Vääntövaihtelut

Vääntövaihtelut ovat kiertymisvaihteluita pyörivän rakenteen akselin suhteen. Niitä esiintyy, kun vääntömomentti vaihtelee ja rakenteen joustavat osat sallivat kiertymän, tai kun järjestelmä koostuu useista massapisteistä, joita yhdistävät jäykkyydet ja vaimennukset. Vääntövaihtelut voivat ilmetä sekä mekaanisissa laitteissa että suurissa voimalaitosten, ajoneuvojen ja teollisten siirtoketjujen järjestelmissä.

Fysiikka ja malli: Yksinkertaisessa torsionaaliarisessa mallissa on massamomentti J, kiertymä θ, jäykkyys k ja vaimennus c, jolloin voiman tasapainoa kuvaa J θ¨ + c θ˙ + k θ = T(t). Luonnolliset torsionaali-tilat ovat ωn = sqrt(k/J). Monimutkaisemmissa rakenteissa on useita tiloja, ja vaste määräytyy massojen, jäykkyyksien ja vaimennusten muodostaman järjestelmän ominaisuuksien mukaan. Ulkoinen ajo- tai kuormitus T(t) voi sisältää taajuuksia, jotka ovat lähellä näitä luonnollisia taajuuksia, mikä voi aiheuttaa resonanssia.

Suurimmat syyt ja sovellukset: Yleisimpia syitä ovat moottorin vääntömomentin vaihtelu (torque ripple), vaihteiston hampaisyhteyksissä ilmenevät vaihtelut, epäsymmetriat, aerodynaamiset kuormat sekä akselin joustavuus ja laakerien ominaisuudet. Vääntövaihtelut esiintyvät erityisesti ajoneuvojen voimansiirroissa, moottorirakenteissa sekä suurissa voimalaitosten ja tuulivoimaloiden kehissä.

Havainnointi ja hallinta: Tutkimuksessa käytetään torsionaalia modal analysis -lähestymistapaa, mittauksia ja numeerisia malleja (esim. FEM). Hallinta perustuu suunnittelun varmistamiseen niin, ettei resonanssia pääse syntymään, sekä vaimennuksen tai jäykkyyden kohdentamiseen torsionaalisilla sovitteilla, jäykillä liitoksilla tai torsionaaleilla vaimentimilla.