Investigation of geartrain impact noise in diesel engines
Dizel motorlarda dişli darbe gürültüsünün incelenmesi
Yazar: ALİ TATAR
Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Burulma titreşimi = Torsional vibration ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Düz dişli = Spur gear ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Motor gürültüsü = Motor noise ; Titreşim sinyal analizi = Vibration signal analysis ; Yakıt pompası = Fuel pump ; Zorlanmış titreşim = Forced vibration ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
İçten yanmalı motorların gürültü seviyesi otomotiv sektöründe artan rekabet ve yasal düzenlemeler nedeniyle giderek önemli bir konu haline gelmektedir. Bundan dolayı, otomotiv firmalarında çalışan mühendisler motorlardaki gürültü kaynaklarını tespit edebilmek için çaba sarf etmektedirler. Özellikle seri üretime geçilmeden önce bu gürültü kaynaklarının ana sebebinin belirlenmesi çok önemlidir. Motordaki gürültü kaynakları tasarım aşamasında tespit edildikten sonra motordaki titreşim ve gürültüyü azaltmak için iyileştirmeler yapılmaktadır. Dizel motorların benzin motorlarına nazaran daha gürültülü olarak çalıştıkları bilinen bir olgudur. Esasında bunun nedeni dizel motorlarda yanmanın benzin motorlarına göre yüksek basınçlarda gerçekleşmesidir. Özellikle ağır vasıta dizel motorlarda çok yüksek silindiriçi basınçları oluşmaktadır. Bu yüksek silindiriçi basınçlar dizel motorlardaki mekanik gürültünün de artmasına sebebiyet vermektedir. Ayrıca bu yüksek silindiriçi basınçlardan dolayı dizel motorlarda titreşim ve gürültü seviyeleri benzin motorlarına göre daha yüksek olmaktadır. Sonuç olarak, dizel motorların gürültü seviyesi benzin motorlarına kıyasla daha fazla önem arz etmektedir. İçten yanmalı motorlarda gürültü esas olarak iki grupta incelenmektedir. Bunlar yanma gürültüsü ve mekanik gürültülerdir. Motorlarda zaman ayar dişlileri mekanik gürültüye neden olan en önemli parçalarından biridir. Özellikle ağır vasıta motorlarda krank milinden kam miline ve diğer tahrik edilen motor parçalarına güç ve kuvvet aktarımı dişli sistemleriyle gerçekleştirilebilmektedir. Bunun nedeni ağır vasıta motorlarda aktarılan kuvvet ve gücün yüksek olmasıdır. Kayış veya zincir sistemlerinin kullanılması bu denli yüksek güç ve kuvvetlerin krank milinden kam miline aktarılmasında fiziksel kısıtlamalar nedeniyle mümkün olmamaktadır. Aksi takdirde zincir ve kayış sistemleri kullanıldıklarında, yüksek kuvvetlerden dolayı bu sistemlerde dayanım ve ömür problemlerinin oluşacağı aşikardır. Temel olarak, dişli gürültüsü iki gruba ayrılmaktadır. Bu gürültüler dişli tıkırdama (rattle) ve dişli uğultu (whine) gürültüsüdür. Bu tez çalışmasında bu iki gürültüden biri olan dişli tıkırdama gürültüsü incelenmiştir. Dişli tıkırdama gürültüsünün ana nedeni dişliler arasındaki boşluktan kaynaklı çarpma olduğu için bu tez kapsamında dişli darbe gürültüsü olarak ifade edilmiştir. Ayrıca tıkırdama şanzımanlarda yüksüz dişlilerde gevşek parça titreşmesi olarak ifade edildiği için, motorlardaki zaman ayar dişlileri için dişli darbe gürültüsü ifadesinin kullanılmasının daha uygun olacağına kanaat getirilmiştir. Bununla birlikte motorlarda tam yük durumunda zaman ayar dişlilerinde en yüksek darbe gürültüleri oluşmaktadır. Bu açıdan bakıldığında şanzımanlardaki yüksüz dişlilerde oluşan tıkırdama gürültüsüyle motor zaman ayar dişlilerinde tam yükte etkisi daha fazla gözüken darbe gürültüsü birbirinden ayrılmaktadır. Diğer önemli dişli gürültüsü olan dişli uğultu gürültüsü dişli kavrama frekansıyla ilişkilidir. Dişli uğultu gürültüsü dar bant bir gürültüdür; başka bir deyişle tonal bir karaktere sahiptir. Bu gürültü tipi motor dönüş hızına bağlı olduğu için mertebe takibi metoduyla teşhis edilmesi dişli darbe gürültüsünün tespit edilmesine göre daha kolaydır. Çünkü dişli darbe gürültüsü geniş bantlı bir gürültüdür. Ayrıca bu gürültünün frekansı motor hızına bağlı olarak da değişmez. Bundan dolayı mertebe takibi metoduyla motorlardaki dişli darbe gürültüsünün tespiti mümkün değildir. Özetle motorlarda dişli darbe gürültüsünün tespit edilmesi oldukça zordur. Dişli darbe gürültüsünün oluşmasındaki ana neden dişli çiftlerinin birbirleri arasındaki teması kaybederek dişli boşlukları arasında birbirlerine göre göreceli olarak yaptıkları hareketlerdir. Dişlilerin birbirleri arasındaki teması kaybederek yaptıkları bu göreceli hareketler dişliler arasında çarpmaya neden olmaktadır. Bu çarpma da dişlilerdeki darbe gürültüsünün oluşmasının nedenidir. Bunlarla birlikte dişlilerdeki hız, tork dalgalanmaları ve burulma titreşimleri dişlililer arasında oluşan çarpma kaynaklı darbe gürültüsünü tetiklemektedir. Dizel motorlardaki yük durumu dişli darbe gürültüsünün yayılması üzerindeki diğer bir önemli faktördür. Motor yük durumu arttıkça dişli darbe gürültüsü yüksüz duruma göre daha yüksek seviyede olmaktadır. Öte yandan, dişli darbe gürültüsü rölanti çalışma koşulunda daha duyulur hale gelmektedir. Bunun nedeni ise yüksüz ve düşük hız durumlarında yanma gürültüsünün ve diğer gürültülerin etkisini kaybetmesidir. Böylelikle dişli darbe gürültüsü, yanma gürültüsüyle ve diğer gürültülerle maskelenemeyerek duyulabilir hale gelmektedir. Bu tezin ana amacı dizel motorlardaki dişli darbe gürültüsü üzerinde etkili olan faktörlerin belirlenmesi ve dişli darbesinin arka planındaki teorinin ortaya konulmasıdır. Tezin ikinci bölümünde dişli dinamiği, dişli darbesi, dişli gürültü ve titreşimi ile ilgili teorik bilgiler verilmiştir. Altı silindirli bir motor için krank milinin burulma titreşimi analizi izah edilmiştir. Ek olarak krankşaft burulma titreşimi analizinin teori kısmında anlatılmasının nedeni krankşaft burulma titreşimi üzerinde etkili olan faktörün dişli darbesi üzerinde de etkili olmasındandır. Deneysel çalışmaların incelenmesinde kullanılmak üzere titreşim ve akustik analiz metotları da bu bölümde gösterilmiştir. Dizel motorlarda dişli darbe gürültüsü üzerinde etkili olan parametrelerin tespiti için altı silindirli bir ağır vasıta motor üzerinde yapılan sayısal ve deneysel çalışmalar sırasıyla tezin üçüncü ve dördüncü bölümlerinde detaylıca anlatılmıştır. Bahsi geçen altı silindirli ağır vasıta motorun zaman ayar dişlilerinin hepsi alın dişlilerden oluşmaktadır. Helisel dişlilerden oluşan zaman ayar dişlileri bu tez kapsamında incelenmemiştir. Motor zaman ayar dişlilerindeki darbe seviyesinin belirlenmesi için sayısal çalışmalardan ilki özel bir metot olan çarpma itme (impact impulse) metoduyla yapılmıştır. Bu metotta fizik derslerinden temel olarak bilinen itme – momentum prensibi kullanmaktadır. Dişliler arasında çarpma esnasında oluşan kuvvetin çarpma süresi boyunca integralinin alınmasıyla çarpma itme değerleri elde edilmektedir. Ayrıca bu metot sayısal olarak zaman ayar dişlilerinde darbe açısından kritik dişli çiftlilerinin belirlenmesine yardımcı olmaktadır. Altı silindirli dizel motorda yapılan çarpma itme analiziyle krankşaft dişlisi ve krankşaft avare dişlisi arasında oluşan darbe seviyesinin en yüksek değere sahip olduğu belirlenmiştir. Aslında bunun nedeni krankşaftının üzerindeki burulma titreşimlerinin ve hız düzensizliğinin diğer dişlilere göre daha fazla olmasındandır. Bunlardan başka motor zaman ayar dişlilerinin darbeleri üzerinde etkili olan parametrelerden dişli yükleme etkisi, yakıt pompası fazlama etkisi, motor hızı etkisi ve dişli boşluğu etkisi çarpma itme metotu analiziyle incelenmiştir. Bu analizlerle yakıt pompası fazlamasının ve dişli yüklemenin dişli darbe gürültüsü üzerinde en fazla etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Dişli yüklemesinin dişli darbe gürültüsünü azaltma yönünde etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Yakıt pompası fazlamasının ise fazlama açısına göre dişli darbe gürültüsü üzerinde olumlu veya olumsuz etkisi olabilmektedir.  Sonuç olarak ise dişli yükleme ve yakıt pompası fazlamasının, dişli boşluğuna kıyasla dişli darbe gürültüsü üzerinde daha fazla etkisi olduğu görülmüştür. Motor zaman ayar dişlilerindeki darbe gürültüsünün incelenmesi için deneysel çalışmalar motor akustik dinamometresinde ve araç üzerinde yapılmıştır. Altı silindirli dizel motorun darbe gürültüsü kaynakları akustik kamera kullanılarak motor akustik dinamometresinde tespit edilmiştir. Ayrıca ivmeölçer ve mikrofon ölçümleriyle de akustik kamera ölçümleri doğrulanmıştır. Akustik kamera ölçümleriyle motorda zaman ayar dişlilerin bulunduğu taraf olan motorun arka tarafı en yüksek gürültü seviyesine sahip bölge olarak belirlenmiştir. Ayrıca darbe gürültüsüne neden olan frekanslar da akustik kamera, ivmeölçer ve mikrofon ölçümleriyle belirlenmiştir. Sayısal çalışmalarda kullanılan çarpma  itme analizlerine benzer şekilde yakıt pompası fazlaması ve dişli boşluğu etkileri motor akustik dinamometresinde, dişli yükleme, dişli boşluğu ve motor hızı etkileri ise araç üzerinde deneysel olarak incelenmiştir. Sonuç olarak yakıt pompası fazlamasının ve dişlilerin yüklenmesinin dişli darbe gürültüsü üzerinde çok önemli etkisi olduğu deneysel olarak ispatlanmıştır. Ayrıca yağ pompasına güç aktaran dişli çiftinin dişli boşluğunun azaltılmasının darbe gürültüsü üzerinde az bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, kritik dişli çiftlerinde dişli boşluk değerlerinin kaydırılabilir avere dişlisiyle değiştirilmesinin dişli darbe gürültüsü üzerinde dikkate değer bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Dişli boşluğu arttıkça dişli darbe gürültüsünün de parelel bir şekilde arttığı görülmüştür. Sonuç olarak dişli boşluğunun darbe gürültüsü üzerinde etkisinin kritik dişlilerde daha fazla olduğu görülmektedir. Motor silindirleri arasında oluşan basınç farkları krankşaft üzerindeki burulma titreşimlerini arttıran önemli faktörlerdendir. Motor dinamometresi testleri kapsamında silindiriçi basınçlar da ölçülmüştür. Sonuç olarak silindirler arasında basınç farklılıklarının oluştuğu deneysel olarak gözlemlenmiştir. Motor zaman ayar dişlilerin bulunduğu muhafazalar dişli darbe gürültüsünün yayılmasında önemli rol oynamaktadırlar. Muhafazalar üzerine kaburga tasarımı yapılarak yapısal davranışları değiştirilebilmektedir.  Bu amaç doğrultusunda değişik tasarımdaki muhafazalar üzerinde çekiç testi yapılarak muhafazaların yapısal davranışları incelenmiştir. Muhafazaların yapısal davranışlarının değişik tasarımlarla dikkat çekici bir şekilde değiştiği görülmüştür. Özellikle darbe frekanslarıyla çakışan muhafazaların doğal frekansları, tasarım değişiklikleriyle kontrol edilebilmektedir. Teori bölümünde gösterilen krankşaft burulma titreşimi analizi sayısal ve deneysel çalışmalarla da yapılmıştır. Motor ateşleme frekansının temel harmoniğinin burulma titreşimleri üzerinde tetikleyici unsur olduğu sayısal ve deneysel çalışmalarla gösterilmiştir. Benzer şekilde, ileri sinyal işleme yöntemlerinden olan envelope analizi ve cepslope (cepstrum + envelope) analiziyle de motor ateşleme frekansının tekrarlamasının dişli darbe gürültüsü üzerinde tetikleyici bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak, 6 silindirli bir motor için 3 olan motor mertebesinin dişli darbesini tetiklediği ispatlanmıştır. Tezin sonuç kısmında sayısal ve deneysel çalışmalarla elde edilen sonuçlar detaylı olarak ele alınmıştır. Motor zaman ayar dişlileri için yazarın tasarım önerileri ve gelecekte bu konuyla ilgili yapılabilecek çalışmalar ifade edilmiştir.

Abstract:
Overall noise level of internal combustion engines has always been an important issue in the automotive industry due to the competition between automotive manufacturers as well as legislative regulations. Thus, automotive manufacturers aim to determine engine noise sources and their root causes before mass production, and also they take applicable precautions in order to prevent engine noise problems within the NVH considerations during design and development phases. It is well known that diesel engines are noisier than gasoline engines since diesel engines have higher gas pressure in combustion chamber during combustion process compared to gasoline engines. This also affects mechanical noise problems in diesel engines, which can cause higher vibration and noise levels compared to those of gasoline engines. Therefore, overall noise levels of diesel engines are more crucial than those of gasoline engines. Mainly, radiated noise of internal combustion engines are examined in two categories as combustion noise and mechanical noise. Geartrain noise is one of the most significant mechanical noise contributors in diesel engines, especially in heavy-duty diesel engines. Fundamentally, there are two important gear noise types in geartrains, which are classified as gear impact (rattle) noise and gear meshing (whine) noise. This thesis aims to focus on geartrain impact noise which is also referred to as gear hammering or rattle noise. Likewise, gear meshing noise is named as gear whine noise in the automotive industry. Gear meshing noise, a kind of tonal noise, frequency of which is proportional to the engine order hence its diagnosis is easier with NVH measurements. Gear impact noise, on the other hand, is known as broadband noise, therefore its root cause analysis is more difficult by gear fault diagnosis compared to root cause analysis of gear meshing noise. The main reason for the occurrence of gear impact is that relative motion between gear teeth leads to loss of contact which in turn results in impact between gears creating impact noise. Moreover, speed and/or torque fluctuations of geartrain members and torsional vibrations of engine crankshaft and geartrain members dominate these gear impacts. Operating conditions in diesel engines are also important factor for radiation of impact noise from engine surfaces. Higher loads in the engine cause higher impacts between gears, hence gear impact noise increases with respect to loads. Especially, the gear impact noise becomes a significant noise source in engine full load conditions. On the other hand, gear impact noise becomes more audible at lower engine speed due to the low levels of combustion noise as well as low levels of other mechanical noise. The main objectives of this thesis are to determine the effective parameters on geartrain impact noise in diesel engines and to understand the background theory of gear impacts. In the second chapter, background theory of gear impacts, dynamics, noise and vibration are introduced, and torsional vibration analysis of crankshaft is described. Furthermore, vibration and acoustic analysis methods for experimental studies are presented. For the determination of effective parameters on geartrain impact noise in diesel engines, numerical and experimental studies, which are respectively presented in chapters three and four, are conducted on a six cylinder heavy-duty diesel engine, geartrain of which are made of spur gears. Numerical analyses of geartrain impact are performed by using impact impulse method which is a special analysis method for the evaluation of impact noise level. Critical gear meshes in engine geartrain is determined by geartrain impact impulse analyses. The analysis results show that crankshaft gear and crankshaft idler gear mesh is the most critical gear mesh for geartrain impacts. Moreover, significant parameters on geartrain impacts, which are backlash, engine speed, gear loading and fuel pump phasing, are determined by the impact impulse analysis. As a result, gear loading and fuel pump phasing are determined as the significant factors on gear impacts rather than backlash effect. Experimental studies of geartrain impact noise are conducted with the help of NVH tests in engine dynamometer and NVH tests on the vehicle. Impact noise source on the heavy- duty diesel engine is detected in acoustic dynamometer by using acoustic camera measurement and "vibration and acoustic measurement comparisons". Results of experimental studies show that geartrain side of the heavy-duty diesel engine has the highest noise contribution to the overall noise level of the engine. Significant parameters on impact noise are experimentally investigated by fuel pump phasing test, backlash iteration test in engine dynamometer and gear loading test, idler backlash test and engine speed test on the vehicle. In accordance with the results of  the numerical analyses, experimental results also confirm that fuel pump phasing has strong effect on gear impact noise at full load conditions and gear loading has significant effect on gear impact noise at idle operating condition. Moreover, it is observed experimentally that oilpump backlash has minor effect on geartrain impact noise compared to fuel pump phasing and gear loading effect. However, backlash effect on gear impact noise is clearly seen on the gear mesh between camshaft gear and camshaft idler gear. Pressure variations between cylinders are also measured in engine dynamometer, and results show that cylinder to cylinder pressure variations occur in the heavy-duty engines. It is well known that cylinder to cylinder pressure variation has adverse effects on crankshaft torsional vibrations. Housing FRF test is also another conducted experimental study in order to establish the housing effects on geartrain impact noise. Result of housing FRF tests show that design of housing has crucial effect on structural behavior of housing which can also cause higher noise radiation from housing surface due to the gear impacts. Finally, torsional vibration analyses are carried out by both numerical analyses and experimental studies, and it is observed that combustion order, especially the combustion fundamental order, which is the third engine order for a six cylinder engine, dominates the crankshaft torsional vibrations. Likewise, envelope analysis and the new analysis method developed and named in this thesis as cepslope (cepstrum + envelope) reveal the repetition of the combustion orders. Furthermore, they prove that combustion fundamental order is one of the most important parameter on gear impacts. In the conclusion chapter, numerical and experimental studies are evaluated and compared in order to determine the effective parameters on gear impact noise. At the end, geartrain design recommendations and future research recommendations for the subject of this thesis are expressed in some detail.