Tek ve çift kütleli volan içeren dişli sistemlerinin modellenmesi ve analizi

Günümüzde taşıtlardan konfor ve verim açısından beklentiler artmaktadır. Taşıtlarda konforu ve verimi etkileyen önemli unsurlardan biri titreşim ve gürültü seviyeleridir. Bu sebeple uzun yıllardır titreşim ve gürültünün azaltılmasına yönelik çalışmalar mühendisler tarafından sürdürülmektedir. Taşıtlarda titreşim ve gürültünün azaltılmasına yönelik çalışmalar sayesinde hem sürüş konforu artmakta hem de dinamik olarak çalışan elemanların ömürleri uzamaktadır. Ayrıca verimlilik arttırılarak, atık gazların daha az salınımı sağlanmakta ve geleceğin çevre dostu araçlarının gelişimine katkı sağlanmaktadır. Böylece günümüzün sıkı çevre koruma standartlarının gerçekleştirilmesine de önemli bir katkı sağlanmaktadır. Taşıtlarda en önemli gürültü ve titreşim kaynağını güç aktarma sistemi oluşturmaktadır. Dişli sistemleri güç ve hareket iletiminde önemli yer oynamaktadır. Taşıtlardaki dişli sistemi, motordan aldıkları gücü tekerlere iletmekte bu iletim boyunca ciddi gürültüler ve titreşimler oluşmaktadır. Dişli sistemleri kaynaklı gürültüler ana olarak iki kısma ayrılmaktadırlar. Bunlardan ilki dişli uğultusu olarak adlandırılan dişli yüzeylerinin birbirine sürtmesi sonucu ortaya çıkan gürültü tipidir. Bununla beraber daha çok gürültüye sebep olan ise dişli tıkırtısı olarak adlandırılan gürültü problemidir. Dişli tıkırtısı dişlilerin sıkışmadan çalışabilmesi ve dişli yağlama koşullarının yerine getirilebilmesi için dişler arasında bırakılan boşluk nedeni ile oluşmaktadır. Dişler bu boşlukta ileri geri hareket ederek birbirlerine çarpmakta ve darbe kaynaklı gürültü ve titreşimlere neden olmaktadır. Dişli tıkırtısını tetikleyen en önemli nedenlerden biri içten yanmalı motorların, çalışma prensibi kaynaklı olarak, güç aktarma sistemine dalgalı tork sağlamalarıdır. Bu durum güç aktarma sistemindeki dişlilerin ileri geri hareket etmesine bu sebeple darbe kaynaklı titreşim ve gürültülere neden olmaktadır. Özellikle karşı torkun olmadığı durumlarda ya da avare olarak dönen dişlilerde bu durumda ciddi titreşim ve gürültülere sebebiyet vermektedir. Bu durum hem sürüş konforunu düşürmekte hem de güç aktarma sisteminin ömrünü kısaltmaktadır. İçten yanmalı motor kaynaklı titreşim ve gürültünün azaltılması için krank mili ile güç aktarma sistemi arasında geleneksel volanlar kullanılmaktadır. Geleneksel volanlar ataletleri sayesinde enerji depolayabilmektedir. Bu geleneksel volanlar az da olsa titreşimlerin krank milinden güç aktarma sistemine aktarılmasına engel olmaktadır. Ancak günümüz konfor ve verimlilik standartlarında taşıt titreşimlerinin azaltılmasında kullanılmak üzere daha etkin çözüm yöntemleri kullanılması gereği doğmuştur. İşte bu noktada, bu tez kapsamında da modellemesi ve analizi yapılan çift kütleli volanlar gürültü ve titreşimlerin azaltılmasında etkili bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Çift kütleli volan, krank mili ile güç aktarma sistemi arasına yerleştirildiğinde, içten yanmalı motordan gelen ve güç aktarma sistemine iletildiğinde dişli tıkırtısı problemine yol açan tork dalgalanmalarını izole etmektedir. Böylece taşıtlardaki güç aktarma sistemi kaynaklı gürültüler büyük ölçüde azaltılarak konfor sağlanmış olmaktadır. Bununla beraber, güç aktarma sisteminin parçalarının yıpranmaları ve yorulmaları azaltılarak ömürleri ve verimleri artırılmaktadır. Çift kütleli volan, tek kütleli olarak da adlandıracağımız geleneksel volanlardan ikisinin, aralarına yerleştirilecek bir burulma yayı ile birleştirilmiş hali olarak düşünülebilir. Bu prensip ile ciddi oranlarda titreşim yalıtımı yapılmaktadır. Titreşim yalıtımında olduğu gibi, çift kütleli volanı oluşturmak için kullanılan burulma yayı belirli bir frekansın üzerindeki titreşimlerin azaltılması sağlanacak şekilde seçilir. Bu tezin ana amacı, çift kütleli volanın dişli sistemlerindeki titreşimlerin azaltılması üzerindeki etkinliğini göstermektir. Bu kapsamda çeşitli dişli modelleri incelenerek dişli dinamiği anlaşılmaya çalışılmıştır. İlk olarak çift kütleli volan lineer dişli modelinde kullanılarak çift kütleli volanın etkinliği araştırılmıştır. Daha sonra ise darbe kaynaklı titreşimleri görebilmek adına diş boşluğu modellenerek non lineer bir dişli modeli üzerinden çift kütleli volanın geleneksel volan üzerindeki etkinliği incelenmiştir. Tezin ilk kısmında dişli sistemlerinde karşılaşılan titreşim ve gürültü problemlerinden bahsedilmiştir. Sonrasında ise kapsamlı literatür taraması yapılarak daha önce yapılan çalışmalar detaylıca incelenmiştir. Burada literatürdeki dişli modelleri gruplandırılarak her bir grup için yapılan çalışmalar incelenmiştir. Böylece daha önce yapılan çalışmalar ortaya koyularak hem bu tez için hem de bundan sonraki çalışmalara ışık tutması hedeflenmiştir. Son olarak tezde yapılanlar kısaca açıklanmış ve tezde çözülmesi hedeflenen problem tanımlanmıştır. Tezin ikinci kısmında dişli sistemlerinde gürültü ve titreşime neden olan sebepleri daha iyi anlamak adına teorik bilgiler verilmiştir. İlk olarak dişli sistemlerinde gürültü ve titreşime neden olan temel faktörler açıklanmıştır. Sonrasında ise iletim hatasının tanımlamaları yapılarak matematiksel olarak ifade edilmiştir. Ayrıca dinamik modellerde kullanılacak kavrama direngenliğinin nasıl hesaplanacağı açıklanmıştır. Dişlilerin sıkışmadan çalışabilmesi için bırakılan ancak darbe kaynaklı gürültünün nedeni olan diş boşluğu açıklanmıştır. Son olarak titreşim azaltma yöntemi olarak önerilen çift kütleli volanın çalışma prensibi açıklanmıştır. Tezin üçüncü kısmında çift kütleli volanın dişli sistemleri üzerindeki etkinliğini inceleyebilmek için lineer dişli sistemi modeli kurulmuştur. Dişli sisteminin burulma titreşimleri incelenmiştir. Çift kütleli volanın çeşitli konfigürasyonları için etkinliği incelenmiştir. Bu kapsamda çift kütleli volanın krank mili ile dişli çifti arasında olması, dişli çifti ile yük arasında olması ve hem giriş tarafında hem de çıkış tarafında olması durumunda etkinliği incelenmiştir. Bu farklı durumlar için dişli sistemlerinin doğal frekansları hesaplanmış ve mod şekilleri elde edilmiştir. Bununla beraber, parametrik analizlerde gerçekleştirilmiştir. Bu parametrik analizlerde, çift kütleli volanın direngenlik değeri değiştirilerek frekans tepki fonksiyonları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca çift kütleli volanın birinci ve ikinci kütlelerinin atalet oranları değiştirilerek frekans tepki fonksiyonları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu bölümde son olarak titreşim geçirgenlik grafikleri oluşturularak yukarıda bahsedilen konfigürasyonlar için kıyaslamalar yapılmıştır. Tezin dördüncü kısmında non lineer dişli modeli oluşturularak çift kütleli volanın etkisi daha gerçekçi bir model üzerinden incelenmeye çalışılmıştır. Dişlilerin dinamiğinin iyi anlaşılması, önemli parametrelerin belirlenmesi bu bölümde yapılacak çalışmalara ışık tutacak ve sonuçları yorumlamamıza yardımcı olacaktır. Bunun için ilk olarak, literatürdeki non linear dişli dinamiği modelleri araştırılmış ve simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, ileriki kısımlarda kullanacağımız dişli modelinin doğrulaması yapılmıştır. Bunun için, bu çalışmada kullanılan modelden elde edilen sonuçlar ile literatürdeki referans aldığımız çalışmadan elde edilen sonuçlar, literatürde kullanılan parametreler kullanılarak, karşılaştırılmıştır. Sonuçların literatürdeki çalışma ile oldukça benzer olduğu gözlemlenmiştir. Sonrasında diş boşluğu içeren dişli modeline çift kütleli volan eklenerek, geleneksel volan kullanılması durumu ile arasındaki fark ortaya koyulmuştur. Bu amaçla non linear sistem için geçirgenlik fonksiyonları tanımlanmıştır. Bu geçirgenlik fonksiyonlarından biri, çıkışta elde edilen sinyal içinde tahrik frekansına sahip harmoniğin genliği ile girişte sistemi tahrik eden sinyalin genliğinin oranı olarak tanımlanmıştır. Diğer bir geçirgenlik fonksiyonu tanımı ise çıkışta elde edilen sinyalin RMS değeri ile girişteki sinyalin sabit kısmı çıkarıldıktan sonraki RMS değerinin oranı olarak tanımlanmıştır. Bu şekilde geçirgenlik fonksiyonlarının tanımlanmasının nedeni, dişli sisteminin non linear olması ve lineer sistemlerdeki gibi bir geçirgenlik fonksiyonunun tanımlanmasının mümkün olmamasıdır. Her iki durumda tanımlanan geçirgenlik fonksiyonları için grafikler elde edilmiştir. Ayrıca, iletim hatası incelenerek çeşitli parametrelerin değiştirilmesi sonucunda iletim hatasına etkileri incelenmiştir. Diş boşluğu değeri değiştirilerek hem çift kütleli volan içeren model hem de tek kütleli volan içeren modelin sonuçları incelenmiş ve kıyaslanmıştır. Bununla beraber, karşı tork değeri değiştirilerek hem çift kütleli volan içeren modelin hem de tek kütleli volan içeren modelin sonuçları karşılaştırılarak irdelenmiştir. Ayrıca belli frekanslarda zaman sinyalleri incelenerek non linear sinyalin davranışı hem frekans alanında hem de zaman alanında anlaşılmaya çalışılmıştır. Son olarak çift kütleli volan eklenmiş dişli rotor sistemi, Adams programında modellenerek, çift kütleli volanın etkinliği incelenmiş ve ileri de yapılabilecek daha karmaşık modellere ışık tutulmuştur. Tez kapsamında eğer dişli içeren bir sistemde sistemin girişinden uygulanan tork dalgalanması mevcut ise, çift kütleli volan kullanıldığında dişli sisteminde oluşacak titreşim değerlerinin azalacağı gösterilmiştir. Bununla beraber darbe kaynaklı gürültü ve titreşim seviyelerinde oldukça düşüşler sağlanacağı gösterilmiştir. Son olarak, sonuç kısmında lineer ve non linear modellerden elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Bununla beraber gelecekte yapılabilecek çalışmalardan bahsedilmiştir.