Silecek sistemlerinde kullanılan dişli çark mekanizmaları için gürültü analizi
The acoustic analysis of the gearbox of the wiper system
Yazar: MUSTAFA ERDEM KAFALI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Otomobil cam sileceği = Automobile front glass wipers ; Plastik dişli çark = Plastic gear

Özet:
Gürültü, titreşim ve sertlik (NVH), araç içinde sürücü ve yolcuların konforuna ve hatta güvenliğine doğrudan etkiye sahip önemli konulardandır. Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişmeler, araçların NVH performanslarını önemli ölçüde iyileştirmekte, bu durum daha sessiz çalışan araçların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Özellikle son yıllarda içten yanmalı motorların yerini elektrik motorlarının alması, içten yanmalı motorun ve ona bağlı güç iletim mekanizmasından kaynaklı gürültünün yok olmasına, dolayısı ile NVH performanslarına çok önemli iyileştirmenin sağlanmasına neden olmuştur. Motor ve güç iletim mekanizmalarından kaynaklı gürültünün kaybolması, silecek mekanizması, direksiyon sistemi, pencere sistemi vb. yan sistemlerin yarattığını gürültünün, fark edilebilir olmasına yol açmıştır.

Araç içi gürültüsü, sürücü ve yolcuların konfor ve güvenliğini etkileyen önemli unsurlardan birisidir. Bu nedenle toplam gürültünün belirli bir seviyenin altında tutulması, ulusal ve uluslararası anlaşmalar ile zorunlu tutulmaktadır. Elektrikli araçları ortalama ses basıncı seviyelerinin 55- 60 $dB$ arasında olması, yan sistemlerden kaynaklı gürültünün azaltılması üzerine çalışmaları artırmıştır. Silecek sistemi kaynaklı gürültü üzerine yapılan çalışmalar son dönemde artmış, ancak yapılan çalışmaların ağırlıklı olarak silecek bıçağı- cam teması üzerine yoğunlaştığı tespit edilmiştir. Silecek mekanizmasında kullanılan dişli çark mekanizması kaynaklı gürültü üzerine yapılan akademik çalışmalar literatürde sınırlıdır. Bu nedenle, bu tezin amacı olarak daha sessiz çalışabilecek bir dişli çark mekanizması önerisi hedeflenmektedir.

Sunulan çalışmada, silecek sistemlerinde hız ve moment dönüşümü için kullanılan dişli çark mekanizmasının gürültü seviyesini azaltmaya yönelik tasarım çalışması yapılmıştır. Silecek mekanizmasında ağırlıklı olarak sonsuz vida ve helisel dişli çark mekanizmaları kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında, bu mekanizmaların gürültü seviyeleri, bilgisayar ortamında akustik analizleri yapılarak incelenmiş, ayrıca öneri olarak sunulan planet mekanizmalarının ses basıncı analizleri gerçekleştirilip karşılaştırılmıştır. Ek olarak, dişli çark malzemesinin gürültü seviyesine etkisinin de incelenmiş, çelik ve polimer malzeme çiftleri üzerinde çalışılmıştır. Analizler COMSOL paket programı üzerinden gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, elastik dişli çark kabulü ile yaylanma rijitliği, temas analizi ile hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, çok gövdeli dinamik analiz modeline entegre edilerek, dişli çark mekanizmasının dinamik analizi gerçekleştirilmiş ve bileşenlerin zamana bağlı ivmelenmesi hesaplanmıştır. Zamana bağlı elde edilen ivmelenme verisi, ses basıncı analizinde içsel alan sınırlaması olarak belirlenip, dişli çark mekanizmasında oluşan titreşimin ses basıncında oluşturduğu değişim Helmholtz Denklemi ile COMSOL programı aracılığı ile çözdürülmüştür.

Polimer ve metal malzemelerin dişli gürültüsüne etkisi üzerine yapılan incelemede, metal- metal dişli çiftinin en yüksek gürültü seviyelerine sahip olduğu gözlenmiştir. Metal- polimer dişli çark çiftinin ise polimer- polimer dişli çark çiftine göre daha sessiz çalıştığı görülmüştür. Çeliğe göre çok daha düşük elastikiyet modülüne sahip polimerden oluşan dişli çiftinde, sistem rijitliğinin düşük olması, hareket esnasında oluşan titreşimi artırmaktadır. Ek olarak, literatürde bir parçanın diğer parçayı, görece kolay aşındırabildiği eş çalışan sistemlerde titreşimin daha düşük olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçların bu durumlardan kaynaklandığı söylenebilir. Helisel dişli çark mekanizması ve planet mekanizması arasında yapılan karşılaştırmada, aynı çevrim oranı, giriş hızı ve yükle elde edilen ses basıncı seviyelerinde planet mekanizmasının önemli oranda daha sessiz çalıştığı tespit edilmiştir. Helisel dişli çark mekanizmasında temas noktasının, planet mekanizmasında güneş dişlisinin merkez noktasının, 200 $mm$ çapında elde edilen gürültü seviyelerinde helisel dişli çark mekanizmasında ortalama $65$ dB, planet mekanizmasında ortalama $60$ dB olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçların, planet mekanizmasında yataklama sayısının helisel dişli çark mekanizmasına göre daha fazla sayıda olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Çevresel hızın dişli gürültüsüne olan etkisini araştırmak için yapılan analiz sonuçlarında giriş devri iki katına çıkarıldığında, ses basıncı seviyesinin tüm dişli çark mekanizmalarında arttığı görülmektedir. 

Silecek sistemlerinde yaygın kullanılan sonsuz vida mekanizması ile planet mekanizması karşılaştırıldığında, planet mekanizması için elde edilen ses basıncı seviyeleri sonsuz vida mekanizması için elde edilen ses basıncı seviyelerinden daha düşüktür. Bu sonucun nedeni olarak, sonsuz vida mekanizmalarındaki diş temasında baskın olarak görülen kayma hareketi olduğu düşünülmektedir. Kaymadan dolayı oluşan sürtünme gürültüsü, planet mekanizmalarındaki diş temasında baskın karakterdeki yuvarlanma hareketine kıyasla daha yüksek olduğu düşünülmektedir. Silecek sistemi tasarımlarında sonsuz vida yerine planet mekanizması kullanımı, silecek sisteminin daha düşük gürültü seviyelerinde çalışmasına fayda sağlayabilir. 

Bu tez çalışmasında oluşturulan akustik analiz modeli, gelecek çalışmalar ile genişletilebilir. Diş geometrisi kaynaklı hataların model içerisine entegre edilerek kusursuz diş geometrisi kabulünden kusurlu diş geometrisine geçilmesi ile model genişletilebilir. Diş temasında elastohidrodinamik yağlama durumunun model içerisinde entegre edilerek yağlayıcı reolojisinin dişli gürültüsüne etkisi incelenebilir. Ayrıca, dişli kutusunun sistem içerisine dahil edilerek dişli kutusunun gürültüye etkisinin incelenebilir.

Abstract:
Noise, vibration, and harshness (NVH) are important factors that directly impact the comfort and even the safety of drivers and passengers inside a vehicle. Technological advancements in the automotive industry have significantly improved the NVH performance of vehicles, resulting in quieter operation. In recent years, the shift from internal combustion engines to electric motors has eliminated noise generated by internal combustion engines and their associated power transmission mechanisms, leading to significant improvements in NVH performance. The reduction in noise from the motor and power transmission mechanisms has brought attention to noise generated by ancillary systems such as wiper mechanisms, steering systems, window systems, and others.

In-vehicle noise is a crucial element affecting the comfort and safety of drivers and passengers, and therefore, maintaining the total noise level below a certain threshold is mandated by national and international agreements. The push for electric vehicles with average sound pressure levels between 55 to 60 dB has spurred efforts to reduce noise from ancillary systems. The wiper system consists of four main components: electric motor, gear wheel mechanism, four-arm mechanism, and wiper blades.While recent studies have focused on noise generated by wiper mechanisms, the majority of these studies have centered on the wiper-blade-to-glass interface. While there are numerous academic studies available on gear noise in the literature, there is a limited number of noise analysis studies specific to the gear mechanisms used in wiper systems. Due to the knowledge gap in the literature regarding the modeling of gear noise, this thesis aims to primarily focus on the development of acoustic models for gear mechanisms. Accurately modeling gear noise can assist in the selection of gear mechanisms for wiper systems before relying on experimental results, potentially contributing to a faster and more cost-effective design process.

The selection of suitable gear mechanisms for quieter functioning wiper systems can play a crucial role in the vehicle's Noise, Vibration, and Harshness (NHV) performance. Therefore, in this study, in addition to creating acoustic models for gear mechanisms, the objective is to propose quieter gear mechanisms for wiper systems.


In this thesis work, a design study aimed at reducing the noise levels of gear mechanisms responsible for speed and torque conversion in wiper systems was conducted. The noise levels of commonly used worm and helical gear mechanisms for wiper systems were examined through acoustic analysis. Additionally, sound pressure analyses were performed on suggested planetary gear mechanisms and compared. Furthermore, a noise study was conducted on steel and polymer gear materials to assess the impact of gear material properties on noise. The analysis was carried out using the COMSOL package program. 

Initially, the gear contact stiffness are calculated throguh contact pair module in COMSOL to assume elastic gear contact. The mesh stiffness data obtained first analysis were integrated into a multi-body dynamic analysis model to perform a dynamic analysis of the gear mechanism, and the time-dependent acceleration of components was calculated. The gear mesh are assumed elastic and frctional contact. The backlash and transmission errors are neglected at the gear mesh models. The time-dependent acceleration data were used to solve the change in sound
pressure caused by gear mechanism vibration using the Helmholtz equation within the COMSOL program. The mechanism models are defined as a domain to be subtracted from air domain. Air domain is defined as acoustic domain to calculate sound pressure level which is effected by the acceleration of the gear mechanism models. 

According to these results, the lowest average sound pressure level is achieved when the pinion gear is made of steel and the driven gear is made of PEEK. The highest average sound pressure level is obtained when both gears are made of steel. It is known in the literature that metal-metal contact generates higher noise levels compared to non-metallic pairs. Therefore, the high sound level obtained with the metal-metal pair aligns with expectations. The transition from metal to plastic materials to reduce noise levels is a common engineering practice. Polymer materials have a lower modulus of elasticity compared to steel, leading to greater deformation under the applied load. On the other hand, polymers with viscoelastic properties have vibration damping capabilities due to their time-dependent deformation characteristics. The absorption of vibration results in lower noise generation in polymer gears during power transmission. In light of this assessment, the results obtained in the transition to polymer materials are consistent with the literature knowledge.

When comparing the steel-PEEK gear pair to the PEEK-PEEK gear pair, it can be observed that the sound pressure levels obtained in the steel-PEEK gear pair analysis are lower. When examining the acceleration data obtained from the dynamic analysis of both models, it is evident that the acceleration in the steel-PEEK gear pair is of lower magnitude. This can be explained by the fact that the steel-PEEK gear mechanism is more rigid. Based on these results, it can be concluded that the polymer-steel combination for gear mechanisms selected for wiper systems may yield better results in noise-focused design.

Worm gear mechanism exhibit a different tooth contact behavior compared to helical and other gear mechanism. In helical gear mechanism, tooth contact primarily involve rolling motion between the teeth. However, in worm gear mechanism, the dominant motion characteristic in tooth contact is sliding. From a tribological perspective, the occurrence of sliding and high friction on the contacting surfaces in infinite screw mechanisms leads to an increase in friction noise. In planetary gear mechanisms, the tooth contact involves either helical or spur gear tooth contact, making rolling motion the dominant characteristic. As a result, friction is lower compared to the tooth contact in infinite screw mechanisms. Additionally,the parameters significantly affecting noise, such as transmission errors and backlash are neglected in dynamic models and only factors like mesh stiffness and tooth friction were considered. Therefore, it can be inferred from the model designs in this study that planetary mechanisms may operate at lower noise levels compared to infinite screw mechanisms.

The effects of speed, which is one of the most critical parameters influencing noise levels in gear mechanisms, have also been examined. Sound pressure levels obtained for input speeds of 1450 and 2900 RPM are provided. According to these results, as the speed increases, an increase in sound pressure levels is observed. A similar conclusion can be drawn for planetary gear mechanisms as well.

In conclusion, acoustic analyses were conducted on the gear mechanisms used in wiper systems, and acoustic models were established as an initial step for future studies. These models, which serve as alternatives to experimental methods, include helical gear mechanisms, worm gear mechanisms, and planetary gear mechanisms. When analyzing the effects of material on gear noise, it can be concluded that the lowest sound pressure level is achieved with the steel-polymer pair when comparing polymer and steel material pairs. In noise-focused design studies, polymer-polymer or metal-polymer pairs may be preferred, as they can operate more quietly compared to metal-metal pairs. Additionally, the analysis results investigating the effect of operating speed on gear noise show that an increase in operating speed leads to higher sound pressure levels.

As an alternative to the commonly used worm gear mechanism in wiper systems, the planetary gear mechanism has been considered. The analysis studies suggest that using a planetary gear mechanism instead of a worm gear mechanism may lead to noise level improvements within the scope of the mechanism designs and model parameters conducted in this study. However, it should be noted that in practice, gear noise is a result of a system with many variables, including friction, transmission errors, backlash, lubrication properties, operating conditions, and environmental factors, among others.

The acoustic analysis model developed in this thesis can be expanded upon in future studies. Integration of gear geometry-related errors into the model, transitioning from perfect gear geometry assumptions to flawed gear geometry, is one potential expansion. Investigating the impact of lubricant rheology on gear noise by incorporating elastohydrodynamic lubrication conditions at gear contacts can also be explored. Furthermore, by including the gear case into the system, the effect of the gear case on noise can be studied.