Prove di endurance di un assale per auto ibride

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prove di endurance per un assale

VMGears DM è il sistema di misura di PEI VM per la diagnostica di macchine rotanti tramite misura delle vibrazioni superficiali: ecco un esempio applicativo per una delle aziende leader dell’automotive

Quasi tutti i tipi di macchinari industriali contengono al loro interno parti rotanti soggette a urti, strisciamenti, contatti, sbilanciamenti, che si traducono in forze di eccitazione che a loro volta, propagandosi per continuità del materiale a tutta la struttura della macchina, generano vibrazioni superficiali e di conseguenza onde sonore, connaturate al funzionamento stesso della macchina e pertanto sempre presenti e quasi sempre rilevabili. Questi segnali, se opportunamente processati, sono in grado di rivelare importanti informazioni sullo stato di salute o di usura delle componenti interne della macchina. PEI VM Srl, azienda con sede a Zola Predosa (BO), ha esperienza ventennale nel campo NVH (Noise, Vibration & Harshness) ed è specializzata in consulenza e strumentazione, conducendo da anni un’intensa attività sperimentale con il supporto di diverse aziende del territorio, per dare vita a moduli di analisi specifici per ciascuna tipologia di macchine, come ad esempio riduttori, assali, cambi, motori elettrici, motori a combustione, pompe, oggi disponibili come licenze software differenziate all’interno di un sistema di diagnostica multi-ambiente denominato VMGears.

Figura 1. Schema della trasmissione (in alto) e modellazione all’interno di VMGears (sopra)

Diagnostica di macchine rotanti

VMGears indica un sistema di misura commercializzato a partire dal 2006, completo di hardware e software, progettato per effettuare la diagnostica di macchine rotanti tramite la misura delle vibrazioni superficiali. Sulla base di algoritmi sviluppati ad-hoc, VMGears identifica i difetti delle componenti interne che durante il funzionamento si presentano come rumorosità o vibrazioni “anomale”. I vari tipi di difetto di ciascun componente vengono mostrati all’operatore tramite una interfaccia semplice e comprensibile, sottoforma di indicatori numerici facilmente comparabili, così che la lettura dello stato di salute della macchina sia immediata. La complessità dell’analisi rimane in background ed è completamente nascosta agli occhi dell’utente. VMGears è utilizzato con successo da aziende leader nei settori power transmission, automotive, motorcycle, off-highway e industrial e dispone ad oggi di tre versioni distinte per altrettante differenti applicazioni, una delle quali è quella della versione VMGears DM (Durability Monitoring), dedicata al monitoraggio continuo di test endurance. L’esempio qui presentato verte sul monitoraggio delle vibrazioni di una trasmissione per veicoli ibridi, durante un ciclo di test che condensa in un test endurance l’utilizzo della trasmissione nel suo intero ciclo di vita. Tramite VMGears DM è stato possibile eseguire in maniera automatizzata diverse operazioni. Innanzitutto, acquisire in maniera sincrona le condizioni operative della trasmissione con i segnali dinamici provenienti dagli accelerometri, per correlare le vibrazioni alle velocità di rotazione del motore elettrico e alla coppia motrice. È quindi possibile Interpretare i dati vibrazionali utilizzando gli indici dedicati disponibili all’interno di VMGears, legando la vibrazione ad una specifica causa meccanica in maniera semplice e diretta, come nel caso di indici dedicati alle vibrazioni generate dall’ingranamento dei singoli stadi di riduzione, dallo sbilanciamento degli alberi o dalle piste del singolo cuscinetto. Infine, l’applicazione rende possibile mostrare mediante grafico in tempo reale l’andamento degli indici vibrazionali, monitorandone la storia temporale per permettere di interrompere il test in caso di superamento di certe soglie di accettabilità o di improvvise derive.

Prove di endurance di un assale per auto ibride: la trasmissione

La trasmissione oggetto di test, sviluppata da una prestigiosa azienda del settore automotive e presente a bordo di alcuni modelli a propulsione ibrida, è a tre stadi di riduzione ad assi paralleli, schematizzabile come in figura 1. La trasmissione presenta 5 ingranaggi a denti elicoidali, indicati con le sigle da G1 a G5, montati su 4 alberi, ciascuno sostenuto da una coppia di cuscinetti volventi per un totale di 8, indicati con le sigle da B1 a B8. Tramite l’apposito tool di costruzione dei modelli cinematici, l’intera trasmissione è stata modellata all’interno di VMGears tramite uno schema ad albero di costruzione estremamente semplice, come successione di alberi, cuscinetti e stadi di riduzione. Lo schema e il tool per la sua creazione all’interno del software sono visibili in figura 1B. Il ciclo di test, inteso come il profilo nel tempo delle condizioni operative della trasmissione (velocità di rotazione e coppia motrice) è schematizzato in figura 2. Si nota come il ciclo sia composto dalla ripetizione di varie condizioni stazionarie, a simulare carichi di “tiro” e di “rilascio” del veicolo. All’interno di VMGears DM è possibile mappare queste o altre condizioni, per le quali il software svolge in automatico acquisizione e analisi dei dati, nonché la visualizzazione delle trendline degli indici vibrazionali.

Prove di endurance di un assale
Figura 2. Ciclo endurance, profili di velocità di rotazione e coppia motrice imposte alla trasmissione

Strumentazione

VMGears DM è commercializzato come soluzione completa hardware e software. La fornitura include i moduli di acquisizione e la sensoristica IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric Excitation), tra cui accelerometri mono o tri assiali ed eventualmente microfoni, dove le condizioni ambientali ne permettano l’utilizzo. Per il test preso ad esempio, sono state utilizzate 2 schede 4 canali ad alta frequenza (51.2 kHz) e accelerometri con alta sensibilità (100 mV/g) posizionati su più punti strategici della carcassa della trasmissione, in corrispondenza dei supporti cuscinetti e quindi dei punti di maggior sensibilità allo scambio di forze tra gli ingranaggi. Nella figura 3 è mostrato uno schema del posizionamento di uno degli accelerometri utilizzati sulla carcassa esterna.

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Figura 3. Posizionamento dell’accelerometro sulla trasmissione

Risultati

Il ciclo endurance “base” (figura 2) è stato eseguito per 6 ripetizioni consecutive fino al completamento del test, avvenuto al sopraggiungere di criticità nel funzionamento della trasmissione. Come dimostrato dalle immagini, è stato possibile intercettare in maniera preventiva una serie di danneggiamenti tramite gli indicatori vibrazionali VMGears dedicati a ruote dentate e cuscinetti.

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Prove di endurance di un assale
Figura 4. Trend indici vibrazionali (TQV, AMR, ORD): le zone colorate nei plot evidenziano le derive dei rispettivi indici (correlati ai componenti con lo stesso colore nello schema a destra) all’insorgere del problema (in questo caso un cedimento del cuscinetto B3)

Nello svolgimento di test di questo tipo si tendono ad utilizzare più accelerometri, per poi focalizzare l’attenzione sui trend più significativi in termini di incremento degli indicatori vibrazionali; ebbene, nella condizione operativa di massima velocità di rotazione, durante la 6° e ultima ripetizione del ciclo endurance, è stato possibile osservare diversi comportamenti, come l’aumento del +250% dell’indice di RMSoverall [m/s2]. Questo indice globale mostra un importante aumento vibrazionale tra l’ultima ripetizione e le precedenti 5, tuttavia non sufficiente per permettere di identificare quali siano i componenti danneggiati o malfunzionanti, descritti invece in dettaglio da altri indici. Aumento del +600% dell’indice di vibrazione di ingranamento TQV [m/s2], sia per le ruote G1, G2, G3 sia per le ruote G4, G5 indica come l’azione di ingranamento all’improvviso avvenga in maniera estremamente più impulsiva su tutti gli stadi di riduzione; il problema non è quindi legato a una sola ruota e il suo effetto si estende a tutta la trasmissione. Si registra inoltre un aumento del +500% dell’indice di modulazione AMR [m/s2] per lo shaft #3, che sostiene le ruote G3 e G4, indica come la frequenza di rotazione di questo asse moduli fortemente, cioè condizioni, tutto lo spettro vibrazionale. La causa tipica di questa situazione è un cuscinetto che, cedendo, porta l’asse a ruotare in maniera sbilanciata, con annesso ingranamento anomalo degli ingranaggi su esso montati. L’aumento del +900% dell’indice di danneggiamento della pista esterna ORD del cuscinetto B3: questo indice, che assume valori molto elevati e oltre le soglie di allarme, conferma quanto visto ai punti precedenti: il cuscinetto B3, cedendo, porta l’asse shaft #3 a ruotare fuori centro, con conseguenza anche sull’ingranamento di tutta la cinematica.

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Figura 5. Il sistema VMGears nella configurazione di valigetta portatile anti-urto, contenente laptop, schede di acquisizione e sensori

Conclusioni

Tramite il monitoraggio effettuato con VMGears DM è stato possibile interrompere il test di durata prima di incorrere in danneggiamenti di maggiore severità all’interno della trasmissione: questa informazione è di fondamentale importanza per poter prevedere uno stop ispettivo ed evitare una rottura improvvisa dalla quale sarebbe impossibile risalire alla relativa causa scatenante. Si tratta di un tool fondamentale per lo sviluppo del prodotto, al fine di identificare le zone progettualmente più critiche, e a completare la gamma VMGears: il sistema RD caratterizza lo sviluppo del prototipo a confronto tra più soluzioni costruttive diverse e con la concorrenza, il sistema QC effettua un controllo della qualità del prodotto a nuovo (su ogni prodotto che transita sulla linea), mentre il DM verifica quale componente tende a cedere per prima sotto stress. L’utilizzo di algoritmi di analisi dedicati è essenziale per intercettare in maniera mirata la componente (o le componenti) soggette a usure e danneggiamenti, specialmente in caso di catene cinematiche complesse.

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