Pikap24.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шум работы подшипников двигателя

2.2. Шумы механизмов

Механическое оборудование: техническое обслуживание и ремонт / В.И. Бобровицкий, В.А. Сидоров. – Донецк: Юго-Восток, 2011. – 238 с.

Акустический шум и колебания механизмов давно используются для оценки технического состояния. В механических устройствах в качестве степени повреждений выступает зазор между деталями. Наличие зазора вызывает соударение деталей во время работы. Физическое проявление этого процесса реализуется в виде распространения упругих волн акустического диапазона, возникновения вибрации и ударных импульсов. Несмотря на единую физическую природу, каждое из этих проявлений имеет своиособенности и по-разному отображает происходящие процессы. Поэтому целесообразно контролировать совокупность этих параметров.

Упругие волны, порождающие акустические колебания, имеют частотный диапазон 20-16000 Гц и легко распространяются по корпусным деталям механизма. Вследствие этого прослушивание акустических шумов, возникающих при работе механизма, наиболее распространенный метод определения состояния работающего оборудования. Для этого используется технический стетоскоп, состоящий из металлической трубки и деревянного наушника (рисунок 2.3). Один конец инструмента прижимается к корпусу подшипника, а наушник – к уху. Этот метод настолько доказал свою надёжность, что требования по прослушиванию шумов механизмов включены во все правила технического обслуживания и инструкции по эксплуатации оборудования. Наиболее эффективным является сочетание полученной качественной картины технического состояния с количественной оценкой параметров вибрации. Это позволяет соединить субъективное мнение с объективной информацией, что обеспечивает достаточную точность при постановке диагноза.

Рисунок 2.3 – Технический стетоскоп

Сейчас при прослушивании шумов используют электронные стетоскопы (рисунок 2.4). Щуп прибора устанавливается на корпусе механизма. Электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлектрического датчика, подаётся на усилитель звуковой частоты, а затем в наушники. По частоте и силе звука судят о наличии повреждений в контролируемом механизме и об их характере. В любом случае, наиболее сложной задачей является процесс распознавания шумов и определения видов дефектов. Этот процесс трудно формализовать. Многое зависит от квалификации и опыта человека, использующего этот метод. Основные достоинства метода: получение качественной информации о техническом состоянии механизма, непосредственное включение оператора в процесс принятия решения, практическое отсутствие ошибок при обнаружении дефектов.

Рисунок 2.4 – Электронный стетоскоп

Сигналы, возбуждаемые колебаниями работающих механизмов, носят импульсный характер. Увеличение зазора между сопрягаемыми деталями приводит к перераспределению энергии по частотным диапазонам, повышению уровня сигнала на более высоких частотах. Амплитуда колебаний характеризует динамику работы кинематической пары, а также размер дефекта, частота – источник колебаний.

Решение задачи распознавания шумов и видов повреждений основывается на знании характерных шумов элементов механизма.

Граф причинно-следственных связей шумов и повреждений механизма приведен на рисунке 2.5. Виды повреждений приведены в нижней части графа, выше указаны характерные шумы, определяющие данный диагностический признак.

Рисунок 2.5 – Граф причинно-следственных связей шумов и повреждений механизма

Характерные шумы подшипников качения:

  1. Незначительный ровный шум низкого тона свидетельствует о нормальном состоянии подшипника качения.
  2. Глухой прерывистый шум – загрязнённость смазки.
  3. Звенящий (металлический) шум – недостаточная смазка, возникает также при повышенном радиальном зазоре.
  4. Свистящий шум указывает на взаимное трение скольжения деталей подшипникового узла.
  5. Скрежет, резкое частое постукивание возникают при повреждениях сепаратора или тел качения.
  6. Глухие периодические удары – результат ослабления посадки подшипника, дисбаланса ротора.
  7. Воющий звук, скрежетание, гремящий шум, интенсивный стук указывают на повреждение элементов подшипника.

Шумы зубчатых передач:

  1. Ровный жужжащий шум низкого тона характерен для нормальной работы зубчатой передачи. Косозубая передача в этом случае имеет ровный воющий шум низкого тона.
  2. Шум высокого тона, переходящий с увеличением частоты вращения в свист и вой, и непрерывный стук в зацеплении происходят при искажении формы работающих поверхностей зубьев или при наличии на них местных дефектов.
  3. Дребезжащий металлический шум, сопровождающийся вибрацией корпуса, возможен вследствие малого бокового зазора или несоосности колёс, при износе посадочных мест редуктора.
  4. Циклический (периодический) шум, появляющийся с каждым оборотом колеса, то ослабевающий, то усиливающийся, указывает на эксцентричное расположение зубьев относительно оси вращения. Устранить такой шум в редукторе практически невозможно.
  5. Циклические удары, грохот, глухой стук – излом зуба.

Муфты, шпоночные и шлицевые соединения:

  1. Глухие толчки при изменении направления вращения соответствуют износу: шпоночных или шлицевых соединений, элементов муфт, повышенному зазору в зубчатой передаче.
  2. Слабые стуки низкого тона, резкий металлический звук соответствуют сколам шлицов, ослаблению шпоночного соединения, несоосносности соединительных муфт.
  3. Частые резкие удары соответствуют биениям муфты, неправильной сборке карданных валов.

