Selama operasinya, gearbox yang digunakan untuk mentransfer energi dari mesin ke roda cukup berisik. Alasan pertama untuk efek yang tidak diinginkan ini adalah bahwa gaya transversal dan aksial yang dihasilkan dari transmisi energi dari satu poros ke poros lainnya dengan menggunakan roda gigi memiliki efek mekanis yang tidak diinginkan pada bantalan dan rumah. Alasan kedua adalah fleksibilitas berbagai komponen gearbox, termasuk bearing dan housing, yang juga dapat menyebabkan getaran. Kekakuan variabel dari kopling roda gigi di gearbox menyebabkan getaran konstan yang ditransmisikan ke rumah, yang, pada gilirannya, juga bergetar dan mentransfer energi ke fluida sekitarnya, misalnya, oli roda gigi, yang mengakibatkan gelombang akustik bergairah di dalamnya.

Untuk secara efektif mengurangi tingkat kebisingan dalam sistem dinamis yang sedemikian kompleks pada tahap awal desain, insinyur pengembangan sering menggunakan simulasi numerik. Di bawah pemotong, dengan menggunakan contoh gearbox mekanis 5-kecepatan yang disinkronkan, kami menggambarkan dan menunjukkan metodologi studi semacam itu di COMSOL Multiphysics ^® , yang mencakup analisis kekuatan kontak mekanis gear, analisis dinamika perakitan gearbox multi-tubuh, dan analisis akustik suara yang dihasilkan oleh gearbox kerja di area sekitarnya.

Visualisasi suara yang dihasilkan oleh gearbox yang berfungsi

Langkah 1. Perhitungan kontak mekanis dalam gearing

Gearing, yang kami anggap elastis, merupakan sumber getaran konstan. Untuk alasan ini, perlu untuk mengevaluasi kekakuan roda gigi di posisi yang berbeda. Gigi berubah bentuk selama operasi, dan serangkaian perhitungan kekuatan stasioner dilakukan untuk berbagai sudut rotasi untuk menentukan bagaimana kekakuan berubah selama siklus kopling gigi. Untuk perhitungan, metode penalti diterapkan pada kontak, dan pembatasan ditentukan untuk akuntansi untuk memutar gigi, sebagai akibat dari mana kekuatan kontak muncul.

Hasil karakteristik pada keluaran analisis tersebut dalam bentuk distribusi tegangan Mises pada pasangan roda gigi menunjukkan nilai tegangan tinggi pada titik kontak dan di dasar gigi (Gbr. 1, kiri). Selain itu, perhitungan memungkinkan kita untuk mengamati dan menganalisis perubahan dalam kekakuan roda gigi selama rotasi poros (Gbr. 1, kanan).

Fig. 1. Kiri: Mises distribusi tegangan pada pasangan roda gigi. Kanan: perubahan kekakuan kopling gigi selama putaran poros.

Langkah 2. Analisis sistem multi-tubuh poros, roda gigi dan perumahan

Analisis sistem multi-body dilakukan dalam domain waktu untuk satu putaran lengkap poros penggerak, dengan mempertimbangkan kekakuan kopling gir, diprediksi saat menghitung kontak pada langkah pertama. Analisis ini diperlukan untuk menghitung dinamika roda gigi dan nilai-nilai getaran yang dihasilkan ditransmisikan ke perumahan. Dalam contoh ini, analisis dilakukan pada putaran mesin 5.000 rpm dan torsi keluaran 2000 N ∙ m. Perhitungan dilakukan dengan asumsi bahwa poros dan roda gigi benar-benar kaku, dengan pengecualian kopling gigi, yang kekakuannya diambil dari studi sebelumnya tentang kontak mekanis. Tubuh yang terbuat dari baja struktural dianggap sebagai tubuh yang elastis.

Distribusi tegangan Mises di rumah di bawah aksi gaya yang ditransmisikan oleh drive dan poros tengah, serta percepatan normal dari rumah bergetar, yang merupakan penyebab radiasi kebisingan, ditunjukkan pada Gambar. 2.

Fig. 2. Kiri: Mises distribusi tegangan di perumahan. Kanan: akselerasi normal didapat di permukaan tubuh.

Dalam gbr. Gambar 3 menunjukkan diagram waktu percepatan normal pada salah satu titik pada bagian atas tubuh dan spektrum frekuensinya. Frekuensi di mana kasus bergetar dengan amplitudo terbesar terletak di kisaran antara 1500 dan 2000 Hz.

Fig. 3. Akselerasi normal pada suatu titik di permukaan tubuh. Kiri: Diagram waktu. Kanan: Spektrum frekuensinya.

Langkah 3. Perhitungan akustik radiasi kebisingan dari rumah

Akselerasi lambung normal diperoleh dengan menganalisis dinamika sistem multi-tubuh kemudian dapat digunakan dalam penelitian akustik sebagai sumber kebisingan. Menggunakan penelitian di domain frekuensi, Anda dapat memprediksi tingkat tekanan suara di luar gearbox. Karena nilai akselerasi normal diperoleh dalam domain waktu, transformasi Fourier cepat cepat (FFT) digunakan untuk mengubahnya menjadi domain frekuensi. Untuk menghitung tekanan akustik, gearbox harus dikelilingi oleh wilayah udara, dan untuk mengurangi ukuran wilayah perhitungan tanpa mengurangi keakuratan hasil, kondisi radiasi tipe Sommerfeld untuk front gelombang bola diterapkan pada batas luar wilayah udara sehingga gelombang akustik yang keluar dapat meninggalkan wilayah simulasi dengan refleksi minimal.

Perhitungan memungkinkan Anda untuk mendapatkan data pada tingkat tekanan suara pada permukaan perumahan dan di zona dekat (Gbr. 4), dan dari plot zona jauh di pesawat yang berbeda dan pada jarak 1 m, Anda dapat menemukan arah radiasi kebisingan pada frekuensi yang dipilih (Gbr. 5).

Fig. 4. Tingkat tekanan suara pada permukaan perumahan (kiri) dan di zona dekat (kanan) untuk frekuensi 1500 Hz.

Fig. 5. Tingkat tekanan suara (dB) di zona jauh di pesawat xy, xz dan yz, masing-masing, pada jarak 1 m untuk frekuensi 1500 Hz.

Kesimpulan

Dalam catatan ini, kami menguji metodologi untuk memodelkan kebisingan dari gearbox menggunakan kombinasi analisis statis mekanis gearing, studi dinamis dari sistem multi-body, dan perhitungan akustik berikutnya.

Fungsionalitas sebenarnya dari paket COMSOL Multiphysics ^® bahkan akan memungkinkan Anda untuk merekam dan mereproduksi suara gearbox yang dipelajari dalam format audio , yang membawa simulasi lebih dekat ke eksperimen fisik nyata.

Teknik ini dapat digunakan sebelum dimulainya proses produksi untuk membuat gearbox yang kurang bising dalam rentang kecepatan kerja, serta untuk pemodelan kompleks mekanisme kerja lainnya dalam peralatan industri dan musik.

Informasi tambahan

Materi ini didasarkan pada artikel berikut:

• Menggunakan Perangkat Lunak Untuk Prediksi Noise Gearbox , Auto Tech Review, Juni 2017
• Cara mensimulasikan getaran dan kebisingan di gearbox menggunakan COMSOL Multiphysics ^® , blog perusahaan COMSOL

Pelajaran video terperinci dalam bahasa Rusia tentang merakit model kelas ini untuk getaran bersama dan analisis akustik dari gearbox yang berfungsi dapat dilihat di sini . Anda juga dapat meminta versi demo COMSOL di komentar atau di situs web kami dan secara mandiri membiasakan diri dengan model yang dijelaskan dalam catatan ini dan petunjuk langkah demi langkah untuk perakitannya .

Lebih banyak contoh menggunakan COMSOL ^® dalam perhitungan akustik oleh tim peneliti dari B&K, Knowles, ABB, HARMAN , dan NASA dapat ditemukan dalam edisi COMSOL NEWS 2017: Akustik dalam bahasa Rusia.

GIF Final: