- Розрахунок рівня шуму, вібрації та жорсткості в коробці передач
- Свист і тріск зубчастих шестерень
- Похибка зубчастого зачеплення
- Моделювання рівня шуму і вібрацій в коробці передач в COMSOL Multiphysics®
- Аналіз вібрацій в коробці передач
- Розрахунок рівня шуму в коробці передач
- Проектування менш гучною коробки передач
Наши партнеры ArtmMisto
Зубчасті передачі використовуються в таких пристроях, як годинник, промислове обладнання, музичні шкатулки, велосипеди і автомобілі. Коробка передач є основним джерелом вібрацій і шуму в таких пристроях. Для ефективного зниження рівня шуму в коробці передач необхідно виконати виброакустическое моделювання з подальшим поліпшенням конструкції. Давайте подивимося, як можна використовувати програмне забезпечення COMSOL Multiphysics® для створення більш тихих систем передач.
Розрахунок рівня шуму, вібрації та жорсткості в коробці передач
Коробка передач зазвичай складається з зубчастих шестерень, валів, підшипників і корпусу. При роботі коробка передач сильно шумить з двох причин:
- Передача небажаних поперечних і осьових сил на підшипники і корпус при зачепленні одного вала з іншим
- Люфт в різних частинах коробки передач: в зачепленні зубчастих шестерень, в підшипниках і в корпусі
Найгучнішим вузлом в коробці передач є зачеплення зубчастих шестерень. Нижче показана схема виникнення та поширення шуму в навколишнє середовище.
Свист і тріск зубчастих шестерень
Можна виділити два різновиди шуму, що виникає при зачепленні зубчастих шестерень: свист і тріск.
Перший - один з найпоширеніших шумів в коробці передач, особливо коли двигун працює під навантаженням. Він виникає через вібрації в коробці передач внаслідок похибки зубчастого зачеплення при включенні передачі, а також з-за відмінності жорсткості в зачепленні. Свист зубчастих шестерень виникає при частоті зачеплення і зазвичай досягає рівня шуму від 50 до 90 dB по відносній шкалі рівня звукового тиску при вимірюванні на відстані одного метра.
Тріск зубчастих шестерень зазвичай виникає при роботі двигуна без навантаження. Прикладами можуть служити дизельні автобуси і вантажівки, що працюють на холостому ходу. Тріск - це ударна різновид шуму, викликана роботою коробки передач на холостому ходу. Одним з параметрів зубчастої шестерні, який безпосередньо впливає на тріск, є окружний зазор, необхідний для змащення. Просте регулювання величини цього зазору може знизити рівень шуму.
Похибка зубчастого зачеплення
Що ж таке похибка зубчастого зачеплення? Коли дві шестерні мають ідеальний евольвентний профіль, обертання вихідний шестерні залежить від крутного моменту на вхідний шестірні і передавального відношення. Постійне обертання вхідний шестерні призводить до постійного обертання вихідний. Існують різні причини модифікації форми зуба шестерні, такі як знос, зміщення по осі, модифікація профілю ніжки і вершини зубця. Такі зміни можуть призвести до відхилення по центральній осі вихідний шестерні при обертанні. Це і є погрішність зубчастого зачеплення (ПЗЗ). При динамічному навантаженні вібрація зубів в шестернях також призводить до похибки зубчастого зачеплення. Комбінована похибка називається динамічної похибкою зубчастого зачеплення (ДПЗЗ).
Моделювання рівня шуму і вібрацій в коробці передач в COMSOL Multiphysics®
Зниження шуму до прийнятного рівня - складне завдання, особливо в сучасних коробках передач, які складаються з безлічі працюючих одночасно зубчастих шестерень. Правильно змоделювавши даний механізм, ми можемо розробити більш тиху коробку передач. COMSOL Multiphysics дозволяє розробникам точно позначити проблеми і запропонувати методи їх вирішення, враховуючи конструктивні обмеження. За допомогою даного програмного забезпечення ми можемо оптимізувати існуючі розробки, щоб зменшити рівень шуму і, більш того, зробити це задовго до стадії виробництва.
Коробка передач в робочому інтерфейсі COMSOL.
Розглянемо пятиступенчатую синхронізовану механічну коробку перемикання передач (МКПП) в автомобілі, щоб вивчити поширення вібрації і шуму. МКПП в автомобілі служить для передачі крутного моменту від двигуна до коліс. 
Геометрія п'ятиступінчастою МКПП в автомобілі.
Для чисельного моделювання даного завдання ми будемо використовувати два фізичних інтерфейсу:
- Механічних нализ багатотільних систем
- акустичний аналіз
У тимчасовій області ми розрахуємо динаміку вібрації зубчастих шестерень і корпусу. Вхідними даними будуть частота обертання двигуна і вихідний крутний момент. У акустичної частини аналізу ми розрахуємо рівні звукового тиску навколо коробки передач для заданого діапазону частот, використовуючи нормальну складову прискорення корпусу в якості джерела шуму.
Аналіз вібрацій в коробці передач
На початку розглянемо механізм синхронізованою коробки передач. У ній використовуються шестерні з косими зубцями для передачі крутного моменту від початку приводного вала через зворотний вал до кінця приводного валу.
Механізм синхронізованою п'ятиступінчастою коробки передач без урахування синхронізуючих кілець, що з'єднують шестерні з основним валом.
Параметри шестернею представлені в таблиці:
Значення Кут зубчастого зачеплення 25 [deg] Кут нахилу лінії зуба 30 [deg] Жорсткість зубчастих шестерень 1e8 [N / m] Коефіцієнт перекриття 1.25
Шестерні на приводному валу можуть обертатися вільно, в той час як шестерні на зворотному валу закріплені. На валу фіксується тільки одна передача. На практиці це досягається за допомогою синхронізуючих кілець. У моделі для зачеплення і розчеплення зубчастих шестерень з привідним валом використовуються шарнірні з'єднання (hinge joints) з умовою включення.
Вали задаються жорсткими і прикріпленими до корпусу через шарнірне з'єднання. Сам корпус задається гнучким, хто стоїть на землі і прикріпленим одним кінцем до двигуна. Дані, необхідні для розрахунку руху, такі:
Вхідна величина Значення Швидкість обертання двигуна 5000 [об / хв] Момент, що крутить 1000 [Н-м] Кількість передач 5
Задавши всі необхідні параметри, можна виконати розрахунок і отримати анімацію розподілу вібрацій в корпусі, як показано нижче:
Анімація розподілу напружень по Мизесу в корпусі і швидкості різних шестерень.
Виберемо довільну точку на корпусі, щоб побудувати графіки нормальної складової прискорення. На лівому графіку нижче показана залежність нормальної складової прискорення від кута повороту приводного вала. Розкладемо цю функцію в частотній області за допомогою перетворення Фур'є (використовуючи FFT-вирішувач). На правому графіку нижче показаний частотний спектр вібрацій. За графіком видно, що нормальна складова прискорення містить кілька резонансних піків. Вібрації максимальні в діапазоні частот від 1000 до 3000 Гц.
Залежність нормальної складової прискорення від кута повороту приводного вала і її розкладання в частотний спектр Фур'є в довільній точці на корпусі.
Розрахунок рівня шуму в коробці передач
Тепер давайте розберемо, як змоделювати поширення шуму в COMSOL Multiphysics. Для початку обмежимо область навколо коробки передач повітряної сферою, щоб в ній моделювати поширення шуму.
Для зв'язку двох фізичних інтерфейсів додамо односторонню взаємозв'язок, вважаючи, що зовнішнє середовище - це повітря. Такий взаємозв'язок означає, що вібрації корпусу впливають на навколишнє середовище, в той час як впливом акустичних хвиль на конструкцію ми нехтуємо. Це дозволить швидше вирішити нашу задачу.
Акустичний аналіз виконується в частотному діапазоні. Оскільки розрахунок багатотільних систем проводиться в тимчасовій області, необхідно перетворити прискорення корпусу з тимчасової області в частотну. Для цього використовується перетворення Фур'є (FFT-вирішувач).
Повітряна сфера, яка обмежує область навколо коробки передач для акустичного розрахунку. Показані два мікрофони, що вимірюють рівень шуму.
Як джерело шуму використовується нормальна складова прискорення, яка застосовується на внутрішні кордони акустичної області. Щоб не допустити будь-яких відображень від зовнішніх кордонів акустичної області, додамо вузол Spherical Wave Radiation (Сферичне умова випромінювання). Налаштувавши модель таким чином, ми можемо виконати акустичний розрахунок і подивитися на рівні звукового тиску на поверхні коробки передач, а також в області навколо неї на різних частотах. Для кращого розуміння спрямованості шуму, додамо графіки розподілу звукового тиску в різних площинах при різних частотах.
Рівень звукового тиску на поверхні коробки передач (праворуч) і навколо неї (зліва).
Рівень звукового тиску на відстані 1м в площині xy (ліворуч) і в площині xz (праворуч).
Тепер розглянемо рівні звукового тиску. Якраз для цього ми розташували два мікрофони в повітряному просторі.
Мікрофон Розміщення Розташування 1 Збоку від коробки передач (0, -0.5 m, 0) 2 Над коробкою передач (0, 0, 0.75 m)
Розташування мікрофонів задається в вузлі Параметри і може бути змінено в будь-який момент без перерахунку моделі.
Частотний спектр амплітуд тиску в місцях розташування мікрофонів.
Вищенаведений графік дає гарне уявлення про частотної складової рівня шуму. Однак, було б ще краще, якби ми могли чути шум, що надходить на мікрофон, прямо як у фізичному експерименті. Це можливо реалізувати, якщо написати спціальний скрипт на мові Java®, використовуючи дані про амплітуду і фазі звукового тиску, як функцію від частоти.
Давайте послухаємо звукові файли, в які записуються шум з двох мікрофонів ...
https://cdn.comsol.com/wordpress/2017/05/gearbox_vibration_noise_mic1.mp3 https://cdn.comsol.com/wordpress/2017/05/gearbox_vibration_noise_mic2.mp3
Ми вже розглянули результати акустичного моделювання на різних частотах. Було б здорово побачити дані результати в тимчасовій області. Уявімо результати в тимчасовій області за допомогою перетворювача Фур'є (FFT-вирішувач), щоб потім візуалізувати поширення в динаміці акустичних хвиль навколо коробки передач.
Анімація поширення акустичних хвиль навколо коробки передач.
Проектування менш гучною коробки передач
У цій статті ми розглянули методику розрахунку шуму від коробки передач за допомогою комбінації механічного аналізу багатотільних системи і подальшого акустичного дослідження. Дана методика може бути використана перед початком виробничого процесу для створення менш гучних коробок передач в робочому діапазоні швидкостей. Нові функціональні можливості у версії 5.3 пакета COMSOL Multiphysics® дозволяють записувати реальний шум в працюючої коробці передач, що наближає моделювання до теперішнього фізичного експерименту.
