تحلیل الکترومکانیکی ارتعاشات سیستم کوپل موتور-جعبه‌دنده با چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

سید احسان مسئله گو ¹ ( گروه مهندسی مکانیک- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران )
علی سلیمانی ² ( مرکز تحقیقات فناوریهای نوین ساخت و تولید- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران ‌ )

تاریخ دریافت : 1400/09/14 تاریخ پذیرش : 1400/11/20 تاریخ انتشار : 1402/12/01

کلید واژه: ارتعاشات, طیف فرکانسی, سختی درگیری, خطای انتقال, جعبه‌دنده سیاره‌ای,

چکیده مقاله :

وجود ارتعاشات در جعبه دنده از ویژگی های ذاتی آنها است زیرا ماهیت و ذات درگیری چرخ‌دنده‌ها در جعبه‌دنده به دلیل ضربه موجود حین درگیری دندانه‌ها، تولید ارتعاشات می کند. این ارتعاشات اجتناب‌ناپذیر در حالت‌هایی باعث اختلال در کار جعبه‌دنده می‌شود، بنا‌بر‌این در تحلیل عملکرد جعبه‌دنده‌ها و بهینه‌‌سازی آن‌ها، تحلیل‌های ارتعاشی بسیار مهم و کارآمد هستند. جعبه‌دنده سیاره‌ای از یک چرخ‌دنده اصلی خورشید به عنوان محرک که در مرکز قرار دارد، چند چرخ‌دنده سیاره به دور آن، یک چرخ‌دنده حلقه‌ای که این مجموعه درون آن می‌چرخند و یک بازو که به چرخ‌دنده‌های سیاره‌ای متصل است و کار را به عنوان خروجی برای جعبه‌دنده سیاره‌ای انجام می‌دهد تشکیل شده است.در این مقاله ابتدا رابطه های ارتعاشی مورد نظر در جعبه‌دنده سیاره‌ای بیان شده است. سپس اعمال رابطه های حاکم بر موتور الکتریکی در نرم افزار متلب بررسی شده و مدل ارتعاشی کوپل موتور-جعبه‌دنده سیاره‌ای به منظور مشاهده و تحلیل اثر متقابل موتور الکتریکی و جعبه‌دنده سیاره‌ای شبیه سازی شده است. نمودار‌ها و تحلیل‌های فرکانسی استخراج شده و نشان داده شد که فرکانس‌های مجموعه قابل قبول هستند. مدل‌سازی دینامیکی و تحلیل در نرم افزار آباکوس جهت استخراج سختی درگیری متغیر با زمان بین دندانه‌های دو چرخ‌دنده درگیر در جعبه‌دنده سیاره‌ای انجام شده است.

چکیده انگلیسی:

Gearbox and vibrations are two inseparable components of each other. In other words, the nature of the gear meshing in the gearbox has inevitable vibrations due to the impact during the meshing of the teeth. These unavoidable vibrations in some cases cause the gearbox to malfunction, so vibration analyzes are very important and efficient in analyzing gearbox performance and optimizing them. A planetary gearbox has a main gear of the sun as the actuator in the center, several planetary gears around it and a ring gear in which this set rotates and an arm is attached to the planetary gears and acts as the output for the planetary gearbox. In this paper, first to express the desired vibration relations in the planetary gearbox. Then to investigate and apply the relations governing the electric motor in MATLAB software. In the following, the vibration model of the planetary gearbox motor coupling model is simulated in order to observe and analyze the interaction between the electric motor and the planetary gearbox. Frequency spectrum are analyzed to investigate the interaction of motor and planetary gearbox. It should be noted that dynamic modeling and analysis has been performed in ABAQUS software to extract the mesh stiffness of time-varying engagement between the teeth of the two gears involved in the planetary gearbox.

منابع و مأخذ:

[1] Y. Yi, D. Qin, C. Liu, “Investigation of electromechanical coupling vibration characteristics of an electric drive multistage gear system”, Mechanism and Machine Theory, vol. 121, pp. 446-459, March 2018 (doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.11.011).

[2] W. Bai, D. Qin, Y. Wang, T.C. Lim, “Dynamic characteristic of electromechanical coupling effects in motor-gear system”, Journal of Sound and Vibration, vol. 423, pp. 50-64, June 2018 (doi: 10.1016/j.jsv.2018.02.033).

[3] C. Xing, Y. Shihua, P. Zengxiong, “Nonlinear vibration for PMSM used in HEV considering mechanical and magnetic coupling effects”, Nonlinear Dynamics, vol. 80, pp. 541–552, Jan. 2015 (doi: 10.1007/s11071-014-1887-y).

[4] G. Mandic, E. Ghotbi, A. Nasiri, F. Oyague, E. Muljadi, “Mechanical stress reduction in variable speed wind turbine drivetrains”, Proceeding of the IEEE/ECCE, pp. 306-312, Phoenix, AZ, USA, Sept. 2011 (doi: 10.1109/ECCE.2011.6063784).

[5] H. Jan, G. Heirman, D. Vandepitte, W. Desmet, “The influence of flexibility within multibody modeling of multi-megawatt wind turbine gearboxes”, Proceeding of the ICNV, vol. 4, pp. 2045-2072, Leuven, Belgium, Sept. 2008.

[6] V. Kumar, A. Rai, S. Mukherjee, S. Sarangi, “A Lagrangian approach for the electromechanical model of single-stage spur gear with tooth root cracks”, Engineering Failure Analysis, vol. 129, Article Number: 105662, Nov. 2021 (doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105662).

[7] H. Yu, P. Eberhard, Y. Zhao, H. Wang, “Sharing behavior of load transmission on gear pair systems actuated by parallel arrangements of multiple pinions”, Mechanism and Machine Theory, vol. 65, pp. 58-70, 2013 (doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2013.02.010).

[8] C. Zaigang, Z. Wanming, W. Kaiyun, “A locomotive–track coupled vertical dynamics model with gear transmissions”, Vehicle System Dynamics, vol. 55, no. 2, pp. 244-267, 2017 (doi: 10.1080/00423114.­2016.1­25426­0).

[9] M.T. Khabou, N. Bouchaala, F. Chaari, T. Fakhfakh, M. Haddar, “Study of a spur gear dynamic behavior in transient regime”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 25, no. 8, pp. 3089-3101, Nov. 2011 (doi: 10.1016/j.ymssp.2011.04.018).

[10] W. Lu, Y. Zhang, H. Cheng, Y. Zhou, H. Lv, “Research on dynamic behavior of multistage gears-bearings and box coupling system”, Measurement, vol. 150, no. 3, Article Number: 107096, Jan. 2020 (doi: 10.1016/j.measurement.2019.107096).

[11] M. Hosseiniasl, J.J. Fesharaki, “A heuristic approach for optimization of gearbox dimension”, Journal of Modern Processes in Manufacturing and Production, vol. 7, no. 2, pp. 17-39, Spring 2018 (doi: 20.1001.1.271­7031­4.2018.7.2.2.2).

[12] W. Kim, J. Lee, J. Chung, “Dynamic analysis for a planetary gear with time-varying pressure angles and contact ratios”, Journal of Sound and Vibration, vol. 331, no. 4, pp. 883-901, Feb. 2012 (doi: 10.1016/j.j­sv.2­01­1.10.007).

[13] C. Liu, D. Qin, T. Lim, Y. Liao, “Dynamic characteristics of the herringbone planetary gear set during the variable speed process”, Journal of Sound and Vibration, vol. 333, np. 24, pp. 6498-6515, Dec. 2014 (doi: 10.1016/j­.jsv.2014.07.024).

[14] N. Feki, G. Clerc, P. Velex, “Gear and motor fault modeling and detection based on motor current analysis”, Electric Power Systems Research, vol. 95, pp. 28-37, Feb. 2013 (doi:10.1016/j.epsr.2012.08.002).

[15] W. Bai, D. Qin, Y. Wang, T. Lim, “Dynamic characteristics of motor-gear system under load saltations and voltage transients”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 100, pp. 1-16, Feb. 2018 (doi: 10.101­6/j.ym­ssp.2017.07.039).

[16] B. Yousfi, A. Soualhi, K. Medjaher, F. Guillet, “Electromechanical modeling of a motor–gearbox system for local gear tooth faults detection”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 166, Article Number: 108435, Mar. 2022 (doi:10.1016/j.ymssp.2021.108435).

[17] B. Uspensky, K. Avramov, B. Liubarskyi, Y. Andrieiev, O. Nikonov, “Nonlinear torsional vibrations of electromechanical coupling of diesel engine gear system and electric generator”, Journal of Sound and Vibration, vol. 460, Article Number: 114877, Nov. 2019 (doi:10.1016/j.jsv.2019.114877).

[18] Z. Wang, G. Mei, Q. Xiong, Z. Yin, W. Zhang, “Motor car–track spatial coupled dynamics model of a high-speed train with traction transmission systems”, Mechanism and Machine Theory, vol. 137, pp. 386-403, July 2019 (doi:10.1016/j.mechmachtheory.2019.03.032).

[19] H. Eskandari, M. Moradian, “Direct torque compound control of induction motors to increase the battery operating life in electric vehicles”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 11, no. 42, pp. 1-13, Sept. 2020 (in Persian) (dor:20.1001.1.23223871.1399.11.42.1.2).

[20] A. Aboutalebi-Najafabadi, “Optimal design, modeling, and evaluation of single-phase axial flux induction motor with a permanent capacitor using improved particle swarm optimization algorithm”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 11, no. 44, pp. 47-69, March 2021 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1399.11.44.4.9).

[21] C. Molina Vicuña, “Vibration characteristics of single-stage planetary gear transmissions”, Ingeniare: Revista Chilena de Ingeniería, vol. 22, no. 1, pp. 88-98, Oct. 2014 (doi:10.4067/S0718-33052014000100009).