Reduction of engine torsional vibrations via hydrodynamic dampers

Motor burulumsal titreşimlerinin hidrodinamik sönümleyicilerle azaltılması

PDF İndir

Tez No: 720432
Yazar: YAVUZ ASLAN
Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGEN AKALIN
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2022
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 111

Özet

Bu yüksek lisans tezi kapsamında, içten yanmalı motorların titreşimlerini sönümlemek amacıyla kullanılan titreşim damperi incelenmiştir. Bu kapsamda özel bir titreşim damperi olan hidrodinamik damper ele alınmıştır. Hidrodinamik damperin temel iki karakteristiği olan katılık katsayısı ve sönüm katsayısının hesaplanma yöntemleri çalışılmıştır. CATIA ve Hypermesh programları gerekli 3B modellerin oluşturulması ve analizlerin koşulması amacıyla kullanılan programlardır. Analitik ve nümerik yöntemlerle hesaplanan bu değerler, ölçüm sistemleri üzerinden yapılan testlerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karakteristik parametrelerin belirlenmesinin ardından, hidrodinamik damperin 8 silindirli bir dizel motordaki etkisini incelemek amacıyla AVL EXCITE programı üzerinden krank mekanizması modeli kurulmuştur. Kurulan bu model, damperli ve dampersiz olmak üzere iki farklı alt model olarak ele alınarak her iki durum arasındaki farklar tespit edilmiştir. Krank milinin farklı kesitlerindeki açısal yer değiştirme ve gerilme değerleri analiz sonucu çıktı olarak kullanılmıştır. Böylece kullanılan hidrodinamik damperin krank mekanizmasına ve dolayısıyla motora etkisi açıkça ortaya konmuştur. Günümüzde, içten yanmalı motorlarda artan güç yoğunluğu ve motor hacimlerinin küçültülmesi ile verimlilik artırılmaktadır. Ancak diğer yandan, bu trend parçalar üzerinde oluşan yükleri artırmakta ve dayanım limitlerini zorlamaktadır. Güç yoğunluğu yüksek olan 8 silindirli bir dizel motorda da artan silindir içi basınçlar ve yükler ile gözlemlenen titreşimler de artmış olmaktadır. Krank mekanizmasında görülen bu titreşimler motorun çalışmasını ve parçaların ömrünü doğrudan etkilemektedir. Bu sebeple, bu titreşimlerin sönümlenmesi ve genliklerinin düşürülerek motorun güvenli bir şekilde çalışması için titreşim damperleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında da, krank mili serbest ucuna bağlı bir hidrodinamik titreşim sönümleyici damper kullanılmıştır. Hidrodinamik damper iç kısmında dizili şekilde yaprak yaylardan oluşan ve bu yay paketleri arasında yağ geçişi sağlayarak sönüm yaratan titreşim damperidir. İlk olarak bu damperin, katılık katsayısı belirlenmek istenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, 3B modellemesi yapılan dampere Hypermesh programı üzerinden sonlu elemanlar analizi uygulanmıştır. Analiz sonucunda etkiyen torka karşılık açısal yer değiştirme değerleri elde edilmiş ve katılık katsayısı tespit edilmiştir. Ayrıca, katılık kat sayısını ölçmek üzere bir test sistemi tasarlanmıştır. Bu test sistemi üzerinden yapılan ölçümle katılık katsayı değeri elde edilmiştir. Nümerik yöntemle hesaplanan katılık katsayısı ile test sisteminden ölçülen katılık katsayısı karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda her iki değerin de belirli hata payı içerisinde birbiri ile örtüştüğü görülmüştür. Hidrodinamik damperin bir diğer spesifik özelliği olan sönüm katsayının belirlenmesi için de analitik hesaplamalar yapılmıştır. Damper içerisinde yer alan yağın, birbirine komşu odacıklar arasındaki geçişi sönüm etkisi yaratmaktadır. Bu kapsamda, iki farklı yöntemle sönüm katsayısı hesaplanmaya çalışılmıştır. Bu yöntemlerden birincisi, daha önce benzer bir çalışmada kullanılan“control oriented transient”yöntemdir. Bu yöntemle sönüm katsayısı, yağ akışına dayanan farklı katsayılar üzerinden hesaplanmaktadır. Ancak geometrinin çok küçük olması ve akışı etkileyen birçok parametrenin olması sebebiyle bu yöntemle hesaplanan sönüm katsayısı, damperin imalatçısı tarafından sağlanan katalog bilgisinde yer alan sönüm katsayısından oldukça farklı bulunmuştur. İkinci yöntem ise, damperin eşdeğer bir“dashpot”sistemine indirgenmesidir. Bu indirgeme ile“dashpot”üzerinden sönüm katsayısı hesaplanmıştır. Bu yöntemle de yine sönüm katsayısı kullanılan varsayım ve indirgemelere bağlı olarak, katalogda yer alan değerden farklı çıkmaktadır. Hesaplamalara ilave olarak, statik bir sönüm katsayısı ölçümü için de test sistemi tasarlanmış ve bu