Son yıllarda, dikkate değer bir konu olan endüstriyel dişli kutularındaki ısı dağılımı da dahil olmak üzere özellikle rüzgar türbini ve otomotiv dişli kutusu sektöründeki güç kaybı hesaplaması oldukça fazla ilgi çekmektedir.
J.Langhart, T.PANERO – KISSSOFT AG, İsviçre
Çeviren : Yavuz Öncü – Onplus Teknoloji Hizmetleri A.Ş.
1.Giriş
Son yıllarda, dikkate değer bir konu olan endüstriyel dişli kutularındaki ısı dağılımı da dahil olmak üzere özellikle rüzgar türbini ve otomotiv dişli kutusu sektöründeki güç kaybı hesaplaması oldukça fazla ilgi çekmektedir. Yeni nesil dişli kutusu konseptleri, ekolojik ve ticari talepleri de karşılayacak şekilde araştırıldıkça, tam verimliliğin hızlı ve güvenilir olma düşüncesi en uygun dişli kutusu tasarımını kaçınılmaz hale getirmektedir.
Dişli kutularındaki verimlilik esaslarına daha yakından bakıldığında, bu esaslar; dişli örgüsü kaybı, iç eğim veya sarsıntı kayıpları ISO 14179 gibi standartlarda en iyi şekilde tanımlanmıştır. Örneğin debriyajlar veya senkromeçler gibi birçok diğer makine öğeleri için verimlilik hesaplamaları nispeten yeni bir konu olarak ortada durmakta ve birkaç öncü çalışmalar haricinde standartlar henüz belirlenmiş değildir. Günümüze kadar gelen ve hala süren araştırma, güç kayıpları sadece veri haritaları kullanılarak referans kabul edilip, test edilmiş makineler üzerindeki dişli kutusu güç kayıpları aracılığıyla yaklaşık bir ölçüm yapabilmektedir. Özetle tasarımcıya şu soruyu sormak gerekir; Dişli kutularında en gerçekçi verimlilik hesabı nasıl elde edilir?
Bu talepler yazılım üreticileri için oldukça büyük bir meydan okumaya yol açar; Bu nedenle KISSSOFT, dişliler, miller, rulmanlar, contalar, diskler, senkromeçler ve diğer makine elemanları da dahil olmak üzere bütün bir dişli kutusunun verimliliğini; hesaplama ve termal derecelendirmeye otomatik hale getirmek için KISSsys’e özel bir şablon uyguladı. Şablon iki bölümde incelenir; güç kayıplarının ve ısı kayıplarının hesaplanması.
Hesaplamalarda hem ISO, AGMA, VDI gibi standartlar kullanılır ve aynı zamanda akademi ve sanayi alanlarında da araştırmaları göz önüne alır.
Bu standartlara ek olarak, diğer veri kaynaklarına da ihtiyaç vardır. Yani, dişli kayıpları için lokal temas analizi, çok detaylı mikro-geometri sonuçları dahil bunun yanı sıra mevcut ölçülen güç kaybı ara değerleme haritaları kullanarak hesaplama yapılmasını sağlamış olur.
Bizimle yakın işbirliği kuran müşterilerimizden gelen gerçek ölçüm verileri bize kıyas sağlayıp şablonun doğruluğunu böylece ispatlamıştır.
Bu yazımızda, güç kaybı hesaplaması için gerekli standartların özeti sunulmakta, sanayi ve otomotiv sektöründe dişli kutusu uygulamalarıyla elde edilen gerçek sonuçlarla açıklanmaktadır.
2 ENDÜSTRİYEL DİŞLİ KUTULARI İÇİN TERMAL DERECELENDİRME UYGULAMASI
Endüstriyel redüktörlerin üretimi ve geliştirilmesi özellikle ekonomik açıdan, dişli üreticilerinin kendi ürünlerini maksimum verimlilikte tasarlamaları için, ciddi boyutta genel maliyet baskısıyla karşı karşıya gelmelerine sebep olur.
