Dynamic investigation of diesel engine gear train system under fluctuated torque excitation
Dizel motor zamanlama dişli sistemi dinamiğinin salınımlı tork etkisi altında incelenmesi
- Tez No: 485310
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Özellikle son on yılda otomotiv sektörü sıkı regulasyonları ve müşteri memnuniyetini karşılayabilmek için yeni bir yola girmiş bulunmaktadır. Bu yolda, otomotiv şirketleri içten yanmalı motor hacimlerinde küçültmeye gidereken daha fazla güç ve daha iyi emisyon değerleri elde etmeye çalışılmaktadır. Günümüzde kullanılan bütün dizel motorlarda ve birçok benzinli motorda direk püskürtmeli yakıt sistemi ve turbo besleme bulunmaktadır. Bu sistemlerin amacı az yakıt ile yüksek verimliliğe ulaşabilmektir. Fakat bu beraberinde titreşim ve gürültü gibi bazı zorluklar getirmektedir. Çünkü turbo beslemeli ve direk yakıt püskürtmeli motorlarda yanma odasındaki basınç daha yüksek değerlere çıkmakta ve bu da beraberinde motorun hareket eden parçalarına daha fazla kuvvet iletmesini getirmektedir. Bu yüksek kuvvetler de titreşim ve gürültü problemlerini arttırmaktadır. İçten yanmalı motorlarda yanma ve mekanik olmak üzere iki temel gürültü ve titreşim kaynağı vardır. İçten yanmalı motorlarda zamanlama sistemi mekanik gürültü kaynaklarından bir tanesidir. üç farklı zamanlama sistemi motorlarda krank milinden eksantrik miline hareket aktarmakta kullanılabilir. Bunlar, dişli kayıs-kasnak sitemi, zincir sistemleri yada dişli sistemleridir. Ağır vasıta dizel motorlarında yüksek güç ve yük iletimi gerektiğinden ve bu koşullara en uygun olan dişli sistemler tercih edilmektedir. Yüksek dayanım performansı olan dişli sistemlerin bazı dezavantajları da vardır, bunların en önemlisi gürültü problemidir. Genelde dişli sistemli kaynaklı iki farklı ses problemi çıkmaktadır bunlar dişli vınlaması ve dişli tıkırtısıdır. Dişli vınlamasının kaynağı dişlilerin elastik yapısından kaynaklanmaktadır ve bu çalışma kapsamında dişli vınlaması çalışılmamış sadece dişli tıkırtısı çalışılmıştır. Dişli tıkırtısı aynı zamanda dişli çarpma sesi ya da dişli çekiç sesi olarakda bilinir ve geniş bandlı bir ses kaynağıdır, dolayısıyla geniş bir frekans aralığında duyulmaktadır. Dişli tıkırtısının ana sebepleri, dişli şaftlarındaki hız dalgalanması, diş boşluğu, sistemde tahrik edilen yağ pompası, yüksek basınçlı yakıt pompası, kompresor gibi yardımcı yan sistemlerin ihtiyaç duyduğu zamana göre değişen tork değerleri(salınımlı torkalar), dişlilerin ve dönen parçaların ataletleridir. Sistemi besleyen ana dişlideki tork dalgalanması içten yanmalı motorun çalışma mantığından kaynaklanmaktadır. Çünkü her parlamada tork değeri maksimuma ulaşırken sonraki patlamaya kadar tork değeri düşmektedir ve motor sabit bir hzındayken zamana bağlı tork değeri sürekli olarak ortalama bir değer etrafında salınım yapmakta bu salınım da dişlilerin açısal hızında bir salınıma sebep olmaktadır, bu salınımı azaltmak mümkündür ancak hem parça dizaynlarında hem sistemin dizaynında büyük değişiklikler yapmak gerekir ki özellikli ileri fazdaki bir proje de bunlar çok fazla mümkün olmayan değişikliklerdir. Dişliler arasında dizayn aşamısında belirlenen ve dişli üretim kalitesine bağlı olan ve ingilizce backlash olarak bilinen bir boşluk vardır. Bu boşluk, dişliler arasında olmak zorundadır yoksa dişliler uyum içinde çalışamaz ve kitlenirler ama bu diş boşluğu aynı zamanda sistemdeki tork salınımıyla beraber dişlilerin ön ve arka tarafa çarpmasına izin vererek yüksek ve anlık dinamik kuvvetlerin oluşmasına, bu yüksek ve anlık dinamik kuvvetlerde tıkırtı sesi oluşumuna sebep verirler. Bu diş boşluğu her zaman belirli bir tolerans aralığında tutlmaya çalışılarak bu gibi sorunların önüne geçilmeye çalışılır. Diğer bir ana sebep olan yardımcı sistemlerin tork değerleri bu diş boşlukları sayesinde sistemde oluşan dinamik kuvvetlerin artmasına sebep olmaktadırlar. Bu çalışmada da dişlı tıkırtı sesini salınımlı tork etkisi altından incelenmesi kapsamında sayısal çözümleme yapan bilgisayar destekli simülasyon metodu kullanılması anlatılmıştır, bu salımlı torklar fazlanarak etkileri minumum değerlere ulaştırılması hedeflenmiştir. Daha sonra bu kapsamda dinamometre odasında fiziksel bir test gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma dişli dinamiği ve ağır vasıta dizel motorlarının zamanlama dişli sisteminin salınım torku altında tıkırtı ses probleminin incelenmesi olarak iki ana başlık altında toplanabilir. Bu kapsamda, çalışmanın ilk kısımlarında dişli dinamiği değişik varsıyımlar altında incelenmiştir. İlk olarak basit bir diş çifti- dört serbestlik dereceli- lineer olarak ele alınmış ve bu bağlamda hareket denklemleri çıkarılarak analitik, sayısal ve bilgisayar programı yardımıyla çözülmüştür. Bu sistemde diş yatakları lineer kabul edilmiş ve diş boşlukları olmadığı kabulü yapılarak lineerleştirilmiştir. Bu sistem dış kuvvetlerin etkisi altında olmadığı kabulü yapılmak suretiyle homojenleştirilierek başlangıç koşulu (ilk hız) altında analitik ve sayısal olarak çözülmüş ve her iki çözüm yöntemi de aynı sonuçları vermiştir. Bir sonraki adım da aynı sistem bilgisayar programı ile kurulmuş ve dış kuvvetler altında çözülmüştür. Daha önce sadece başlangıç koşulunda sayısal olarak çözülen sistem de aynı dış kuvvetler uygulanarak bu iki çözüm sistemi de karşılaştırılmıştır ve sonuçlar tamamen aynı çıkmıştır. Daha sonra sisteme dişililer arasında boşluklar hesaba katılar lineer olmayan hale getirilmiş ve yine bu sisteminde hareket denklemleri çıkartılarak nümerik ve bilgisayar programı yardımıyla çözülmüştür. Aynı sistemi aynı parametrelerle çözen tüm bü değişik çözüm yöntemleri beklendiği gibi birbiriyle aynı sonuçlar vermiştir. Sayısal ve analitik çözümleri yapabilmek için çıkarılan hareket denklemlerin çözülmü için Matlab programında kodlar yazılmıştır. Son olarak, lineer olmayan aynı sisteme bir dişli daha eklenerek, daha kompleks hale getirilmiş ve bilgisayar programı yardıyla çözülmüştür. Yine aynı sistemde salınım yapan tork eğrisi belli bir derece fazlanarak bu fazlamanın sistemin dinamiğine özelliklede dişiler arasındaki anlık kuvvete olan etkisi incelenmiştir. Zamanlama sistemleri içten yanmalı motorlarda hareketi krank milinden eksantrik miline aktarmak için kullanılırlar ve bu sistemler genellikle dişli kayış, zincir ve dişli olarak farklı formlarda kullanılır. Harekete eksantrik miline aktarırken aynı zamanda yardımcı sistemleride tahrik etmektedir. Ağır vasıta motorlarında bu zamanlama sistemi yüksek güç ve yük taşıma kapasitesinden dolayı dişli sistemler olarak seçilirler. Üstünde çalışılınan altı silindirli ağır vasıta dizel motorunun dişli zamanlama sistemi bilgisayar programı yardımıyla detaylıca modellenmiş ve dişliler arasındaki kuvvetler hesaplanmıştır. Bu modelleme sırasında dişlilerin makro değerleri girilmiş ve ISO standartlarına göre dişli çiftlerinin sertlik katsayıları hesaplanarak sabit bir değer olrak modele girilmiştir yine sönüm katsayısı aynı yöntemle hesaplanmıştır. Bu sistemde on tane düz dişli iki düzlemde bulunmaktadır, bu dişlilerden iki tanesi sistemden yüksek salınlı tork çekmektedir, bunlar eksantrik milinin bağlı olduğu dişli ve yüksek basınçlı yakıt sistmim tahrik eden dişlidir. Yüksek basınçlı yakıt pompası tork değeri üreticisinin yaptığı test ile ölçtürülmüş ve modele girdi olarak kullanılmıştır. Yine bir başka salınımlı tork kaynağı olan subab sistemi aynı program yardımıyla noktasal atalet ve kütle noktalarına indirgenerek bu noktalar sertlik ve sönüm katsayısı değerleriyle birbirlerine bağlanarak gerçek hayat simüle edilmeye çalışılmıştır. Subab mekanizması eksantrik miliyle beraber dişli sistemine simülasyon ortamında monte edilerek bu iki sistem gerçek hayattaki gibi eş zamanlı çalıştırılmıştır böylece subap mekanizmasının dişli sistemine olan etkisi birebir gözlemlenmiştir. Ayrıca bir başka önemli girdi olan olan tahrik dişlisi yani krank miline bağlı olan dişli ye başlangıç koşulu olarak hızdaki dalgalanma başka bir simülasyon programıyla hesaplanarak girilmiştir. Bu simülasyon kapsamında piston, biyel ve krank mekanizması modellenerek ölçüm sonucu olan silindir içi basınç uygulanarak motor hızındaki salınım hesaplanmıştır. Darbe etkisi (impact impulse) olarak adlandırılan bir metrik dişli çiftleri arasındaki kuvvetten hesaplanarak, dişli tırkırtısını değerlendirmek için kullanılmıştır. Darbe etkisi her dişli çifti için ayrı ayrı hesaplanmış ve tüm dişili çftleri için hesaplanan değerler toplanarak toplam darbe etkisi bulunmuştur. Bu toplam değer sistemin dişli tıkırtı sesi hakkında bir değerlendirme imkânı vermiştir. Bu değerin yüksek olduğu sistemler de daha fazla tıkırtı sesi beklenmektedir. Daha sonra yüksek basınçlı pompanın tork değeri farklı faz açılarına fazlanarak –belli bir mantık çerçevesinde- işlem tekrarlanmış ve sistemin bu tork değerine en az hassas olduğu nokta yani sistemin en az tıkırtı sesi vereceği değer bulunmaya çalışılmıştır. Bu kapsamda mümkün olan dokuz farklı faz açısı denenmiştir. Ayrıca dinamometre odasında fiziksel bir test gerçekleştırılmiş ve aynı durum orda da sorgulanmıştır. Bu test sırasında motor etrafına standartlara uygun olarak, motordan birer metre uzakta olucak şekilde dört adet mikrofon yerleştirilmiş, bu mikrofonlara ek olarak bir tane de zamanlama dişli sisteminin etkisini daha net gözlemleyebilmek için motorun arka tarafına (dişli sistemi motorun arka kısmında bulunmaktadır) yerleştirilmiştir. Ayrıca volan ve dişli yuvaları üstüne ivmeölçerler yerleştirilerek bu verilerde toplanmıştır. Motordan toplanan bu ses ve ivme verileri toplanarak bilgisayar programı çıktılarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak hem bilgisayar destekli hesaplamalar hem de fiziksel test sonuçları birbirini doğrular nitelikte olmuştur. Fiziksel test sonuçlarında en iyi durum ile en kötü durum arasında dört desibelden fazla bir fark bulunmuştır. Normalde kullanılcak değer ile en iyi sonucu veren durum arasında ise iki desibelden fazla fark bulunmuştur ve herhangi bir ekstra maliyet getirmeden ve tasarımda değişiklik yapmadan motorun genel ses durumu iki desibelden fazla iyiliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In last decades trend in automotive industry go towards on a new path due to regulations and high demand of costumers. Most automotive companies downsize and boost their internal combustion engine to have a better fuel economy and emissions. Nowadays, all diesel and most of the gasoline engines have direct injection and turbocharger or supercharger system to get more power with high fuel efficiency. However, this brings new challenges especially for noise, vibration and harshness (NVH) because downsizing and boosting means having higher pressure in the combustion chamber and increasing forces that generated by power conversion systems. There are two main sources of noise for an internal combustion engines; combustion noise and mechanical noise. Rotating systems of engines cause the mechanical noise and one of them is timing drive system. There are different type of timing drive system and geared system generally uses for heavy-duty diesel engine due to its higher load and power capability while reducing durability risks. However, gear systems have worst performance when it comes to NVH, mainly two type of gear noise produces by geared timing drive systems; gear whine and gear rattle. Gear rattle, also known gear impact or hammering noise, is a broadband noise and can be seen in wide frequency range. In this study, the sensitivity of gear rattle under fluctuated torque influence is investigated and computer-aided engineering (CAE) based method applied to get a better timing gear system in terms of NVH. This study can divide into two main chapters; gear dynamic and heavy-duty diesel engine gear system with fluctuated torque source. In the early part of the study, dynamic of a gear pair with different complexity levels is investigated. Firstly, equation of motion of a linear time-invariant gear pair, which has four degrees of freedom governed, and a fluctuated torque applied. Governed equations solved with two different methods, which are analytical and numerical. In addition, a multi-body dynamic (MBD) model built for exactly same system and computationally solved the system. Secondly, same gear pair investigated with backlash. Backlash brings a non-linearity to system. Equation of motion of non-linear system also governed and solved with numerically. Same non-linear system built in computer-based program and results compared with the numeric solution. For all solutions, results are same for different solution for same systems. Thirdly, another gear added to system and degree of freedom increase to six, this system solved only computationally and effect of phasing fluctuated torque presented. A detailed multi-body dynamics model of a six-cylinder heavy-duty diesel engine's geared timing drive system built to calculate gear mesh forces. There are ten gears in this system and two of them have fluctuated torque characteristics; fuel injection pump (FIP) and camshaft. FIP provides fuel to common rail in diesel engines and has highly fluctuated torque demand from the geared system due to his working principle. xxii A metric called impact impulse, which calculated from gear mesh force and used for rattle assessment of the system. Impact impulses calculated for each gear mesh and summed individual impact impulse up to get total impact impulse, which correlated with gear rattle noise. Total impact impulse recalculated after phasing torque curve of fuel injection pump to find best working point of the system in terms of gear rattle noise. In addition, a physical test conducted and radiated noise of engine and acceleration from gear housing measured to compare with computational results. Consequently, both computational measurement results show fluctuated torques has a significant effect on geared timing system of a heavy-duty diesel engine and with phasing of fluctuated torque can reduce gear rattle in a geared timing drive system.
Benzer Tezler
- Farklı araç kalibrasyonlarının sürüş stili üzerindeki etkilerinin bulanık mantık yaklaşımı ile incelenmesi
Investigation of driveability calibration effects on driving style through fuzzy logic approach
SAMET AKŞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
- Investigation of geartrain impact noise in diesel engines
Dizel motorlarda dişli darbe gürültüsünün incelenmesi
ALİ TATAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Bir dizel motor ve şanzıman grubunda burulma titreşimlerinin modellenmesi ve tıkırtı sesi değerlendirmesi
Torsional vibration modelling of a diesel powertrain system and rattle investigation
EMRE ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Yüksek devirli çok supaplı gemi diesel motorlarının termodinamik modellemesi ve deneysel incelenmesi
A complete thermodynamic simulation model and experimental investigation of a high speed multtvalve marine diesel engine
YAVUZ KAYIHAN
Doktora
Türkçe
1997
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN KAMİL SAĞ
- Plazma sprey yöntemiyle kaplanmış dizel ve benzinli motorun dinamiksel titreşim analizinin kestirimci yöntemiyle araştırılması
Investigation of dynamic vibration analysis of diesel and gasoline engine coated with plasma spray method
TUGAY TELÇEKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriFırat ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANBEY HAZAR