Шумы, характерные для подшипников скольжения:

  • нормальной работе соответствует монотонный и шелестящий шум;
  • отсутствию смазки соответствует свист высокого тона, скрежет;
  • задирам на поверхности подшипников скольжения, несоосности валов и выкрашиванию соответствуют периодические удары, резкое металлическое постукивание.

При смазке кольцом:

  • отсутствию смазки соответствует звенящий металлический шум;
  • повышенной вязкости масла соответствуют циклические удары низкого тона.

Увеличение межремонтного пробега. Повышение мощности двигателя, частоты вращения коленвала, снижение расхода топлива, температуры и износа деталей. Восстановление компрессии. Улучшение пуска и разгона.

ЧТО ОБЕСПЕЧИВАЕТ ДОБАВЛЕНИЕ SMT 2 К БЕНЗИНУ ДЛЯ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КРИВОШИПНО-КАМЕРНОЙ ПРОДУВКОЙ?

Недостаточные смазочные свойства топливно-масляной смеси компенсируются путем добавления к бензину SMT 2 . Это обеспечивает значительное увеличение срока службы двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

На топливно-масляных смесях работают, как известно, двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена. Это небольшие по габаритам и простые по исполнению мотоциклетные, лодочные, навесные моторы, двигатели средств малой механизации. Детали таких двигателей смазываются маслом, добавляемым к бензину. Доля моторного масла в бензине может составлять в зависимости от марки двигателя от 1/20 до 1/100. Очевидно, что при таких малых концентрациях масла условия смазки деталей крайне неблагоприятные. Кроме того, из-за частой смены режимов работы двигателя невозможно поддерживать оптимальное соотношение компонентов в топливно-масляной смеси. Ответственные детали двигателя (поршень, кольца, цилиндры, втулки, шатунные и коренные подшипники) подвергаются в этих условиях чрезмерно интенсивному трению и износу.

Благоприятное изменение ситуации достигается введением в состав топливно-масляной смеси кондиционера металла SMT 2 . Препарат создает на поверхностях трения защитную пленку с устойчивыми трибологическими свойствами. После кондиционирования поверхностей деталей существенно снижается коэффициент трения и интенсивность изнашивания двигателя, отчего возрастает срок его службы и надежность работы. Кроме этого, как показали результаты испытаний, добавление SMT 2 к бензину позволяет увеличить крутящий момент, максимальную мощность, снизить расход топлива и улучшить разгонную характеристику двигателя.

Уменьшение аккустического шума преобразователя частот

В настоящее время преобразователи частоты устанавливаются в коммерческих зданиях для обеспечения управления системами и экономии расходов для система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC (Heating, Ventilating and Ai Conditioning). В зданиях, таких как больницы, школы и общежития, офисных и других зданиях, акустический шум, генерируемый электрическим оборудованием, может оказаться проблемой. Регулируемый преобразователь частоты может издавать акустический шум и создавать шум в двигателях.

Понимание причин акустического шума является первым требованием для решения проблемы его влияния. Ниже рассматриваются факторы, которые могут создавать акустический шум в преобразователе частоты и в подключенном к нему оборудовании. Также рассматриваются жесткость условий в различных установках, а также решения по ограничению или устранению проблем акустического шума.

Причины акустического шума

Наиболее очевидной разницей между подключением двигателя к линии переменного тока или к выходу преобразователя частоты является то, что преобразователь изменяет частоту питания, подаваемого на двигатель. Форма кривой изменения частоты, подаваемой на двигатель, является основной причиной шума двигателя. График напряжения более сложный, чем простая синусоида.

В преобразователях частоты с инвертором широтно-импульсной модуляции ШИМ, как в большинстве современных преобразователей, инвертор управляет подаваемым на двигатель напряжением, посылая на двигатель серии импульсов высокого напряжения (см. Рис. 1). Акустический шум производится искажением частоты. Импульсы могут вызывать резонанс в статоре двигателя или в ребрах охлаждения. Типовая частота этих импульсов, называемая несущей частотой, находится в слышимом звуковом диапазоне. Этот механический резонанс заставляет двигатель выступать в роли усилителя. Вибрация может создавать раздражающий высокий звук.

Для генерирования переменной частоты большинство преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией ШИМ имеют частоту переключений от 2 до 6 кГц. Она находится в диапазоне, в котором человеческое ухо наиболее чувствительно, и где обычно обнаруживаются даже низкие уровни шума. Поскольку данный шум имеет высокую частоту, большинство людей считает его очень раздражающим. Высокочастотные шумы трудно маскировать и их слышно на некотором расстоянии от источника.

Другим источником шума является питание на входе в преобразователь частоты. В общем случае, нельзя услышать звук, когда ток течет по проводам питания. Это связано с тем, что слишком малое количество материала может вибрировать, а усилия не слишком велики. С другой стороны, трансформаторы могут создавать заметный жужжащий звук, так как их обмотки концентрируют магнитные поля, создаваемые током.

