the test results are not dependent of the assembler’s hearing and an objective result of the gearbox’s condition can be obtained. The thesis investigates if vibration measurement can be used to detect gears with defected teeth and if the gear shaft assembly on which the defect is located on can be detected. In addition, the thesis investigates and designs how the vibration measurement should be conducted in the target company’s production. In the thesis, the theory relevant to gearbox’s vibration and its measurement is studied and vibration analysis methods and their applicability to the detection of dents on the gear teeth are studied. The thesis also analyzes the results of vibration measurements conducted to intact and defected gearboxes during the thesis.
In the thesis, a tool based on cepstrum analysis was created in the software used to analyze the vibration data. The tool indicates in which gear the dented tooth is located if such defect is present. The tool worked correctly for almost every defected gear used for the measurements. The measurements were conducted during the testing phase where the test motor was able to move slightly in relation to the gearbox. Because of this movement, the testing arrangement was not stable enough for the vibration measurement due to the random variation of the motor’s position.
As a result of the thesis, it is stated that vibration measurement can be used in the quality control of the researched gearboxes to identify defective gears, but this requires changes to the testing arrangement. The most essential development proposals for the testing arrangement from the vibration measurement’s point of view are presented in the thesis. Making these changes will make the results of the vibration measurement more comparable with each other and thus more reliable.
Työn tavoitteena on tutkia, voidaanko värähtelymittausta soveltaa hammasvaihteen kokoonpanossa viallisten vaihteiden tunnistamiseen. Värähtelymittaukseen perustuvan laadunvalvonnan pitäisi teoriassa parantaa tuotannonlaatua, kun koeajon tulos ei ole asentajan kuuloaistista riippuvainen ja vaihteesta saadaan objektiivinen testitulos. Työssä tutkitaan, voidaanko värähtelymittauksen avulla tunnistaa hammasvaihteen hammaspyörien kolhut sekä määrittää missä hammaspyöräakselikokoonpanossa kolhu sijaitsee. Lisäksi työssä tutkitaan ja suunnitellaan kuinka värähtelymittaus tulisi kohdeyrityksen tuotannossa toteuttaa. Työssä perehdytään hammasvaihteen värähtelyn ja sen mittaamisen kannalta oleelliseen teoriaan sekä tutkitaan värähtelyn analysointimenetelmiä ja niiden soveltumista hammaspyörän kolhujen tunnistamiseen. Lisäksi työssä analysoidaan työn aikana ehjille ja viallisille vaihteille tehtyjen värähtelymittausten tuloksia.
Työssä värähtelyn analysoimiseen käytettyyn ohjelmistoon luotiin kepstrianalyysiin pohjautuva työkalu, joka ilmoittaa missä hammaspyörässä kolhu sijaitsee, jos sellainen värähtelysignaalista havaitaan. Työkalu toimi oikein lähes kaikkien työssä käytettyjen hammasvaihteiden tapauksessa. Värähtelymittaukset suoritettiin vaihteen koeajon aikana, jossa koeajomoottori pääsi aavistuksen liikkumaan vaihteen suhteen, eikä koeajotapahtuma ollut täten värähtelymittausten kannalta riittävän stabiili moottorin satunnaisen asennonvaihtelun johdosta.
Työn tuloksena todetaan, että värähtelymittausta voidaan hyödyntää tutkimuskohteena olevien vaihteiden laadunvalvonnassa tunnistamaan vialliset hammaspyörät, mutta tämä edellyttää muutoksia koeajojärjestelyyn. Työssä esitellään värähtelymittauksen kannalta oleellisimmat kehitysehdotukset koeajojärjestelyyn, jotka tekemällä värähtelymittauksen tuloksista saadaan keskenään vertailukelpoisempia ja täten luotettavampia.
The aim of the thesis is to investigate if vibration measurement could be implemented to detect defected gears in the gear assembly. In theory, quality control based on vibration measurement should increase production quality since the test results are not dependent of the assembler’s hearing and an objective result of the gearbox’s condition can be obtained. The thesis investigates if vibration measurement can be used to detect gears with defected teeth and if the gear shaft assembly on which the defect is located on can be detected. In addition, the thesis investigates and designs how the vibration measurement should be conducted in the target company’s production. In the thesis, the theory relevant to gearbox’s vibration and its measurement is studied and vibration analysis methods and their applicability to the detection of dents on the gear teeth are studied. The thesis also analyzes the results of vibration measurements conducted to intact and defected gearboxes during the thesis.
In the thesis, a tool based on cepstrum analysis was created in the software used to analyze the vibration data. The tool indicates in which gear the dented tooth is located if such defect is present. The tool worked correctly for almost every defected gear used for the measurements. The measurements were conducted during the testing phase where the test motor was able to move slightly in relation to the gearbox. Because of this movement, the testing arrangement was not stable enough for the vibration measurement due to the random variation of the motor’s position.
As a result of the thesis, it is stated that vibration measurement can be used in the quality control of the researched gearboxes to identify defective gears, but this requires changes to the testing arrangement. The most essential development proposals for the testing arrangement from the vibration measurement’s point of view are presented in the thesis. Making these changes will make the results of the vibration measurement more comparable with each other and thus more reliable.