Eliminating Gear Whine

O ruído intrusivo conhecido como lamento das engrenagens é causado por vibrações geradas pelas engrenagens à medida que se enredam como resultado de imperfeições causadas pelo design, carregamento, efeitos de temperatura, e variações de fabrico. A redução do ruído das engrenagens a um nível aceitável é um grande desafio, especialmente para engrenagens complexas como a moderna transmissão automática planetária. Ferramentas avançadas de concepção, simulação e análise como RomaxDesigner dão aos engenheiros a capacidade de identificar rápida e precisamente os problemas, encontrar a causa raiz, e propor soluções realistas dentro das restrições de concepção permitidas. Com tal ferramenta, os desenhos existentes podem ser optimizados para remover problemas de ruído, e podem ser criados novos desenhos que se sabe serem isentos de problemas, mesmo antes de qualquer metal ser cortado. Aqui desenvolvemos um processo de optimização de um desenho existente para reduzir um problema de ruído e mostrar como funciona com um exemplo do mundo real.

Lamento de pêlo não tem de ser barulhento para ser um problema. É por natureza um ruído tonal, que é irritante para condutores e passageiros porque corta através de outros ruídos no interior do veículo. As mudanças perfeitas num ambiente de funcionamento perfeito não produzem ruído, mas infelizmente não vivemos num mundo perfeito. O mundo real é um mundo de tolerâncias de fabrico e montagem, e de componentes que se desviam sob as cargas que lhes fazemos passar. A diferença entre a transferência suave do movimento por engrenagens perfeitas e o que se obtém na prática chama-se “erro de transmissão”, ou “TE”. Esta é a verdadeira fonte do ruído das engrenagens. O TE causa uma vibração na malha da engrenagem que é transmitida através dos componentes internos da caixa de velocidades para a caixa, onde é directamente irradiada como ruído ou transferida através do chassis sob a forma de vibrações a serem irradiadas como ruído em outro lugar. Embora não seja o único método de controlo do chorume das engrenagens, a redução do ruído na fonte através da redução do ET é claramente uma boa ideia.

A forma habitual de ajustar o ET é através da realização de alterações à superfície do dente a um nível microscópico. Estas modificações de “microgeometria” podem ser adaptadas para reduzir o ET, mas para saber quais as alterações a fazer é necessário compreender como os dentes das engrenagens se estão a comportar a um nível microscópico. Também é preciso considerar que quaisquer alterações de microgeometria que se façam também terão impacto na durabilidade e eficiência do desempenho da caixa de engrenagens. Não é bom ter uma caixa de velocidades silenciosa que se parte após 50.000 km.

Fig. 1: Modelo RomaxDesigner de uma caixa de seis velocidades automática transaxle.

Um olhar rápido na Figura 1 dir-lhe-á que uma transmissão automática moderna é uma besta complexa, com muitas engrenagens em malha simultaneamente. Estas complexidades dificultam a previsão do comportamento de engrenagem de malha e a identificação das modificações óptimas de microgeometria necessárias. A única forma de o conseguir é considerando as engrenagens dentro do contexto da transmissão completa. Os efeitos e interacções entre todas estas engrenagens significam que uma simulação ao nível do sistema como a fornecida por RomaxDesigner da Romax Technology (uma ferramenta virtual de desenvolvimento de produto rápida e precisa com a capacidade de simular, analisar e optimizar o NVH, durabilidade e desempenho de eficiência dos desenhos mais intrincados) é uma ferramenta necessária no processo de tornar estas engrenagens silenciosas.

Simulação rápida e precisa destes comportamentos complexos é a chave para um produto melhorado. Obviamente que a precisão é importante; precisamos de ser capazes de confiar nos resultados e de tomar decisões de concepção com base neles. Quando isto é combinado com um rápido desempenho computacional, torna-se um facilitador para todos os tipos de métodos úteis de análise e optimização que se baseiam na simulação repetida de desenhos subtilmente diferentes, como veremos mais adiante.

Desafios da simulação

Optimizar o desenho de caixas de velocidades planetárias de multi-malhas apresenta uma série de problemas quando comparado com desenhos mais simples de transmissão manual, o que significa que tiveram de ser desenvolvidos métodos específicos pela Tecnologia Romax para lidar com caixas de velocidades automáticas.

Complexidade do desenho

Uma caixa de velocidades planetária automática é complexa com muitos componentes. Para a simular, precisamos de representar essa complexidade mas apenas a um nível de detalhe necessário para nos dar os resultados de que precisamos – não queremos um modelo pesado que leva muito tempo a ser executado por computador, mas precisamos de incluir detalhes onde é importante. Por exemplo, precisamos de uma descrição muito detalhada da geometria da engrenagem e de um modelo detalhado do contacto dentário da engrenagem, mas só precisamos de considerar a simulação de travões e embraiagens a um nível conceptual. Também precisamos de incluir o efeito das condições-limite da caixa de velocidades, seja no veículo ou no banco de ensaios, de modo a que o nosso modelo represente o que estamos realmente a testar.

Partilha de carga e desalinhamento

Transmissões automáticas atingem a sua alta densidade de potência dividindo a transferência de torque através de várias engrenagens planetárias simultaneamente. As deflexões do sistema devido a cargas internas, erros de fabrico e cargas radiais externas (tais como a gravidade e as da engrenagem de transferência mostradas na Figura 1) destroem a simetria do sistema planetário e resultam numa partilha desigual desse binário entre os planetas. Para piorar a situação, esta desigualdade varia à medida que o portador roda em relação ao sol e ao anel devido a alterações na rigidez do portador, aos efeitos da gravidade e a ligeiras variações na posição dos pinos do planeta dentro das tolerâncias de fabrico e montagem permitidas. O efeito de arrastamento disto é que diferentes binários em cada malha da engrenagem significam diferentes desalinhamentos em cada malha da engrenagem e estes também variam à medida que o portador gira. Uma complicação final é a interacção entre as diferentes malhas das engrenagens. Num arranjo planetário de engrenagens, uma engrenagem planetária está ligada a pelo menos duas outras engrenagens. O desalinhamento numa malha da engrenagem tem influência no desalinhamento de outras malhas da engrenagem porque todas estão ligadas pela mesma engrenagem.

O que isto significa praticamente é que a análise detalhada destas malhas da engrenagem que é necessária para prever correctamente o TE deve simular o efeito de todas as malhas da engrenagem simultaneamente (o estudo de caso na pg. 48 tem 9 malhas). Além disso, a simulação deve incluir os efeitos da variação de torque e desalinhamento à medida que os componentes rodam.

Fig. 2: Um processo para identificar e resolver um problema de ruído de choro de uma engrenagem numa transmissão automática.

No RomaxDesigner isto é conseguido através da realização de uma análise estática iterativa de toda a caixa de velocidades em várias posições diferentes de rotação do transportador para construir um perfil completo do comportamento de contacto da engrenagem considerando todas as complicações acima referidas. Este é um processo relativamente rápido devido aos algoritmos optimizados utilizados, dando uma resposta em questão de segundos.

Faseamento das engrenagens

Quando olhamos para o choramingar das engrenagens causado por um simples par de engrenagens, podemos dizer que o ruído resultante do choramingar das engrenagens é directamente proporcional ao TE. Isto significa que se descobrirmos que precisamos de reduzir o ruído em 50%, então sabemos que temos de reduzir o TE em 50%. Como com tudo o resto, a caixa de velocidades planetária não se comporta tão bem.

Na transmissão automática temos muitas malhas activas ao mesmo tempo, cada uma produzindo o seu próprio ET todos ao mesmo tempo e todos com a mesma frequência. No entanto, as fases relativas destes sinais TE nem sempre são as mesmas. O efeito sonoro combinado de todos os sinais TE em conjunto depende desta faseação. Em alguns casos, os sinais somam-se e reforçam as vibrações resultantes (e portanto o som ouvido pelo condutor); noutros, os sinais cancelam-se mutuamente e a vibração numa determinada direcção é reduzida. Estas diferenças de fase são geradas a dois níveis: a maioria deste faseamento é determinada pelo número de dentes nas engrenagens, o número e o posicionamento das engrenagens do planeta e se a caixa de velocidades como um todo é mais sensível às forças dinâmicas laterais ou de torção. Pequenas alterações no faseamento são também causadas pelo desenho da microgeometria dos dentes. Prestar atenção a este faseamento no início do processo de concepção é fundamental para uma boa concepção da caixa de velocidades.

O que isto implica é que não podemos simplesmente usar TE como medida de quão bom será o nosso desempenho em termos de ruído para uma transmissão automática, uma vez que não existe uma relação simples entre as TE de malha individual e o ruído resultante no veículo. Em vez disso, devemos usar a vibração da caixa de transmissão como medida de sucesso ou fracasso e isso significa que precisamos de um modelo dinâmico da nossa caixa de velocidades.

Resposta Dinâmica

Prever o comportamento de resposta à vibração de uma caixa de velocidades requer duas coisas: conhecimento da excitação – no nosso caso, o TE, que sabemos que os nossos métodos podem prever com precisão – e também um modelo dinâmico do sistema de transmissão completo. Podemos aplicar o TE previsto em cada malha (incluindo o faseamento) no modelo dinâmico e prever a resposta em qualquer local da caixa de velocidades. Estes podem ser comparados directamente com as medições de vibração na caixa de velocidades real. RomaxDesigner inclui a capacidade de gerar automaticamente um modelo dinâmico e calcular a resposta.

Por isso, existem muitas dificuldades associadas à simulação de lamento de engrenagens em caixas de velocidades automáticas planetárias, mas temos sido capazes de implementar métodos para lidar com estas no ambiente de desenvolvimento virtual de produtos RomaxDesigner. A seguir veremos como estes métodos podem ser utilizados num processo de resolução de problemas de lamento de engrenagens.

Fig. 3: Comparação entre a vibração medida da caixa de base, vibração simulada da caixa de base, e vibração simulada da caixa optimizada.

Problemas de resolução de problemas

Como também o desenho inicial de novos produtos, outra razão comum para optimizar um desenho para NVH é quando um desenho existente é colocado numa nova aplicação (um novo modelo de veículo ou emparelhado com um novo motor, por exemplo) e o ruído de lamúria é considerado um problema. Numa situação como esta, há muito pouca margem para grandes alterações de concepção, tais como alteração da disposição da caixa de velocidades, número de dentes, ou número de planetas. Nestes casos, a microgeometria de refinação é frequentemente considerada a única abordagem. Um exemplo de processo de optimização baseado apenas em modificações de microgeometria é aqui discutido e ilustrado mais tarde com um estudo de caso do mundo real.

O processo global de resolução de problemas é mostrado na Figura 2. O primeiro passo consiste em identificar as condições em que o problema ocorre. Isto é feito através de uma avaliação subjectiva no veículo. Isto é apoiado por uma medição quantitativa do ruído e da vibração tanto no veículo como numa bancada de ensaio. Os resultados destes testes formam os resultados de base contra os quais o ruído e a vibração da nova concepção podem ser comparados. Se os resultados do banco de ensaios apresentarem os mesmos sintomas que os resultados no veículo, então todas as outras simulações e ensaios podem ser realizados no ambiente mais controlado do laboratório. A análise destes resultados de teste também produz informação sobre qual o conjunto de engrenagens planetárias que está a causar o problema.

O passo seguinte é criar o modelo RomaxDesigner da transmissão. Este modelo deve representar o mais próximo possível da transmissão testada e as condições-limite devem representar as do teste (dentro do veículo ou banco de ensaios). Normalmente, isto significa que a microgeometria da caixa de velocidades a ser testada deve ser medida e a microgeometria exacta utilizada no modelo. As dimensões críticas, tais como as posições dos pinos do planeta, as localizações dos rolamentos da caixa e as folgas axiais e radiais dos componentes críticos devem também ser medidas para garantir que estão em conformidade com a especificação de concepção. Idealmente, estas medições deveriam ser realizadas em várias caixas de velocidades da linha de produção para verificar a variabilidade de fabrico. Se quaisquer componentes estiverem fora de tolerância (especialmente a microgeometria), então estas questões de fabrico devem ser abordadas em primeiro lugar antes de qualquer investigação adicional continuar. Em termos de condições-limite, precisamos de simular, pelo menos aproximadamente, a inércia rotativa a montante e a jusante e a rigidez de torção, bem como as condições de suporte da caixa de velocidades.

As previsões do modelo devem ser comparadas com os resultados do teste de base para confirmar que o modelo está a recriar os sintomas do problema original. Isto significa que podemos estar confiantes de que quaisquer alterações de concepção que fizermos no mundo virtual terão o mesmo efeito no mundo real e podemos agora prosseguir para a fase de optimização.

Fig. 4: Componentes das engrenagens planetárias traseiras definidas na transmissão de seis velocidades.

É importante que as condições de carga que escolhemos para a optimização não incluam apenas aquelas condições em que existe um problema de lamento da engrenagem. Também precisamos de considerar as condições em que o ruído não é percebido como irritante. Isto é para assegurar que quaisquer alterações de concepção que façamos não tenham um efeito prejudicial e evitemos a possibilidade de resolver um problema mas causem outro.

p>Os detalhes da fase de optimização do processo de resolução de problemas são expandidos na Figura 2. O cerne do processo é um estudo de sensibilidade paramétrica onde os parâmetros mais importantes são variados e o seu efeito sobre o padrão de contacto e TE identificado. No exemplo apresentado estamos apenas a considerar parâmetros de microgeometria, mas outros parâmetros poderiam ser avaliados da mesma forma. Em geral, procuramos reduzir o TE de malhas individuais e o TE combinado de todas as malhas juntas, mantendo ao mesmo tempo um padrão de contacto centralizado e uma tensão superficial aceitável para assegurar que a durabilidade não seja comprometida.

A análise de sensibilidade é realizada pela primeira vez nas malhas das engrenagens do anel do planeta e a microgeometria revista é aplicada às engrenagens do modelo (normalmente esta microgeometria é aplicada apenas às engrenagens do planeta, uma vez que o acabamento preciso de uma engrenagem interna dura ou macia é difícil num ambiente de produção em massa). O mesmo processo é então realizado nas malhas das engrenagens do plano-solar e a microgeometria revista é novamente aplicada. Lembre-se agora que uma das dificuldades com a simulação de lamentos em engrenagens planetárias é que as alterações feitas a uma malha de engrenagem afectam o desempenho de todas as malhas de engrenagens. Isto significa que temos agora de voltar atrás e repetir novamente a análise nas malhas do anel do planeta para ver se estas precisam de ser revistas. Teoricamente, poderíamos repetir este loop iterativo até se conseguir uma convergência perfeita, contudo, na prática, uma iteração é normalmente suficiente.

O nosso objectivo para quantificar o desempenho do ruído não é o TE e o padrão de contacto, mas a vibração da caixa; assim, com a fase de optimização concluída, os passos finais são confirmar que a nova resposta de vibração simulada para o desenho optimizado é reduzida a um nível aceitável. Isto é então confirmado na caixa de velocidades real por um teste de protótipo único antes da produção da transmissão com a concepção revista da engrenagem poder ser retomada.

Fig. 5: Comparação do ruído irradiado da caixa de velocidades antes e depois da optimização.

Case Study

Num documento SAE, Hyundai descreveu como utilizaram estes métodos para resolver um problema de lamento de engrenagens, numa caixa de seis velocidades automática transaxle planetária, que foi identificada por testes subjectivos. Os testes quantitativos subsequentes identificaram um aumento dos níveis de ruído na gama de binário médio a elevado (60 Nm-200 Nm), a velocidades do motor de 900 rpm-1300 rpm.

Foi criado um modelo completo de caixa de velocidades com eixos, rolamentos, engrenagens e carcaça detalhados (Figura 1). As folgas radiais nos arbustos e as folgas internas dos rolamentos foram calculadas a partir da tolerância de projecto, tendo em conta a expansão térmica em condições de funcionamento. Os detalhes da caixa de ensaio real (folgas e microgeometria medida) foram utilizados no modelo para a máxima precisão de simulação. Foram utilizadas três caixas de carga para os testes e análises para cobrir a gama de binários de funcionamento. RomaxDesigner foi então utilizado para prever a vibração na caixa da caixa de velocidades, cujos resultados foram bem comparados com as medições do teste de base (Figura 3).

Análise das medições de ruído mostrou que o sistema planetário traseiro era a fonte do ruído de lamento da caixa de velocidades (Figura 4). Este conjunto de engrenagens é um arranjo planetário em inversão, compreendendo uma engrenagem solar, três engrenagens interiores e exteriores do planeta e uma engrenagem anelar. O processo de optimização da microgeometria descrito acima foi aplicado ao conjunto de engrenagens e foi gerado um desenho revisto da microgeometria. A figura 3 mostra uma comparação da resposta de vibração prevista num local para a linha de base e o desenho optimizado. Há uma melhoria clara e significativa prevista devido às alterações recomendadas na concepção da microgeometria. Como prova final da validade do desenho optimizado, foram fabricados e instalados protótipos de engrenagens na transmissão. O ruído e vibração da transmissão melhorada foi medido no banco de ensaio, e os resultados na Figura 5 mostram uma redução de 6dB no ruído irradiado na gama de velocidade problemática e o objectivo de ruído requerido foi atingido.

Conclusion

Problemas de ruído com maquinaria complexa são sempre difíceis de resolver e o lamento das engrenagens nas transmissões automáticas não é excepção. Os métodos aqui demonstrados mostram claramente que pode ser feito de forma rápida e fiável, desde que as ferramentas certas estejam disponíveis. A chave para o sucesso é ter a capacidade de modelar a transmissão completa com detalhe suficiente e de dar conta das interacções entre todos os componentes simultaneamente. A combinação disto com tempos de cálculo rápidos torna a optimização da concepção paramétrica uma realidade prática.

O estudo de caso aqui apresentado mostra que estas não são apenas reivindicações ocas. Conseguir uma redução de 6dB no ruído irradiado de uma caixa de engrenagens ao mesmo tempo que se restringe a fazer apenas alterações à microgeometria das engrenagens é um feito considerável num ambiente de produção em massa.

Dar aos engenheiros ferramentas como RomaxDesigner leva a uma melhor qualidade do produto com tempos e custos de desenvolvimento reduzidos não só na resolução de problemas de designs existentes mas também na criação de uma nova caixa de engrenagens a partir do zero. Claramente, conceber problemas de ruído no computador é mais rápido e mais barato do que esperar até à fase de protótipo e, no caso de um novo produto, conduz normalmente a um melhor design em vez de um design comprometido por alterações correctivas postas em prática para eliminar problemas que são identificados mais tarde no processo de desenvolvimento.

Leitura Adicional

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 Planet Gear Vibration”, Journal of Sound and Vibration, Vol 236, pp 561-573, 2000.