Рисунок 1. Форма кривой напряжения с широтно-импульсным модулированием ШИМ

Добавление контура фильтрации на входе регулируемого преобразователя частоты для уменьшения электрического шума в линии питания переменного тока может увеличить акустический шум. Это связано с тем, что основным устройством в таком фильтре является большая катушка. Концентрация магнитного поля, как в трансформаторе, может вызвать достаточную вибрацию в своих обмотках, чтобы создать заметный шум. Преобразователь частоты сам по себе является еще одним возможным источником акустического шума. Меняющиеся токи через преобразователь приводят к возникновению изменяющихся магнитных полей. Эти магнитные поля могут заставить резонировать металлические предметы, что приводит к возникновению акустического шума.

Читать еще:  Глубокий тюнинг дизельных двигателей

Акустический шум от линии питания переменного тока, фильтров на линиях входа или преобразователя частоты едва ли представляет собой проблему. Это оборудование обычно располагается в изолированном служебном помещении. Если шум нежелателен, существует ряд возможных методов борьбы с ним. С большой вероятностью стена или шкаф, на которых монтируется фильтр или преобразователь, усиливают шум. Звук можно существенно снизить за счет использования виброизоляторов между блоком и стеной или за счет монтажа блока на опоре на полу. Для особых случаев можно связаться с изготовителем преобразователя или фильтра на предмет наличия более бесшумного фильтра или других решений данной проблемы.

Однако акустический шум, создаваемый в двигателе, может быть намного более существенным и его следует рассмотреть более детально. Оптимальным решением было бы исключить частотный импульсный шум в выходном напряжении преобразователя частоты, но это невозможно без добавления пассивных компонентов на выходе преобразователя частоты.

Второй способ контроля акустического шума – сдвинуть частоту переключений из чувствительного диапазона либо вверх, либо вниз. Допускаемое преобразователем снижение частоты переключений ниже данного диапазона не является подходящим решением, так как была бы нарушена форма кривой тока и частоты и создание кривой близкой к синусоидальной форме было бы невозможным. Это означает, что способность управлять двигателем была бы существенно сокращена. Повышение частоты переключения рассматривается ниже.

Методы снижения шума

Ниже будут сравниваться четыре различных метода снижения шума двигателя:

1. Фиксированная высокая частота переключения.
2. Случайно выбираемая частота переключения.
3. Выходной индуктивно-емкостной фильтр.
4. Автоматическая модуляция частоты переключения.

Фиксированная высокая частота переключения

Фиксированная высокая частота переключения в диапазоне 12–20 кГц является традиционным способом уменьшения акустического шума в двигателе. Этот высокочастотный шум труднее обнаруживается ухом человека и, в отличие от низкочастотного, не сильно влияет на форму кривой. Однако у этого подхода имеются недостатки.

Основными недостатками являются:
• увеличение электромагнитных помех;
• увеличение риска повреждения изоляции двигателя;
• потери мощности, которые выделяются в виде тепла в преобразователе частоты;
• увеличение токов утечки при использовании более крупного фильтра электромагнитных помех .

Увеличенные электромагнитные потери могут потребовать более крупного и более дорогого фильтра электромагнитных помех. Он увеличивает стоимость преобразователя и увеличивает ток утечек. Ток утечки может привести к проблемам с изоляцией в двигателе и, кроме того, привести к опасности поражения электрическим током.

Рисунок 2. Индексированные потери на выходе

Высокие частоты переключения создают в преобразователе частоты дополнительное тепло, которое уменьшает срок службы преобразователя или требует установки переразмеренного преобразователя. Потери являются результатом искажений в кабелях двигателя при высоких частотах. Это означает, что если бы преобразователь работал на более низкой частоте переключения, он мог бы обслуживать двигатель при меньших затратах энергии или обслуживать более крупный двигатель. В инверторе преобразователя частоты частота переключения в районе 4 кГц гарантирует самые низкие потери в преобразователе частоты, а суммарный кпд самый высокий в диапазоне от 2,0 до 4,5 кГц (см. Рисунок 2).

Случайно выбираемая частота переключения

Случайно выбираемая частота переключения известна также как «белый шум». Частота переключения постоянно изменяется в пределах диапазона вокруг базовой частоты переключения. Такой подход не требует снижения номинальных параметров преобразователя. Основной недостаток данного метода – наведенный белый шум заставляет двигатель звучать так, как если бы был неисправен подшипник. Этот звук отличается от фиксированной частоты переключения, но может быть почти таким же раздражающим.

Выходной индуктивно-емкостной фильтр

На выходе преобразователя частоты может быть установлен индуктивно-емкостной фильтр. Этот фильтр создает напряжение с формой чистой синусоиды. Поскольку искажения устранены, исключен также и шум, наводимый на двигатель. Это означает, что работа двигателя в общем улучшена, поскольку в большинстве применений нет разницы между работой напрямую или работой с использованием преобразователя частоты.

Подход с использованием индуктивно-емкостного фильтра для решения проблемы шума двигателя имеет несколько недостатков:
• шум не убирается из системы, просто перемещается в индуктивно-емкостной фильтр;
• между преобразователем частоты и двигателем вводится падение напряжения;
• увеличиваются расходы на установку, потому что индуктивно-емкостной фильтр должен устанавливаться отдельно.

Автоматическая модуляция частоты переключения

Функция автоматической модуляции частоты переключения ASFM (Automatic Switching Frequency Modulation) является передовой электронной особенностью преобразователя частоты VLT HVAC Drive. Благодаря функции ASFM несущая частота автоматически настраивается на запрограммированную максимальную частоту переключения, когда двигатель нагружен легко. Когда нагрузка на двигатель высока, частота переключения уменьшается для экономии энергии.

