Silecek sistemlerinde kullanılan dişli çark mekanizmaları için gürültü analizi

Abstract

Gürültü, titreşim ve sertlik (NVH), araç içinde sürücü ve yolcuların konforuna ve hatta güvenliğine doğrudan etkiye sahip önemli konulardandır. Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişmeler, araçların NVH performanslarını önemli ölçüde iyileştirmekte, bu durum daha sessiz çalışan araçların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Özellikle son yıllarda içten yanmalı motorların yerini elektrik motorlarının alması, içten yanmalı motorun ve ona bağlı güç iletim mekanizmasından kaynaklı gürültünün yok olmasına, dolayısı ile NVH performanslarına çok önemli iyileştirmenin sağlanmasına neden olmuştur. Motor ve güç iletim mekanizmalarından kaynaklı gürültünün kaybolması, silecek mekanizması, direksiyon sistemi, pencere sistemi vb. yan sistemlerin yarattığını gürültünün, fark edilebilir olmasına yol açmıştır. Araç içi gürültüsü, sürücü ve yolcuların konfor ve güvenliğini etkileyen önemli unsurlardan birisidir. Bu nedenle toplam gürültünün belirli bir seviyenin altında tutulması, ulusal ve uluslararası anlaşmalar ile zorunlu tutulmaktadır. Elektrikli araçları ortalama ses basıncı seviyelerinin 55- 60 $dB$ arasında olması, yan sistemlerden kaynaklı gürültünün azaltılması üzerine çalışmaları artırmıştır. Silecek sistemi kaynaklı gürültü üzerine yapılan çalışmalar son dönemde artmış, ancak yapılan çalışmaların ağırlıklı olarak silecek bıçağı- cam teması üzerine yoğunlaştığı tespit edilmiştir. Silecek mekanizmasında kullanılan dişli çark mekanizması kaynaklı gürültü üzerine yapılan akademik çalışmalar literatürde sınırlıdır. Bu nedenle, bu tezin amacı olarak daha sessiz çalışabilecek bir dişli çark mekanizması önerisi hedeflenmektedir. Sunulan çalışmada, silecek sistemlerinde hız ve moment dönüşümü için kullanılan dişli çark mekanizmasının gürültü seviyesini azaltmaya yönelik tasarım çalışması yapılmıştır. Silecek mekanizmasında ağırlıklı olarak sonsuz vida ve helisel dişli çark mekanizmaları kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında, bu mekanizmaların gürültü seviyeleri, bilgisayar ortamında akustik analizleri yapılarak incelenmiş, ayrıca öneri olarak sunulan planet mekanizmalarının ses basıncı analizleri gerçekleştirilip karşılaştırılmıştır. Ek olarak, dişli çark malzemesinin gürültü seviyesine etkisinin de incelenmiş, çelik ve polimer malzeme çiftleri üzerinde çalışılmıştır. Analizler COMSOL paket programı üzerinden gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, elastik dişli çark kabulü ile yaylanma rijitliği, temas analizi ile hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, çok gövdeli dinamik analiz modeline entegre edilerek, dişli çark mekanizmasının dinamik analizi gerçekleştirilmiş ve bileşenlerin zamana bağlı ivmelenmesi hesaplanmıştır. Zamana bağlı elde edilen ivmelenme verisi, ses basıncı analizinde içsel alan sınırlaması olarak belirlenip, dişli çark mekanizmasında oluşan titreşimin ses basıncında oluşturduğu değişim Helmholtz Denklemi ile COMSOL programı aracılığı ile çözdürülmüştür. Polimer ve metal malzemelerin dişli gürültüsüne etkisi üzerine yapılan incelemede, metal- metal dişli çiftinin en yüksek gürültü seviyelerine sahip olduğu gözlenmiştir. Metal- polimer dişli çark çiftinin ise polimer- polimer dişli çark çiftine göre daha sessiz çalıştığı görülmüştür. Çeliğe göre çok daha düşük elastikiyet modülüne sahip polimerden oluşan dişli çiftinde, sistem rijitliğinin düşük olması, hareket esnasında oluşan titreşimi artırmaktadır. Ek olarak, literatürde bir parçanın diğer parçayı, görece kolay aşındırabildiği eş çalışan sistemlerde titreşimin daha düşük olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçların bu durumlardan kaynaklandığı söylenebilir. Helisel dişli çark mekanizması ve planet mekanizması arasında yapılan karşılaştırmada, aynı çevrim oranı, giriş hızı ve yükle elde edilen ses basıncı seviyelerinde planet mekanizmasının önemli oranda daha sessiz çalıştığı tespit edilmiştir. Helisel dişli çark mekanizmasında temas noktasının, planet mekanizmasında güneş dişlisinin merkez noktasının, 200 $mm$ çapında elde edilen gürültü seviyelerinde helisel dişli çark mekanizmasında ortalama $65$ dB, planet mekanizmasında ortalama $60$ dB olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçların, planet mekanizmasında yataklama sayısının helisel dişli çark mekanizmasına göre daha fazla sayıda olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Çevresel hızın dişli gürültüsüne olan etkisini araştırmak için yapılan analiz sonuçlarında giriş devri iki katına çıkarıldığında, ses basıncı seviyesinin tüm dişli çark mekanizmalarında arttığı görülmektedir. Silecek sistemlerinde yaygın kullanılan sonsuz vida mekanizması ile planet mekanizması karşılaştırıldığında, planet mekanizması için elde edilen ses basıncı seviyeleri sonsuz vida mekanizması için elde edilen ses basıncı seviyelerinden daha düşüktür. Bu sonucun nedeni olarak, sonsuz vida mekanizmalarındaki diş temasında baskın olarak görülen kayma hareketi olduğu düşünülmektedir. Kaymadan dolayı oluşan sürtünme gürültüsü, planet mekanizmalarındaki diş temasında baskın karakterdeki yuvarlanma hareketine kıyasla daha yüksek olduğu düşünülmektedir. Silecek sistemi tasarımlarında sonsuz vida yerine planet mekanizması kullanımı, silecek sisteminin daha düşük gürültü seviyelerinde çalışmasına fayda sağlayabilir. Bu tez çalışmasında oluşturulan akustik analiz modeli, gelecek çalışmalar ile genişletilebilir. Diş geometrisi kaynaklı hataların model içerisine entegre edilerek kusursuz diş geometrisi kabulünden kusurlu diş geometrisine geçilmesi ile model genişletilebilir. Diş temasında elastohidrodinamik yağlama durumunun model içerisinde entegre edilerek yağlayıcı reolojisinin dişli gürültüsüne etkisi incelenebilir. Ayrıca, dişli kutusunun sistem içerisine dahil edilerek dişli kutusunun gürültüye etkisinin incelenebilir.