sistem üzerin statik sönüm katsayısı ölçülmüştür. Logaritmik azalma yöntemi kullanılarak ölçüm sonucundan sönüm katsayısı elde edilmiştir. Motor çalışma şartlarının test sistemine yansıtılamaması ve damperin dinamik değil statik olarak test edilmesinden dolayı, ölçümden elde edilen değer dinamik sönüm katsayısını temsil etmemektedir. Bu sebeple hesaplamalardan elde edilen değerler ve katalogda yer alan değerlerle karşılaştırması yapılmamıştır. Son olarak, karakteristiklerin belirlenmesinin ardından hidrodinamik damperin motor üzerindeki etkisini irdelemek ve damperin sönüm etkisini ortaya koymak üzere AVL EXCITE programı kullanılarak krank mekanizması için model oluşturulmuştur. Bu modelde, yanma basıncı sonrası oluşan kuvvetler ve atalet kuvvetleri altında, krank mili, biyel kolu, piston ve volan modellenmiştir. Damperin sistem üzerindeki etkisini görmek üzere hem damperli hem de dampersiz iki model oluşturulmuştur. Bu modellerden, krank milinin farklı kısımlarındaki açısal yer değiştirme ve oluşan gerilme değerleri incelenmiştir. Damper ekli model üzerinden alınan sonuçlar, dampersiz model ile karşılaştırıldığında hidrodinamik damperin motordaki burulumsal titreşimleri efektif bir şekilde sönümlediğini göstermektedir. Aynı zamanda, parçalar üzerindeki gerilme değerleri de düştüğünden parçaların ve dolayısıyla motorun ömrü uzatılmış olmaktadır. Ek olarak, mevcut hidrodinamik damperin olası optimize edilmiş katılık ve sönüm katsayılarını belirlemek için 7 farklı damper üzerinden optimizasyon çalışması ortaya konulmuştur. Farklı durumlardaki damperleri karşılaştırmak için, mevcut damperin mevcut katılık ve sönüm katsayıları %25 değiştirilmiştir. Bu değişikliklerle beraber, elde edilen güncellenmiş damperlerin katılık ve sönüm katsayıları, burulma titreşim analizine dahil edilmiştir ve analizlerden her bir durum için ilgili sonuçlar sırasıyla elde edilmiştir. Bu sonuçlar, mevcut hidrodinamik damperin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bazı durumlarda, katılık ve sönüm katsayılarındaki değişimden dolayı açısal yer değiştirmeler ve oluşan gerilme değerleri artmıştır. Öte yandan, bazı durumlarda ise mevcut hidrodinamik dampere kıyasla daha yüksek katılık ve sönüm katsayıları nedeniyle iyileştirilmiş sonuçlar elde edilmiştir. Bu iyileştirmelerin görüldüğü durumlardaki titreşim sönümleyici damperler, mevcut hidrodinamik damperin olası optimize edilmiş versiyonunu belirlemek için incelenmiştir. Revize edilen damperin motorun çalışma bölgesindeki tüm hız aralıklarında daha iyi sonuçlar verdiğini söylemek yüzde yüz mümkün değildir ancak mevcut dampere kıyasla yüksek katılık ve sönümleme katsayılarına sahip damperlerin motor çalışma hızlarının çoğunda daha iyi burulma titreşimi sonuçlarına sahip olduğu söylenebilir. Bu açıdan Durum 5 ve Durum 7, diğer durumlara ve mevcut hidrodinamik dampere göre daha iyi sonuçlara sahiptir. Ayrıca, Durum 5'in, Durum 7'ye göre çoğu hız aralığında daha az açısal yer değiştirmelere ve gerilmelere sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca, Durum 7'nin sonuçlarında görülen açısal yer değiştirme ve gerilme değerlerindeki artış miktarlarının, belirli hızlar için, sağlanan iyileştirmelerden daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Böylece, Durum 5'teki hidrodinamik damperin, Durum 7'den daha iyi sonuçlara sahip olduğu söylenebilir. Durum 5'teki revize edilmiş hidrodinamik damperin, mevcut hidrodinamik damperin burulma titreşimleri açısından optimize edilmiş versiyonu olabileceği sonucuna varılabilir. Son olarak, Durum 5'teki hidrodinamik sönümleyicinin katılık ve sönüm katsayılarını elde etmek için gerekli yapısal değişiklikler önceki bölümlerde elde edilen formülasyonlar kullanılarak belirlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Within the scope of this master's thesis, the vibration damper used to dampen the torsional vibrations of internal combustion engines has been examined. In this manner, the hydrodynamic damper, which is a special type of vibration damper, is investigated. The calculation methods of the stiffness coefficient and damping coefficient, which are the two main characteristics of the hydrodynamic damper, have been studied. CATIA and Hypermesh software programs are used in order to perform the needed 3D model creation and analysis. Values obtained from the calculation by analytical and numerical methods are compared with test results performed on measurement systems. After the determination of these characteristic parameters, a crank train model is built over the AVL EXCITE program to examine the effect of the hydrodynamic damper in an 8-cylinder diesel engine. This established model is considered as two different sub-models, with and without vibration damper, and the differences between both cases are determined. Angular displacement and stress values in different sections of the crankshaft are used as the output of the analysis. Thus, the effect of the hydrodynamic damper used on the crank train and the engine has been clearly demonstrated. Currently, efficiency of the engine is increased by increasing power density and reducing engine volumes in internal combustion engines. On the other hand, this trend increases the loads on the components and affect the strength limits. In an 8-cylinder diesel engine with a high power density, the vibrations observed with increasing cylinder pressures and loads also increase. These vibrations seen in the crank mechanism directly affect the operation of the engine and the lifetime of the parts. For this reason, vibration dampers are used for the damping of these vibrations and for the safe operation of the engine by reducing their amplitudes. In this thesis, a hydrodynamic vibration damper coupled to the free end of the crankshaft is used. The hydrodynamic damper is a vibration damper that consists of leaf springs arranged in an inner part and that creates damping by providing oil flow between these spring packages. Firstly, the stiffness coefficient of this damper is determined. For this purpose, finite element analysis is applied to the damper, which is 3D modeled, through the Hypermesh program. As a result of the analysis, the angular displacement values against the acting torque are obtained and the related stiffness coefficient is determined. Also, a test system is designed to measure the stiffness coefficient. The stiffness coefficient value is obtained by the measurement made on this test system. The stiffness coefficient calculated by the numerical method is compared with the stiffness coefficient measured from the test system. As a result of the comparison, it is seen that both values coincided with each other within a certain margin of error. Analytical calculations have also been made to determine the damping coefficient, which is another specific feature of the hydrodynamic damper. The passage of the oil in the damper between the chambers next to each other creates a damping effect. In this context, the damping coefficient is tried to be calculated with two different methods. The first of these methods is the control oriented transient method, which is used in a similar study before. With this method, the damping coefficient is calculated over different coefficients based on the oil flow. However, since the geometry is very small and there are many parameters affecting the flow, the damping coefficient calculated with this method is found to be quite different from the damper coefficient in the catalog information from the manufacturer. The second method is to reduce the damper to an equivalent dashpot system. With this reduction, the damping coefficient is calculated from the dashpot. With this method, the damping coefficient differs from the value in the catalog, depending on the assumptions and reductions used. In addition to the calculations, a test system is designed for a static damping coefficient and it is measured on this system. The damping coefficient is obtained from the measurement result using the logarithmic decrement method. Since the engine operating conditions cannot be reflected in the test system and the damper is tested statically, not dynamically, the value obtained from the measurement does not represent the dynamic damping coefficient. For this reason, the values obtained from the calculations and the values in the catalog have not been compared. Finally, after determining the characteristics, a crank train model is created using the AVL EXCITE program to examine the effect of the hydrodynamic damper on the engine and to reveal the damping effect of the hidrodynamic damper. In this model, the crankshaft, connecting rod, piston and flywheel are modeled under the forces after combustion pressure and inertia forces. In order to see the effect of the damper on the system, two models, with and without the damper, are created. From these two models, the angular displacement and the resulting stress values in different parts of the crankshaft are investigated. The results from the model with the damper obviously stated that the hydrodynamic damper effectively reduces the torsional vibrations in the engine compared to the model without the damper. It can be said that the lifetime of the components and therefore the engine is extended since the stress values on the parts are reduced at the same time. It is claimed that adding torsional vibration damper into the crank train has no negative effect on the engine in terms of torsional vibrations. According to the results of the torsional vibration analysis, almost every part of the crank train elements has minimized amplitude level of torsional vibration and angular displacements with hydrodynamic damper. Additionally, 7 different damper case studies are revealed in order to determine the possible optimized stiffness and damping coefficients of the current hydrodynamic damper. In order to compare the different cases, the existing stiffness and damping coefficients of the current damper are changed by 25%. Updated stiffness and damping coefficients of the damper are applied into the torsional vibration analysis and corresponding results are obtained, respectively. These results are compared with the results of the current hydrodynamic damper. In some cases, the angular displacements and the shear stresses are increased due to the change in the stiffness and damping coefficients. On the other hand, some cases have improved results due to the higher stiffness and damping coefficients compared with the current hydrodynamic damper. These improved cases are investigated in order to determine the possible optimized version of the existing damper. It is not hundred percent possible to claimed that the revised damper has better results in the all speed intervals, but it can be said that the updated dampers with high stiffness and damping coefficients have better torsional vibration results in the most of the engine operating speeds. Regarding this aspect, Case 5 and Case 7 have better results than the other cases and the current hydrodynamic damper. Moreover, Case 5 has less angular displacements and shear stresses in the most speed ranges than the Case 7. Although Case 7 has better results in some speeds than the Case 5, there are some speed intervals that the Case 7 has higher angular displacements and shear stresses than the current hydrodynamic damper. Also, the reduction of the results in Case 7 is less than the increase coming from the Case 7 for specific speeds. Thus, the hydrodynamic damper in Case 5 has better results than the Case 7. It can be concluded that the revised hydrodynamic damper in Case 5 can be the optimized version of the current hydrodynamic damper in terms of torsional vibrations. Lastly, the needed structural changes in order to obtaine the stiffness and damping coefficients of the hydrodynamic damper in Case 5 are determined by using the formulations derived in previous sections.

Benzer Tezler

Tez No
556524
Experimental and numerical investigation of rear axle gear whine
Arka aks dişli gürültüsünün deneysel ve nümerik incelenmesi
MEHMET DEMİREL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
Tez No
517403
Torsional vibrations of gear systems with single and dual mass flywheels: modelling and analyses
Tek ve çift kütleli volan içeren dişli sistemlerinin modellenmesi ve analizi
YUSUF SAYGILI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
Tez No
356024
Dizel motorlarında çift kütleli volan kullanımı ve ilk çalıştırma gürültüsüne etkilerinin incelenmesi
Application of dual mass flywheel to diesel engines and its effects on start up noise
YASİN USLUGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN
Tez No
439720
CODAG ile tahrik edilen askeri bir geminin sevk sistemi eksenel ve burulma titreşim analizi
Axial and torsional vibration analysis of a naval vesel propulsion system driven by CODAG
ABDULLAH GÖKTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deniz Bilimleri İstanbul Teknik Üniversitesi
Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
Tez No
496380
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 Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

Geri Dön