Низкая несущая частота (низкая частота импульсов) вызывает шум в двигателе, что делает высокую несущую частоту более предпочтительной. Однако, высокая несущая частота генерирует тепло в преобразователе, ограничивая тем самым доступный для двигателя ток. Функция ASFM автоматически регулирует эти условия, чтобы обеспечить самую высокую несущую частоту без перегрева преобразователя. Обеспечивая регулируемую высокую несущую частоту функция ASFM уменьшает рабочий шум двигателя на малых оборотах, когда контроль за акустическим шумом является критичным, и обеспечивает полную выходную мощность на двигатель, когда это требуется. Системы без функцииASFM могут делать либо то, либо другое, но не оба действия одновременно. Важным преимуществом является отсутствие потребности в снижении выходной мощности при высокой нагрузке. Система ASFM настраивает частоту на основании требуемого двигателем тока, а не на основании оборотов двигателя, чтобы обеспечить наилучшую из возможных несущую частоту, удовлетворяющую требованиям как характеристик, так и контроля шума.

Установки с насосами и вентиляторами имеют характеристику переменного крутящего момента. Полный выходной ток преобразователя частоты и полная несущая частота доступны только до тех пор, пока нагрузка не достигнет 60 %. (На Рисунке 3 представлены преобразователь 15-60 л.с. при 460 В переменного тока и преобразователь 5-30 л.с. при 208 В переменного тока.) При характеристиках с переменным крутящим моментом это означает, что обороты вентилятора или двигателя составляют грубо от 75 % до 80 % от полных оборотов до того, как нагрузка достигает значения 60 %. Поэтому, более высокая частота переключения доступна почти все время без необходимости переразмеривать преобразователь, особенно в важных условиях низкой нагрузки, когда шум становится проблемой. Кроме того, двигатели установок HAVC переразмерены с коэффициентами гарантированного обеспечения характеристик и коэффициентом безопасности системы. Это связано с тем, что переразмеренная система всегда может работать при пониженной нагрузке, в то время как недоразмеренная система не сможет удовлетворить проектные требования. Таким образом, преобразователь частоты редко работает возле полной выходной мощности, существенно увеличивая диапазон оборотов, в котором можно использовать высокую несущую частоту.

Рисунок 3. Характеристики при переменном крутящем моменте.

Тот факт, что частота переключения наиболее высока при низкой нагрузке, означает, что электрические искажения в системе очень ограничены по сравнению с фиксированной высокой частотой переключения. Электромагнитные помехи также ниже, чем при фиксированной высокой частоте переключения, что приводит к меньшему току утечек и более длительному сроку службы двигателя. Кроме того, уменьшаются полные электрические потери, поскольку потери мощности из-за низкочастотных искажений в кабеле двигателя минимальны. Это имеет дополнительное преимущество снижения расходов на энергию.

При использовании функции ASFM акустический шум все еще генерируется, когда частотный преобразователь работает под высокой нагрузкой. Однако в большинстве установок с насосами и вентиляторами обычный окружающий генерируемый акустический шум увеличивается при увеличении оборотов и нагрузки. Поэтому шум, генерируемый частотой переключения, обычно маскируется акустическим шумом системы.

Влияние конструкции двигателя

Генерируемый в двигателе из-за резонанса частот шум зависит в основном от конструктивных деталей двигателя, конструкции двигателя и применяемых материалов. Конструктивные детали двигателя по разному реагируют на токи гармоник. При сравнении двух двигателей в одном двигателе акустический шум был ниже на частоте переключения, чем на двойной частоте переключения. Для другого двигателя все было с точностью до наоборот. Разница между этими двумя двигателями заключалась в разном количестве и размерах охлаждающих ребер.

Сравнение затрат и выгод от уменьшения шума

Минимальный воздушный зазор между статором и ротором, характеристика двигателей более высокого качества, также помогает уменьшить уровень шума двигателя.

Испытания двигателей различных марок и размеров привели к заключению о том, что ни один из изготовителей двигателей не имеет оптимальной конструкции в части уменьшения шума. Даже самые лучшие двигатели различаются в зависимости от размера двигателя. Поэтому невозможно сделать обобщающий вывод о шуме двигателя.

Рисунок 4. На приведенном графике сравниваются разные рассмотренные методы.

Сравнение методов уменьшения шума

Индуктивно-емкостной фильтр и высокая частота переключения приводят к большему снижению шума. Однако высокая частота переключения приводит не только к увеличению цены частотного преобразователя при ухудшении характеристик преобразователя, но также увеличивает электрические потери в системе и приводит к увеличенным электромагнитным помехам. Основным недостатком использования индуктивно-емкостного фильтра является увеличенная цена.

Белый шум существенно снижает шум двигателя, вызываемый преобразователем, но индуцирует другой свой собственный шум, создающий такие же проблемы.

ASFM, уникальная функция преобразователя частоты VLT HVAC Drive, обычно является наиболее эффективным с точки зрения затрат решением.

