Torsiyonel Titreşim Nedir ?

Soru: Aşağıdaki RPM eğrisinde normal olmayan durum nedir?

Şekil 1: 4 silindirli bir motorun RPM - zaman eğrisi
Şekil 1: 4 silindirli bir motorun RPM – zaman eğrisi

Cevap: Toplam rpm seviyesi, 1000 RPM’den 3500 RPM’e çıkışı sırasında kararlı bir şekilde artış göstermemekte ve her bir dönüş çevrimi içerisinde (Bkz. Şekil-2) dönüş hızında bir dalgalanma meydana gelmekte.

Şekil 2: Dönüş hızında 100 RPM’lik bir dalgalanma meydana gelmektedir!
Şekil 2: Dönüş hızında 100 RPM’lik bir dalgalanma meydana gelmektedir!

Torsiyonel titreşim, dönel komponentlerin dönüş hızlarındaki dalgalanmadır. Bu dalgalanmalar, düzenli şekilde artış gösteren hızın üzerine biner.

Peki, torsiyonel titreşim neden bu kadar önemli bir konudur?

Neredeyse tüm dönel komponentli sistemlerin dönüş hızlarında dalgalanmalar mevcuttur. (motorlar, elektrik motorları, hidrolik pompalar, vb.). Bazı örnek uygulamalar da aşağıdaki şekildedir:

– Elektrik motorlarının zıt kutupları, dönüş hızında ufak değişimlere sebep olmaktadır.
– İçten yanmalı motorlarda, yanma olayları sebebiyle, krank mili hızında hafif de olsa artmalar ve azalmalar meydana gelmektedir.
– Hidrolik pompalarda akışkanın içeri ve dışarı aktığı zıt hazneler vardır. Akışkan, dönüş çevrimleri sırasında, tahliye yollarından farklı oranlarda girmeye ve çıkmaya zorlandığında, hızda bir miktar dalgalanmalar meydana gelir.

Bu düzensiz şekilde dalgalanan hız değişimlerine torsiyonel titreşim denir.

Torsiyonel titreşimler farklı sorunlara sebep olabilir:

– Dayanım sorunları: esnek kuplaj aşınması, dişli aşınması, vb.
– Titreşim konforu: titreşim, direksiyon miline, koltuklara veya pedallara aktarılabilir.
– Gürültü problemi: dişli gürültüsü, debriyaj gıcırdaması
– Senkronizasyon sorunları: düşük performans, düşük yakıt ekonomisi

Torsiyonel titreşim nasıl ölçülür?

Torsiyonel titreşimleri ölçmek için yüksek sayıda PPR (pulse per revolution) ile mil devrini ölçmek gerekir, yani mil dönerken her turda yüksek sayıda örnek almak gerekir. Milin her bir dönüşü sırasında hız değişimleri meydana gelirken, torsiyonel titreşimleri yakalamak için yüksek PPR kullanmak şarttır.

Aşağıda, aynı RPM içeriğinin farklı iki PPR oranı ile toplanmış bir örneği verilmiştir. Kırmızı eğri 120 PPR ile ölçülmüştür, siyah eğri ise 1 PPR ile ölçülmüştür.

Şekil 3: Daha düşük PPR oranı (siyah eğri) torsiyonel titreşimi yakalayamamıştır. Yüksek PPR oranı (kırmızı eğri) dönüş çevrimi içerisindeki dönüş hızının dalgalanmalarını yakalamıştır.
Şekil 3: Daha düşük PPR oranı (siyah eğri) torsiyonel titreşimi yakalayamamıştır. Yüksek PPR oranı (kırmızı eğri) dönüş çevrimi içerisindeki dönüş hızının dalgalanmalarını yakalamıştır.

Günlük hayattan bir örnek: Araç hızlanırken, kilometre saatindeki ibre düzenli bir şekilde hız artışını gösterir. Aslında, devir artarken aşağıdaki örnekte olduğu gibi ufak miktarda da dalgalanmalar olmaktadır.

Tako aminasyon

Devir düzenli bir şekilde artıyor gibi görünür çünkü devir ölçer krank milinin her dönüşünü yaklaşık olarak bir sefer örnekler. Eğer devir ölçer bu dönüşü daha yüksek hızlarda örneklemiş olsaydı, hızdaki dalgalanma (torsiyonel titreşim) daha belirgin hale gelirdi. Hatta bunun sonucunda araba sahipleri motorların düzensiz çalıştığını düşünebilirlerdi!

Peki, hangi sensörler kullanılmalı?

Torsiyonel titreşimi ölçmek için kullanılabilecek birçok farklı
sensör (ivmeölçer, strain gage, optik sensörler, manyetik alan sensörü, artırımlı enkoderler vb.) mevcuttur.

Torsiyonel titreşimi ölçmek için yaygın olarak kullanılan iki tip sensör vardır, bunlar manyetik alan sensörleri ve zebra bant/disklerle beraber kullanılan optik sensörlerdir.

Manyetik alan sensörleri, yüksek dayanımlı, görece ucuz ve ortamdaki toza karşı hassasiyeti az olduğundan dolayı oldukça popülerdir. Ancak yine de, manyetik alan sensörlerinin PPR sayısı, ölçümün gerçekleştirildiği dişli üzerindeki diş sayısı ile sınırlıdır. Sensör önünden her diş geçişinde sensör (Bkz. Şekil-4) bir pulse çıkış verir.

Şekil 4: Bir dişli üzerindeki dişin geçişini algılayan manyetik alan sensörü.
Şekil 4: Bir dişli üzerindeki dişin geçişini algılayan manyetik alan sensörü.

Diğer sensör tipi olan optik sensör ise zebra bantlarla (Bkz. Şekil-5) veya zebra disklerle (Bkz. Şekil-6) birlikte kullanılmaktadır. Bu şekilde kullanıcı çok yüksek PPR oranlarına ulaşabilmektedir. Zebra bant/disk üzerindeki her beyaz çizgi bir pulse olarak algılanır, böylece farklı PPR oranları, kullanılan çizgi yoğunluğu ile belirlenebilir.

Şekil 5: Optik sensör, zebra bant sarılmış bir mil üzerinden pulse okuması yapmaktadır.
Şekil 5: Optik sensör, zebra bant sarılmış bir mil üzerinden pulse okuması yapmaktadır.

Zebra bantlar dikkatli bir şekilde kullanılmalıdırlar. Bant, mil üzerine sarılırken, uç noktalarda aynı veya farklı renkler için birbiri üstüne binmeler meydana gelir ve bu sorunlu noktalar devir içeriğinde gerçekte var olmayan büyük dalgalanmalar meydana getirir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için
LMS Test.Lab içerisinde bulunan düzeltme algoritması (Bkz. Şekil-7) uygulanabilir.

Şekil 6: Zebra disk: bir disk üzerinde 40 bölüm diğer disk üzerinde ise 100 bölüm oluşturulmuştur. Eğer zebra bandı mile sarmak zor ise, zebra disk milin alt yüzeyine yerleştirilebilir.
Şekil 6: Zebra disk: bir disk üzerinde 40 bölüm diğer disk üzerinde ise 100 bölüm oluşturulmuştur. Eğer zebra bandı mile sarmak zor ise, zebra disk milin alt yüzeyine yerleştirilebilir.

Şekil 7: Zebra bant üzerinde sorunlu birleşim noktaları düzeltilmiş devir içeriği.
Şekil 7: Zebra bant üzerinde sorunlu birleşim noktaları düzeltilmiş devir içeriği.

Torsiyonel mertebeler (Order) için örnekleme gerçekleştirirken, PPR değeri minimum, ilgilenilen mertebe sayısının iki katı değerde olmalıdır. Yani, 60th torsiyonel mertebe yakalanmak (Bkz. Şekil-8) isteniyorsa en az 120 PPR oranı kullanılmalıdır.

Şekil 8: PPR oranı yeterince yüksek olmadığından, koyu mavi alan herhangi bir mertebe bilgisi sağlamamaktadır. Burada belirlenen örnekleme oranı 120 PPR’dir ve 60th mertebeden sonra herhangi bir bilgi bulunmuyor.
Şekil 8: PPR oranı yeterince yüksek olmadığından, koyu mavi alan herhangi bir mertebe bilgisi sağlamamaktadır. Burada belirlenen örnekleme oranı 120 PPR’dir ve 60th mertebeden sonra herhangi bir bilgi bulunmuyor.

LMS SCADAS veri toplama sistemleri iki adet, ICP şartlandırma özelliğine de sahip yüksek hızlı devir giriş özelliği sunmaktadır. LMS SCADAS RV4 modülleri 4 devir kanalından yüksek hızlarda devir bilgisi okuyabilme özelliğine sahiptir. Bu özelliklerle, torsiyonel titreşim ölçümleri oldukça kolay hale gelmektedir.

Torsiyonel Mertebeler

Torsiyonel mertebeler, toplam torsiyonel titreşime hangi komponentin daha çok katkıda bulunduğunu belirlemeye yardımcı olur.

4 silindirli bir motorun devir ve zaman verilerinden (Bkz. Şekil-1) renk haritasını (colormap) elde ettikten sonra 2nd mertebe ve onun harmoniklerinin, baskın mertebeler olduğu (Bkz. Şekil-9, sol grafik) açıkça görülmektedir.

Şekil 9: Sol: 4 silindirli motorun devir ve zaman verilerinden elde edilen renk haritası. Baskın olan 2. mertebeyi ve onun harmonikleri grafikte gösterilmiştir. Sağ: X-ekseni, motor 1000-3500 devir aralığını tararken meydana gelen toplam devir seviyesini göstermektedir. Y-ekseni ise her bir toplam devir aralığı için devirdeki dalgalanmayı vermektedir. Krank milinin rezonansa girdiği bölüm haricinde (2600 RPM civarı) devir arttıkça torsiyonel titreşim düşmektedir.
Şekil 9: Sol: 4 silindirli motorun devir ve zaman verilerinden elde edilen renk haritası. Baskın olan 2. mertebeyi ve onun harmonikleri grafikte gösterilmiştir. Sağ: X-ekseni, motor 1000-3500 devir aralığını tararken meydana gelen toplam devir seviyesini göstermektedir. Y-ekseni ise her bir toplam devir aralığı için devirdeki dalgalanmayı vermektedir. Krank milinin rezonansa girdiği bölüm haricinde (2600 RPM civarı) devir arttıkça torsiyonel titreşim düşmektedir.

2nd mertebe, 4 silindirli motorun yanma mertebesidir. Yanma mertebesi, motorlardaki torsiyonel titreşimler için genellikle baskın olan mertebedir.

Krank mili, her bir dönüşte yanmanın meydana geldiği silindirler tarafından tahrik edilir. Yanmanın meydana geldiği her seferde krank mili bir miktar daha hızlanır. Buna rağmen, krank milinin yapısal ataletlerinden dolayı, krank mili her patlama olayı arasında bir miktar yavaşlar. Bu düzensiz devir hızlanması torsiyonel titreşim olarak adlandırılır.

Düşük devirlerdeki yüksek torsiyonel titreşim:

Motor, ne kadar düşük devirlerde ateşleme yaparsa, yanma olayları arasındaki süre de o kadar uzun olur ve de yanma olayları arasında krank mili o kadar yavaşlar. Bu yüzden devir ne kadar düşükse, torsiyonel titreşim de o kadar fazla olur. (Bkz. Şekil-9 sağ grafik: devir düştükçe torsiyonel titreşim artmaktadır)

Ayrıca, motorda ne kadar az silindir bulunuyorsa, krank milinin her dönüşünde o kadar daha az yanma olayı meydana gelecektir ve yanma olayları arasındaki süre de o kadar uzun olacaktır. Bu yüzden daha az silindir daha yüksek torsiyonel titreşimlere sebebiyet verebilmektedir.

Torsiyonel rezonans:

Şekil-9’deki 2nd mertebe grafiğinde, 2600 RPM civarında çok belirgin bir krank mil rezonansı (torsiyonel titreşimdeki pik) bulunmaktadır.

Aşağıda, krank milinin rezonans frekansında nasıl hareket ettiğinin örneği gösterilmiştir.

Torsiyonel titreşimdeki pik, krank milinin rezonansa girmesinden dolayı meydana gelmektedir. Animasyon, krank milinin rezonans frekansından nasıl bir hareket sergileyeceğini göstermektedir.
Torsiyonel titreşimdeki pik, krank milinin rezonansa girmesinden dolayı meydana gelmektedir. Animasyon, krank milinin rezonans frekansından nasıl bir hareket sergileyeceğini göstermektedir.

Torsiyonel mertebeler NVH analizlerinde nasıl kullanılırlar?

Torsiyonel mertebeler, yapıdaki titreşim ve gürültü seviyelerine torsiyonel titreşimin fazlaca katkı yapıp yapmadığı belirlemeye yardımcı olur.

Örnek olarak sürücü kulak konumundan bir mikrofon ile veri toplandığını varsayalım. İkinci mertebe verisi aşağıda (Bkz. Şekil-11) gösterilmektedir. Bu grafikte, ilgili devir aralığı için sürücü kulak pozisyonundaki gürültü seviyesi gösterilmektedir.

Şekil 11: 2nd mertebe için sürücü sağ kulak pozisyonundaki gürültü verisi.
Şekil 11: 2nd mertebe için sürücü sağ kulak pozisyonundaki gürültü verisi.

2600 devir civarında büyük bir artış meydana gelmekte. Dolayısıyla bu testi gerçekleştiren kişi ilk olarak bu yükselişe sebep olanın ne olduğunu merak edecektir. 2nd torsiyonel mertebe ile bu gürültü verisini üst üste koyduğumuzda (Bkz. Şekil-12) açıkça görülmektedir ki, gürültü seviyesindeki bu artışa krank milinin torsiyonel titreşimi sebep olmaktadır.

Şekil 12: 2600 RPM civarında gürültü seviyesindeki artış krank milinin torsiyonel rezonansı dolayısıyla oluşmaktadır.
Şekil 12: 2600 RPM civarında gürültü seviyesindeki artış krank milinin torsiyonel rezonansı dolayısıyla oluşmaktadır.

Meydana gelen pik dizilimi göstermektedir ki, krank mili rezonansı sürücü kulak konumundaki gürültü içeriğinin ikinci mertebesindeki pike en fazla katkıyı yapan etmendir.

Torsiyonel mertebeler, meydana gelen titreşim ve gürültülerin torsiyonel titreşimlerden dolayı meydana gelip gelmediğini belirlemek için oldukça kullanışlı bir analiz aracıdır.

Detaylı bilgi için DTA Mühendislik Test & Ölçüm bölümüyle iletişime geçiniz.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *