Хабрахабр

Моделирование вибраций и шума в коробке передач автомобиля

Первая причина данного нежелательного эффекта состоит в том, что поперечные и осевые силы, возникающие в результате передачи энергии от одного вала к другому с помощью шестерни, оказывают нежелательное механическое воздействие на подшипники и корпус. При своей работе коробка передач, используемая для передачи энергии от двигателя к колесам, достаточно сильно шумит. Переменная жесткость зубчатого сцепления в коробке передач вызывает постоянную вибрацию, передающуюся на корпус, который, в свою очередь, тоже вибрирует и передает энергию окружающей жидкости, например, трансмиссионному маслу, в результате чего в ней возбуждаются акустические волны. Вторая причина — гибкость различных компонентов коробки передач, в том числе подшипников и корпуса, что также может приводить к вибрации.

Под катом на примере 5-ступенчатой механической синхронизированной коробки передач мы опишем и покажем методику такого исследования в COMSOL Multiphysics®, включающего прочностной анализ механического контакта зубчатого зацепления, анализ динамики многотельной системы редуктора в сборе и акустический анализ шума, создаваемого работающей коробкой в окружающем пространстве. Для эффективного снижения уровня шума в таких комплексных динамических системах на ранних стадиях проектирования инженеры-разработчики нередко прибегают к численному моделированию.

Визуализация звука, создаваемого работающей коробкой передач

По этой причине необходимо оценивать жесткость шестерней в разных положениях. Зубчатое зацепление, которое мы будем считать упругим, является источником постоянной вибрации. Для расчета к контакту применяется метод штрафов (penalty method), и определяются ограничения для учета скручивания шестерней, в результате которого возникают контактные силы. Зубья во время работы деформируются, и для определения того, как изменяется жесткость в течение цикла работы зубчатого сцепления, выполняется серия стационарных расчетов на прочность для различных углов поворота.

1, слева). Характерные результаты на выходе такого анализа в виде распределения напряжения по Мизесу в зубчатой паре показывают высокие значения напряжений в точках контакта и в основаниях зубьев (рис. 1, справа). Кроме того, проведенный расчет позволяет пронаблюдать и проанализировать изменение жесткости зубчатого сцепления при вращении вала (рис.

1. Рис. Справа: изменение жесткости зубчатого сцепления при вращении вала. Слева: распределение напряжений по Мизесу в зубчатой паре.

Этот анализ необходим для расчета динамики работы шестерней и величин результирующих вибраций, передаваемых на корпус. Анализ многотельных систем выполняется во временной области для одного полного поворота приводного вала с учетом жесткости зубчатого сцепления, спрогнозированного при расчете контакта на первом шаге. Расчет проводится в предположении, что валы и шестерни являются идеально жесткими, за исключением зубчатого сцепления, жесткость которого взята из предыдущего исследования механического контакта. В данном примере анализ выполняется при частоте вращения двигателя 5000 об./мин и выходном крутящем моменте 2000 Н∙м. Корпус, выполненный из конструкционной стали, рассматривается как упругое тело.

2. Распределение напряжений по Мизесу в корпусе под действием сил, передаваемых приводным и промежуточным валами, а также нормальное ускорение вибрирующего корпуса, являющееся причиной шумового излучения, показаны на рис.

2. Рис. Справа: нормальное ускорение, получаемое на поверхности корпуса. Слева: распределение напряжений по Мизесу в корпусе.

3 изображена временная диаграмма нормального ускорения в одной из точек на верхней части корпуса и её частотный спектр. На рис. Частоты, на которых корпус вибрирует с наибольшей амплитудой, лежат в диапазоне между 1500 и 2000 Гц.

3. Рис. Слева: Временная диаграмма. Нормальное ускорение в точке на поверхности корпуса. Справа: Её частотный спектр.

С помощью исследования в частотной области можно спрогнозировать уровень звукового давления снаружи коробки передач. Нормальное ускорение корпуса, полученное в результате анализа динамики многотельных систем, затем может быть использовано в акустическом исследовании в качестве источника шума. Для расчета акустического давления коробку передач следует окружить воздушной областью, а чтобы уменьшить размер расчетной области без снижения точности результатов, на внешние границы воздушной области применяется условие излучения типа Зоммерфельда для сферических волновых фронтов, чтобы исходящие акустические волны могли покидать область моделирования с минимальным отражением. Поскольку значения нормального ускорения получены во временной области, для преобразования их в частотную область применяется прямое быстрое преобразование Фурье (БФП — FFT).

4), а из графиков дальней зоны в разных плоскостях и на расстоянии 1 м можно узнать преобладающее направление шумового излучения при выбранной частоте (рис. Расчет позволяет получить данные по уровню звукового давления на поверхности корпуса и в ближней зоне (рис. 5).

4. Рис. Уровни звукового давления на поверхности корпуса (слева) и в ближней зоне (справа) для частоты 1500 Гц.

5. Рис. Уровень звукового давления (дБ) в дальней зоне в плоскостях x-y, x-z и y-z соответственно на расстоянии 1 м для частоты 1500 Гц.

В данной заметке мы рассмотрели методику моделирования шума от коробки передач с помощью комбинации механического статического анализа зубчатого сцепления, динамического исследования многотельной системы и последующего акустического расчета.

Актуальные функциональные возможности пакета COMSOL Multiphysics® позволят даже записывать и воспроизводить в аудиоформате шум исследуемой коробки передач, что приближает моделирование к настоящему физическому эксперименту.

Данная методика может быть использована перед началом производственного процесса для создания менее шумных коробок передач в рабочем диапазоне скоростей, а также при комплексном моделировании других работающих механизмов в промышленном и музыкальном оборудовании.

Данный материал основан на следующих статьях:

Также можно запросить демонстрационную версию COMSOL в комментариях или на нашем сайте и самостоятельно ознакомиться с описанной в данной заметке моделью и пошаговой инструкцией по ее сборке. Подробный видеоурок на русском языке о сборке моделей такого класса для совместного вибрационного и акустического анализа работающего редуктора можно посмотреть тут.

Еще больше примеров использования COMSOL® в акустических расчетах исследовательскими коллективами из B&K, Knowles, ABB, HARMAN и NASA можно найти в выпуске журнала COMSOL NEWS 2017: Акустика на русском языке.

Краткое содержание COMSOL NEWS 2017: Специальное издание Акустика

  • Виртуальная настройка автомобильной аудиосистемы. HARMAN, Франция
  • Разработка промышленных и измерительных микрофонов. Bruel&Kjaer, Дания
  • Расчёт акустических характеристик осреднённого течения в ракетных системах. NASA, США
  • Снижение уровня шума мотоциклов. Mahindra Two Wheelers, Индия
  • Исследование магнитострикционных эффектов и шума в силовых трансформаторах. ABB, Швеция
  • Вибрационный анализ шума, создаваемого коробкой передач автомобиля. COMSOL, США/Швеция
  • Передовые акустические исследования метаматериалов. Университет Дьюка (Duke), США
  • Воздействие вибраций на здания вблизи аэропортов. NGI, Норвегия
  • Разработка слуховых аппаратов. Knowles, США
  • Неразрушающий акустический контроль в водопроводных магистралях. Echologics, Канада
  • Новая конструкция электростатических наушников. XI Engineering и WAT, Великобритания

Финальная гифка:

Показать больше

Похожие публикации

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»