Гудит коробка

Если вой не сильный и раздается во время движения только на одной из передач механической коробки и пропадает, если двигаться накатом без тяги, то виноваты в нем подшипники трансмиссии.

Читать еще:  Что такое ресивер впрыскового двигателя

Гудеть могут подшипники на валу коробки или выжимная муфта в сцеплении. Эти устройства достаточно крепкие и могут с поврежденными подшипниками проездить не одну тысячу километров. Однако затем неисправность берет свое. Люфт на валу коробки и вибрации разбивают другие подшипники трансмиссии, а разрушение узлов выжимной муфты может повредить узел сцепления и обездвижить машину.

Поэтому игнорировать любой гул в автомобиле и затягивать с визитом в сервис не рекомендуется. Наоборот, при появлении настораживающих посторонних звуков лучше всего отправить автомобиль на диагностику. Чем скорее будет заменен неисправный подшипник, тем меньше вреда он причинит машине.

Как моделировать вибрации и уровень шума в коробке передач с помощью COMSOL Multiphysics®

Зубчатые передачи используются в таких устройствах, как часы, промышленное оборудование, музыкальные шкатулки, велосипеды и автомобили. Коробка передач является основным источником вибраций и шума в таких устройствах. Для эффективного снижения уровня шума в коробке передач необходимо выполнить виброакустическое моделирование с последующим улучшением конструкции. Давайте посмотрим, как можно использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для создания более тихих систем передач.

Расчёт уровня шума, вибрации и жёсткости в коробке передач

Коробка передач обычно состоит из зубчатых шестерней, валов, подшипников и корпуса. При работе коробка передач сильно шумит по двум причинам:

  1. Передача нежелательных поперечных и осевых сил на подшипники и корпус при зацеплении одного вала с другим
  2. Люфт в различных частях коробки передач: в зацеплении зубчатых шестерней, в подшипниках и в корпусе

Самым шумным узлом в коробке передач является зацепление зубчатых шестерней. Ниже показана схема возникновения и распространения шума в окружающую среду.

Свист и треск зубчатых шестерёнок

Можно выделить две разновидности шума, возникающего при зацеплении зубчатых шестерней: свист и треск.

Первый — один из самых распространённых шумов в коробке передач, особенно когда двигатель работает под нагрузкой. Он возникает из-за вибрации в коробке передач вследствие погрешности зубчатого зацепления при включении передачи, а также из-за различия жёсткости в зацеплении. Свист зубчатых шестерней возникает при частоте зацепления и обычно достигает уровня шума от 50 до 90 dB по относительной шкале уровня звукового давления при измерении на расстоянии одного метра.

Треск зубчатых шестерней обычно возникает при работе двигателя без нагрузки. Примерами могут служить дизельные автобусы и грузовики, работающие на холостом ходу. Треск — это ударная разновидность шума, вызванная работой коробки передач на холостом ходу. Одним из параметров зубчатой шестерни, который непосредственно влияет на треск, является окружной зазор, необходимый для смазки. Простое регулирование величины этого зазора может снизить уровень шума.

Погрешность зубчатого зацепления

Что же такое погрешность зубчатого зацепления? Когда две шестерни имеют идеальный эвольвентный профиль, вращение выходной шестерни зависит от крутящего момента на входной шестерне и передаточного отношения. Постоянное вращение входной шестерни приводит к постоянному вращению выходной. Существуют различные причины модификации формы зуба шестерни, такие как износ, смещение по оси, модификация профиля ножки и вершины зубца. Такие изменения могут привести к отклонению по центральной оси выходной шестерни при вращении. Это и есть погрешность зубчатого зацепления (ПЗЗ). При динамической нагрузке вибрация зубьев в шестернях также приводит к погрешности зубчатого зацепления. Комбинированная погрешность называется динамической погрешностью зубчатого зацепления (ДПЗЗ).

Моделирование уровня шума и вибраций в коробке передач в COMSOL Multiphysics®

Снижение шума до приемлемого уровня — сложная задача, особенно в современных коробках передач, которые состоят из множества работающих одновременно зубчатых шестерней. Правильно смоделировав данный механизм, мы можем разработать более тихую коробку передач. COMSOL Multiphysics позволяет разработчикам точно обозначить проблемы и предложить методы их решения, учитывая конструктивные ограничения. С помощью данного программного обеспечения мы можем оптимизировать существующие разработки, чтобы уменьшить уровень шума и, более того, сделать это задолго до стадии производства.


Модель коробки передач в рабочем интерфейсе COMSOL.

Рассмотрим пятиступенчатую синхронизированную механическую коробку переключения передач (МКПП) в автомобиле, чтобы изучить распространение вибрации и шума. МКПП в автомобиле служит для передачи крутящего момента от двигателя к колёсам.
Геометрия пятиступенчатой МКПП в автомобиле.

Для численного моделирования данной задачи мы будем использовать два физических интерфейса:

  1. Механических нализ многотельных систем
  2. Акустический анализ

Во временной области мы рассчитаем динамику вибрации зубчатых шестерней и корпуса. Входными данными будут являться частота вращения двигателя и выходной крутящий момент. В акустической части анализа мы рассчитаем уровни звукового давления вокруг коробки передач для заданного диапазона частот, используя нормальную составляющую ускорения корпуса в качестве источника шума.

Анализ вибраций в коробке передач

В начале рассмотрим механизм синхронизированной коробки передач. В ней используются шестерни с косыми зубцами для передачи крутящего момента от начала приводного вала через обратный вал к концу приводного вала.


Механизм синхронизированной пятиступенчатой коробки передач без учёта синхронизирующих колец, соединяющих шестерни с основным валом.

Параметры шестерней представлены в таблице:

ПараметрЗначение
Угол зубчатого зацепления25 [deg]
Угол наклона линии зуба30 [deg]
Жёсткость зубчатых шестерней1e8 [N/m]
Коэффициент перекрытия1.25

Шестерни на приводном валу могут вращаться свободно, в то время как шестерни на обратном валу закреплены. На валу фиксируется только одна передача. На практике это достигается при помощи синхронизирующих колец. В модели для зацепления и расцепления зубчатых шестерней с приводным валом используются шарнирные соединения (hinge joints) с условием включения.

Валы задаются жёсткими и прикреплёнными к корпусу через шарнирное соединение. Сам корпус задаётся гибким, стоящим на земле и прикреплённым одним концом к двигателю. Данные, необходимые для расчёта движения, следующие:

Входная величинаЗначение
Скорость вращения двигателя5000 [об/мин]
Крутящий момент1000 [Н-м]
Количество передач5

Задав все необходимые параметры, можно выполнить расчёт и получить анимацию распределения вибраций в корпусе, как показано ниже:

Анимация распределения напряжений по Мизесу в корпусе и скорости различных шестерней.

Выберем произвольную точку на корпусе, чтобы построить графики нормальной составляющей ускорения. На левом графике ниже показана зависимость нормальной составляющей ускорения от угла поворота приводного вала. Разложим данную функцию в частотной области с помощью преобразования Фурье (используя FFT-решатель). На правом графике ниже показан частотный спектр вибраций. По графику видно, что нормальная составляющая ускорения содержит несколько резонансных пиков. Вибрации максимальны в диапазоне частот от 1000 до 3000 Гц.

Зависимость нормальной составляющей ускорения от угла поворота приводного вала и её разложение в частотный спектр Фурье в произвольной точке на корпусе.

Расчёт уровня шума в коробке передач

Теперь давайте разберём, как смоделировать распространение шума в COMSOL Multiphysics. Для начала ограничим область вокруг коробки передач воздушной сферой, чтобы в ней моделировать распространение шума.

Для связи двух физических интерфейсов добавим одностороннюю взаимосвязь, полагая, что внешняя среда — это воздух. Такая взаимосвязь означает, что вибрации корпуса влияют на окружающую среду, в то время как влиянием акустических волн на конструкцию мы пренебрегаем. Это позволит быстрее решить нашу задачу.

Акустический анализ выполняется в частотном диапазоне. Поскольку расчёт многотельных систем производится во временной области, необходимо преобразовать ускорение корпуса из временной области в частотную. Для этого используется преобразование Фурье (FFT-решатель).


Воздушная сфера, ограничивающая область вокруг коробки передач для акустического расчёта. Показаны два микрофона, измеряющие уровень шума.

В качестве источника шума используется нормальная составляющая ускорения, которая применяется на внутренние границы акустической области. Чтобы не допустить каких-либо отражений от внешних границ акустической области, добавим узел Spherical Wave Radiation (Сферическое условие излучения). Настроив модель таким образом, мы можем выполнить акустический расчёт и посмотреть на уровни звукового давления на поверхности коробки передач, а также в области вокруг неё на разных частотах. Для лучшего понимания направленности шума, добавим графики распределения звукового давления в разных плоскостях при различных частотах.

Уровень звукового давления на поверхности коробки передач (справа) и вокруг неё (слева).

Уровень звукового давления на расстоянии 1м в плоскости xy (слева) и в плоскости xz (справа).

Теперь рассмотрим уровни звукового давления. Как раз для этого мы расположили два микрофона в воздушном пространстве.

МикрофонРазмещениеРасположение
1Сбоку от коробки передач(0, -0.5 m, 0)
2Над коробкой передач(0, 0, 0.75 m)

Расположение микрофонов задаётся в узле Параметры и может быть изменено в любой момент без пересчёта модели.


Частотный спектр амплитуд давления в местах расположения микрофонов.

Вышеприведённый график даёт хорошее представление о частотной составляющей уровня шума. Однако, было бы ещё лучше, если бы мы могли слышать шум, поступающий на микрофон, прямо как в физическом эксперименте. Это возможно реализовать, если написать спциальный скрипт на языке Java®, используя данные об амплитуде и фазе звукового давления, как функцию от частоты.

Давайте послушаем звуковые файлы, в которые записыван шум с двух микрофонов…

Мы уже рассмотрели результаты акустического моделирования на различных частотах. Было бы здорово увидеть данные результаты во временной области. Представим результаты во временной области с помощью преобразователя Фурье (FFT-решатель), чтобы затем визуализировать распространение в динамике акустических волн вокруг коробки передач.

Анимация распространения акустических волн вокруг коробки передач.

