Éliminer le ronronnement des engrenages

Le bruit intrusif connu sous le nom de ronronnement des engrenages est causé par les vibrations générées par les engrenages lorsqu’ils s’engrènent en raison d’imperfections dues à la conception, au chargement, aux effets de la température et aux variations de fabrication. Réduire le bruit de frottement des engrenages à un niveau acceptable est un défi de taille, en particulier pour les boîtes de vitesses complexes comme la transmission automatique planétaire moderne. Les outils de conception, de simulation et d’analyse avancés comme RomaxDesigner permettent aux ingénieurs d’identifier rapidement et précisément les problèmes, d’en trouver la cause profonde et de proposer des solutions réalistes dans le cadre des contraintes de conception autorisées. Avec un tel outil, il est possible d’optimiser les conceptions existantes pour éliminer les problèmes de bruit et de créer de nouvelles conceptions dont on sait qu’elles sont exemptes de problèmes avant même que le métal ne soit coupé. Nous développons ici un processus d’optimisation d’une conception existante pour réduire un problème de bruit et montrons comment il fonctionne avec un exemple concret.

Le gémissement de l’engrenage n’a pas besoin d’être fort pour être un problème. C’est par nature un bruit tonal, qui est gênant pour les conducteurs et les passagers parce qu’il coupe les autres bruits dans l’habitacle du véhicule. Des engrenages parfaits dans un environnement de fonctionnement parfait ne produisent aucun bruit, mais malheureusement nous ne vivons pas dans un monde parfait. Le monde réel est fait de tolérances de fabrication et d’assemblage, et de composants qui se déforment sous les charges que nous leur imposons. La différence entre le transfert en douceur du mouvement par des engrenages parfaits et ce que vous obtenez réellement dans la pratique est appelée « erreur de transmission » ou « TE ». C’est la véritable source du bruit des engrenages. L’erreur de transmission provoque une vibration au niveau de l’engrenage qui est transmise par les composants internes de la boîte de vitesses au boîtier, où elle est rayonnée directement sous forme de bruit ou transférée à travers le châssis sous forme de vibrations pour être rayonnée sous forme de bruit ailleurs. Bien qu’il ne s’agisse pas de la seule méthode de contrôle du gémissement des engrenages, la réduction du bruit à la source en réduisant le TE est clairement une bonne idée.

La façon habituelle d’ajuster le TE consiste à apporter des modifications à la surface des dents à un niveau microscopique. Ces modifications de « micro-géométrie » peuvent être adaptées pour réduire TE, mais pour savoir quels changements apporter, vous devez comprendre comment les dents de l’engrenage se comportent à un niveau microscopique. Vous devez également tenir compte du fait que toute modification de la micro-géométrie aura également un impact sur la durabilité et le rendement de la boîte de vitesses. Il ne sert à rien d’avoir une boîte de vitesses silencieuse qui casse après 50 000 km.

Fig. 1 : Modèle RomaxDesigner d’une boîte de vitesses automatique à six rapports.

Un rapide coup d’œil à la figure 1 vous dira qu’une transmission automatique moderne est une bête complexe, avec de nombreux engrenages s’engrenant simultanément. Ces complexités font qu’il est difficile de prédire le comportement d’engrènement des engrenages et d’identifier les modifications optimales de micro-géométrie nécessaires. La seule façon d’y parvenir est de considérer les engrenages dans le contexte de la transmission complète. Les effets et les interactions entre tous ces engrenages signifient qu’une simulation au niveau du système telle que celle fournie par RomaxDesigner de Romax Technology (un outil de développement de produit virtuel rapide et précis ayant la capacité de simuler, d’analyser et d’optimiser les performances NVH, la durabilité et l’efficacité des conceptions les plus complexes) est un outil nécessaire dans le processus visant à rendre ces boîtes de vitesses silencieuses.

Une simulation rapide et précise de ces comportements complexes est la clé d’un produit amélioré. De toute évidence, la précision est importante ; nous devons être en mesure de faire confiance aux résultats et de prendre des décisions de conception sur la base de ceux-ci. Lorsque cela est combiné à des performances de calcul rapides, cela devient un facilitateur pour toutes sortes de méthodes d’analyse et d’optimisation utiles qui reposent sur la simulation répétée de conceptions subtilement différentes, comme nous le verrons plus tard.

Défis de la simulation

L’optimisation de la conception des boîtes de vitesses planétaires à mailles multiples présente un certain nombre de problèmes par rapport aux conceptions de transmission manuelle plus simples, ce qui signifie que des méthodes spécifiques ont dû être développées par Romax Technology pour traiter les boîtes de vitesses automatiques.

Complexité de la conception

Une boîte de vitesses automatique planétaire est complexe avec de nombreux composants. Pour la simuler, nous devons représenter cette complexité, mais seulement à un niveau de détail nécessaire pour nous donner les résultats dont nous avons besoin – nous ne voulons pas d’un modèle encombrant qui prend beaucoup de temps informatique pour fonctionner, mais nous devons inclure des détails là où ils sont importants. Par exemple, nous avons besoin d’une description très détaillée de la géométrie de l’engrenage et d’un modèle détaillé du contact des dents de l’engrenage, mais nous ne devons envisager la simulation des freins et des embrayages qu’au niveau conceptuel. Nous devons également inclure l’effet des conditions limites de la boîte de vitesses, que ce soit dans le véhicule ou sur le banc d’essai, afin que notre modèle représente ce que nous testons réellement.

Partage des charges et désalignement

Les transmissions automatiques atteignent leur haute densité de puissance en divisant le transfert du couple par plusieurs engrenages planétaires simultanément. Les déflexions du système dues aux charges internes, aux erreurs de fabrication et aux charges radiales externes (comme la gravité et celles de l’engrenage de transfert illustré à la figure 1) détruisent la symétrie du système planétaire et entraînent un partage inégal de ce couple entre les planètes. Pour aggraver les choses, cette inégalité varie au fur et à mesure que le porte-satellites tourne par rapport au soleil et à la bague, en raison des variations de la rigidité du porte-satellites, des effets de la gravité et des légères variations de la position de l’axe des satellites dans les limites des tolérances de fabrication et d’assemblage autorisées. Par conséquent, des couples différents dans chaque engrenage impliquent des désalignements différents dans chaque engrenage et ceux-ci varient également lorsque le support tourne. Les interactions entre les différents engrenages constituent une dernière complication. Dans un arrangement d’engrenages planétaires, un engrenage planétaire est relié à au moins deux autres engrenages. Le désalignement au niveau d’un maillage d’engrenage a une influence sur le désalignement au niveau des autres maillages d’engrenage car ils sont tous connectés par le même engrenage.

Ce que cela signifie concrètement, c’est que l’analyse détaillée de ces maillages d’engrenage qui est nécessaire pour prédire correctement TE doit simuler l’effet de tous les maillages d’engrenage simultanément (l’étude de cas de la pg. 48 a 9 maillages). En outre, la simulation doit inclure les effets de la variation du couple et du désalignement au fur et à mesure que les composants tournent.

Fig. 2 : Un processus d’identification et de résolution d’un problème de bruit de gémissement d’engrenage dans une transmission automatique.

Dans RomaxDesigner, cela est réalisé en effectuant une analyse statique itérative de l’ensemble de la boîte de vitesses à plusieurs positions différentes de rotation du support pour construire un profil complet du comportement de contact de l’engrenage en tenant compte de toutes les complications ci-dessus. Il s’agit d’un processus relativement rapide en raison des algorithmes optimisés utilisés, donnant une réponse en quelques secondes.

Phase de la maille de l’engrenage

Lorsque nous examinons le bruit de l’engrenage causé par une simple paire d’engrenages, nous pouvons dire que le bruit de l’engrenage résultant est directement proportionnel au TE. Cela signifie que si nous découvrons que nous devons réduire le bruit de 50 %, alors nous savons que nous devons réduire le TE de 50 %. Comme pour tout le reste, la boîte de vitesses planétaire ne se comporte pas aussi bien.

Dans la transmission automatique, nous avons de nombreuses mailles actives à la fois, chacune produisant son propre TE en même temps et à la même fréquence. Cependant, les phases relatives de ces signaux TE ne sont pas toujours les mêmes. L’effet de bruit combiné de tous les signaux TE dépend de cette mise en phase. Dans certains cas, les signaux s’additionnent et renforcent les vibrations résultantes (et donc le son entendu par le conducteur) ; dans d’autres, les signaux s’annulent et la vibration dans une direction particulière est réduite. Ces différences de phase sont générées à deux niveaux : la majorité de cette mise en phase est déterminée par le nombre de dents des engrenages, le nombre et le positionnement des satellites et le fait que la boîte de vitesses dans son ensemble soit plus sensible aux forces dynamiques latérales ou de torsion. De petites modifications du déphasage sont également causées par la conception de la micro-géométrie des dents. Prêter attention à ce phasage tôt dans le processus de conception est essentiel pour une bonne conception de la boîte de vitesses.

Ce que cela implique, c’est que nous ne pouvons pas simplement utiliser TE comme une mesure de la qualité de notre performance sonore pour une transmission automatique, car il n’y a pas de relation simple entre les TE des mailles individuelles et le bruit résultant dans le véhicule. Au lieu de cela, nous devons utiliser la vibration du boîtier de transmission comme mesure de la réussite ou de l’échec et cela signifie que nous avons besoin d’un modèle dynamique de notre boîte de vitesses.

Réponse dynamique

Prédire le comportement de réponse aux vibrations d’une boîte de vitesses nécessite deux choses : la connaissance de l’excitation – dans notre cas, le TE, que nous savons que nos méthodes peuvent prédire avec précision – et aussi un modèle dynamique du système de transmission complet. Nous pouvons appliquer le TE prédit à chaque maille (y compris le phasage) dans le modèle dynamique et prédire la réponse à n’importe quel endroit du boîtier. Ces résultats peuvent être comparés directement avec les mesures de vibrations sur la boîte de vitesses réelle. RomaxDesigner inclut la capacité de générer automatiquement un modèle dynamique et de calculer la réponse.

Il y a donc de nombreuses difficultés associées à la simulation du whine des boîtes de vitesses automatiques planétaires, mais nous avons pu mettre en œuvre des méthodes pour y faire face dans l’environnement virtuel de développement de produits RomaxDesigner. Nous verrons ensuite comment ces méthodes peuvent être mises à profit dans un processus de dépannage du gémissement des engrenages.

Fig. 3 : Comparaison entre la vibration de référence mesurée du boîtier, la vibration de référence simulée du boîtier et la vibration optimisée simulée du boîtier.

Dépannage des problèmes

En plus de la conception initiale de nouveaux produits, une autre raison courante d’optimiser une conception pour les NVH est lorsqu’une conception existante est mise dans une nouvelle application (un nouveau modèle de véhicule ou jumelée à un nouveau moteur par exemple) et que le bruit de ronflement se révèle être un problème. Dans une telle situation, il y a très peu de possibilités de modifications majeures de la conception, comme la modification de la disposition de la boîte de vitesses, du nombre de dents ou du nombre de planétaires. Dans ces cas, l’affinage de la micro-géométrie est souvent considéré comme la seule approche possible. Un exemple de processus d’optimisation basé uniquement sur les modifications de la micro-géométrie est discuté ici et illustré par une étude de cas réelle plus tard.

Le processus global de dépannage est illustré à la figure 2. La première étape consiste à identifier les conditions dans lesquelles le problème se produit. Cela se fait par une évaluation subjective dans le véhicule. Celle-ci est étayée par une mesure quantitative du bruit et des vibrations à la fois dans le véhicule et sur un banc d’essai. Les résultats de ces tests constituent les résultats de base auxquels le bruit et les vibrations de la nouvelle conception peuvent être comparés. Si les résultats du banc d’essai présentent les mêmes symptômes que les résultats obtenus à bord du véhicule, toutes les simulations et tous les essais ultérieurs peuvent être effectués dans l’environnement plus contrôlé du laboratoire. L’analyse de ces résultats de test permet également d’obtenir des informations sur le jeu d’engrenages planétaires à l’origine du problème.