Kaynakların korunması ve çevrenin korunması gibi faktörler göz önünde bulundurulduğunda, redüktör imalat ve işleyişi giderek günümüzde daha da önemli bir rol almaktadır. Yakından izlenilmesi gereken “Toplam Yaşam Döngüsü Maliyetleri” makine ve endüstriyel işletmeciler arasında önemi artarak süren ve dişli kutusu üreticileri tarafından da ele alınması gereken bir faktördür. Bu nedenle, dişli kutusu üreticileri artık tüm ilgili faktörleri etkileyen, kapsamlı bir soruşturma yapmaları gerekir, örneğin :
-Üretim süreçleri (üretim maliyetleri)
– Redüktör (işletme maliyetleri)
– Servis ömrü (işletme maliyetleri)
– Bakım (işletme maliyetleri)
Enerji kayıplarını azaltma isteği ve bu nedenden işletim maliyetlerini en aza indirilmesi için dişli sistemlerinin tasarımı, tasarımcıların amaçladığı hedeflerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Enerji kayıpları, genellikle hızlı çalışan, kompakt dişli birimlerinin performansını sınırlayan ve çoğunlukla çalışma esnasında sıcaklığın artmasıyla ortaya çıkar.
Düşük seviyeli enerji kayıplarında sadece dişli ünitelerini çalıştırmak daha az maliyetli değil, aynı zamanda çevre üzerinde de daha az etkiye sahiptir. Buna ek olarak, müşteriler genellikle redüktör için özel değerler olarak yüzey sıcaklıkları ve verimliliği hakkında kesin detaylar isterler.
Yukarıda tarif edilen şartları yerine getirebilmek için, doğru ve etkili bir şekilde ürün özelliklerini belirlemesi ancak tasarım aşamasında mümkün olacaktır. Mekanik mukavemet hesapları alanında geliştirilen standartlar KISSsys’in sağladığı eklenti fonksiyonlarını KISSSOFT hesaplama platformunda kapsamlı bir sistemde uygulayarak geniş bir veri temelini oluşturmaktadır, bu sistem sadece kapsamlı değil aynı zamanda çok kullanışlıdır.
Bu nedenlerden dolayı, şirketler; KISSSOFT AG ve ZAE-AntriebsSysteme GmbH & Co KG dişli transmisyonu ünitesinde mevcut güç kaybı ve sıcaklıkları belirlemek için uygulanabilecek KISSsys’in sistemi bünyesinde, bir genel uygulanabilir hesaplama aracı geliştirmek için birlikte çalışmaktadırlar.
2.1 Güç kaybı ve termal ölçüm hesaplaması
ISO Teknik Raporu 14.179 (3) tam olarak dişli kutusu sistemlerinde sıcaklık ve enerji kaybını belirlemek için genel hesaplama esası olarak da kullanılabilir. Bu rapor daha sonra toplam güç kaybını belirlemesinde dikkate alınması gereken eklenebilir çeşitli makine elemanları, spesifik kayıpları tespit etmek için gerekli temel verileri içerir. Yeni geliştirilen hesaplama aracı aynı zamanda ISO / TR 13593, AGMA 6123-B06, 1994 ve 2004 SKF ve VDI 2241 gibi diğer mevcut standartlara, tanımlanan hesaplamaları ele alır.
Isı yayımı hesaplaması taban üzerinden gövde yüzeyine dağılmış ısı ve miller ile kavrayıcı dönen parçaları kapsar. Burada, kullanıcı daha detaylı bilgi edinerek yüzeylerin özellikleri ve durumuna göre örneğin hesaplamanın doğruluğunu geliştirmek için kullanır.
Isı yayımı değer hesabı, matematiksel ısı gelişimlerini ve denge sıcaklıklarını hesaplamak için; birlikte ısıyı absorbe edip dişli kutusu yeterliliği ile ilgili verilerle, termal dengedeki güç kaybına ve sıcaklık ölçümlerinin sonuçlarını kullanır.
Bu hesaplamada merkezi bir noktadan, kullanıcıların kendi özel gereksinimlerini karşılamak için bireysel kayıpları ve ısı dağılımını hesaplamak amacıyla kullanılan süreci değiştirmekte bir seçenektir. Gelecekte, işlem sırasında güç kaybını oluşturan işletim sıcaklığın bağlılığı da dikkate alınacaktır. Bu, sıcaklık ve güç kaybı hesaplamasında uygulanacak olan yinelemeli bir işlem gerektirir.
2.2 Pratik Uygulaması
Güç kaybı ve sıcaklık hesaplaması en son ZAE şirketi tarafından geliştirilen bir dişli kutusuna (Şekil 1,sol) uygulandı. Söz konusu dişli kutusu son nominal serisi olan üç aşamalı bir silindirik koniktir ve 1200 Nm’lik bir torka sahiptir. Şu anda, bu dizi, 10:1 den 200:1 arasında değişen bir iletim oranına sahip dört farklı ebatta üretilir.
KISSSOFT yeni geliştirdiği hesaplama aracının ardından güç kaybı işletim sıcaklığı hesaplama aracını da kullanmaya başladı. Bunu başarmak için, KISSSOFT (Şekil 1, sağ) gerekli dişli kutusu modelini tasarladı ve gerekli parametrelerle güçlendirdi.
3 Otomotiv Şanzıman İleti Verimlilik Hesaplaması
3 Otomotiv Şanzıman İleti Verimlilik HesaplamasıEndüstriyel dişli kutuları paralel olarak otomotiv dalı hibridizasyon veya dişlilerin daha yüksek sayıda ve daha büyük vites yayılması yoluyla, örneğin otomotiv şanzıman yakıt ekonomisi ve emisyon düşürülmesine odaklanması gerekir.
Nihayetinde analizi yapılmış verimliliği de optimize edilmiş bu düzey, gelecekteki C02 sınırlarına ulaştırmaya büyük bir katkı sağlayabilecektir. Otomotiv sektöründe liderlerin IAV GmbH analiz geliştirme ortaklarından biri ile işbirliği içinde olan KISSSOFT AG, değerlendirme ve iletim kayıplarını optimize etmek için bir araç geliştirdi.
Mevcut raporda şanzımanın genel verimliliğinin etkin bir hesaplama sürecini açıklamak için bir IAV7 vitesli çift kavramalı şanzıman kullanılmaktadır. Burada odak noktası sonraki döngü simülasyonda kullanılan hız ve yük bağımlı güç kaybı haritaları otomatik kuşak üzerindedir.
Bireysel kayıpları hesaplamak için modüler anlayış, sürücülerin kaybını basit bir şekilde iyileştirme tedbirlerini uygulayarak doğrudan ortaya çıkaran detaylı analizlerin gerçekleştirilmesini sağlar. KISSSOFT ile KISSsys yazılımları, hesaplama yöntemi ve üretim düzeni aşamasından konsept aşamasına kadarki süreçlerin geliştirilmesinde kullanılan yararlı bir araçtır. KISSSOFT gelen hesaplama araçları ile IAV deneyimlerini birleştiren pratik durumlar için büyük ölçüde kullanılabilecek bir araç kutusundan oluşmuştur.
3.1 Çift Debriyaj İletimi IAV 7DCT280
Yedi vitesli çift kavramalı şanzıman IAV 7DCT280 kompakt ve orta boy araçlar için ön çapraz tasarımı, bir yapısal optimize modüler şanzımanıdır. Altı ve yedi vitesli şanzıman akım ile karşılaştırıldığında mekanik bileşenler yedi ileri hızları sağlamak için sadece bir ana şaft ve bir ara mile indirgenir.
Aksi takdirde, geleneksel bir ikinci ara mil paket, çeşitli karma işlev ya da klasik bir ters hızlı mekanik bileşenler (Şekil 3) için bir elektrikli çekiş motoru entegre modüler olarak kullanılabilir.
Hibrit varyantta, elektrik motoru, ikinci bir çıkış katı (Şekil 3, sol) ile diferansiyel dişli ile bağlantılıdır.
Bir planet dişli seti, düşük araç hızlarında hibrid sistemi tekerlek torkuna yüksek düzeyde vererek, hem de daha iyi verim aralıklarından yararlanmayı sağlayan elektrik motoru için yükseltici bir aşama olarak hizmet verir.
Eş zamanlayıcı yüksek araç hızlarında veya elektrik sisteminde bir arıza durumunda motoru korumak için güç aktarım kalanından elektrik motoru devreden bir opsiyonel özellik sağlar.
Geleneksel şanzımanın varyantı bu unsurlar için amaçlandığından ortak nokta kavramını destekleyici şeklinde gerçekleştirilebilir.
Mekanik ters hızı ( Şekil 3, sağ) planeter iletim güneş dişlisi mili ile ana mil merkez dişli çarkına bağlayan düz vites bir set ile elektrik motorunu değiştirmeyi sağlar.
Bu şanzımanın yapısı da dişli seti oranının adımları hafif değişiklikler karşılığında kendi oranlarının vites adımları ve aralıkları esnekliğin yüksek düzeyde sağlanması için gösterilmiştir. (1)
Güç kayıpları ile ilgili daha fazla araştırmaların tersine hız, hibrit fonksiyonlar olmaksızın geleneksel varyant bazında yapılacaktır.
3.2 Model kurulum ile güç kaybı haritaları
KISSsys altında bir hesaplama modeli ( Şekil 4, sağ) iletim gücü kayıplarını hesaplamak için kullanılır. Bu sistem düzeyinde genel şanzımanın bireysel makine elemanları arasındaki tüm kinematik ve kinetik etkileşimleri dikkate alınır.
Bu otomatik olarak çıkarılan dişli bağımlı güç kaybı haritaları için en önemli ön koşulunun yerine getirildiği anlamına gelir.
Buna ek olarak KISSsys modeli kayıp yaratan modülleri de dahil edilerek tamamlanır. Birçok durumda bir KISSsys model makine elemanlarının boyutlandırılması için zaten mevcut olduğundan, güç kayıpları büyük ilave modelleme çalışması olmaksızın hesaplanabilir.
Analiz ile; entegre bir şekilde genel transmisyon verimliliğini hesaplamanın mümkün olduğu öngörülür. Bu nedenle tüm ilgili kayıp kaynakları hesaba dahil edilir. Bu kayıp kaynakları; dişli örgüsü tarafından üretilen kayıplar, çalkalanma ve havalandırma kayıpları, senkromeç ünitelerde ve boşta çoklu disk kavramalarda oluşan sürtünme torku kayıpları, yağlama pompası güç kayıpları, radyal şaft sızdırmazlık elemanı, döner üniteler ve rulmanlardan kaynaklanan kayıplardır. ( Şekil 4, sol).
Farklı tür ve seviyedeki kayıpları tespit etmek için hesaplama yöntemi, ilgili standartlara, bilimsel incelemelere veya yayınlara dayanmaktadır. Ayrıca, bireysel kayıp kaynaklarının hesaplanmasında farklı yaklaşımlar seçmek için büyük bir esneklik gösterilmektedir.
Dişli bölümünden kaynaklanan ve buna bağlı olan kayıplar Niemann/Winter(2) tarafından sunulan teklifin esasına göre hesaplanır. Buna ek olarak, kontak analizi profili diş izleme modifikasyonları kullanarak uygun mikro geometri tanımlamak için kullanılabilir. Hesaplama yöntemleri birçok sayıda bağımsız-yüklü çalkalanan, sıkıştırma kayıpları ile havalandırma kayıpları için kullanılır.
Standart ISO/TR (3) 14.179-2 tanımlanan kurallara çift kavramalı şanzıman uygulanan enjeksiyon yağlamada meydana gelen kayıp tespit etmek için kullanılır.
Diş kontakları dişli eşleşmeleri için sırasıyla 1 l / dk ile sabit vites oranları için 2 l / dk olarak kabul edilen enjeksiyon hacimli akar. Şanzıman dişleri ile aynı şekilde, farklı rulmanlar, yol açtığı yüke bağlı ve yük bağımsız kayıplar için yapılır. Bunlar SKF rulman kataloğu 1994 sağlanan bilgilere dayanarak dikkate alınır (4). Alternatif olarak, yeni SKF 2004 yöntemi (5) sebep olduğu sürtünmeli bileşenleri bağlı olarak kullanılabilir.
Tahrikli olmayan eş zamanlayıcı üniteleri, Radyal mil sızdırmazlık halkaları ve açık multi-disk kavramları gibi öğelerin kayıpları, yani Rao olarak tek tek literatürdeki kaynaklardan belirlenir (6). Yağ pompasının güç tüketimi, uygulanan hidrolik kavramına büyük ölçüde bağlıdır. Bir harita yardımıyla pompanın güç tüketimini tarif edilmesinin sebebi budur. Harita ara değerleme noktalarını kullanarak tanımlanmış KISSsys’e kaydedebilir.