Проектирование менее шумной коробки передач

В данной заметке мы рассмотрели методику расчёта шума от коробки передач с помощью комбинации механического анализа многотельной системы и последующего акустического исследования. Данная методика может быть использована перед началом производственного процесса для создания менее шумных коробок передач в рабочем диапазоне скоростей. Новые функциональные возможности в версии 5.3 пакета COMSOL Multiphysics® позволяют записывать реальный шум в работающей коробке передач, что приближает моделирование к настоящему физическому эксперименту.

Читать еще:  Бмв м50 плохо заводиться двигатель

Тормоза

При неисправности тормозной системы вы услышите пронзительный свист, от которого сводит зубы. Если тормозные колодки новые, то они ещё не успели притереться, поэтому тревогу бить рано. Но если такой неприятный звук преследует вас несколько недель, то колодки попались с браком. Чтобы избежать проблем с тормозами, меняйте тормозные колодки каждые 60 тысяч километров.

Замена тормозных колодок — 400–600₽
Новые тормозные колодки — 400–2000₽

Если при торможении кузов автомобиля начинает вибрировать, то нужно избавиться от ржавчины и грязи на колодках или внутри тормозных барабанов. Немного вытяните ручник и проедьте несколько метров — так вы очистите тормозную систему.

Повреждения подшипников

Главной проблемой подшипников является прочность. Зачастую она связана с начальной нагрузкой, которую всегда трудно установить точно. Момент сопротивления преднагруженного подшипника в период приработки быстро снижается. Поэтому начальную нагрузку можно контролировать только у новых подшипников, однако, повреждения могут происходить и при маленьких нагрузках, так как шарики и ролики имеют склонность к скольжению вместо качения.

В обычных условиях правильно выбранный и правильно эксплуатирующийся подшипник имеет 90% шансов проработать в течение назначенного срока службы, и 10% шансов выйти из строя в результате процессов выкрашивания, которые происходят в условиях естественной деградации. Множество подшипников преждевременно выходят из строя по причине плохой смазки (43% подшипников) или плохого монтажа (27% подшипников). Даже лучшая подшипниковая сталь не может компенсировать ни недостатки смазки, ни значительной деформации валопровода. Дефекты в смазке влекут за собой перегрев подшипника, что может стать причиной заклинивания подшипника. В предельных ситуациях смазка в подшипнике может даже воспламениться. Явная причина внешних повреждений подшипников: плохая смазка, плохой монтаж, недостатки уплотнения, плохие условия эксплуатации, Повреждения связанные с собственно подшипником: плохое качество подшипниковой стали, неточная внутренняя геометрия, дефектные сепараторы и уплотнения подшипника. Внешние причины вызывают более 90% преждевременных отказов подшипников.

К сожалению выяснить причину разрушения подшипника нелегко: если инцидент является типичным, для специалиста будет несложно дать заключение по результатам исследования мелких осколков подшипника. При серьезном инциденте необходимо следовать методологии стандартной экспертизы:

Далее необходимо проанализировать главные причины аварии или разрушения подшипников.

Усталостное выкрашивание (расслоение) подшипника

Расслоение подшипника — естественная причина разрушения подшипников правильно смонтированных и используемых. Если давление Гертца не превышает 2000 N/mm, подшипники имеют срок службы, практически обусловленный только смазкой и чистотой. В действительности давление между элементами качения и кольцами обычно составляет от 3 000 до 3 500 N/mm и усталостные повреждения подшипника, чередуясь с напряжениями на сдвиг, приводят к расслоению металла. Все исследования подтверждают пагубное влияние на усталость подшипников неметаллических включений в сталь: нерастворимые карбиды, остатки окислов и сернистых соединений, шлаки, попавшие при плавке…

Выкрашивание (расслоение) — процесс длительный, который ускоряется, в той или иной степени, после появления первых трещинок. Локализованное и преждевременное выкрашивание характеризует такие аномалии, как плохой монтаж, перегрузка, дефекты вала, плохая геометрия посадочного гнезда.

Повышенный предел эластичности повышает ресурс, так как он уменьшает риск, связанный с наличием неметаллических включений. Применение сталей высокого качества дегазированных и разлитых под вакуумом сегодня является наиболее распространенным.

Поверхностное выкрашивание (шелушение) подшипника

Поверхностное выкрашивание (шелушение) на поверхности металла достаточно распространено и проявляется в форме очень мелких чешуек на подшипнике. Оно связывается с применением смазки недостаточной плотности по отношению к шероховатости поверхности, что провоцирует контакт металл-металл. Основное средство борьбы с этим явлением – уменьшение шероховатости поверхности и повышение вязкости смазочного материала подшипника.

Заедание (заклинивание) подшипника

Проявляется в переносе частичек материала, вырываемых с поверхности, и их осаждение в другом месте микроприпаиванием. Появляется матовые зоны и коричневые следы, свидетельствующие о перегреве. Позднее происходит деформация элементов качения подшипника с отрывом частичек материала и их локализация, элементы качения и сепараторы подшипников разрушаются или сплющиваются и даже полностью свариваются. Необходимо помнить, что заедание неминуемо при отсутствии смазки. Избыток смазки, вопреки сложившемуся мнению, не позволяет снизить трение в подшипнике. Заедание чаще происходит в конических роликовых подшипниках при наличии трения скольжения между роликами и буртиком внутреннего кольца и когда многие ролики повреждены: зачастую это происходит при первых оборотах если не позаботиться о хорошей смазке при запуске.

Другими причинами заклинивания подшипника являются:

Выбор смазки и способа смазки подшипника имеет исключительное значение. Нет необходимости в очень вязкой и обильной (избыточной) смазке, которая приводит к скольжению шариков или роликов по поверхности колец при запуске и торможении подшипника.

Оттиски (отпечатки) от деформации подшипника

Оттиски (отпечатки) от деформации подшипника встречаются очень часто: следы ударов, трещин, растрескивания поверхности, отражающие отсутствие мер предосторожности: случайное падение подшипника, монтаж подшипника с нанесением ударов или с приложением усилий непосредственно к элементам качения, перегрузка подшипника.

Пластические деформации колец подшипника приводят к выемкам без обдирания материала и складкам вытесненного металла или экстракции. Эти отказы не всегда видимы непосредственно: трещины могут в известных случаях привести к последующему разрушению.

Инкрустация инородных частиц

Инкрустация инородных частиц – результат пренебрежения чистотой при монтаже подшипника или попадания случайных примесей. Она выражается в виде отпечатков, продольных непрерывных или прерывистых бороздок на шлифованных поверхностях колец подшипника. Способствует появлению ненормальных люфтов, перекосов, вибраций.

Следы оставляемые неупругими частицами неглубокие и мало заметные. Если частицы твердые, кратеры становятся относительно глубокими с выступающими краями. Если частицы хрупкие, они разрушаются от сжатия и как результат – многочисленные мелкие отпечатки с острыми кромками.

Коррозия подшипника

Коррозия подшипника проявляется в виде пятен от красного до черного цвета, затем в виде зон отслоения материала. Она может быть химической, под действием окисленного масла, агрессивных продуктов, проникших из-за дефектов уплотнения…, или электрохимической с образованием ржавчины от проникновения воды или чрезмерной конденсации. Лучшей защитой против коррозии и защитой от причин способных ее провоцировать является выбор надлежащей смазки. В наиболее тяжелых случаях необходимо применять подшипники из нержавеющей стали, керамики и т.п. Отметим также, что появление коррозии приводит к последующему усталостному разрушению подшипников и выкрашиванию.

Контактная коррозия (фреттинг-коррозия) подшипника

Контактная коррозия проявляется в виде следов розоватого, коричневого или черного цвета более или менее протяженных в зонах наружных опор подшипников. Она возникает при незначительном вращении или вибрации колец по отношению к их опорным поверхностям; внимание было привлечено к феномену 30-х годов, когда констатировали, что подшипники вагонов подвержены серьезным повреждениям.

Контактная коррозия не во всех случаях приводит к непоправимым повреждениям, особенно в ее начале, но если она приводит к повреждению опорного гнезда или вала, то результатом будет ухудшение состояния опорной поверхности и есть основания опасаться растрескивания колец. В большинстве случаев она является следствием неправильной посадки подшипника в корпусе или на валу. В каждом случае монтажа необходимо тщательно соблюдать предписанные зазоры и допуски.

Образование кратеров (электрическая точечная коррозия подшипника)

Электрическая точечная коррозия подшипника провоцирует относительно глубокие микроскопические раковины. Она обязана значительным электрическим токам проходящим через подшипник и создающим маленькие электрические дуги, приводящие к локальному расплавлению и закалке металла. В этом случае вал становится как бы заземляющей массой при сварке.

Образование дорожек (канавок) на подшипнике

Дорожки образуются в результате одновременного воздействия слабых электрических токов и вибраций. Этот феномен чаще проявляется, когда речь идет об электрогенерирующем оборудовании, станках, электровозах и механизмах с приводными ремнями, несущих электростатическую нагрузку. Не известна связь частоты колебаний с другими параметрами работы подшипника: скоростью вращения, частотой тока, нагрузками. Средство борьбы – заземление механизмов, электрическая изоляция подшипников в корпусах, закоротка опор, применение токопроводящей смазки.

Надрывы

Надрывы – узкие разрывы или другие начальные стадии растрескивания, имеют возможными причинами чрезмерные напряжения при монтаже или демонтаже подшипника или трещины при обработке и закалке.

Абразивный износ подшипника

Абразивный износ придает подшипникам серый вид, как бы покрытый инеем. Он появляется при работе в абразивной среде при неудовлетворительной смазке.

Окрашивание (изменение цвета) подшипника

Окрашивание в коричневый, голубоватый или черноватый цвет подшипника является результатом поверхностного окисления в присутствии смазки, полимеризующейся при высокой температуре. Источник ненормального перегрева подшипника может быть внутренним, например избыток смазки, или внешним.

Повреждение сепараторов подшиипников

Повреждения сепараторов происходят главным образом в результате небрежного монтажа подшипника.

Внешние признаки повреждения подшипника

Внешние признаки повреждения подшипников многочисленны:

повышенный момент трения может быть следствием повреждения сепаратора, непригодности смазки, повреждения уплотнения подшипника.

Профилактика и контроль повреждений подшипников

Контролируя работу подшипников, измеряя температуру, шум, вибрации и периодически анализируя качество смазки можно значительно уменьшить риск возникновения повреждений подшипников.

В 90% случаев используются закаленные подшипниковые стали, в 10% — цементированные.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector