Pendant son fonctionnement, la boîte de vitesses utilisée pour transférer l'énergie du moteur aux roues est assez bruyante. La première raison de cet effet indésirable est que les forces transversales et axiales résultant de la transmission d'énergie d'un arbre à l'autre au moyen d'un engrenage ont un effet mécanique indésirable sur les roulements et le logement. La deuxième raison est la flexibilité des différents composants de la boîte de vitesses, y compris les roulements et le boîtier, qui peuvent également entraîner des vibrations. La rigidité variable de l'embrayage dans la boîte de vitesses provoque une vibration constante transmise au carter qui, à son tour, vibre également et transfère de l'énergie au fluide environnant, par exemple l'huile de transmission, à la suite de quoi des ondes acoustiques sont excitées dans celui-ci.

Pour réduire efficacement le niveau de bruit dans des systèmes dynamiques aussi complexes aux premiers stades de la conception, les ingénieurs de développement ont souvent recours à la simulation numérique. Sous le cutter, en utilisant l'exemple d'une boîte de vitesses mécanique synchronisée à 5 vitesses, nous décrivons et montrons la méthodologie d'une telle étude dans COMSOL Multiphysics ^® , qui comprend une analyse de la force du contact mécanique de l'engrenage, une analyse de la dynamique de l'ensemble de boîte de vitesses à corps multiples et une analyse acoustique du bruit généré par la boîte de vitesses de travail dans l'espace environnant.

Visualisation du son généré par une boîte de vitesses fonctionnelle

Étape 1. Calcul du contact mécanique dans l'engrenage

L'engrenage, que nous considérerons comme élastique, est une source de vibrations constantes. Pour cette raison, il est nécessaire d'évaluer la rigidité des engrenages dans différentes positions. Les dents sont déformées pendant le fonctionnement et une série de calculs de résistance stationnaire sont effectués pour différents angles de rotation afin de déterminer comment la rigidité change pendant le cycle d'embrayage de la vitesse. Pour le calcul, la méthode de pénalité est appliquée au contact, et les restrictions sont déterminées pour tenir compte des engrenages de torsion, à la suite de quoi des forces de contact apparaissent.

Les résultats caractéristiques à la sortie d'une telle analyse sous la forme de la distribution des contraintes de Mises dans la paire d'engrenages montrent des valeurs de contraintes élevées aux points de contact et dans les bases des dents (Fig.1, à gauche). De plus, le calcul permet d'observer et d'analyser l'évolution de la rigidité de l'engrenage lors de la rotation de l'arbre (Fig.1, à droite).

Fig. 1. Gauche: Augmente la répartition des contraintes dans une paire d'engrenages. Droite: modification de la rigidité de l'embrayage de vitesse lors de la rotation de l'arbre.

Étape 2. Analyse d'un système multicorps d'arbres, d'engrenages et de logements

L'analyse des systèmes à corps multiples est effectuée dans le domaine temporel pour une rotation complète de l'arbre d'entraînement, en tenant compte de la rigidité de l'embrayage à engrenages, prédite lors du calcul du contact dans la première étape. Cette analyse est nécessaire pour calculer la dynamique des engrenages et les valeurs des vibrations résultantes transmises au carter. Dans cet exemple, l'analyse est effectuée à un régime moteur de 5000 tr / min et un couple de sortie de 2000 N ∙ m. Le calcul est effectué en supposant que les arbres et les engrenages sont parfaitement rigides, à l'exception de l'embrayage à engrenages, dont la rigidité est tirée d'une étude précédente de contact mécanique. Un corps en acier de construction est considéré comme un corps élastique.

La répartition des contraintes de Mises dans le boîtier sous l'action des forces transmises par les arbres d'entraînement et intermédiaires, ainsi que l'accélération normale du boîtier vibrant, qui est la cause du rayonnement sonore, sont représentées sur la Fig. 2.

Fig. 2. Gauche: Augmente la répartition des contraintes dans le logement. À droite: accélération normale obtenue à la surface du corps.

Dans la fig. 3 montre un diagramme temporel de l'accélération normale à l'un des points de la partie supérieure du corps et son spectre de fréquence. Les fréquences auxquelles le boîtier vibre avec la plus grande amplitude se situent entre 1500 et 2000 Hz.

Fig. 3. Accélération normale en un point de la surface du corps. Gauche: Diagramme de temps. À droite: son spectre de fréquences.

Étape 3. Calcul acoustique du rayonnement sonore du boîtier

L'accélération normale de la coque obtenue en analysant la dynamique des systèmes multicorps peut ensuite être utilisée dans la recherche acoustique comme source de bruit. En utilisant la recherche dans le domaine des fréquences, vous pouvez prédire le niveau de pression acoustique à l'extérieur de la boîte de vitesses. Étant donné que les valeurs d'accélération normales sont obtenues dans le domaine temporel, la transformée de Fourier rapide directe (FFT) est utilisée pour les convertir dans le domaine fréquentiel. Pour calculer la pression acoustique, la boîte de vitesses doit être entourée d'une région d'air, et afin de réduire la taille de la région de calcul sans réduire la précision des résultats, une condition de rayonnement de type Sommerfeld pour les fronts d'ondes sphériques est appliquée aux limites extérieures de la région d'air afin que les ondes acoustiques sortantes puissent quitter la région de simulation avec une réflexion minimale.

Le calcul vous permet d'obtenir des données sur le niveau de pression acoustique à la surface du logement et dans la zone proche (Fig.4), et à partir des tracés de la zone éloignée dans différents plans et à une distance de 1 m, vous pouvez trouver la direction dominante du rayonnement sonore à une fréquence sélectionnée (Fig.5).

Fig. 4. Niveaux de pression acoustique sur la surface du boîtier (à gauche) et dans la zone proche (à droite) pour une fréquence de 1500 Hz.

Fig. 5. Le niveau de pression acoustique (dB) dans la zone éloignée dans les plans xy, xz et yz, respectivement, à une distance de 1 m pour une fréquence de 1500 Hz.

Conclusion

Dans cette note, nous avons examiné une méthodologie pour modéliser le bruit provenant d'une boîte de vitesses en utilisant une combinaison d'analyse statique mécanique des engrenages, une étude dynamique d'un système multicorps et des calculs acoustiques ultérieurs.

La fonctionnalité réelle du package COMSOL Multiphysics ^® vous permettra même d' enregistrer et de reproduire le bruit de la boîte de vitesses étudiée au format audio , ce qui rapproche la simulation d'une véritable expérience physique.

Cette technique peut être utilisée avant le début du processus de production pour créer des boîtes de vitesses moins bruyantes dans la plage de vitesse de travail, ainsi que pour la modélisation complexe d'autres mécanismes de travail dans les équipements industriels et musicaux.

Information additionnelle

Ce matériel est basé sur les articles suivants:

• Using Software For Gearbox Noise Prediction , Auto Tech Review, juin 2017
• Comment simuler les vibrations et le bruit dans une boîte de vitesses à l'aide de COMSOL Multiphysics ^® , blog d'entreprise COMSOL

Une leçon vidéo détaillée en russe sur l'assemblage de modèles de cette classe pour les vibrations conjointes et l'analyse acoustique d'une boîte de vitesses en fonctionnement peut être vue ici . Vous pouvez également demander une version de démonstration de COMSOL dans les commentaires ou sur notre site Web et vous familiariser indépendamment avec le modèle décrit dans cette note et les instructions étape par étape pour son assemblage .

Vous trouverez d'autres exemples d'utilisation de COMSOL ^® dans les calculs acoustiques par des équipes de recherche de B&K, Knowles, ABB, HARMAN et NASA dans le numéro de COMSOL NEWS 2017: Acoustics in Russian.

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