Doğrusal ara değerleme, bireysel işletim noktalarında güç tüketimini tespit etmek için hizmet vermektedir.Üçüncü boyuta kadar olan haritalarda okuduktan sonra özel analitik yaklaşımlar da tanımlanabilir. İlk adım tahrik basıncı yağlama ve soğutma yağ talebini sabitlemek için sürücü tarafına bağlı bir sabit besleme pompası ile bir kavram analiz oluşur IAV 7DCT280 ve böylece daha verimli bir sistem kullanılır. Ancak sonraki bölümde sık kullanılan bu temel versiyondan başlayarak elde edilen potansiyel bir iyileşme de ana hatlarıyla ele alınacaktır.
Hesaplama modelinde ilgili tüm kayıpları içeren güç kaybı haritalarının otomatik üretim olan bütün dişlilerin yanı sıra bireysel bileşenler için de işletilebilir. Harita, oluşturulan aşamalı içten yanmalı bir motor için bir ızgara ve önceden tanımlanmış bir motor hız ve moment aralığına dayanır.
Şekil 5’te incelenen çift kavramalı şanzıman yedinci vites için haritalarda gösterilmektedir.
Maksimum verimlilik, %94.1 ile 7. Viteste düşük devir ve yüksek torklu bölgededir.
Beklenildiği şekilde artan devir ve düşen tork ile verimlilik düşer. Bir yandan, bu trend, yağ pompası güç sarfiyatı rulman ve enjeksiyon gibi, devir bağıl kayıpların artması ile açıklanabilir. Yükselen hız ve azalan tork, verimli damlalar, beklenilen şeklindedir.
Bir yandan, bu eğilim, yatak nedeniyle, örneğin yağ pompasının yanı sıra güç tüketimi enjeksiyonu ile ilişkili kayıplar, hıza bağlı kayıpların aşamalı geliştirilmesi yolu ile açıklanabilir. Düşük emme, tork verimlilik düşüşü tanımlanmış bir motor hızında sabit değişken oluşturan yük, bağımsız kayıplar olarak gösterilebilir.
3.3 Dişliler için İyileştirme Önlemleri
Döngü simülasyon ( burada NEDC’de uygulandı) ve iletim kayıplarının dağılımını analiz ettikten sonra, tahrik kavramı, dişli, rulman ve senkromeçlerin, bir verimlik artışı, kabul edilebilir ölçekte akustik dezavantaja rağmenbeklenebilir CO2 emisyonunu azaltmak için büyük iyileştirme potansiyeli barındırdığı tespit edilmiştir.
Dişli örgüsü kayıplarının azalması amacı için, tasarım felsefesini değiştirme hedeflenmelidir. Temel tasarım akustik gereklilikleri karşılamak amacıyla “ea = 2 ve eß = 1” teması, örtüşme oranı arasında bir dağılım gösterir. Güç kaybı çoğunlukla iletişim oranına bağlıdır; “ea = 1.5 ve eß = 1.5” dağılımı ile yeni bir tasarım üretilir. Aynı örtüşme oranı ile, gözle görülür verimliliği kabul edilebilir bir akustik, dezavantaj pahasına beklenebilir.
ea = 1.5 temas oranı ile tekrarlanan dişli düzeni dişli örgüsü kayıplarını 28 Watt’a kadar indirger. Helisel açısı artışına bağıl artan eksenel kuvvetin neden olduğu rulman bağıl kayıplar 5 W daha fazla olduğu için bu faydayı kısmen gölgeler. Dişli örgüsel kayıpları azaltmada olası bir sonraki adım, dişli şanzıman oranları ve nihai tahrik iletim oranı arasında alternatif dağıtım tertipleyerek oluşur. KISSsys’in transmisyon varyant jeneratörü ile nispeten daha düşük nihai tahrik iletim oranına sahip bir çözüm olmasından ötürü ve bu nedenle daha yüksek bir dişli oranı kullanılarak IAV 7DCT280 için bulunabilir.
Yukarıda tarif edilen iyileştirme önlemlerinin yanısıra dişli iletişim kayıpları KISSsoft ‘ta yüke bağlı hesaplama yapılabilen kontak analizi ile düzenlenen dişli modifikasyonları ile de dişli iletim kayıpları azaltılabilir. Diğerlerinin arasında analiz temas simülasyona dayalı her bölümleme pozisyonunda sürtünme momenti tespit eder.
Yerel kayıplar hız ve sürtünme kuvveti profil değişikliklerine kızaklı bir şekilde bağlıdır ve çıkan örgüleme güçlerinin yeniden dağıtılması, sürtünme kayıplarını azaltabilir.
KISSSOFT dişli modifikasyonu için belirli bir boyutlandırma fonksiyonu sağlar. Bu fonksiyon önceden belirlenen limitler içinde değişir modifikasyonlar kadar üç sete kadar olası kombinasyonları tespit eder ve her bir varyant için bir temas analizini gerçekleştirir. Kontakt davranışı, çok güçlü biçimde yüke bağıl olduğu için, aynı zamanda yük değiştirilerek yapılması da mümkündür. Sonuçlar birçok parametrede aynı anda değerlendirme sağlayan, radar grafiklerde net biçimde görselleştirilmektedir. Bu eldeki durumda değişiklikler optimum kombinasyonunu belirlemesi için ilgili mühendise imkan sağlar. Şekil 7 iki radar grafiği, sol taraftaki şekil verimliliği, sağ taraftaki ise iletim hatasını gösterir. Burada, varyant 3:2 yüksek verim (%99,6 yerine %99,06) ve orta derecede iletim hatası sergileyen iyi bir kıyaslama oluşturacaktır.
4.Özet
Yukarıda gösterilen uygulamalar dişli kutuları için verimlilik ve termal derece hesaplanmalarında çeşitli aynı zamanda da farklı talepleri temsil etmektedir.
Endüstriyel redüktörlerin hesaplama yöntemleri hali hazırda kurulmuş ve nihai termal değerlendirmesi ağırlıklı makine elemanlarına odaklanır, halbuki otomotiv sanayi CO2 azaltma verimliliği taleplerini karşılaması gerektiğinden bu yönde hesaplamalar öne çıkar. Ancak otomotiv dişli kutularındaki birçok makine elemanları için her hangi bir hesap yönetimi henüz sağlanmış değildir.İletim gücü kayıplarının hesaplanması, bir KISSsys modeline dayanmaktadır.
Bu düzeydeki sistem, bireysel makine elemanlarına odaklanır ve tüm kinematik ve kinetik etkileşimler dikkate alınır. Birçok hesaplama standartları arasında KISSSOFT’un ekipmanları diğer kriterlerini doğrulayarak kontrolü sağlar ve dişlilerin dayanıklılığına paralel olarak dişlinin hatalarını ( yağ alt dalma kayıpları için viskoziteyi değiştirilmesi durumunda) değerlendirir örneğin gürültü gibi ( dişli gücü olarak diğer kriterler konusunda da kontrol etmenize olanak sağlar).
Bu makalede sunulan süreç zincirinin farklı iletim kavramlarını hem mevcut yayınlar hakkında detaylı en uygun şekle sokma çalışmaları için hemde etkin bir değerlendirme için uygun görülür. KISSSOFT’a ve KISSsys dayalı hesaplama yöntemi doğru üretim düzeni aşamasına kadar kavram aşamasından tüm geliştirme işlemlerine varıncaya kadar kullanılabilen faydalı bir araçtır.
Referanslar
(1) J. Müller, M. Leesch, S. Paul, J. Liebold: Low-cost 7-speed DCT concept for transverse applications, 10th Symposium on Hybrid and Electric
Vehicles, Braunschweig, Germany, 2013
(2) Niemann, G., Winter, H.: Maschinenelemente Band II, Springer, Berlin 1985
(3) ISO/TR 14179-2: Gears – Thermal capacity – Part 2: Thermal load-carrying capacity, Technical Report, 2001
(4) SKF Hauptkatalog 4000/IV T (1994)
(5) SKF Hauptkatalog 6000 DE (2007)
(6) Rao, G.: Modellierung und Simulation des Systemverhaltens nasslaufender Lamellenkupplungen, Dissertation, Dresden University of Technology, 2011