L’étape suivante consiste à créer le modèle RomaxDesigner de la transmission. Ce modèle doit représenter le plus fidèlement possible la transmission réelle testée et les conditions limites doivent représenter celles de l’essai (en véhicule ou sur banc d’essai). Typiquement, cela signifie que la micro-géométrie de la boîte de vitesses testée doit être mesurée et que la micro-géométrie exacte doit être utilisée dans le modèle. Les dimensions critiques telles que la position des goupilles planétaires, l’emplacement des alésages des roulements du carter et les jeux axiaux et radiaux des composants critiques doivent également être mesurés pour s’assurer qu’ils sont conformes aux spécifications de conception. Idéalement, ces mesures doivent être effectuées sur un certain nombre de boîtes de vitesses de la chaîne de production afin de vérifier la variabilité de la fabrication. Si certains composants sont hors tolérance (en particulier la micro-géométrie), il faut d’abord s’attaquer à ces problèmes de fabrication avant de poursuivre les recherches. En termes de conditions limites, nous devons simuler, au moins approximativement, l’inertie rotative et la rigidité en torsion en amont et en aval, ainsi que les conditions de support du carter de la boîte de vitesses.

Les prédictions du modèle doivent être comparées aux résultats des tests de base pour confirmer que le modèle recrée les symptômes du problème original. Cela signifie que nous pouvons être sûrs que les modifications de conception que nous apportons dans le monde virtuel auront le même effet dans le monde réel et nous pouvons maintenant passer à la phase d’optimisation.

Fig. 4 : Composants du jeu d’engrenages planétaires arrière dans la transmission à six vitesses.

Il est important que les conditions de chargement que nous choisissons pour l’optimisation n’incluent pas seulement les conditions où il y a un problème de gémissement des engrenages. Nous devons également tenir compte des conditions dans lesquelles le bruit n’est pas perçu comme gênant. Cela permet de s’assurer que les modifications de conception que nous apportons n’ont pas d’effet néfaste et que nous évitons la possibilité de résoudre un problème mais d’en causer un autre.

Les détails de la phase d’optimisation du processus de dépannage sont développés dans la figure 2. Le cœur du processus est une étude de sensibilité paramétrique où les paramètres les plus importants sont variés et leur effet sur le motif de contact et le TE identifié. Dans l’exemple présenté, nous ne considérons que les paramètres de micro-géométrie, mais d’autres paramètres pourraient être évalués de la même manière. Dans l’ensemble, nous cherchons à réduire le TE des mailles individuelles et le TE combiné de toutes les mailles ensemble tout en maintenant un motif de contact centralisé et une contrainte de surface acceptable pour s’assurer que la durabilité n’est pas compromise.

L’analyse de sensibilité est d’abord effectuée sur les mailles de l’engrenage planétaire et la micro-géométrie révisée est appliquée aux engrenages dans le modèle (généralement, cette micro-géométrie est appliquée uniquement à l’engrenage planétaire car la finition précise dure ou douce d’un engrenage interne est difficile dans un environnement de production de masse). Le même processus est ensuite effectué sur les mailles de l’engrenage soleil-planète et la micro-géométrie révisée est à nouveau appliquée. Rappelez-vous que l’une des difficultés de la simulation du gémissement des engrenages planétaires est que les modifications apportées à une maille d’engrenage affectent les performances de toutes les maille d’engrenage. Cela signifie que nous devons maintenant revenir en arrière et répéter l’analyse sur les mailles de l’anneau-planète pour voir si elles doivent être révisées. Théoriquement, nous pourrions répéter cette boucle itérative jusqu’à ce qu’une convergence parfaite soit atteinte, cependant, dans la pratique, une seule itération est généralement suffisante.

Bien sûr, notre cible pour quantifier les performances sonores n’est pas le TE et le motif de contact, mais la vibration du boîtier ; ainsi, la phase d’optimisation étant terminée, les dernières étapes consistent à confirmer que la nouvelle réponse vibratoire simulée pour la conception optimisée est réduite à un niveau acceptable. Ceci est ensuite confirmé dans la boîte de vitesses réelle par un essai prototype unique avant que la production de la transmission avec la conception révisée de l’engrenage puisse être reprise.

Fig. 5 : Comparaison du bruit rayonné de la boîte de vitesses avant et après l’optimisation.

Etude de cas

Dans un article de la SAE, Hyundai a décrit comment ils ont utilisé ces méthodes pour résoudre un problème de ronflement de l’engrenage, dans une boîte de vitesses automatique à transaxe planétaire à six vitesses, qui a été identifié par des tests subjectifs. Des tests quantitatifs ultérieurs ont identifié des niveaux de bruit accrus dans la plage de couple moyen à élevé (60 Nm-200 Nm), à des régimes moteur de 900 tr/min-1300 tr/min.

Un modèle complet de boîte de vitesses avec des arbres, des roulements, des engrenages et un carter détaillés a été créé (figure 1). Les jeux radiaux au niveau des bagues et les jeux internes des roulements ont été calculés à partir de la tolérance de conception, en tenant compte de la dilatation thermique dans les conditions de fonctionnement. Les détails de la boîte de vitesses d’essai réelle (jeux et microgéométrie mesurée) ont été utilisés dans le modèle pour une précision maximale de la simulation. Trois cas de charge ont été utilisés pour les essais et l’analyse afin de couvrir la plage de couple de fonctionnement. RomaxDesigner a ensuite été utilisé pour prédire les vibrations sur le carter de la boîte de vitesses, dont les résultats se sont bien comparés aux mesures de l’essai de référence (Figure 3).

L’analyse des mesures de bruit a montré que le système planétaire arrière était la source du bruit de ronflement de l’engrenage (Figure 4). Ce train d’engrenages est un arrangement planétaire inversé comprenant un engrenage solaire, trois engrenages planétaires intérieurs et extérieurs et une couronne. Le processus d’optimisation de la micro-géométrie décrit ci-dessus a été appliqué au jeu d’engrenages et une conception révisée de la micro-géométrie a été générée. La figure 3 montre une comparaison de la réponse vibratoire prédite à un endroit pour la conception de base et la conception optimisée. L’amélioration prévue est claire et significative grâce aux modifications recommandées de la conception de la micro-géométrie. Comme preuve finale de la validité de la conception optimisée, des prototypes d’engrenages ont été fabriqués et installés dans la transmission. Le bruit et les vibrations de la transmission améliorée ont été mesurés sur le banc d’essai, et les résultats de la figure 5 montrent une réduction de 6dB du bruit rayonné dans la plage de vitesse problématique et l’objectif de bruit requis a été atteint.

Conclusion

Les problèmes de bruit des machines complexes sont toujours difficiles à résoudre et le gémissement des engrenages dans les transmissions automatiques ne fait pas exception. Les méthodes démontrées ici montrent clairement qu’il est possible de le faire rapidement et de manière fiable, à condition de disposer des bons outils. La clé du succès est d’avoir la capacité de modéliser la transmission complète avec suffisamment de détails et de prendre en compte les interactions entre tous les composants simultanément. En combinant cela avec des temps de calcul rapides, l’optimisation de la conception paramétrique devient une réalité pratique.

L’étude de cas présentée ici montre qu’il ne s’agit pas seulement d’affirmations creuses. Obtenir une réduction de 6dB du bruit rayonné d’une boîte de vitesses tout en se limitant à apporter des modifications à la micro-géométrie des engrenages est une réalisation considérable dans un environnement de production de masse.

Donner aux ingénieurs des outils comme RomaxDesigner conduit à une amélioration de la qualité des produits avec une réduction des temps et des coûts de développement, non seulement lors du dépannage des conceptions existantes, mais aussi lors de la création d’une nouvelle boîte de vitesses à partir de zéro. Il est clair que concevoir les problèmes de bruit sur l’ordinateur est plus rapide et moins coûteux que d’attendre la phase de prototypage et, dans le cas d’un nouveau produit, cela conduit généralement à une meilleure conception plutôt qu’à une conception compromise par les changements correctifs mis en place pour éliminer les problèmes qui sont identifiés plus tard dans le processus de développement.

Lecture supplémentaire

1) Shin, W et al. « 6 Speed Automatic Transmission Vibration Magnitude Prediction and Whine Noise Improvement through Transmission System Modeling », SAE Paper 2011-01-1553.
2) Pears, J et al.  » An Analytical Method to Reduce Gear Whine Noise, Including Validation with Test Data « , SAE Paper 2007-01-2241.
3) Pears, J et al.  » Predicting Variation in the NVH Characteristics of an Automatic Transmission using a Detailed Parametric Modeling Approach « , 2007-01-2234.
4) Parker, R G. « A Physical Explanation for the Effectiveness of Planet Phasing to Suppress Planetary Gear Vibration, » Journal of Sound and Vibration, Vol 236, pp 561-573, 2000.