VYUŽITÍ PROSTŘEDKŮ ZVUKOVÉ ANALÝZY V OBLASTI KONTROLY KVALITY PŘEVODOVEK
Bakalářská práce
Studijní program: B6209 – Systémové inženýrství a informatika Studijní obor: 6209R021 – Manažerská informatika
Autor práce: Martin Letáček Vedoucí práce: Ing. David Kubát
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Tímto bych rád poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Davidu Kubátovi za vedení této práce a také za poskytnuté rady a připomínky. Děkuji i kolegům ze společnosti Škoda Auto a.s., kteří mi poskytli potřebné materiály a vysvětlili mi některé nejasnosti. Mé poděkování patří také rodině a přátelům, kteří mě během studia podporovali a motivovali.
Anotace
Tato bakalářská práce řeší otázku využití prostředků zvukové analýzy v oblasti kontroly kvality převodovek. Některé její části jsou ryze teoretické, neboť je nezbytně nutné seznámit čtenáře se základními znalostmi ze strojírenství a akustiky. Opomenuta není ani stránka popisující současně používané softwarové a hardwarové nástroje. Následující část nejprve představuje danou problematiku a následně podrobněji rozebírá využití teoretických znalostí a zmíněných prostředků v praxi. V závěrečné části práce se věnuji svému vlastnímu projektu, který si kladl za cíl zefektivnit jeden z procesů při stanovení závady. V neposlední řadě také hodnotím přínos tohoto projektu a snažím se nastínit i nové potenciální možnosti využití mého projektu.
Klíčová slova
Převodovka, kontrola kvality, vibrace, zvuk, analýza
Annotation
Title: The application of sound analysis equipment in the field of gearboxes quality control
This bachelor thesis deals with the application of sound analysis equipment in the field of gearboxes quality control. Some parts are purely theoretical, because it is absolutely necessary to introduce readers to basic knowledge of mechanical engineering and acoustics. It also describes currently used software and hardware tools. The following part explains the issue and then shows the details of knowledge and resources mentioned in practice. The final section is devoted to my own project, which aimed to streamline one of the processes. Finally, I also evaluate the benefits of this project and I try to outline the new opportunities of using my project.
Key Words
Gearbox, quality control, vibrations, sound, analysis
Obsah
Obsah ... 8
Seznam zkratek ... 11
Seznam obrázků ... 10
Úvod ... 12
1. Literární rešerše ... 13
2. Popis funkce převodovky (typ MQ 100) ... 15
2.1 Základní prvky převodovky a jejich fuknce ... 15
2.1.1 Hnací hřídel ... 15
2.1.2 Hnaná hřídel ... 15
2.1.3 Soustava diferenciálu ... 17
2.1.4 Spojka ... 18
2.1.5 Vnitřní řazení ... 19
3. Komponenty analytického softwaru ... 20
3.1 Měřicí program TasAlyser ... 20
3.2 Databáze parametrů ... 21
3.3 Databáze výsledků ... 21
3.4 Web.Pal ... 22
3.5 Marvis (Presentation) ... 22
4. Komunikace mezi zařízeními ... 23
5. Měřicí počítač... 24
5.1 Moduly TAS Boxu ... 24
5.1.1 TAD 96 – převodník analogového signálu na digitální ... 24
5.1.2 TIS 24 – modul rychlosti otáček... 25
5.1.3 TDA 96 – převodník digitálního signálu na analogový ... 25
6. Testovací cyklus ... 26
7. Počítačem vyhodnocené závady ... 28
8. Teorie zvukové analýzy ... 29
8.1 Rotačně synchronní analýza ... 29
8.1.1 Synchronní kanály a „mix“... 30
8.2 Frekvence, řády a jejich harmonické ... 31
8.2.1 Frekvenční spektrum ... 33
8.2.3 Harmonické řády ... 34
8.3 Vysvětlení pojmů z výpisů závad ... 35
8.3.1 Stupeň ... 35
8.3.2 Kanál, místo ... 35
8.3.3 Instrumenty ... 36
8.3.4 Parametr ... 37
8.3.5 Pozice, hodnota, hranice ... 37
8.4 Instrumenty samostatných hodnot ... 38
8.4.1 RMS ... 38
8.4.2 Peak ... 38
8.4.3 Crest ... 38
8.4.4 Špičatost ... 39
8.5 Typické vzory některých závad ... 39
9. Zpracování výstupu ... 42
9.1 Práce s nástrojem Web.Pal ... 42
9.2 Práce s programem Discom Presentation ... 43
10. Můj projekt ... 46
10.1 Práce na projektu ... 46
10.2 Přínos projektu ... 47
Závěr ... 49
Seznam použité literatury ... 50
Seznam obrázků
Obrázek 1: Ilustrace hnací hřídele a hnané hřídele... 16
Obrázek 2: Soustava diferenciálu ... 18
Obrázek 3: Ilustrace vnitřního řazení na hnané hřídeli... 19
Obrázek 4: Komponenty analytického systému ROTAS ... 20
Obrázek 5: Ukázka z programu TasAlyser ... 21
Obrázek 6: Ukázka výstupu z programu Discom Presentation ... 22
Obrázek 7: Ilustrace měřicího počítače a jeho okolí ... 23
Obrázek 8: Přední a zadní strana TAS Boxu ... 24
Obrázek 9: Ilustrace grafu průběhu otáček během testovacího cyklu ... 26
Obrázek 10: Ukázka jedné vadné převodovky z denního výpisu závad ... 28
Obrázek 11: Ukázka jedné vadné převodovky z denního výpisu závad ... 30
Obrázek 12: Znázornění převodu zvukového signálu v čase na frekvenční spektrum ... 32
Obrázek 13: Ukázka frekvenčního spektra z programu Audacity ... 32
Obrázek 14: Ukázka řádového spektra 4. rychlosti. ... 34
Obrázek 15: Běžné závady a jejich projevy ... 40
Obrázek 16: Spektogram s barevně odlišenou úrovní hlučnosti ... 44
Obrázek 17: Vlastní UserForm s několika makry ... 47
Obrázek 18: Ukázka mého projektu „Přehled závad“a použitého filtru ... 48
Seznam zkratek
FFT Fast Fourier Transform
Úvod
Převodovku lze považovat za jednu z nejzákladnějších součástí automobilu. Spolu s motorem se podílí na pohánění vozidla a je tedy v automobilu nepostradatelná. Vadně vyrobená převodovka může ve vozech způsobit značné komplikace jako například zvýšenou hlučnost, nižší životnost a v některých případech i úplnou nefunkčnost.
Ve společnosti ŠKODA AUTO a.s., kam jsem nastoupil na praxi, je proto mnoho oddělení, která se přímo zabývají kontrolou kvality vyrobených dílů. V případě kontroly převodovek se postupuje tak, že se každý zhotovený kus řádně otestuje ještě před tím, než je následně namontován do vozu. Proces testování probíhá na speciálních zkušebních stavech, které obsluhují řadoví zaměstnanci. Během tohoto procesu počítače generují a vyhodnocují velké množství údajů, které následně analyzují a zpracovávají pracovníci našeho oddělení.
V neposlední řadě tito zaměstnanci rozhodují o tom, jak s převodovkami, které systém vyhodnotí jako špatné, dále naložit. Takto by se dalo celé testování shrnout, avšak proces je to daleko složitější a pro jeho úplné pochopení je nutné podívat se hlouběji a zaměřit se i na ty nejmenší detaily.
Cílem této práce je vysvětlení dané problematiky, popsání nástrojů zvukové analýzy a zhodnocení spolehlivosti a přesnosti tohoto funkčního řešení. V poslední části práce bude navíc představena má vlastní práce, jejímž cílem bylo pomoci se snadnější identifikací některých opakovaných závad. Tu se v závěru rovněž pokusím zhodnotit z hlediska jejího přínosu a navrhnu i další projekt, který by na podobném principu mohl vzniknout.
1. Literární rešerše
Autor knihy „Statistical Quality Control. A modern Introduction“1 se již v úvodu zmiňuje o tom, že kontrola a zlepšování kvality se stává pro firmy stále důležitější. Jedná se totiž o jednu z hlavních konkurenčních výhod v hospodářské soutěži. Podnik, který dokáže svými produkty uspokojit své zákazníky, snadno získá převahu nad ostatními konkurenčními firmy. Na začátku knihy se také mluví o jakýchsi dimenzích kvality, kterými jsou: výkonnost, spolehlivost, životnost, údržba, vzhled, funkce, vnímaná kvalita a vyhovění požadavkům. V této bakalářské práci se však stejně jako na oddělení kontroly kvality převodovek ve společnosti Škoda Auto a.s. zaměříme pouze kvalitu z pohledu spolehlivosti, životnosti a celkovému vyhovění požadavkům zákazníka. V této knize jsou také obsáhle vysvětlené různé statistické postupy a metody využívané právě ke kontrole kvality, avšak na to již v této bakalářské práci nezbyl prostor.
Jelikož je tato práce zaměřena konkrétně kontrolu kvality převodovek, zabývám se zde i zběžným popisem převodovky, vysvětlením její funkce v automobilech a také popisem její konstrukce. V této části jsem čerpal zejména z knihy „Převodová ústrojí motorových vozidel“2 od Františka Vlka a z interní příručky společnosti Škoda Auto a.s. k převodovce typu MQ 100.
Teoretické základy z akustiky, které jsou důležité pro pochopení základních principů akustické analýzy, jsou popsány v knize „Acoustics : an introduction to its physical principles and applications.“3
1MONTGOMERY, D., Statistical quality control. A modern intorduction. 6. vyd.
Hoboken: John Wiley&SOns, 2009. ISBN 978-0-470-23397-9.
2 VLK, F. Převodová ústrojí motorových vozidel. 2. vyd. Brno: František Vlk, 2003. ISBN 80-239-0025-0.
3 Pierce, Allan D., Acoustics : an introduction to its physical principles and applications. Woodbury, N.Y. : Acoustical Society of America, 1989. ISBN 10: 0883186128 / ISBN 13: 9780883186121
Zbývající část práce, která se zabývá použitím získaných znalostí v praxi, tedy při procesu stanovení závady je čerpána převážně z prací „Analysis of Gear Noise and Design for Gear Noise Reduction“4, „Effect of Tooth Surface Roughness on Gear Noise and Gear Noise Transmitting Path“5 a v nezanedbatelné míře také z interních dokumentů7 společnosti Škoda Auto a.s.
4 Yoon K. "Analysis of Gear Noise and Design for Gear Noise Reduction" Purdue University, Doctoral Thesis, 1993
5 Ishida K., Matsuda T. "Effect of Tooth Surface Roughness on Gear Noise and Gear Noise Transmitting Path" ASME Paper 80-C2/DET-70, 1980
2. Popis funkce převodovky (typ MQ 100)
Systém rotační zvukové analýzy má kromě testování převodovek i další využití, avšak v našem případě se zaměříme pouze na tento konkrétní proces. Abychom jej pochopili co možná nejlépe, je nutné začít hned u konstrukce převodovek. Veškeré dále popisované díly totiž mají přímý vliv na funkčnost převodovky jako celku a mohou tedy být zdrojem hledaného problému.
Samotná skříň převodového ústrojí se skládá ze dvou částí a to skříně převodovky a skříně spojky. Pro nás jsou však mnohem důležitější prvky, které jsou uloženy uvnitř celé skříně.
Mezi tyto základní prvky patří hnací hřídel, hnaná hřídel, diferenciál, spojka a mechanismus vnitřního řazení.
2.1 Základní prvky převodovky a jejich funkce
2.1.1 Hnací hřídel
Na hnací hřídeli nalezneme napevno uložená ozubená kola všech rychlostních stupňů, drážkování pro montáž spojky a dvě kuželíková ložiska, která slouží k uložení hřídele do skříně. Toto uložení je realizováno s axiální vůlí. V případě převodovky typu MQ 100 jsou první dva převodové stupně a zpětný chod součástí obrobku hřídele a zbylá ozubená kola se na ni následně nalisují, přičemž jsou ještě zajištěny proti axiálnímu pohybu pojistnými kroužky. Kromě zpětného chodu jsou všechny převody realizovány pomocí šikmého ozubení, které je při chodu tišší a zároveň snese větší zátěž než ozubení přímé.
2.1.2 Hnaná hřídel
Konstrukce hnané hřídele je poněkud složitější. Obdobně jako hnací hřídel je i hnaná hřídel ve skříni uložena pomocí soustavy kuželíkových ložisek. Dále na ni nalezneme celkem pět nalisovaných jehlových ložisek, která slouží jako pozice pro osazení ozubených kol prvního až pátého rychlostního stupně. Díky těmto ložiskům jsou ozubená kola na hřídeli uložená volně a mohou se otáčet nezávisle na ní. Kromě nich na hřídeli nalezneme také tři
drážkované pozice pro trvalé připojení jader synchronních spojek. První z nich nalezneme mezi ozubenými koly první a druhé rychlosti, další mezi třetím a čtvrtým kolem a poslední je umístěna až na kraji vedle kola pátého rychlostního stupně. Zde je nutné vysvětlit, jakým způsobem je zajištěna spolupráce hnací a hnané hřídele. Obě hřídele jsou v převodovce umístěny tak, že jednotlivá soukolí vyjma zpětného chodu jsou spolu trvale propojena.
Ozubená kola rychlostního stupně, který není v dané chvíli zařazen, se na hnané hřídeli pouze protáčejí a nepůsobí na ni svojí hybnou silou. Pokud je řadicí páka v neutrální poloze, tak samotná hnaná hřídel zůstává nehybná, přestože „její“ ozubená kola jsou otáčena koly na hnací hřídeli. K roztočení hnané hřídele dojde až ve chvíli, kdy je zařazen některý z převodových stupňů. V takovém případě se přesuvná objímka (na obrázku vyznačena hnědě) přesune směrem k ozubenému kolu daného převodového stupně, čímž dojde k propojení volně usazeného ozubeného kola a jádra synchronní spojky, které je napevno spojeno s hnanou hřídelí. Výsledkem není nic jiného než roztočení celé hnané hřídele právě skrze tuto přesuvnou objímku.
Obrázek 1: Ilustrace hnací hřídele (dole) a hnané hřídele (nahoře). Vlevo je vykreslena pozice neutrálu, vpravo pak pozice při zařazeném prvním rychlostním stupni.
Zdroj: interní dokument
Zvláštním případem je řazení zpětného chodu. Zpětný rychlostní stupeň je v převodovce realizován soustavou tří ozubených kol s přímým kónickým ozubením. Na první pohled se může zdát, že na hnané hřídeli ozubené kolo zpětného chodu snad ani není. Je to však proto, že namísto samostatného ozubeného kola, je použita přesuvná objímka pátého převodového stupně. Ta se od běžných objímek liší tím, že na jejím vnějším obvodu je navíc umístěno ozubení zpětného chodu. Kromě této odlišnosti jsou však objímky stejné a její funkčnost zůstává zachována. V praxi to znamená, že pohybem objímky doprava dochází k propojení ozubeného kola páté rychlosti s hřídelí. Rozdíl přichází při pohybu
nýbrž ona sama funguje jako kolo zpětného chodu. Vnější ozubení této objímky je propojeno skrze další vložené kolo s ozubením zpětného chodu na hnací hřídeli. Vložené kolo (na obrázku světle šedé za hnací hřídelí) je uloženo volně mezi těmito hřídelemi na své vlastní ose a podobně jako ozubená kola na hnané hřídeli se na ní otáčí po celou dobu chodu motoru (za předpokladu, že je motor propojen s převodovkou). Po propojení těchto dvou hřídelí skrze třetí vložené kolo dojde k požadovanému otočení běžného chodu vzad.
Ostatní převodové stupně se řadí obdobně jako stupeň páté rychlost, přičemž každá z objímek má na starosti dvě ozubená kola po sobě jdoucích rychlostí.
2.1.3 Soustava diferenciálu
Ve chvíli, kdy se otáčí hnaná hřídel už je jen potřeba převést tuto energii na kola vozu.
K tomu slouží soustava diferenciálu. Stejně tak jako hnací a hnaná hřídel je i modul diferenciálu ve skříni uložen za pomocí soustavy jednořadých kuželíkových ložisek. Vnější kroužky těchto ložisek jsou nalisovány do příslušných pouzder, jedno je ve skříni spojky a druhé ve skříni převodovky. Ve skříni spojky je i tzv. nastavovací podložka, která určuje stanovené předpětí. Samotný diferenciál je tvořen čtveřicí kol – dvěma planetovými (žlutá ozubená kola na obrázku) s horizontální osou a dvěma satelitními (na obrázku vyznačená růžovou barvou) s osou vertikální.
Soustava diferenciálu je otáčena skrze rozvodové kolo s šikmým ozubením, které je poháněno ozubením hnané hřídele. Toto rozvodové kolo je s klecí diferenciálu spojeno šesticí nýtů. Diferenciál rozděluje přenášený krouticí moment na dvě výstupní hřídele a díky soustavě planet a satelitů umožňuje přenášet rozdílnou rychlost otáčení na každé z poháněných kol, což je téměř nepostradatelné například při průjezdu zatáčkou.
Obrázek 2: Soustava diferenciálu (a hnaná hřídel). Klec diferenciálu je vykreslena šedě, ložisko žlutě, rozvodové kolo zeleně, planety žlutě a satelity růžově.
Zdroj: interní dokument
2.1.4 Spojka
Na pomyslné opačné straně celého ústrojí je umístěna spojka. Jejím úkolem je převést točivý moment z motoru na hnací hřídel. Spojka má dvě krajní polohy. Říkáme, že spojka je zapnutá (spojená s motorem), pokud přítlačný kotouč silou pružin tlačí lamelu proti setrvačníku, čímž otáčí hnací hřídelí. Spojka dokáže přenést tak velký točivý moment, kolik síly vydrží pružiny. Pokud by byl tlak na pružiny příliš velký, spojka proklouzne a funguje jako bezpečnostní prvek. Naopak říkáme, že spojka je vypnutá nebo odpojená od motoru v okamžiku, kdy řidič sešlápne spojkový pedál. Tím dochází k zatlačení na vypínací páčky, o které se opře čelo spojkového ložiska. Působením převodu od pedálu spojky se ložisko posune po vodícím trnu. Vypínací páčky přetlačí sílu pružin, lamela se uvolní a protáčí se mezi setrvačníkem a přítlačným kotoučem. V tuto chvíli spojka nepřenáší žádný točivý moment z motoru do převodovky. Krom toho, že je spojka nezbytným prvkem automobilu při startování, rozjíždění a plynulém řazení, nám slouží zároveň jako tlumič torzních kmitů, které vznikají nerovnoměrným chodem motoru.
2.1.5 Vnitřní řazení
Poslední popisovanou součástí převodovky je mechanizmus vnitřního řazení. Ten se skládá ze tří řadicích vidliček s unašeči. Každá vidlice se skládá ze dvou naproti sobě umístěných hrotů. Tyto vidlice jsou přes unašeče připojeny k ose řazení, po které se mohou axiálně pohybovat. Řadicí osa je na jednom svém konci upevněna ve skříni spojky, na druhém pak ve skříni převodovky. Při řazení rychlostního stupně se posune vždy jeden unašeč v požadovaném směru. Tím zároveň dojde k posunu objímky umístěné mezi hroty vidličky a propojení požadovaného ozubeného kola s hnanou hřídelí. Řadicí objímky jsou neustále unášeny točivým momentem na hnané hřídeli přes jádra synchronních spojek. Jinými slovy se tedy společně s hnanou hřídelí pod řadicími vidličkami otáčejí. Z tohoto důvodu jsou hroty vidliček opatřeny silikonovými pouzdry. Silikonová pouzdra dosedají volně na řadicí objímky a při řazení na ně přenášejí axiální posun.
Obrázek 3: Ilustrace vnitřního řazení na hnané hřídeli Zdroj: interní dokument
3. Komponenty analytického softwaru
Celý systém kontroly využívá pro své účely hned několik počítačových programů a databází. Konkrétně firma Škoda Auto k těmto účelům používá kompletní softwarový balík ROTAS od německé firmy Discom. Veškeré prvky tohoto systému jsou spolu vzájemně propojeny a samostatně jsou prakticky nepoužitelné.
Obrázek 4: Komponenty analytického systému ROTAS Zdroj: interní dokument
3.1 Měřicí program TasAlyser
Základním prvkem celého systému je měřicí program TasAlyser. Ten je spuštěn na počítači, ke kterému je připojen takzvaný TAS box, což je zařízení, které se stará o sběř dat. TasAlyser operuje v reálném čase a ze získaných dat generuje naměřené hodnoty a proměnné, které dále porovnává s jejich hraničními hodnotami. Tato data následně vyhodnocuje a výsledky ukládá do archivu naměřených dat.
Obrázek 5: Ukázka z programu TasAlyser Zdroj: interní dokument
3.2 Databáze parametrů
Uživatelské prostředí databáze parametrů TasForms slouží ke správě konstrukčních údajů různých typů převodovek. Díky těmto údajům může TasAlyser vypočítat polohy řádů a převodové poměry. Mimo jiné také určuje, která měřicí procedura by měla být použita a jaké naměřené hodnoty by se měly vygenerovat. V neposlední řadě pak obsahuje nastavení pro vytváření limitních hodnot, které lze spravovat doprovodným programem s názvem TaLimEr (Tas Limit Editor).
3.3 Databáze výsledků
TasAlyser ukládá výsledky a data z každého měření do zvláštního souboru, tzv. archivu naměřených dat. Pomocný program kolektor pak tyto soubory shromažďuje a třídí do centrální databáze. Tato databáze slouží jako základ pro statistickou analýzu a nastavení limitních hodnot. Zároveň nám však poslouží i při zodpovídání dotazů, které se týkají charakteristik jednotlivých převodovek.
3.4 Web.Pal
Díky intranetovému nástroji Web.Pal si můžeme zobrazit jednoduché přehledy výrobních a chybových statistik. Kromě toho nabízí i jiné speciální funkce. Příkladem může být třeba funkce včasného varování založená na analýze distribuce a vývoji naměřených hodnot. Ta by měla být schopna rozpoznat možné problémy ještě předtím, než dojde ke skutečným výpadkům na zkušebních stavech.
3.5 Marvis (Presentation)
Veškeré informace uložené v archivech a databázi naměřených hodnot mohou být zobrazeny a vyhodnoceny prostřednictvím programu Marvis / Presentation. Tento program také umožňuje automatické vytváření reportů, statistických analýz či detailních zvukových analýz.
Obrázek 6: Ukázka výstupu z programu Discom Presentation. Na grafu je zobrazena závislost hlučnosti na otáčkách
Zdroj: vlastní
4. Komunikace mezi zařízeními
Jednotlivé součásti tohoto systému mezi sebou komunikují následujícím způsobem.
Klíčový program TasAlyser běží na měřicím počítači, který je dále připojen ke zkušebnímu stavu. Uživatelské prostředí TasForms a databáze výsledků bývají většinou nainstalovány na serveru, avšak není to podmínkou. Pokud je ovšem používáno několik měřicích počítačů zároveň, pak je instalace na server nejvhodnější volbou, jelikož všechny zkušební stavy mohou být spravovány z jedné databáze parametrů a výsledky mohou být ukládány do jediné společné databáze naměřených hodnot.
Situace je obdobná i u vyhodnocovacích programů Web.Pal a Marvis. Ty taktéž přistupují k datům po síti a mohou tedy být spuštěny jak z lokálního měřicího počítače, tak i z kteréhokoliv jiného připojeného počítače. Jedinou podmínkou tak je, že na takovém počítači musí být tyto programy nainstalovány a musí být zajištěn přístup do požadované databáze.
Kromě těchto hlavních součástí systému zde nalezneme i další podpůrné prvky jako například výše zmíněný kolektor, avšak pro pochopení dané problematiky nejsou zdaleka tolik podstatné a není nutné se jimi podrobněji zabývat.
Obrázek 7: Ilustrace měřicího počítače a jeho okolí Zdroj: interní dokument
5. Měřicí počítač
Měřicí počítač je standardní osobní počítač s operačním systémem Windows, který je navíc vybaven takzvaným TAS Boxem. Jedná se o zařízení, které slouží ke sběru dat ze zkušebního stavu. Toto zařízení může obsahovat až osm speciálních modulů, přičemž ne všechny tyto pozice musí být obsazeny. Základními prvky jsou USB modul a napájecí modul, které jsou pro chod TAS Boxu nezbytné. Zbylých šest volných míst může být osazeno některými z následujících modulů: převodník analogového signálu na digitální, převodník digitálního signálu na analogový a modul rychlosti otáček. TAS Box je k počítači připojen pomocí USB konektoru a může pracovat buď jako externí zařízení nebo může být do počítače zabudován podobně jako jakékoliv jiné zařízení o velikosti 5,25 palce (např. DVD mechanika). V případě potřeby je možné používat i více TAS Boxů připojených k jednomu počítači.
Obrázek 8: Vlevo je přední strana TAS Boxu s USB modulem, napájecím modulem, TDA 96 a TIS 24. Vpravo pak vidíme zadní stranu se čtyřmi moduly TAD 96.
Zdroj: interní dokument
5.1 Moduly TAS Boxu
5.1.1 TAD 96 – převodník analogového signálu na digitální
Hlavním prvkem celého zařízení je převodník vstupní analogového signálu na digitální výstup, který je možné uložit do počítače. Signál, který do tohoto zařízení vstupuje, pochází ze speciálního senzoru na zkušebním stavu. Nejedná se však o standardní
Jeden modul TAD 96 dokáže zpracovat až dva takové signály současně. K jejich dekódování přitom používá bitovou hloubku o velikosti 32 bitů a vzorkovací frekvenci 100 kHz.
5.1.2 TIS 24 – modul rychlosti otáček
Modul TIS 24 je dalším nepostradatelným prvkem analýzy. Slouží totiž k zachycení rychlosti otáček, které jsou nezbytně nutné pro prováděné výpočty a další práci s výstupním signálem. Jediný modul zvládne zachytit výstup až ze čtyř senzorů najednou.
5.1.3 TDA 96 – převodník digitálního signálu na analogový
Posledním volitelným modulem je modul TDA 96, který může být využit k reprodukci digitálního vstupu namísto běžné zvukové karty. Hlasitost výstupu může být regulována přímo na tomto modulu.
6. Testovací cyklus
Samotný testovací cyklus se skládá z několika částí a probíhá následujícím způsobem.
Počátečním, neboli nultým krokem každého testovacího cyklu je takzvaný „insert“. Smysl tohoto kroku je prostý. Poté, co je převodovka uložena do zkušebního stavu, předá stav základní informace o typu a sériovém číslu převodovky do TasAlyseru. Ten následně načte požadované parametry a hranice, které jsou pro tuto převodovku platné.
Hned poté následuje další krok, který ještě můžeme rozdělit na dvě části. První část spočívá v tom, že je zařazen zpětný chod a stav předá informace o zařazeném stupni do TasAlyseru. V druhé části začne stav s poháněním testované převodovky a s monitorováním dat. Převodovka není poháněna konstantní rychlostí, nýbrž otáčky jsou v průběhu testu plynule zvyšovány. Ve chvíli, kdy dosáhnou minimální požadované hodnoty, začne program se zaznamenáváním dat. Tento okamžik se nazývá počátek měření. Otáčky jsou i nadále zvyšovány až do chvíle, než dosáhnou nastavené cílové hodnoty, která se pohybuje zhruba okolo čtyř tisíc otáček za minutu. Dosažením této hodnoty, je první krok u konce, zvyšování otáček je přerušeno a následuje krok druhý.
Ten naopak spočívá v postupném snižování otáček. Podobně jako v prvním kroku i zde jsou nastavené nějaké hodnoty, které určují, kdy má záznam dat začít a kdy skončit.
Obrázek 9: Ilustrace grafu průběhu otáček během testovacího cyklu. Zeleně jsou vyznačeny počátky a konce jednotlivých kroků, červeně pak zaznamenávací intervaly.
Zdroj: interní dokument
Oba tyto kroky trvají jen několik sekund, přičemž data jsou zaznamenávána v ještě o něco kratších intervalech. I přes relativní rychlost daných testů je vše prováděno v reálném čase a TasAlyser během testu data nejen zaznamenává, ale také tyto dílčí testy průběžně vyhodnocuje.
Nezávisle na tom, jak byl jeden z těchto dílčích testů vyhodnocen, celý cyklus pokračuje absolvováním dalších obdobných testů, jejichž předmětem jsou všechny zbylé rychlostní stupně a to opět ve dvou krocích. Ačkoliv se první a druhý krok může zdát jako totožný, pouze s opačným průběhem otáček, není tomu tak, jelikož jejich výsledky svědčí o opaku.
Obdobně se také liší výsledky testů různých převodů nebo rozdílných typů převodovek.
Z tohoto důvodu také neexistuje žádná jednotná hranice pro všechny testy, ale hranice jsou přesně uzpůsobeny dané převodovce, převodovému stupni a typu testu.
Po skončení celého cyklu se dozvíme, které kroky proběhly v pořádku a které nikoliv.
Avšak dá se říci, že celkový počet testů, kterými převodovka neprošla, není v tuto chvíli příliš podstatný a o mnohém nevypovídá. Ze stejného důvodu se také tento systém nesnaží nějakým způsobem klasifikovat kvalitu testované převodovky. Výsledkem tak mohou být pouze dvě možné varianty. Pokud všechny dílčí kroky testu proběhly v pořádku, neboli v žádném z nich nebyly překročeny žádné limitní hodnoty, pak není důvod předpokládat, že je převodovka vadná a může pokračovat dále, tedy na montáž do automobilu.
V opačném případě je nutné zjistit příčinu překročení jedné nebo hned několika hraničních hodnot, převodovku demontovat a vadný díl vyměnit či opravit. Přestože systém tato překročení limitních hodnot prezentuje jako závady a dále popisuje, kde došlo k problému, nelze z těchto informací vždy přímo vyvodit nějaké závěry. Krom toho ani vyšší počet těchto závad nemusí nutně znamenat rozsáhlejší či závažnější poškození a v žádném případě toto číslo nepředstavuje skutečný počet poškozených dílů převodovky.
Vedle těchto běžných měření mohou být provedena i další, která nejsou součástí běžných testů. Jedním takovým příkladem je měření hluku při změně rychlostního stupně. Dalším příkladem pak může být test převodových poměrů, který na základě dvou rotačních rychlostí v převodovce zjišťuje s jakou přesností je zde převodový poměr realizován.
7. Počítačem vyhodnocené závady
Než se dostaneme dále, je nutné vysvětlit, co to vlastně jsou ty závady, o kterých nás počítač informuje. Zkušební stav nedokáže rozeznat závady jako takové, ale pouze snímá vibrace a rychlost otáčení pomocí speciálních senzorů. Z těchto údajů, které putují přímo do TAS Boxu a dále do měřicího počítače, je v průběhu testu dále vypočítáváno velké množství údajů. Každý takový údaj má nastavenou svou vlastní hraniční hodnotu. Hraniční hodnota představuje maximální přijatelnou hodnotu, které může daný údaj dosáhnout.
Pokud tedy některý z těchto údajů tuto hranici překročí, dojde k tomu, že je v systému tento jev vyhodnocen jako závada.
Všechny závady, které systém zaznamená, jsou přesně definovány pomocí několika znaků.
Každý znak přitom dále specifikuje například převodový stupeň a průběh otáček, hodnotu, která byla naměřena, její hranici a tak dále. Pro lepší představu jistě poslouží tento konkrétní příklad z denního výpisu závad.
Obrázek 10: Ukázka jedné vadné převodovky z denního výpisu závad Zdroj: vlastní
Závady jsou vypsány pod sebou pod záhlavím jakési neohraničené tabulky. Nad záhlavím je navíc ještě jeden řádek s údaji o převodovce, času testu a zkušebním stavu (číslo převodovky je zamaskováno, neboť se jedná o tajný údaj). Na tomto obrázku vidíme převodovku typu QCL, u které byly zjištěny hned tři závady. Co přesně tyto údaje v tabulce a pojmy v jejím záhlaví znamenají, si vysvětlíme dále. Ještě než tak učiníme, se však budeme muset seznámit se základními principy rotačně synchronní analýzy.
8. Teorie zvukové analýzy
V této kapitole je podrobněji vysvětleno vědecké pozadí rotačně synchronní analýzy. Zde uvedené informace sice nejsou z počátku nezbytně nutné pro práci s programem TasAlyser, avšak my se zaměříme i na toto téma, neboť jedním z cílů této práce je také co možná nejdetailnější porozumění celé problematice.
8.1 Rotačně synchronní analýza
Rotačně synchronní analýza tvoří klíčový prvek při procesu zpracování výstupního signálu ze senzoru na zkušebním stavu. Díky ní je možné vyčlenit vnitřní prvky převodovky, které se společně podílejí na získaném zvukovém signálu a rozložit jej zpět na jednotlivé části podle původního zdroje zvuku.
Celá analýza je založena na výstupu z rychlosti otáčení hřídele a na informacích z databáze parametrů, jež obsahuje konstrukční data všech typů převodovek. TasAlyser tyto informace zpracovává a je díky nim schopný spočítat rychlost otáčení jednotlivých součástek uvnitř převodovky. Těmito součástmi máme samozřejmě na mysli hnací hřídel, hnanou hřídel a diferenciál. Na samotných hřídelích jsou rovněž ozubená kola, která se ovšem otáčejí stejnou rychlostí jako hřídel, na které jsou umístěny. Tyto celky, které mají jednotnou rychlost otáčení, nazýváme jako rotory. Uvědomme si, že různé rotory mají různou rychlost a tedy i dobu otáčení a právě díky tomu je možné jediný výstupní signál rozložit a získat tak přibližné hodnoty pro jednotlivé rotory, které se na něm společně podílejí.
Tento proces začíná tím, že na základě současné rychlosti hnací hřídele je vypočítána doba jedné otáčky všech ostatních rotorů v převodovce. V dalším bodě této analýzy je pro každý z rotorů vytvořena jedna kopie výstupního signálu. Každá z těchto kopií je pak upravena tak, aby pokryla přesně jednu otáčku daného rotoru. Tyto zvukové stopy jsou vytvořené zprůměrováním několika otáček rotoru, díky čemuž je potlačen podíl frekvencí těch součástí převodovky, které nejsou s daným rotorem synchronní, neboli nepocházejí z rotoru se stejnou rychlostí otáčení.
Obrázek 11: Ukázka jedné vadné převodovky z denního výpisu závad Zdroj: interní dokument
8.1.1 Synchronní kanály a „mix“
Jak již bylo řečeno, výsledkem rotačně synchronní analýzy je několik od sebe odlišných kopií původního signálu. Data, která jsou získána pomocí této analýzy, se nazývají jako synchronní hodnoty. Tyto dílčí synchronní hodnoty spolu následně tvoří celkem čtyři synchronní kanály. Kromě třech již zmíněných základních kanálů máme totiž možnost odlišit i kanál hřídele vloženého kola zpátečky, který je ovšem používán pouze při zařazeném zpětném chodu.
Ne všechny zvuky však pocházejí přímo z těchto rotorů a nesmíme proto zapomenout na zvuky nerotorového původu. Tyto zvuky jsou ve výše popisovaném procesu potlačeny ve všech čtyřech synchronních kanálech. Avšak není možné jejich existenci úplně ignorovat. Z tohoto důvodu, je kromě nově vzniklých synchronních kanálů ponechána také nezměněná kopie původního signálu, která se nazývá společný kanál neboli „mix“.
V zásadě tedy odlišujeme čtyři synchronní kanály a jeden společný. Jejich význam by měl
závady se jedná. Kupříkladu vadný zub na ozubeném kole se projeví v synchronním kanálu příslušného rotoru, zatímco zvuky hlučných ložisek, která nejsou synchronní s žádným z nich, mohou být nalezeny spíše v kanálu smíšeném.
Kromě těchto kanálů existuje ještě jeden zvláštní kanál, který se nazývá fixní. V našem konkrétním případě je na fixní kanál zaznamenáván počet otáček za minutu, které jsou po celou dobu snímány na hnací hřídeli. Během testování se může stát, že i na tomto kanálu dojde k závadě neboli k překročení hranice. Z toho plynou pouze dvě možné chybové hlášky. První z nich říká, že byl překročen maximální počet otáček a v tom druhém případě naopak nebyl dosažen minimální počet otáček.
8.2 Frekvence, řády a jejich harmonické
Každé jednoduché mechanické vlnění může být definováno svou frekvencí a velikostí amplitudy. Pokud chceme mechanické vlnění zaznamenat v čase, použijeme k tomu graf s osou x, která bude představovat čas a osou y představující velikost amplitudy. Hodnoty stupnice osy y mohou být zvolené různě, avšak musí mít střed v nule a umožnit tak zobrazení výkyvů do kladných i záporných hodnot. Frekvence je udávána v jednotce Hertz a představuje počet kmitů za sekundu. Člověk je svým sluchem schopen vnímat zvuky o frekvenci od 20 Hz do 20000 Hz, přičemž s přibývajícím věkem bývá schopnost vnímání vysokých frekvencí snižována až o několik tisíc Hertzů. Mechanické vlnění, které se pohybuje mimo tento rozsah, sluchový vjem nevyvolává, přesto také někdy bývá označováno jako zvuk.
Tvar dané křivky však není vždy stejný, neboť závisí na složení tohoto vlnění. Průběh jednoduchého mechanického vlnění má tvar sinusoidy. Složená vlnění mohou mít v podstatě jakýkoliv tvar, avšak vždy je možné alespoň přibližně tuto křivku rozložit na několik jednoduchých vlnění se základním tvarem sinusoidy.
A právě díky tomu, že lze signál rozložit na jednoduchá vlnění, je možné určit, jak velký je podíl různých frekvencí na celkovém signálu v nějakém časovém období. K tomuto účelu se používá FFT, což je algoritmus, který převádí signál v čase na jeho frekvenční spektrum. Frekvenční spektrum postrádá časovou osu, která je namísto toho nahrazena
osou frekvenční. Pokud tento převod provedeme teoreticky s nějakým jednoduchým signálem, který se skládá například ze třech jednoduchých vlnění o frekvencích 300, 500 a 700 Hz, objeví se na frekvenčním spektru tři čáry v těch místech na ose x. Jejich výška pak odpovídá síle daného vlnění a tedy i jeho podílu na složeném signálu.
Obrázek 12: Znázornění převodu zvukového signálu v čase na frekvenční spektrum
Zdroj:http://temp.jazzy-solutions.com/algowp/wp-content/uploads/2014/08/time_vs_freq1.gif
V drtivé většině reálných případů však nedostaneme jen několik čar kolmých na osu x, nýbrž získáme spojitou křivku, která bude reprezentovat téměř všechny možné frekvence.
Přesnost těchto spekter závisí také na použité metodice, avšak to zde nebudeme rozebírat, neboť se jedná o velmi obsáhlé téma.
Obrázek 13: Ukázka frekvenčního spektra z programu Audacity Zdroj: vlastní
8.2.1 Frekvenční spektrum
Frekvenční spektrum přímo zobrazuje frekvenční složení mechanického vlnění, které v našem případě produkuje převodovka v průběhu testování. Toto spektrum bývá často používáno i v jiných oborech zabývajících se analýzou zvuku, avšak v případě testování převodovek je jeho využití velmi omezené. Důvodem je to, že zvuky a vibrace o různých frekvencích nelze žádným způsobem přiřadit ke konkrétním součástkám.
Hlavním problémem je to, že žádná z produkovaných frekvencí, které nás zajímají, nemůže v průběhu testování zůstat nezměněná, jelikož se během něho neustále mění rychlost otáčení. Co to pro nás znamená, si vysvětlíme na jednoduchém příkladu.
Představme si dvě do sebe zapadající ozubená kola. Jedno z nich bude mít 16 zubů a budeme s ním otáčet. Než se toto kolo dostane do své výchozí pozice, uslyšíme (alespoň teoreticky) celkem 16 „cvaknutí“. Zdrojem tohoto zvuku jsou do sebe zapadající zuby obou kol. Pokud by nás zajímalo, jakou frekvenci přitom tato kola vydávají, bylo by potřeba vědět ještě dobu, za kterou kolo urazí jednu tuto otočku. Předpokládejme například, že jedna otočka trvá 1/10 sekundy. To znamená, že se kolo otáčí rychlostí 10 otáček za sekundu. Při této rychlosti pak bude produkovat zvuk o frekvenci 160 Hz. Rozdíl by však přišel ve chvíli, kdy bychom rychlost otáčení změnili na například 20 otáček za sekundu. V takovém případě by se již vyzařovaná frekvence úplně stejného ozubeného kola změnila na 320 Hz.
Z tohoto příkladu už by mělo být zřejmé, že tudy cesta k pokročilejší analýze nevede a měnění otáček v průběhu testování by se jevilo jako kontraproduktivní. Frekvenční spektrum nám sice řekne mnoho o přesném složení získaného zvukového signálu, avšak nenapoví nám, která součástka by mohla být zdrojem vybraných frekvencí. Řešení tohoto problému však rozhodně není nemožné, jelikož po vcelku jednoduché úpravě se dá toto spektrum převést na řádové, které netrpí výše popsanými neduhy toho frekvenčního.
8.2.2 Řádové spektrum
Řádové spektrum je na první pohled podobné frekvenčnímu, avšak na ose x nalezneme místo jednotek Hertzů takzvané řády. Řády se od Hertzů liší tím, že neudávají počet kmitů
za sekundu, ale počet kmitů během jedné otočky. Pokud se opět vrátíme k příkladu se dvěma ozubenými koly, zjistíme, že výsledný zvuk bude vždy spadat do 16. řádu nezávisle na rychlosti otáčení. Dojdeme k tomu prostým výpočtem, ve kterém dělíme frekvenci počtem otáček za sekundu. To v našem případě znamená, že dostaneme tato čísla: 160 / 10 = 16 nebo 320 / 20 = 16 atd. Jediné co tedy potřebujeme k převodu frekvence na řád, je počet otáček za sekundu v dané chvíli. O to se samozřejmě postará program TasAlyser, který provádí tyto výpočty v reálném čase. Pokud ovšem potřebujeme něco převést ručně, musíme si ještě dát pozor na to, že údaj o rychlosti otáčení většinou bývá jak na otáčkoměru automobilu, tak na grafech uváděn v otáčkách za minutu.
Abychom tedy převod provedli správným způsobem, je v takovém případě navíc nutné výslednou hodnotu vydělit šedesáti.
Obrázek 14: Ukázka řádového spektra 4. rychlosti. Oranžová křivka tvoří hranici.
Zdroj: Vlastní
8.2.3 Harmonické řády
Jak již bylo zmíněno v příkladu, hlavním zdrojem zvuků jsou zejména do sebe zapadající ozubená kola. Avšak tento proces není zdrojem čistého sinusového tónu jediné frekvence.
Podobně jako při kmitání kytarové struny je výsledný zvuk složen ze základní a harmonických frekvencí. Pokud se opět vrátíme ke stejnému příkladu s ozubenými koly,
dojdeme k tomu, že základní část zvuku zde tvoří 16. řád a zbytek jsou jeho „kopie“
v podobě násobků tohoto základního řádu, tedy 32, 48, 64 a podobně.
V terminologii Rotas užíváme pojem první harmonická pro základní řád (v našem příkladu 16. řád), druhá harmonická pro jeho dvojnásobek (32. řád) a tak dále.
Tyto harmonické řády lze pak snadno nalézt v jakémkoliv typickém řádovém spektru ozubeného kola. To, zda je první harmonická na spektru vyšší, než druhá harmonická záleží na tvaru a povrchu daného ozubeného kola. Stejně tak v případě některých ozubených kol bude na grafu zřetelně viditelná i čtvrtá harmonická a na některých nikoliv.
Dalším prvkem, který na řádovém spektru můžeme nalézt, jsou takzvaná postranní pásma, která se objevují vedle těchto harmonických řádů. O tom, čím jsou způsobeny, si řekneme až v kapitole vysvětlující typické vzory vybraných závad.
8.3 Vysvětlení pojmů z výpisů závad
8.3.1 Stupeň
O základní dělení výsledků závad se stará pojem stupeň. Informace, která se zde skrývá, nám pouze říká, v jaké části testu došlo ke zjištění oné závady. Jednotlivé převodové stupně jsou jednoznačně označeny čísly jedna až pět. Krom toho je zde ještě specifikováno, zda k závadě došlo v prvním kroku při zvyšování otáček nebo v následujícím kroku s klesajícím průběhem otáček. V systému pak první jmenovaný bývá označen písmenem „S“ a druhý písmenem „B“. V některých případech bývá použita také německá verze s písmeny „Z“ a „S“, což může být trochu matoucí.
8.3.2 Kanál, místo
Pojem místo je úzce spojen s rotačně synchronní analýzou a kanály, které jsou jejím produktem. Ještě před tím než je specifikováno konkrétní místo, musí být určeno, zda se jedná o synchronní kanál či „mix“.
V případě smíšeného kanálu už k další specifikaci místa nedochází, protože existuje pouze jeden takový kanál. Toto pole však nemůže zůstat prázdné a v systému je tak vyplněno slovem „první“.
Jak jsme se již dozvěděli v předchozí kapitole, synchronní kanály používáme celkem čtyři.
O který z nich se jedná, poznáme právě z toho, co je napsáno ve sloupci pod pojmem místo v hlavičce tabulky. Je nutné říci, že jde pouze o jakési názvy v systému, které jsou samy o sobě nic neříkající. Opět se zde vyskytuje slovo „první“, které však tentokrát představuje hnací hřídel, dále zde figuruje „mez./dru.“, představující hnanou hřídel, „dif. pohon“
pro soustavu diferenciálu a nakonec „zpět.“, čímž je myšlená vložená hřídel zpětného chodu.
8.3.3 Instrumenty
Měřicí program počítá v každém dílčím testu širokou škálu různých hodnot a křivek, jejichž základem je signál, který poskytuje senzor na zkušebním stavu. Z tohoto důvodu používá systém k deklaraci závady ještě další pojem, který nazýváme instrument. Těchto instrumentů je v systému hned několik a každý z nich definuje určitý typ naměřené proměnné. Příkladem může být instrument spectrum, který představuje řádové spektrum, RMS, crest atd. Mnohé instrumenty mají zároveň své parametry, které specifikují další detaily o způsobu zjištění naměřené hodnoty. Jednotlivé instrumenty nalezneme v databázi parametrů. Instrumenty jsou rozděleny do dvou hlavních kategorií: samostatné hodnoty a křivky.
Každá samostatná hodnota obsahuje skutečně jen jediné číslo, které reprezentuje daný instrument. Například instrument peak představuje nejvyšší špičkovou hodnotu a může nabývat různých dvouciferných hodnot se dvěma desetinnými místy. Konkrétní číslo závisí na různých okolnostech, jako je místo, převodový stupeň a hlavně kvalita testované převodovky. Tyto samostatné hodnoty jsou uživatelsky přívětivé, jelikož mohou být snadno porovnány se svou limitní hodnotou, která je taktéž reprezentována jen jediným číslem. Další výhodou je také možnost tato data jednoduše vkládat do různých statistik a vyhodnocovat je. Tyto hodnoty si probereme podrobněji ještě v kapitole 8.4.
Složitějším typem dat jsou různé křivky a to například řádová spektra nebo grafy hlučnosti v závislosti na rychlosti otáček. Na rozdíl od samostatných hodnot obsahují tyto křivky mnohem více informací, avšak jejich porovnávání je podstatně obtížnější a vyžaduje patřičné zkušenosti.
8.3.4 Parametr
Parametr nám částečně naznačuje, jakým způsobem se k dané hodnotě došlo. Ve valné většině případů bývá použit parametr max, což představuje nejvyšší zjištěnou hodnotu či hodnoty za pomoci dané metodiky. Dále se ještě můžeme setkat s parametrem min a to například při měření otáček. Zvláštní parametry používá pouze instrument spectral value.
Tento instrument je ve své podstatě rovnocenný řádovému spektru, avšak tento název je použit, pouze pokud dojde k překročení hranice buďto na nějakém z harmonických řádů nebo jeho postranním pásmu. Parametr toto specifikuje. Používá k tomu německé výrazy
„gang“, pokud jde o problém mezi převody na hnací a hnané hřídeli a „trieb“ pro stálý převod mezi hnanou hřídelí a soustavou diferenciálu. Poté pomocí označení „h1“ – „h3“
upřesňuje o který harmonický řád jde. A v případě, že se nejedná přímo o harmonický řád, ale o jeho postranní pásma, je nakonec přidána přípona „SB“.
8.3.5 Pozice, hodnota, hranice
Pokud jde o závadu nalezenou pomocí instrumentů řádového spektra (tedy spectral value či spectrum), pozice nám upřesňuje, v jakém místě na grafu neboli řádu došlo k překročení této hranice. Co se týče pozic samostatných hodnot, je tímto číslem definován počet otáček za minutu, ve chvíli, ve které došlo k překročení dané hranice.
Pod pojmem hodnota se skrývá hodnota proměnné, která překračuje svojí hranici a to jak v případě samostatných hodnot, tak i křivek. Jediným rozdílem je to, že hranice křivek není jediné číslo, nýbrž křivka a hranice je tak platná pouze pro danou pozici na grafu.
8.4 Instrumenty samostatných hodnot
8.4.1 RMS
Hodnota RMS odpovídá celkové energii signálu neboli ne úplně přesně řečeno hlasitosti.
Vysoká hodnota RMS obecně znamená vyšší hlučnost. Pokud například vysokou hodnotu RMS nalezneme jen u jednoho z rotorů, znamená to, že hluk pochází právě z tohoto rotoru.
Naopak vysoká hodnota RMS v mix kanálu může znamenat buď celkově hlasitou převodovku, nebo jinou příčinu mimo rotory. Typická hodnota RMS leží mezi 1 – 10, přičemž záleží na typu a velikosti převodovky, na rychlosti otáčení a dalších faktorech.
Občas se také hodnota RMS převádí do logaritmické dB stupnice, díky čemuž pak může být přímo srovnávána v grafech spekter a podobně. Tato hodnota bývá nazývána jako
„základní hlasitost“.
8.4.2 Peak
Hodnota peak je nejvyšší vyskytující se hodnota ve zvukovém signálu neboli špičková hodnota. Jedno jediné prásknutí během měření tak může mít za následek vysokou hodnotu peak. Vysoké špičkové hodnoty však může dosáhnout i například opakující se klapání při každé otáčce rotoru. V takové případě se ovšem na výsledné křivce signálu objeví hned několik takto velkých špiček. Vysoká hodnota peak tak naznačuje, že by mohlo jít o vadný zub na ozubeném kole. Nicméně velikost této hodnoty je také závislá na celkovém hluku převodovky. Čím hlasitější je zbytek převodovky a tedy i hodnota RMS, tím vyšší bývá i hodnota peak. Na druhou stranu hodnota peak se nemusí nutně zvyšovat se zvyšující se rychlostí otáčení. Celkově vzato schopnosti zjištění vadných zubů na základě této proměnné jsou omezené.
8.4.3 Crest
Lepší využití má hodnota crest. Ta se pro každou otáčku vypočítá, jako poměř hodnoty
vysoko tyto špičky vystupují oproti zbytku signálu, čímž jsou částečně potlačeny vlivy celkově hlučné převodovky na vyšší hodnotu peak. Hodnota crest se tak stává mnohem důvěryhodnějším ukazatelem než je pouhá špičková hodnota peak. Pokud je zjištěna vysoká hodnota crest, je velmi pravděpodobné, že dochází ke cvakání ozubených kol.
Typická hodnota crest se pohybuje v rozmezí 4 – 8, ale taktéž velmi záleží na konkrétním typu převodovky.
Podobně jako ostatní hodnoty je i crest vypočítávána pro každý synchronní kanál (rotor) zvlášť. Vysoká hodnota crest v synchronním kanálu naznačuje, že na vině bude zřejmě vadný zub ozubeného kola na daném rotoru. O které kolo konkrétně se jedná, zjistíme podle řádu, v kterém byla tato vysoká hodnota nalezena.
8.4.4 Špičatost
Posledním zajímavým nástrojem je takzvaná špičatost, která souvisí s hodnotou „crest“.
Čím více špiček daný signál obsahuje, tím je špičatost vyšší. Zvuk, který je příčinou takovéhoto signálu, se dá nejlépe popsat jako chrastění. Na vině mohou být například vadná jehlová ložiska.
8.5 Typické vzory některých závad
Projev každého typu převodovky je odlišný. Liší se zejména jejich charakteristika, ale i typické vzory složení zvuku, které jsou čitelné z grafů. Z tohoto důvodu nelze napsat obecný manuál, který by přesně stanovil, o jakou závadu se jedná, pokud na grafu naleznete nějaký vzor nebo z nahrávky uslyšíte například chrastění. V této kapitole se však zaměříme na popis alespoň několika základních typických problémů, se kterými se běžně můžeme setkat. Tato kapitola slouží spíše jako ilustrace toho, jak mohou být výsledky měření z TasAlyseru interpretovány. V následující tabulce nalezneme několik typických produkčních závad spolu s jejich projevem na zvukovém signálu a řádovém spektru.
Obrázek 15: Běžné závady a jejich projevy Zdroj: interní dokument
Pokud je převodové kolo opravdu kvalitní, na řádovém spektru synchronního kanálu bychom měli zřetelně vidět pouze řády první, druhé a případně i třetí harmonické. Ostatní řády by měly být zastoupeny s podstatně menší intenzitou a křivka získaného signálu by se měla blížit sinusoidě.
Rýhy a podobné kazy na jednotlivých zubech kol se projevují zejména vysokou hodnotou crest. Pokud jde o větší rýhu, je pravděpodobné, že v řádovém spektru nalezneme zvýšené všechny řády a například druhá harmonická se mezi nimi téměř ztratí. Na výstupním signálu se toto projeví několika amplitudami, jež budou vystupovat výše než zbytek křivky.
Celkově vadný či vlnitý povrch nebo odchýlení osy otáčení od středu převodu se projevuje dalšími zvýšenými řády, které obecně nazýváme jako ghost orders, což by se dalo nejlépe přeložit jako stínové řády. Jedná se o kopie harmonických řádů, které se promítají na různá
počtem zubů v převodovce neexistuje. Oválnost a výstřednost vedou k modulaci zvukového signálu a k zvýšeným postranním pásmům vedle harmonických řádů. K detekci těchto postranních pásem používáme takzvané klobouky. Klobouky jsou speciálně nastavené hranice trojúhelníkového tvaru s vrcholem přesně nad harmonickým řádem a strmě klesajícími bočními stranami.
9. Zpracování výstupu
Obrovské množství dat, které tento systém produkuje by bylo k ničemu, pokud by s nimi nikdo nepracoval a nevyužíval je. Již na začátku jsme si představili jednotlivé části tohoto softwarového balíku. Nyní se zaměříme pouze na ty programy, jejichž výstup je využíván pro různé prezentace či podrobnější analýzu dat. Na mysli mám programy Web.Pal a Presentation.
9.1 Práce s nástrojem Web.Pal
Web.Pal je účinný intranetový nástroj který lze použít na grafy častých závad, přehledy všech změřených převodovek apod. Nejčastěji ho však používáme na denní výpisy vadných převodovek z minulého dne. Pomocí filtru v něm nastavuji datum a čas (od, do), dále vybírám, které zkušební stavy chci zahrnout a případně si mohu vybrat pouze některé typy převodovek. Poté mi systém vygeneruje seznam všech převodovek, které měly jednu nebo více závad v daném období. V tomto seznamu jsou pod sebou vypsány převodovky a jejich závady tak, jako na obrázku č. 10. Tento seznam dále vyexportuji do Excelu, kde pokračuji tím, že data dále roztřídím do dvou základních skupin, do kterých jednotlivé typy patří. To se bohužel nedá udělat nějak jednoduše pomocí filtru v nástroji Web.Pal, jelikož jedinou možností by bylo zaškrtávat jednotlivé typy ručně a poté vygenerovat dva seznamy. I když to může znít banálně, byla by tato činnost zdlouhavější, neboť jakýsi vzdálený přístup, který jsem k tomuto nástroji využíval, reagoval na každou akci velmi pomalu. V Excelu pak zbývá smazat převodovky, které nás nezajímají, což jsou například převodovky, které se zabíhají podruhé a dostaly by se tak do výpisu dvakrát, což by bylo nežádoucí. Nakonec už jen dokument upravím pro tisk a vytisknu jej. Následně ještě zkontroluji, zda v systému nedošlo k nějakému výpadku podle naskenované kopie ručně psaného protokolu o vadných převodovkách. Tento protokol vyplňují pracovníci, kteří obsluhují zkušební stavy. V některých případech sem také zapíší převodovky, které jsou podle systému v pořádku, ale subjektivně se jim zdály být hlučné. Pokud se zde něco takového objeví, dopisuji i tyto převodovky do papírů ručně. V tuto chvíli jsou všechny převodovky na tomto seznamu takzvaně pozastavené a nemohou pokračovat dále
S tímto výpisem pak pracují moji kolegové, kteří si do těchto výtisků nejdříve poznamenají, o jaké problémy by mohlo jít, a následně některé závady konzultují na poradách. Některé převodovky s banálními závadami v podobě zanedbatelného překročení hranice mohou být rovnou uvolněny. V kterých případech tak rozhodnout samozřejmě není vůbec jednoduché a velkou roli zde hrají zkušenosti, neboť takto vybrány mohou být pouze ty převodovky, u kterých jsme si jistí, že jsou nezávadné. Může jít například o případy, kdy by po druhém či třetím záběhu došlo k tomu, že by již výsledky byly v normě.
U těch převodovek, kde si tímto výsledkem nejsou tak jistí se postupuje tím právě způsobem, že jsou poslány na dva další záběhy a podle výsledku jsou pak buďto uvolněny nebo se s nimi nadále pracuje jako se závadnými.
Některé opakované závady ostatních pozastavených převodovek bývají rovnou identifikovány a poslány na demontáž a následnou výměnu nebo opravu. Ty zbylé je často nutné demontovat a poslat na analýzu dílů. Výsledky z těchto analýz mohou závadu určit, ale jsou také případy, kdy závada zůstává nezjištěna. V této situaci je důležité postupovat obzvlášť obezřetně. Někdy sice může jít o náhodnou kombinaci nijak nezávadných příčin, které sice dělají převodovku hlučnější, než je obvyklé, ale nebudou mít vliv na její funkčnost či životnost. Ovšem jsou také případy, kdy se během dalších dní objeví podobné závady i u jiných převodovek a poté se většinou s původní převodovkou různě laboruje, dokud není příčina závady vysvětlena.
9.2 Práce s programem Discom Presentation
Program Presentation od společnosti Discom, jak už název napovídá je zaměřen na využití v prezentacích. S tímto programem jsem během své praxe také velmi často pracoval. Jeho využití je velmi obsáhlé, neboť nám poskytuje široké možnosti zobrazení v podstatě veškerých naměřených a vypočítaných dat. Navíc je v něm možné vytvářet různá makra pro urychlení práce a v neposlední řadě rovněž umožňuje úpravu velikosti a měřítka veškerých používaných grafů. Těchto grafů používá hned několik druhů od základního se dvěma osami, přes spektrogram, který kromě dvou os používá ještě barevné rozlišení
pro zobrazení hlučnosti (viz obrázek číslo 6) až po pomyslně nejvýše postavený tří dimenzionální graf, který převádí spektrogram do 3D modelu.
Obrázek 16: Spektrogram s barevně odlišenou úrovní hlučnosti Zdroj: interní dokument
Kromě grafů v něm lze samozřejmě nalézt i samostatné hodnoty. A toto vše může být zobrazeno společně na předpřipraveném layoutu (rozvržení stránky). Můžete si dokonce vytvořit několik takových šablon a každou používat pro něco jiného. S tím lze samozřejmě zkombinovat funkce nějakého makra, které vkládá potřebná data tam, kam patří. Lze vytvořit různé šablony například zobrazující grafy všech rychlostních stupňů nebo naopak pouze jediného vybraného. Pokud však k danému layoutu není vytvořené žádné makro, které by do něj data vložilo, musí se postupovat ručně, což je trochu pracnější, neboť je nutné najít potřebnou hodnotu v poměrně obsáhlém seznamu pojmů. V nastavení požadované hodnoty poté vybereme konkrétní graf v seznamu všech uložených layoutů, ve kterém ji chceme zobrazit a nakonec stiskneme tlačítko zobrazit. Pokud však budeme chtít ve stejném grafu zobrazit třeba další převod nebo kanál, musíme vše udělat znovu a navíc odstranit již zobrazené křivky z předešlé práce, které zde jinak zůstanou a budou se tak překrývat. Z tohoto důvodu se tedy makra, která nám po spuštění nabídnou tabulku, ve které si jen vybereme převod, kanál a layout, jeví jako nepostradatelná pro pohodlnou a efektivní práci. Samotný výběr převodovky nebo převodovek probíhá ještě před popisovanou procedurou. K dispozici máme obsáhlý filtr s datem a časem (od, do), výběrem typů převodovek, zkušebních stavů, vadných či nezávadných převodovek a dokonce i sériového čísla. Vybrat můžeme jednu nebo klidně i několik desítek
Můžeme je ponechat v jedné barvě a ukázat tak například jakýsi rozsah, ve kterém se hodnoty pohybovaly za uplynulý týden nebo jim můžeme přiřadit různé barvy a porovnat je mezi sebou. Krom toho může být na grafu zobrazena také hranice těchto křivek.
A k čemu že se výstupy z tohoto programu nejčastěji používají? Jak už jsem zmínil na začátku, tak to bývají různé prezentace vybraných převodovek nebo třeba porovnání výsledků převodovek ve Škoda Auto v Mladé Boleslavi s Čínou, Španělskem apod. Často se také sledují grafy závadných převodovek, neboť se z nich dá vyčíst více než z pouhého výpisu závad. Některé výchylky od normálu totiž nemusí hranici úplně překročit, a přesto mohou ujasnit určitý problém, který by z výpisu závad nemusel být tak zřejmý.
10. Můj projekt
Hned na začátku je třeba zmínit, že s návrhem tohoto projektu jsem nepřišel sám, ale byl jsem o něj zažádán kolegou, který mně během praxe zadával úkoly. Jednalo se o projekt vcelku ambiciózní a časově náročný, avšak i přes to jsem věřil, že je jej možné dokončit.
Jeho cílem bylo vytvořit co možná nejrozsáhlejší přehled převodovek a jejich závad za několik posledních měsíců. To by však samo o sobě nemělo žádný přínos, jelikož by stačilo podívat se do papírů z každodenních výpisů, které se uschovávají do šanonů. Hlavní záměr tkvěl však v tom, aby se celý seznam dal filtrovat podle různých kritérií.
10.1 Práce na projektu
Zde jsem musel řešit první problém, který spočíval v tom, že přestože automaticky generovaná data jsou exportována do Excelu a jsou tak rozdělena do buněk, nelze je žádným způsobem filtrovat, neboť formát v jakém jsou uspořádaná, neodpovídá klasické tabulce. Musel jsem tak přijít na způsob, jak data uspořádat tak, aby je bylo možné filtrovat. To nebylo tak složité a stačilo vzít řádky se závadami pod hlavním řádkem obsahující informace o převodovce, přemístit je vedle tohoto řádku a nakonec nakopírovat sloupce s informacemi o převodovce níže tak, aby pokrývaly i řádky s dalšími závadami a tyto závady tak mohly být přiřazeny ke stejné převodovce.
Výpisů závad však bylo několik desítek a jednotlivých závad dokonce desetitisíce, takže by tento proces trval nepředstavitelně dlouho. Tudíž dalším logickým krokem bylo vytvoření několika maker, která práci urychlovala. Práce to nebyla jednoduchá, a proto jsem postupoval tak, že jsem se nesnažil vytvořit kód, který by celý proces automaticky zvládl najednou, ale vytvářel jsem postupně několik maker, která dělala pouze pár jednodušších úkonů. Po nějaké době, kdy se mi makra hromadila, jsem si vytvořil User Form (uživatelský formulář), do kterého jsem umístil tlačítka na jejich spuštění a také políčka pro vyplnění jistých proměnných, což byla čísla řádků. Později mi však bylo řečeno, že by bylo vhodné, aby mohli další data do souboru přidávat i moji kolegové.
Složitý User Form tak musel pryč. To v první řadě znamenalo spojit zdrojový kód všech maker do jednoho dlouhého, dále upravit názvy proměnných tak, aby se nekryly a nakonec
